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重金属污染土壤海州香薷诱导修复及其堆肥应用研究

唐明灯  
【摘要】: 中国原生的铜耐性植物—海州香薷(Elsholtzia splendens)在重金属尤其是铜污染土壤的植物修复中得到广泛关注,经十年研究发现,海州香薷地上部Cu、Zn含量较高,在土壤Cu、Zn污染的修复中具有应用前景,但其地下部Cu、Zn含量远大于地上部,Cu、Zn难以向地上部迁移。为提高海州香薷修复Cu、Zn污染的效率,施加微生物、化学试剂(尤其是低分子量有机酸,如乙二胺二琥珀酸EDDS)以及微生物-化学试剂等多种措施对海州香薷植物修复进行诱导,促进Cu、Zn向地上部迁移,使海州香薷达到诱导富集甚至达到诱导超富集。海州香薷在修复Cu、Zn污染过程中富集了一定量的Cu、Zn等重金属元素,如何合理处理植物修复后的海州香薷植物并实现其资源化利用是环境友好的重金属植物修复技术系统需要加强的内容。 本文设置了一系列培养试验、盆栽试验和田间试验,主要研究:(1)产酸菌对海州香薷重金属提取吸收的影响;(2)丛枝菌根真菌与乙二胺二琥珀酸对海州香薷提取重金属的影响;(3)硫粉对复合污染土壤中重金属的活化作用;(4)硫粉与乙二胺二琥珀酸对海州香薷去除土壤Cu、Zn的影响;(5)修复植物香薷堆肥对缺铜土壤上冬小麦(Triticum aestivum L.)生长和铜吸收的初步研究;(6)富铜香薷堆肥对缺铜土壤上冬小麦(T.aestivum L.)产量和Cu、Zn吸收的影响。以期从杭州郊区铜冶炼厂周边长期污染土壤的土壤溶液Cu、Zn浓度变化与土壤Cu、Zn浸提态浓度变化阐述诱导剂显著提高海州香薷地上部重金属浓度,显著提高海州香薷去除土壤Cu、Zn的根际过程;探索海州香薷植物修复后资源化并应用到缺铜土壤的可行性和前景,使海州香薷植物修复成为一个较为完整的技术体系。结果表明: 1.无色菌(Achromatium sp.)代谢过程产生大量有机酸,在培养试验中显著降低溶液pH,显著降低溶液可溶性Cu浓度,但同时该菌株使溶液可溶性Zn浓度显著增加。在盆栽试验中,接种菌株10 d显著降低土壤溶液pH,该产酸菌对土壤溶液中Cu、Zn浓度的影响与培养试验的趋势一致;接种无色菌菌株可促进海州香薷生长及其地上部对Cu的吸收,从而显著提高海州香薷对污染土壤Cu的提取吸收量,同时该产酸菌也提高海州香薷对污染土壤Zn的去除量。 2.丛枝菌根真菌(AMF)可提高海州香薷地上部重金属浓度,显著提高海州香薷吸收去除污染土壤Cu量;同时,丛枝菌根真菌可提高海州香薷地上部Zn浓度。 3.硫粉使土壤pH和土壤溶液pH显著下降,显著提高土壤硝酸铵浸提态重金属浓度与土壤溶液重金属浓度。与对照相比,施用400 mmol kg~(-1)硫粉使硝酸铵浸提态Cu浓度提高49倍,Zn提高75倍,Cd为11倍,Pb为93倍,使活化的Cu、Zn、Cd、Pb分别达全量的57%、87%、91%、20%。 4.施用80 mmol kg~(-1)或120 mmol kg~(-1)硫粉也显著降低了土壤pH及土壤溶液pH,提高了土壤溶液中重金属浓度;与此同时,硫粉显著提高海州香薷地上部Zn浓度和硫浓度,且地上部Zn浓度与硫浓度间显著正相关,硫粉显著提高海州香薷去除土壤Zn的量。该土壤施用80 mmol kg~(-1)硫粉促进海州香薷生长,但120 mmol kg~(-1)硫粉对海州香薷有显著的抑制作用。 5.EDDS可促进土壤Cu、Zn进入土壤溶液,显著增加土壤溶液Cu、Zn浓度;同时EDDS促进Cu、Zn向海州香薷地上部运输、显著提高海州香薷地上部Cu浓度,因而施用EDDS显著提高土壤Cu去除量。高温季节施用EDDS,土壤溶液中高浓度的Cu、Zn迅速下降;低温季节施用EDDS,土壤溶液中高Cu、Zn浓度持续较长时间。EDDS显著抑制生长前期海州香薷的生长并显著降低海州香薷生物量。 6.EDDS与丛枝菌根真菌对海州香薷地上部重金属浓度的影响未出现协同作用,另一方面,EDDS与硫粉对海州香薷地上部重金属浓度的影响也未出现协同作用。EDDS对海州香薷去除土壤Cu的效果较Zn佳,而硫粉对海州香薷去除Zn的影响更佳。化学诱导措施对土壤溶液重金属浓度影响效果比生物制剂明显;与硫粉相比较,施用EDDS迅速提高土壤溶液重金属浓度,并促进Cu向海州香薷地上部转运。同时,由于EDDS容易降解,是较好的化学诱导措施。 7.两组盆栽试验和一个田间试验显示,富铜海州香薷经堆制后应用到缺铜土壤上能显著改善冬小麦(T.aestivum L.)的生物性状,提高冬小麦的生物量、株高、小麦籽粒产量和千粒重,而对小麦籽粒中Cu、Zn浓度没有显著影响;因而海州香薷在植物修复后以堆肥的形式进行资源化应用是可行的。富铜海州香薷堆肥的肥效是多种营养元素的共同作用;在缺铜土壤上施用富铜海州香薷堆肥需适当配施无机化肥。


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