论文总字数：12543字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1绪论 3

1.1研究目的和意义 3

1.2国内外研究现状 3

1.2.1国外研究现状 3

1.2.2国内研究现状 4

1.3研究内容 4

2材料与方法 5

2.1试验时间与地点 5

2.2试验材料 5

2.3试验方法 5

2.3.1钝化剂与处理 5

2.3.2测定项目与方法 5

3结果与分析 6

3.1不同钝化剂处理对二茬青菜生物量的影响 6

3.2不同钝化剂处理对土壤pH的影响 7

3.3不同钝化剂处理对土壤中有效态金属浓度的影响 8

3.4不同钝化剂处理对二茬青菜地上部金属含量的影响 9

4结论与讨论 11

参考文献 11

致谢 13

不同钝化剂修复重金属污染酸化土壤的青菜盆栽长效性研究

张晶晶

, China

Abstract: The second pakchoi(Brassica chinensis L.) pot experiment on heavy metal contaminated agricultural soil was carried out to study the long-term effectiveness of lime, attapulgite clay, iron powder, and biochar on the soil improvement and the immobilization of heavy metals. After summarizing the research status at home and abroad and comprehensively analyzing the biomass of the pakchoi, the pH of the soil, the concentrations of bioavailable metals and the contents of heavy metals in the shoots of the pakchoi, the best immobilizing agent among these four products was found out. As is demonstrated in the paper, the long-term effectiveness of these four immobilizing agents is not stable enough, nevertheless, after comprehensively deliberating, attapulgite clay was chosen to be the best and iron powder the worst which has a adverse impact on the growth of the pakchoi.

Key words: Immobilizing agent; Heavy metals; Soil remediation; Long-term effectiveness; Food safety

1绪论

1.1研究目的和意义

本次试验主要研究以下两个方面的内容：一是检验钝化剂固定重金属的长期效应；二是检验改良剂对于酸性土壤的改良作用。改革开放以来，中国经济发展势头强劲。高速发展的背后，环境污染问题日益严峻，由工业生产引发的土壤重金属污染尤其突出。根据2011年我国二十六个城市的土样重金属含量数据分析可知，各种重金属的平均含量皆超过了土壤环境背景值，铅和镉的超标尤为严重（李剑睿等，2014）。农田的重金属污染导致大量有毒重金属在农产品中富集，这不仅影响了农产品质量（祖艳群等，2003），还使得重金属通过食物链最终在人体内部富集，危害人体健康（陈朗等，2008；滕应等，2008）；此外，土壤酸化使得土壤有毒金属离子活性增加，肥力降低，土壤结构变差，从而影响作物生长发育（于天一等，2014），而金属铝和锰的浓度达到毒害水平是酸性土壤上植株生长情况差的重要原因之一（臧小平，1999）。由此可见，修复重金属污染的酸性土壤是刻不容缓的。当前，修复受重金属污染土壤的技术主要有以下两类：一种是直接降低土壤中重金属的含量；另一种是改变重金属在土壤中存在的形态，从而降低其生物有效性，本次试验所研究的原位钝化修复便是其代表之一。然而钝化剂的修复机理只是改变了重金属的迁移性和存在形态，并没有降低其总量，所以土壤理化性质的改变可能会使得被钝化的重金属重新释放。因此，为了透彻研究原位钝化修复的稳定性，仍需要大量长期田间试验。本次研究通过湖南重金属污染农田土壤的温室青菜盆栽二茬试验，应用石灰、凹土、铁粉、生物炭四种不同类型的钝化剂，进行比较筛选，找出长期效果最好且性价比最高的实用性修复剂产品，实现重金属复合污染菜地土壤的有效原位固定修复和酸性土壤的改良。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

以生物炭这一钝化剂为例，现有研究表明生物炭可以影响土壤中重金属的存在形态和迁移行为（Beesley L et al.,2010；Uchimiya M et al.,2010）。Luke等（Beesley L et al.,2013）在经过生物炭处理后的砷污染土壤上种植西红柿，发现西红柿的根和幼苗中砷的含量出现显著降低，且其可食用部分的砷的含量低于3 μg·kg^-1，毒性与转移风险达到了最小。Lehmann等（Sombroek W et al.,2003）发现生物炭可以显著提高土壤阳离子交换量水平，从而影响植株对于营养元素的吸收。

ZhengtaoShen等（ZhengtaoShen et al.,2016）在英国卡斯尔福德用生物炭进行了一项土地修复试验，他们重点关注于镍和锌这两种重金属，目的是为了检验生物炭对于金属固定的长期效应。他们将生物炭和堆肥以不同的配比分别施入四个试验小区中。处理的三年后，研究人员通过碳酸浸提试验发现被提取的镍和锌的含量成功减少了。加入生物炭的小区土壤中的镍和锌的可浸出性低于没有加入生物炭的小区。研究人员认为生物炭在降低土壤可浸出性方面起到关键作用，该论点被分级抽提试验证实。试验表明在土壤中加入生物炭后，土壤中镍和锌的残渣部分由于竞争性吸附而增多，而这又导致金属的移动性降低了。由上述内容可知，生物炭在固定重金属方面具有长期效应与潜能。此外，更多的实验室研究指出在该地区成功进行植被重建则需要更多的生物炭（5%或更多）和堆肥（5%或更多），且生物炭和堆肥的比例必须相互协调。

