重金属污染酸化土壤修复的改良剂长期效应研究：生菜盆栽试验

论文总字数：13054字

目 录

摘要： 2

Abstract： 3

1. 引言 4

2. 材料与方法 5

2.1. 供试土壤和蔬菜 5

2.2. 盆栽试验设计 6

2.3. 数据和样品的采集 6

2.4. 分析仪器及试剂 6

2.5. 样品处理和分析 6

2.5.1. 根际土壤溶液pH的测定 6

2.5.2. 生菜消解 6

2.5.3. 重金属浓度测定 7

2.6. 数据处理 7

3. 结果与分析 7

3.1. 不同钝化剂处理对二茬生菜生物量的影响 7

3.2. 不同钝化剂处理对二茬生菜植物生理的影响 7

3.3. 不同钝化剂处理对二茬生菜重金属含量的影响 8

3.4. 不同钝化剂处理对土壤溶液pH的影响 9

3.5. 不同钝化剂处理对土壤有效态重金属的影响 10

3.6. 土壤重金属钝化修复的固定机制和长效性 10

4. 结论 11

参考文献： 11

致谢 14

重金属污染酸化土壤修复的改良剂长期效应研究：生菜盆栽试验

赵域圻

,China

Abstract：In order to study the effect of different amendants on heavy metal contaminated acidified soil, the heavy metal contaminated soil from Hunan Province was selected and the pot experiment was carried out for half a year. The test consisted of 5 soil treatments: (1) CK (control, no addition of any passivation material), (2) L(Lime), (3) Si (Attapulgite), (4) Fe (Iron powder), (5) MC(Biochar). The results showed that: (1) The application of amendants can improve soil pH, increase net photosynthetic rate and improve the growth conditions of vegetables. (2) The heavy metal pollution of acidified soils can be improved by amendants to the soils that are contaminated with heavy metals. (3) Although the improvement, failed to meet the national standards for food safety. (4) Combined with two repair effects, the effects of lime and attapulgite are the best.

Keyword：Soil pollution, Heavy metals, Acidification, Vegetables, Immobilization

1. 引言

随着城市和工农业的快速发展，污水废水的大量排放以及化肥农药的过度施用，使得重金属经过各种途径进入土壤，造成重金属污染及土壤酸化。重金属污染会导致土壤质量的退化以及农作物品质的严重下降。土壤中的重金属污染通过微生物难以降解，并且可以在食物链中聚积对人体健康造成危害^[1-3]。土壤酸化有以下三个方面的原因：（1）大气污染和酸雨。我国工业迅速发展以及汽车尾气的大量排放，导致酸性气体的排放量增加，进而造成酸性沉降物对环境的影响；（2）降水量大且集中。由于气候的异常，干旱和洪灾的爆发频率增高，严重影响了地表性土壤。并且，强烈的淋溶作用还会使碱性盐类大量流失，致使土壤酸化；（3）大量施用化肥。化肥可以促进农作物的生长，但如果过度施用也会造成土壤酸化。土壤酸化不利于根系的发育，导致土壤中营养元素大量淋失，也会造成N、P、K等元素的利用率大量降低，释放Al元素，抑制微生物生长等。同时，土壤板结也是土壤酸化的结果^[7]。现如今，土壤重金属污染作为全球性的环境问题已经对经济发展和环境质量造成了严重影响。因此，研究重金属污染土壤的修复具有重要意义。

重金属污染土壤的修复手段主要有三种：物理修复、生物修复和化学修复。化学钝化剂修复主要是向污染土壤中添加钝化剂，经过物理过程（吸附、沉淀），化学过程（络合、氧化还原、离子交换）等一系列反应，降低污染土壤中重金属污染物的可迁移性和有效性，最终达到修复污染土壤的目的。进行土壤修复的钝化剂种类很多，主要分为两类：无机钝化剂和有机钝化剂，常使用的钝化剂通常有炭材料、粘土材料、石灰性材料、有机肥等。但在实际农田改良中，为了避免二次污染以及破坏土壤理化性质，要尽量避免使用工业废弃物类修复剂，土壤中重金属的有害程度与重金属含量及其形态都相关 ^[4~5]。重金属在土壤中的主要形态有可交换态、残渣态、碳酸盐结合态、有机物结合态以及铁锰氧化钛。在重金属污染土壤中添加钝化剂，经过一系列的反应使土壤中重金属的形态发生改变，从而降低其生物有效性。

