施用泥炭对土壤镉形态及其植物有效性的影响

摘要

自1961年日本报道镉(Cd)污染引发“痛痛病”以来，国内外对农田Cd污染行为与控制技术的研究与应用一直十分关注。其中，有机物料对重金属环境化学行为的影响一直是该领域重要的研究方向，有机物料通常被认为是抑制污染土壤中重金属活性的天然材料，但也有不少研究结果表明，增施有机肥促进了植物对土壤中Cd的吸收和转运，使植物体内Cd含量增高。因此，有机物料与土壤重金属的相互作用是十分复杂的，人们还远远没有认识清楚。为此本文以天然泥炭为有机物料，采用土壤培养和盆栽试验相结合的方法，研究了两种不同污染土壤中施用泥炭对土壤镉吸附、解吸、形态变化以及植物有效性的影响。主要结果如下： (1)Cd2+在泥炭上的动力学吸附特征研究表明，泥炭对Cd2+的吸附量与接触时间、溶液pH、Cd2+浓度，溶液离子强度，添加泥炭量、振荡速度等有关。吸附达到平衡所需的接触时间以90 min为宜，泥炭对Cd2+的吸附率达到99.1％，泥炭对Cd2+动力学吸附特征可以用Elovich方程较好地拟合(R2=0.807)。泥炭对Cd2+的吸附符合Langmuir和Freundlich等温吸附方程，但Langmuir方程的拟合效果更好(R2=0.9985)。由Langmuir方程求得的泥炭对Cd2+的最大吸附量为13699 mg/kg。泥炭对Cd2+的吸附量明显受pH的影响。随着介质离子浓度的升高，泥炭对Cd2+的吸附量迅速降低。泥炭添加量以2.5 g/L为宜。最佳的振荡速度为100 rpm。 (2)土壤对Cd2+的吸附特征研究表明，等温条件下，黄斑田和青紫泥两种土壤对Cd2+的吸附量与平衡液中Cd2+浓度的关系均可用Langmuir方程、Freundlich方程和Temkin方程描述，相关系数均达到0.95以上，达极显著水平，其中Langmuir模型拟合最佳。由Langmuir方程求得的黄斑田和青紫泥对Cd2+的最大吸附量分别为1883.2 mg/kg和5208.3 mg/kg。添加泥炭对两种土壤吸附Cd2+的影响不大，当黄斑田中加入Cd2+浓度150 mg/L 时、添加泥炭5.0 g/kg和10.0g/kg的土壤镉吸附量分别为1375.3mg/kg和1401.3mg/kg，与对照相比仅分别增加1.85％和3.77％。对青紫泥土，Cd2+浓度为150 mg/L，时，土壤镉吸附量分别为4517.5mg/kg和4532.8mg/kg，与对照相比分别增加了0.34％和0.68％。 Cd 2+的解吸研究表明， Cd2+的解吸量随Cd2+吸附量的增加而明显呈增加趋势，黄斑田中镉的解吸占其吸附量的52％～83％，青紫泥中镉的解吸仅占其吸附量的6％～20％。添加泥炭后，黄斑田中Cd2+的解吸率降低，但在青紫泥中，添加泥炭对Cd2+的解吸率影响不明显。 (3)采用DTPA提取的Cd有效性研究表明，当外源Cd处理为0和5.0 mg/kg时，Cd的有效性随泥炭施用量的增加而明显增加，但不同用量的泥炭对DTPA提取的土壤Cd含量的影响不大。 对照土壤中，交换态Cd含量随着泥炭施用量的增加而上升，铁锰氧化物结合态含量则下降。泥炭用量在5.0 g/kg以上时，交换态、铁锰氧化物结合态与对照的差异达到了显著水平，有机物结合态随泥炭用量的增加呈现逐渐上升的趋势。黄斑田中，水溶态Cd随泥炭用量的增加反而下降。 Cd处理为1.0mg/kg和5.0 mg/kg土壤中，泥炭处理增加了黄斑田水溶态、交换态和有机结合态含量，但降低了铁锰氧化物结合态含量。在青紫泥中，泥炭处理增加了交换态和有机结合态含量，但降低铁锰氧化物结合态含量。施用泥炭后，Cd形态的变化可能与泥炭导致土壤pH下降和水溶性有机物增加有关。 (4)采用多层三室根箱盆栽试验，研究了施用泥炭对两种土壤根际与非根际土壤中Cd的形态变化。结果表明，随着泥炭用量的增加，植株地上部干重有增加的趋势，但对植株地上部干重的影响不明显，添加镉浓度越大，则植株地上部干重下降越大。植物地上部镉的含量和积累量均随泥炭施用量的增加而增加。 泥炭处理与否，两种土壤根际与非根际土壤中的Cd的形态分布规律都是一致的，均为交换态＞铁锰氧化物结合态＞有机物结合态。与非根际土壤相比，根际土壤中交换态Cd含量减小，铁锰氧化物结合态和有机物结合态Cd含量增加。 在根际土壤中，与根际距离2mm(1～3mm)级微域交换态镉含量最低。在与根际距离3 mm以上，随着根际距离的增加，交换态镉含量有增加的趋势。泥炭处理的铁锰氧化物结合态和有机物结合态根际土壤镉含量高于非根际土壤。随着根际距离的增加，铁锰氧化物结合态镉含量则下降。

目录

致谢

摘要

第一章文献综述

1.1镉在土壤一植物系统中的化学行为

1.1.1土壤Cd的背景值及来源

1.1.2 Cd在土壤中的吸附与迁移

1.1.3土壤Cd的化学形态及其有效性

1.1.4植物对土壤Cd的吸收

1.2有机物料对土壤重金属形态及有效性的影响

1.2.1有机物料对重金属形态的影响

1.2.2有机物料对重金属有效性的影响

1.3研究内容背景及目的意义

第二章泥炭对镉吸附特征及其影响因子

2.1试验材料与方法

2.1.1试验材料与仪器

2.1.2试验方法

2.2结果与讨论

2.2.1泥炭吸附镉离子的动力学行为

2.2.2泥炭吸附镉离子的热力学等温线

2.2.3影响泥炭吸附Cd2+的因素

第三章泥炭对土壤镉吸附性的影响

3.1试验材料与方法

3.1.1试验材料

3.1.2试验方法

3.2结果与讨论

3.2.1添加泥炭对土壤镉的等温吸附

3.2.2添加泥炭对土壤镉的解吸特性

3.2.3 pH对土壤吸附镉的影响

3.3小结

第四章施用泥炭对土壤中镉形态转化及其影响

4.1试验方法

4.2结果与讨论

4.2.1泥炭对土壤DTPA提取有效镉含量变化的影响

4.2.2施用泥炭对土壤中镉形态变化及其影响

4.2.3施用泥炭对土壤水溶性有机物含量变化的影响

4.3小结论

第五章施用泥炭对植物生物镉有效性的影响

5.1试验方法

5.2结果与讨论

5.2.1泥炭对植物镉生物有效性的影响

5.2.2添加外源镉下泥炭对植物镉生物有效性的影响

5.2.3施用泥炭对毫米根际微域中镉形态变化的影响

5.3小结论

主要创新点

参考文献

本人简历与功读博士学期间取得的科学成果