生物质炭对污染土壤水稻、小麦籽粒镉、铅吸收的影响

摘要

随着工业的发展及农作中农药化肥的大量使用，农田土壤受到重金属等污染的现象日趋严重。而水稻、小麦作为中国的主要粮食作物，在污染土壤上，稻米和小麦对重金属的吸收、积累使其品质安全受到严重威胁，进而通过食物链危及人类身心健康。使得人们越发重视对土壤环境治理以及农产品安全的防护，因此，降低小麦、稻米重金属富集的农田技术措施显得格外重要。生物质炭是作物秸秆等生物质材料在限氧或无氧条件下经低温或相对低温(＜700℃)热裂解而产生的一种含碳丰富、难溶、稳定、高度芳香化的固体物质，以其致密的微孔结构和巨大的比表面积以及极强的吸附能力而被用作吸附材料;同时，其高pH值和较强的离子交换能力，使得其对重金属离子具有极强的络合、螯合等固定作用，从而有效降低土壤重金属的作物富集，在控制和治理土壤重金属污染方面具有广阔的应用前景。 本研究以水稻为对象，按质量比分别施用0、1％、2％的小麦秸秆生物质炭，研究Cd、Zn复合污染下，生物质炭对土壤Cd、Zn生物有效性的以及水稻对Cd、Zn吸收的差异;同时，以小麦为对象，选择Cd、Pb污染旱地，基于三年的田间试验，一次性分别施用0、20、40t/hm2的小麦秸秆生物质炭，探究生物质炭对污染土壤重金属有效性和作物吸收的影响以及生物质炭影响作用的持效性，以期为生物质炭在农业土壤重金属污染治理上的应用提供理论依据。 主要研究结果如下: (1)无论旱地还是水田，施用生物质炭均能显著改善土壤理化性质，提高土壤pH值及土壤有机碳含量，其中盆栽实验的土壤有机碳含量随施炭量的增加而增加，增幅范围为33.47％-114.63％，为水稻及小麦的生长提供良好条件，保证了水稻及小麦的稳产。 (2)Cd、Zn单一污染土壤中，均在土壤Cd、Zn浓度较高时，施加生物质炭能显著降低土壤CaCl2-Cd及CaCl2-Zn的含量，其中CaCl2-Cd的降幅分别为22.99％和17.77％;CaCl2-Zn的降幅分别为28.89％和18.63％,但不同施炭量之间无显著差异。对于Cd-Zn复合污染，生物质炭对土壤Cd污染水平较高时其作用更为明显，最大降幅为50.92％，但随着Zn浓度的增加，作用效果有所减弱;同样，对Zn的作用效果也随Cd浓度的增加而有所减弱。 (3)Cd、Zn单一污染土壤中，随着土壤中Cd浓度的增加，生物质炭对籽粒及根中Cd吸收的抑制作用减弱，最终主要表现为对茎秆Cd吸收的抑制，与对照相比，生物质炭对籽粒、茎秆及根中Cd的最大降幅分别为29.41％、42.85％、43.89％。 (4)在Cd-Zn复合污染时，随着土壤Zn浓度的增加，施炭处理对籽粒Cd的抑制作用越明显;而随着土壤Cd浓度的增加，生物质炭对水稻根Zn的抑制作用有所降低，其中土壤Cd达到最大模拟浓度Cd3时，施炭处理与对照之间的根Zn含量无显著差异，但籽粒Zn含量与根Zn含量无相关性;而Cd、Zn在水稻植株的总体分布特征表现为:根＞茎秆＞籽粒。 (5)生物质炭对小麦籽粒Cd、Pb吸收的抑制作用因受到土壤污染程度及施炭量的影响，对籽粒Cd吸收的影响以高施炭处理作用效果最佳，其中，各处理的SN和JZ的小麦籽粒Cd含量分别为0.19-0.29mg·kg-1和0.28-0.35mg·kg-1，仍高于国家食品安全标准限值(0.1mg·kg-1)。连续三年里生物质炭对籽粒Cd吸收的影响以第三年的高施炭量低污染水平的作用效果最佳，小麦籽粒Cd含量降幅达17.39％;对籽粒Pb吸收的影响，以低施炭量低污染水平的作用效果最佳，连续三年籽粒Pb含量较对照显著降低27.78％、30.77％、67.19％，呈增长趋势。 (6)生物质炭对小麦Cd、Pb的吸收影响最初主要是通过提高土壤pH值及有机碳含量而降低土壤Cd、Pb的生物有效性，充分发挥了生物质炭的石灰效应。其中，在第一年的B40处理较对照两试验点的CaCl2-Cd和CaCl2-Pb含量分别显著降低17.64％、49.72％和26.68％、47.18％;受自然条件及时间变化的影响，生物质炭在连续三年里的作用效果波动较大，并且Cd、Pb因自身性质的差异，影响程度也有所不同。其中以土壤Cd、Pb形态的变异较大，相较于第一年，2015年两地CaCl2-Cd和CaCl2-Pb含量最大分别增加了3.44、0.25倍和5.01、6.89倍;2016年两地CaCl2-Cd和CaCl2-Pb含量最大分别增加了13.01、3.98和0.88、1.43倍。土壤CaCl2-Cd含量在连续三年里呈增长趋势，增幅分别达160％和210％。 (7)受到包括生物质炭在内的多种因素的影响，土壤Cd、Pb的形态随时间发生巨大的变化。其中Cd的第一年各形态分布主要以酸可溶态(F1)为主，占总量(F1+F2+F3+F4)的60％以上，随着时间的延长，酸可溶态的占比逐年减少，可还原态(F2)则在逐年增长。石牛的Cd的有效态含量(F1+F2+F3)随着时间的变化由最初的90％下降至61％;而贾庄的同一值则一直保持在84％左右。Pb在三年中各形态之间的转化较小，主要都是以F2，即铁锰结合态为主，而碳酸盐结合态占比最少，可氧化态在连续三年中的波动较大。但对于石牛试验点而言，生物质炭的施用，在第二年开始，在一定程度上提高了其残渣态(F4)含量，其中B40处理的有效态含量(F1+F2+F3)的比例从86％显著降低到79％;但其在贾庄试验点的作用效果并不显著，其残渣态含量并无明显变化，仅表现为酸可溶态向可还原态的变化。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章文献综述