炭材料主要是活性炭、生物炭等，这类有机物较为稳定，此类钝化剂呈碱性，表面携带大量的负电荷，并且具有很多微小空隙，堆积密度低，比表面积大等特点，因此吸附性能强，可以吸附重金属。生物炭作为修复剂有以下几个作用：（1）提高土壤阳离子交换能力、营养保持能力、pH值和水分含量。（2）提高土壤微生物活性。（3）固化污染物。石灰性材料主要是石灰等显碱性的物质，这类钝化剂通过改变土壤的酸碱度，使土壤颗粒表面的负电荷增加，从而促使某些重金属元素形成氢氧化物或者碳酸盐沉淀。粘土材料种类很多，离子交换性、吸附性强、比表面积大，通过对重金属的吸附、沉淀等作用降低重金属的可迁移性和生物有效性。含磷材料主要有磷矿、磷肥和磷酸盐等，此类修复剂主要是将各种形态的铅转化为磷酸铅沉淀。铁粉主要含有零价铁·和锰，它可以快速的腐蚀进土壤并形成铁锰氢氧化合物来吸附重金属，从而减少它们的移动性和生物可利用性^[5~6]。

但目前，化学钝化剂修复土壤还存在一些问题。首先，不能确定重金属形态是否长期稳定，化学钝化剂修复只使重金属在土壤中的生物有效性降低，但土壤中重金属总量并无变化，土壤环境条件的变动可能使重金属形态发生变化，甚至其生物有效性也有可能提高。其次，可以同时修复多种重金属并存的复合污染土壤的修复剂还有待发现；修复效率还可能受重金属离子之间的竞争作用影响；修复地土壤类型和性质、降水、作物品种和管理制度等都对修复效果有一定的影响。^[4]

我国作为一个农业大国，农用重金属污染土壤面积大并且污染程度以中轻度污染为主。原位钝化修复技术由于其操作简单、生效快并且适合大面积污染治理等特点，对我国农田污染情况较为适用。如果将化学钝化剂修复技术和其他修复技术结合使用，应该可以使修复效率得到有效提高。

本论文基于我国部分农田土壤污染严重，农产品重金属元素超标等问题，针对蔬菜地重金属复合污染土壤治理，结合钝化剂的修复原理，开展原位钝化修复研究。通过污染土壤的温室生菜盆栽二茬实验，应用凹凸棒石、石灰、铁粉、生物炭等多种不同类型的钝化剂，进行实用性修复剂产品的比较和筛选，达到大幅降低土壤中重金属元素的生物有效性和毒性效果，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。主要通过以下几个方面研究钝化剂对于重金属污染土壤的长期修复作用：（1）二茬生菜的生物量；（2）二茬生菜的净光合速率；（3）土壤酸碱度；（4）二茬生菜地上部分的重金属含量以及土壤有效态重金属含量。

1. 材料与方法
   1. 供试土壤和蔬菜

实验用土为实地农田土壤，采自湖南省长沙县，土壤pH 4.43为酸性，Cd浓度为0.35 mg kg^-1属中度污染，还有一些其它主要重金属元素含量（图1）。蔬菜的选用品种为我国普遍种植的生菜。

图1 盆栽用土主要重金属元素含量

Fig. 1 heavy metal elements content in potting soil

• 1. 盆栽试验设计

本次实验采用温室环境下的盆栽实验处理，采集湖南重金属污染农田土壤，野外实地土壤风干过5目筛，每盆0.8 kg，按一定比例分别拌施石灰（0.2%）、凹凸棒石（2%）、生物炭（1%）、铁粉（2%）共4种不同类型的钝化修复剂，均匀施入15-15-15复合肥，并设置对照组，共5组处理，每组各设3个重复（对照组设置4个重复），控制光照、水分等其他因素。塑料盆底放置滤纸及盆托防止渗漏。试验于2015.11.11开始进行，2016.1.8收获一茬生菜，并于两个月后的2016.3.5播种，进行二茬试验，播种种子均发芽后进行间苗，保留两珠长势相当、间距得当的幼苗，并保持每日浇水，不渍水。2016.4.22，收获第二茬生菜，并进行数据的测量和样品的采集。

具体分析监测指标包括：测定植物净光合速率；土壤pH值和有效态重金属浓度；生菜收获后洗净，记录生物量（鲜重、干重）；消解测定重金属含量(Cu, Zn, Pb, Cd, Al, Co, Fe, Mn, Ni)。

• 1. 数据和样品的采集

净光合速率测定：使用Li-6400光合仪，选择9:30一14:30之间，天气晴朗无云或少云时进行测定。测量在温室阳光下进行，每株选择一片菜叶进行净光合速率的测定。

植物样品的采集：生菜成熟后，剪取地上部分样品，称鲜重；蒸馏水洗净，105°C杀青半小时，75°C烘干，称干重。再用粉碎机粉碎，待测。

土样的采集：植株收获后用取土钻采土样适量，风干磨碎后收集装袋，待测。

• 1. 分析仪器及试剂

仪器：LD5-10（Ⅰ）型低速离心机(北京雷勃尔医疗器械有限公司)；

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