1.2.2国内研究现状

国内的研究人员也在原位钝化修复方面做了大量的研究。同样以生物炭这一钝化剂为例，刘阿梅等（刘阿梅等，2013）将研究的重点置于植物体对于土壤中重金属镉的吸收。已有研究表明0~1mg/kg范围内的镉浓度有利于白菜生物量的增加（郭利梅等，2010）。从刘阿梅等所著的文章中可以看到，生物炭不但能够降低镉在植物体内的富集系数，还能降低镉由根系向地上部分运移的转运系数，从而减轻镉对于植物体的毒害作用。李力等（李力等，2011）对生物炭的环境效应进行了研究，他们发现在土壤中加入生物炭后，可以明显观测到土壤pH升高。

制定修复措施主要考虑两个因素：一是修复成本；二是修复效果及其稳定性。钝化剂具有成本低廉、见效快速、修复操作简单等的优点（王立群等，2009），且某些钝化剂如生物炭本身含有丰富的营养物质，在修复土壤的同时还可以提高土壤肥力（郭文娟等，2013）。但是钝化剂的修复机理只是改变了重金属的迁移性和存在形态，并没有降低其总量，土壤理化性质的改变可能会使被钝化的重金属重新释放；此外，钝化剂作为化学物质，其对土壤和植株可能产生不可忽略的影响，且某些钝化剂自身就带有少量毒性，如赤泥自身带有放射性元素和重金属（杨俊兴等，2013），会对土壤造成二次污染；而且在高污染区域施用钝化剂，易被污染物饱和，且其钝化容量有限，随着时间延长，效果会愈发不理想（王陈丝丝等，2016）。总的来说，钝化剂的利与弊总是同行成双，我们不能只看到它成本低廉、见效快速、修复操作简单等的优点，它的使用风险其实不容小觑，仍需要大量的研究来解决或者弱化其存在的弊端。

1.3研究内容

我国部分农田土壤污染严重，农产品重金属元素超标，针对蔬菜地重金属复合污染土壤治理，开展原位钝化修复研究。通过污染土壤的温室青菜盆栽二茬试验，应用石灰、凹土、铁粉、生物炭四种不同类型的钝化剂，来研究钝化剂应用在受重金属污染地区的长期效应与修复潜能，从而比较和筛选实用性修复剂产品，大幅降低土壤中重金属元素的生物有效性和毒性，减少蔬菜对于重金属的吸收，提高农产品质量，实现菜地重金属复合污染的长期有效原位固定修复，恢复被污染土地的使用。具体分析指标包括土壤的理化性质和有效态金属浓度，青菜收获后分析生物量和地上部金属含量。

2材料与方法

2.1试验时间与地点

试验于2016年3月－2016年7月在农业气象试验站温室和实验室进行。

2.2试验材料

本次试验选用的土壤为釆自湖南省长沙县的农田土壤，土壤pH 为4.43，镉浓度为0.35 mg/kg，属中度污染。试验选用的蔬菜品种为青菜，以盆栽的方式栽培。试验总共栽培了两茬（本篇论文所述内容为二茬青菜）：2016年11月10日磨5目土，装入大自封袋中称重，再称入钝化剂，按处理代号将盆编号（盆身记号笔＋标签），将土和钝化剂充分摇匀后装入盆中，施基肥，装盆完毕后浇水浇透。第二天播种，浇水，之后每天浇水，保证不渍水。待青菜幼苗长到一定阶段即间苗，使得每一盆保留长势最佳的两株青菜（由于各个盆中青菜的生长发育情况存在差异，收获时有些盆中可能仅有一株甚至没有青菜）。2017年1月8日收获第一茬青菜，2017年3月5日在原有的土壤（已彻底去除一茬）中再次施入基肥但是不加入任何钝化剂，第二天播种二茬青菜（各注意事项与栽培一茬青菜时相同），4月19日收获，同时采土风干后用0.01M CaCl₂浸提测有效态金属含量。

2.3试验方法

2.3.1钝化剂与处理

本次试验用到的四种钝化剂为石灰、凹土、铁粉和生物炭。试验的处理分别为“对照”、“0.2%石灰”、“2%凹土”、“2%铁粉”、“1%生物炭”，除了“对照”设置了四次重复处理，其余的处理都是重复三次，对应的在盆上的标记为“CK1”、“CK2”、“CK3”、“CK4”、“L1”、“L2”、“L3”、“Si-1”、“Si-2”、“Si-3”、“Fe-1”、“Fe-2”、“Fe-3”、“MC-1”、“MC-2”、“MC-3”。栽培期间控制光照、水分等其他因素基本相同。

2.3.2测定项目与方法

（1）生物量^[1]：剪取青菜的地上部分并现场测定其鲜重，然后放入自封袋中保存。在实验室中，采集的样品经过自来水冲洗和纯净水润洗后装入纸袋中，再将其放入烘箱中，在105℃条件下烘15分钟用于杀青，再将烘箱温度调至60℃，烘干至恒重，然后测定其干重。

（2）土壤pH和有效态金属浓度：在采集植物样品时，每个盆栽都用土钻采集适量土壤样品。在实验室中，先直接在袋中将土壤样品摊平碾碎，然后换新袋装，混匀后均匀称取8g土放入50mL离心管中，加入20mL浸提液（浸提液为0.01M的CaCl₂溶液，根据用量配制）后拧紧盖子摇匀，在室温25℃条件下平放振荡2小时。用低速离心机在4000r/min条件下离心5分钟，然后测定pH。测完后用针筒（样品间冲洗，推杆不接触溶液）和一次性滤器过滤上清液入15mL塑料管中。最后统一加1滴浓硝酸酸化保存待测元素（也装两管空白溶液酸化），然后直接用电感耦合等离子原子发射光谱仪（ICP-OES）测定土壤中有效态金属浓度。

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