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《南京农业大学》 2011年
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生物黑炭抑制稻麦对污染土壤中Cd/Pb吸收的试验研究

崔立强  
【摘要】:Cd/Pb是对人类健康具有极大威胁的重金属元素,随着土壤-作物-食物的食物链迁移,农田Cd/Pb污染已日益显现为我国环境健康的突出问题。我国南方是稻米的主要产区,该地区土壤重金属污染日益扩张,大多土壤偏酸,稻米重金属吸收和积累存在着重要的食品安全风险。因此,重金属污染稻田稻米安全生产的有效修复措施成为大家研究的热点。修复措施主要包括工程修复、物理化学修复以及植物修复等方面。工程修复具有效果彻底、稳定等优点,但实施复杂、治理费用高和易引起土壤肥力降低等缺点;物理化学修复,见效快,但有的改良剂可能会带来二次污染,并且还有活化的风险;植物修复费用低,可清除污染物,但是生物量小,修复时间较长。因此为了实现降低重金属的作物吸收,提高粮食安全,寻找一种改善和提高土壤质量,降低重金属的有效性的经济有效措施和技术显得尤为重要。 生物黑炭是生物质原料在中低温(350-500℃)热裂解过程产生的一种低密度炭化物质。它具有很高的稳定性、很大的比表面、大量的表面负电荷和高的电子密度,同时,其pH值高,吸附和固定重金属能力强,从而具有修复土壤重金属的潜力。因此通过施用生物黑炭,达到改善土壤环境、缓解并治理土壤污染、同时,提高土壤碳库,减缓气候变化的目的。从探讨生物黑炭对重金属的吸附解吸能力出发,试验分析生物黑炭钝化农田重金属而降低作物吸收的效果,讨论其作用机制,以期为发展生物黑炭产业和农田环境治理技术提供科学依据。主要结果如下: 1.在室内进行了生物黑炭在Cd浓度序列,时间序列,溶液初始pH值序列,不同粒径大小以及用量的吸附解吸试验。在生物黑炭对不同浓度Cd的等温吸附试验中,生物黑炭对溶液中Cd2+的吸附效率达到98%以上,随着Cd溶液浓度的升高生物黑炭的单位吸附量呈增加的趋势。吸附效率同吸附量成反比,即随着吸附量的增加吸附效率呈下降趋势,但是吸附效率下降的速率远低于吸附量增加速度。生物黑炭对溶液中Cd的吸附仅需10多分钟即达到平衡。生物黑炭对Cd的吸附量随溶液的pH值升高而增加,并且生物黑炭固液比对溶液pH值也有明显影响,吸附达到平衡时,溶液pH值相对于初始值提高了10.4%-73.9%。 生物黑炭吸附能力随粒径减小而增大,当粒径小于0.84 mm时,单位吸附量增加幅度变小;当粒径小于0.84 mm时,吸附量增加幅度变小;而粒径大于0.84 mm时,单位生物黑炭吸附量会大幅度减少,降幅度达21.8%。随着生物黑炭使用量的增加,单位吸附量逐渐减少,而吸附效率逐渐增大;当生物黑炭用量在8 g L-1,吸附效率可达90%以上。 生物黑炭吸附Cd的解吸效率在1.83%-5.39%间,用量越大,单位重量的生物黑炭解吸量越小,解吸率越低。这表明Cd与生物黑炭产生了结合固定。通过生物黑炭与污染土壤的竞争吸附试验,表明污染土壤中Cd相对于Pb在生物黑炭的竞争吸附中占据优势,这可能与Pb在土壤中的化学活性较低有关。 2.采用田间试验验证分析了生物黑炭对污染土壤的Cd/Pb钝化和降低作物吸收的效果。选择苏南某地重污染农田,2009年水稻播种前施用了0,10,20,40 t ha-1的生物黑炭,在2009-2010年水稻和小麦收获时采集作物样品和土壤样品,分析表明,施用生物黑炭显著提高了土壤pH值,与对照相比提高了0.16-0.38单位。 施用不同量生物黑炭显著降低了水稻季CaCl2浸提态Cd显著降低了32.0%-52.5%(2009),39.8%-43.4%(2010),CaCl2浸提态Pb两年内没有显著变化;DTPA浸提态Cd/Pb与对照相比2009年没有显著差异,但2010年显著降低了21.6%-48.6%和11.9%-20.3%;小麦季土壤中Cd含量也得到显著的降低,与对照相比,CaCl2和DTPA浸提态Cd分别下降了23.4%-40.1%和11.1%-12.0%;但对CaCl2浸提态Pb含量无显著影响,不过生物黑炭显著降低了麦季土壤中DTPA浸提态Pb含量(15.0%-18.8%)。 