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[博士论文] 萨拉姆
土壤学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:铅、铜污染的农田对环境和食品安全生产具有极大的危害,目前已经对其开展了大量的修复工作。生物炭是一种新兴的有机和生态友好型修复剂,能够修复金属污染的土壤。与水稻秸秆生物炭相比,油菜残余物(秸秆、叶、豆荚)在不同温度下热解对Pb和Cu固定的影响还未见报道。本文通过一系列的培养和温室盆栽试验,评价了应用生物炭对铅、铜固定、植物毒性衰减、土壤生物化学性质、不同水分含量下的重金属再分配以及自然污染水稻土中残留金属稳定性的影响。结果表明:
  (1)高温(RS550)制备的水稻秸秆生物炭具有高pH值,其次是在高温下制备的油菜秸秆生物炭(RP550)pH为9.98,而低温生物炭具有较低pH值。生物炭颗粒负电荷随pH值增加而增加,与Zeta电位的减少趋势一致。在FTIR和XRD分析中观察到相似趋势,只在水稻秸秆生物炭中发现氧化硅。在高温下,生物炭的总酸度降低,而总表面碱度增加。高温生物炭使Pb和Cu的总量和生物有效性降低,更适于农田利用。
  (2)通过温室盆栽试验研究了油菜杆和稻秆生物炭对Pb和Cu固定、植物毒性缓解、土壤生物化学性质的影响。Pb和Cu的活性态组分转化为最稳定的残渣态组分。在添加生物炭后,Pb和Cu的生物有效性和溶解度大幅度的降低。根和茎中Pb浓度的最大降低率分别为37.81%和26.54%,Cu在根和茎中浓度分别降低了50.41%和46.25%。生物炭应用后增强土壤脲酶、过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性,改良了土壤生化特性。
  (3)在培养实验中,比较了油菜杆和稻秆生物炭对Pb和Cu转化和生物有效性降低的程度。用RS550对土壤进行修复,酸性提取态Pb和Cu显著降低了63.30%和66%,而残渣态Pb和Cu分别增加了40.31%和52.98%,固定的重金属主要转化为可还原部分。Pb和Cu的生物有效性分别显著降低了97.13%和93.71%,Pb和Cu溶解度分别降低了92.62%和72.55%。由于生物炭对具有较高的pH,故BCs对Pb和Cu具有较强的亲和力,同Zeta电位和CEC变化一致,是重金属固定的机制之一。
  (4)在温室环境下,不同的水分含量下,系统地研究了油菜秸秆和稻秆生物炭对铅、铜的再分配和植物利用率的影响。在田间含水量的80%时重金属活性最大,其次是田间含水量的60%时,而在田间含水量的40%中重金属活性同对照相比略有变化。在田间含水量的80%时,RS550的5%处理中,Pb和Cu的可交换部分分别显著降低了75.42%和59.46%。同时,5%的RS550处理使Pb和Cu在高水分含量下的残渣态含量分别提高了54.76%和27.44%。80%的田间含水量下5%的RS550处理使Pb和Cu的生物可利用率显著降低,分别为5%RS550(67.66%,46.50%)和5%RP550(60.52%,46.50%)。在连续提取和CaC12单独提取下,随着培养水分含量增加,Pb和Cu的吸收率降低了44.89%,在5%RS550中减少了51.26%,其次是5%RP550。在田间含水量的80%下,活性金属的再分配和转化为更稳定的组分,可能是由于高pH值,金属硫化物沉淀,以及非晶型铁氧化物浓度的增加。
  (5)通过研究施用生物炭到原位污染土壤后两年的重金属分级和生物有效性的变化,评估了油菜杆和稻秆生物炭对铅、铜固定和污染土壤生态修复的影响。两年内土壤pH值基本不变。弱酸提取态Pb降低量为53.50%-57.56%,而弱酸提取态Cu降低量为50.35%-54.18。残渣态Pb从36.17%增加到43.85%,残渣态Cu从50.94增加到63.47%。在5%RS550处理中,生物可利用铅的减少率从60.64%增加到75.85%,而Cu的降低率从57.61%上升到70.24%。植物内的Pb和Cu浓度分别显著降低了40.81%和56.14%,且两年内植物干重没有显著差异。在高温下生产的稻草和油菜杆生物炭比低温生物炭更有效地降低土壤中重金属的生物利用率和溶解度。由于生物炭的组成和老化程度不同,生物炭对铅和铜的固定效果也不同。
  这些结果表明,生物炭对Pb和Cu的固定有积极的影响,同时RS550和RP550处理改良了土壤生物化学性质。生物炭的应用可以使铅和铜在不同的水分含量下固定,从而降低了植物的吸收。生物炭应用对污染土壤生态修复的影响也进行了评估。与铜相比,在当前的研究中,应用生物炭能更有效地固定土壤中铅。本研究中使用的生物炭具有较低的污染风险,同时有利于在污染土壤中固定铅和铜。与油菜杆生物炭相比,在高温下合成的水稻秸秆生物炭具有良好的固定化性能,如较高的pH、CEC、负电荷、矿物成分等,具有更好的应用前景。
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