1．1农田土壤重金属污染现状

1．2土壤重金属污染修复技术

1．2．1 物理和化学修复技术

1．2．2生物修复技术

1．2．3农业生态修复技术

1．2．4联合修复技术

1．3农田土壤重金属污染的修复技术及材料

1．3．1矿物及金属氧化物

1．3．2动植物材料

1．3．3有机材料

1．3．4新材料

1．3．5生物质材料

1．4生物质炭在农田土壤重金属污染修复上的研究进展

1．4．1 生物质炭作为土壤改良剂的可行性研究

1．4．2生物质炭在治理土壤重金属污染上的研究进展

1．4．3生物质炭在农田土壤重金属污染修复上的研究进展

1．5研究的意义、内容及技术路线

1．5．1本研究的意义

1．5．2研究内容

1．5．3研究的技术路线

第二章生物质炭对土壤Cd、Zn有效性及水稻Cd、Zn吸收的影响

2．1 引言

2．2材料与方法

2．2．1供试材料

2．2．2试验设计与方案

2．2．3样品的采集及测定

2．2．4数据处理与分析方法

2．3结果与分析

2．3．1 施用生物质炭对水稻生长的影响

2．3．2生物质炭对水稻植株Cd、Zn吸收的影响

2．3．3 施用生物质炭后土壤pH和有机碳的变化

2．3．4施用生物质炭后土壤CaCl2提取态Cd、Zn含量的变化

2．4讨论

2．4．1 生物质炭对土壤Cd、Zn有效性的影响

2．4．2生物质炭及Cd、Zn水平对水稻Cd、Zn吸收、转移的影响

2．4．3 Cd-Zn复合污染对水稻籽粒Cd、Zn吸收的影响

2．5小结

3．1 引言

3．2材料与方法

3．2．1供试材料

3．2．2试验设计与方案

3．2．3样品的采集及测定

3．2．4数据处理与统计分析

3．3结果与分析

3．3．1 不同施炭处理下小麦产量的变化

3．3．2不同施炭处理下小麦籽粒Cd含量的变化

3．3．3不同施炭处理下小麦籽粒Pb含量的变化

3．3．4不同施炭处理下土壤理化性质的变化

3．4讨论

3．4．1 施用生物质炭对土壤性质及小麦产量的影响

3．4．2施用生物质炭对小麦籽粒Pb、Cd含量的影响

3．5小结

4．1 引言

4．2材料与方法

4．2．1供试材料

4．2．2试验设计与方案

4．2．3样品的采集及测定

4．2．4数据处理与统计分析

4．3结果与分析

4．3．1土壤CaCl2浸提态Cd、Pb的变化

4．3．2土壤中Cd、Pb的BCR顺序提取含量

4．4讨论

4．4．1生物质炭的环境效应及其影响因素

4．4．2施用生物质炭对土壤Cd、Pb有效性及其形态的影响

4．5小结

第五章全文结论与展望

5．1全文结论

5．2全文创新点

5．3存在的问题

5．4研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文