施用生物黑炭对水稻和小麦的产量没有显著影响,保持稳产,但显著降低了稻麦籽粒中Cd含量,水稻糙米Cd含量与对照相比降低了16.8-45.0%(2009年)和39.9%-61.9%(2010年),而小麦籽粒中Cd含量与对照相比降低了24.8%-44.2%(2010年);对Pb含量几乎没有影响。同时,水稻和小麦各组织中Cd的含量随生物黑炭施用量的增加也有着不同程度的降低。对比单位农田面积籽粒吸收Cd的数量可以看出,每公顷稻米的Cd吸收量与对照相比减少了45.8%-64.5%(2009年)和39.8%-64.5%(2010年),而小麦则减少了32.1%-42.3%(2010年)。从以上的试验结果来看,本试验效果与要优于相邻试验田施用钙镁磷肥和氢氧化钙的效果。 施用生物黑炭处理下,作物组织Cd富集系数降低了39.8%-66.1%(水稻)和29.0%-49.6%(小麦),Cd地上部转移系数降低了15.9%-38.5%(水稻)和5.9%-36.6%(小麦);说明生物黑炭处理下抑制作物根系对Cd的吸收以及Cd的向上转运,是降低籽粒Cd积累的重要途径。 上述研究证明,生物黑炭钝化土壤Cd活性的作用显著,并且此效果至少可持续两年,但对Pb无显著影响。 3.选择中度污染重金属稻田,研究生物黑炭用于农产品安全生产的可行性。 于2010年选取重金属中度污染稻田,设置了0,10,20,40 t ha-1四个用量梯度,探讨污染稻田生物黑炭修复和稻米安全生产可行性。中度污染土壤的pH为5.36,土壤CaCl2和DTPA浸提态Cd达0.55 mg kg-1和2.72 mg kg-1,水稻糙米Cd含量达到0.72mg kg-1。施用不同用量生物黑炭显著提高土壤pH值(0.65-1.08个单位)。同时,CaCl2浸提态Cd显著降低了(48.0%-70.9%),土壤有效态Pb也降低了17.0%-34.0%,而DTPA浸提态Cd和Pb没有显著变化。生物黑炭的施用对水稻产量无显著影响,但糙米中Cd含量下降了18.8%-43.3%,Pb含量下降了13.7%-38.1%。施用生物黑炭之后水稻不同组织的Cd/Pb含量也有着不同程度的降低。糙米Cd含量降低到0.41 mg kg-1,基本达到CCFAC (Codex Committee on Food Additives and Contaminants)规定的农产品安全限值标准0.4 mg kg-1。同时,在成熟期水稻Cd富集系数降低了66.2%-78.3%之间;而拔节期和灌浆期降低了41.0%-76.8%之间;同时还观察到Pb的富集系数在各个时期显著降低,幅度在17.4%-64.1%之间。成熟期,灌浆期和拔节期Cd转移系数变化趋势基本一致,生物黑炭处理下降低了23.9%-47.3%之间,不过Pb的转移系数没有显著变化。 4.污染土壤施用生物黑炭后,土壤有效态Cd/Pb与pH呈显著相关关系,由此可见,生物黑炭的施用引起的土壤pH的升高是导致土壤Cd/Pb有效性降低的重要影响因素。同时,连续两年的土壤有效态Cd/Pb和籽粒Cd/Pb含量结果比较显示,随着生物黑炭施用年限的延长,黑炭对土壤重金属的固持作用增强,进一步降低土壤Cd的有效性,明显抑制了水稻籽粒中Cd的富集。 综上所述,无论在重度污染还是中度污染农田,生物黑炭的施用均能显著降低土壤中重金属的有效性,减少农作物对重金属的吸收;试验结果表明生物黑炭的改良修复效应至少可以持续两年。生物黑炭钝化土壤重金属、降低作物重金属吸收量的机制在于,其巨大的比表面可以大量、快速地吸附和固持土壤中重金属,并由于其较强的碱性,降低重金属的化学移动性而达到钝化重金属的效果,从而抑制了土壤-作物系统的迁移和籽粒积累,大大降低了稻麦籽粒中Cd/Pb的含量,提高了重金属食物安全性。
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