生物炭-微肥缓解西洋菜重金属污染的效应研究

摘要

因污水灌溉、农药化肥的不合理使用等造成的土壤、水体重金属污染已逐渐成为威胁我国蔬菜发展且亟需解决的环境问题，生物炭因具有吸附重金属、改善土壤结构等功能而被广泛用于水体重金属污染的治理和土壤污染的改良等，而铁锰硅等微肥也被认为具有促进蔬菜生长、阻抗重金属污染等作用。本论文分别采用土壤模拟、土培盆栽和水培实验等方法研究生物炭-微肥对土壤理化性质、土壤重金属有效性和西洋菜吸收积累重金属的影响，以明确不同类型的生物炭-微肥缓解西洋菜重金属污染的效果，探讨生物炭-微肥缓解蔬菜重金属污染的机理。主要研究结果如下：　　1、生物炭-微肥对土壤理化性质和土壤重金属有效态的影响　　土壤模拟实验主要是向重金属污染的土壤中添加皇竹草生物炭、咖啡渣生物炭、花生壳生物炭三种生物炭和锰肥、铁肥和硅肥三种微肥，在14d、28d时分别测定土壤中五种重金属的有效态含量以及其他土壤理化指标。结果发现：　　（1）添加了生物炭或微肥的土壤pH、土壤有机质含量以及营养元素含量等均比对照组高，且不同处理之间也存在一定差异。　　（2）添加了生物炭或微肥的土壤中的有效态重金属含量均比对照组低，且不同处理之间也存在显著差异。其中单一添加剂处理中，皇竹草生物炭和硅肥的钝化效果较好。在复配实验中，皇竹草生物炭配施铁肥对土壤重金属 Cu、Pb、Cd的钝化效果较好，处理14d后其有效态含量的降幅分别达32.94%、31.26%、21.21%，对土壤Zn有效态含量的降幅为6.82%，但对土壤Ni的钝化效果不明显；处理14d后咖啡渣生物炭配施铁肥对土壤重金属Ni、Zn有效态含量的降幅也分别达22.64%、10.35%，钝化效果显著。处理28d后，花生壳生物炭-铁肥对土壤重金属Cu钝化效果最好，降幅达49.06%。咖啡渣生物炭-硅肥对土壤Ni、Zn钝化效果最好，降幅达23.73%、9.72%。　　2、生物炭-铁肥缓解土壤-西洋菜重金属污染的效果及其机理研究　　根据上一实验的结果，选择皇竹草生物炭和咖啡渣生物炭两种类型的生物炭和铁肥混施，研究其对西洋菜生长、品质和吸收重金属Cd、Pb的影响以及土壤理化特性的变化规律。结果表明：　　（1）生物炭-铁肥可促进西洋菜生长，施加皇竹草生物炭-铁肥和咖啡渣生物炭-铁肥后的第一茬西洋菜株高分别比对照组增加了 11.6%和 13.9%；第二茬时，皇竹草生物炭-铁肥处理的西洋菜株高、地上部干重和根部干重都显著高于对照组，其增幅分别为30.8%、33.2%和23.7%；施加皇竹草生物炭-铁肥后第一茬西洋菜的可溶性糖和可溶性蛋白含量均比对照组增加了25.1%和11.1%。　　（2）施加生物炭-铁肥可有效降低西洋菜吸收土壤Cd和Pb，施加皇竹草生物炭-铁肥、咖啡渣生物炭-铁肥后的第一茬西洋菜地上部 Cd 含量分别比对照组降低了42.9%和38.1%，Pb含量则分别降低了68.2%和62.5%；两种生物炭和铁肥混施后的第二茬西洋菜地上部Cd含量均比对照组降低了20.0%，Pb含量则分别降低了58.4%和48.8%。　　（3）施加生物炭-铁肥可显著提高土壤pH值和有机质含量，可使土壤脲酶活性增加，改变土壤中的铵态氮、速效磷和速效钾的含量；增加土壤中可氧化态和残渣态的Cd 和Pb含量的同时，降低可交换态和可还原态Cd、 Pb含量，可交换态Cd、Pb含量较对照分别降低了8.9%-51.2%，0.8%-70.2%，可还原态的 Cd和Pb含量较对照分别降低了 37.5%-56.9%，3.6%-79.2%。　　3、生物炭-铁肥缓解水培西洋菜重金属污染的效应研究　　（1）不同污染水平下生物炭-铁肥缓解水培西洋菜Pb、Cu污染的效果　　采用水培实验的方法，探讨了不同浓度的Pb、Cu条件下，添加皇竹草生物炭-铁肥对西洋菜生长和吸收Pb、Cu的影响，结果表明：　　水中加入皇竹草生物炭-铁肥后可缓解Pb、Cu对西洋菜生长的抑制作用，与未添加的组相比，Pb浓度为2、4、6、8、10mg/L时各组的干重分别升高了0.2%、39.7%、13.5%、34.5%、108.6%，Cu浓度为10、20、50、100、200mg/L时各组的干重则分别升高了 2.4%、7.2%、58.2%、57.5%、93.0%，效果显著；而且添加皇竹草生物炭-铁肥可明显降低西洋菜地上部的Pb、Cu含量，与未添加的组相比，在2-10mg/L的Pb浓度下西洋菜地上部Pb含量的降低范围为8.4%-51%，在10-200mg/L的Cu浓度下，西洋菜地上部Cu含量的降低范围为28.5%-51.2%。　　（2）两种类型的生物炭及其浸提液与铁肥缓解水培西洋菜Pb污染的效果　　皇竹草生物炭、咖啡渣生物炭浸提液、咖啡渣生物炭、皇竹草生物炭-铁肥和咖啡渣生物炭-铁肥均能明显地促进西洋菜株高、根长及地上部干重的增加。无论是加入生物炭还是加入生物炭浸提液均能明显的降低西洋菜地上部和根部的Pb含量，其中降低效果最明显的是皇竹草生物-铁肥，对地上部和根部Pb含量的降幅分别达82.0%、85.0%。　　综上，本研究结果表明：皇竹草生物炭-铁肥可通过改变土壤理化特性、降低水体中重金属含量，改变土壤重金属形态从而降低生物有效性，降低西洋菜吸收积累重金属，进而缓解重金属污染的危害。

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