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典型铅锌冶炼区农田土壤重金属污染及植物化学联合修复研究

沈锋  
【摘要】:金属冶炼是土壤重金属污染的最主要来源。进入土壤环境中的重金属,会在“土壤-植物-微生物”系统中迁移转化,并经由食物链对人类健康造成严重影响。近年土壤环境污染事件频发,土壤污染治理与修复工作显得尤为迫切。本研究对陕西省凤县区域(典型铅锌冶炼区)农田土壤重金属污染状况进行为期三年的动态监测、分析评价,揭示污染土壤中重金属状况以及其迁移转化特征。在此基础上,选定代表性污染地块开展为期两年的田间试验,采用植物化学联合修复法,比较不同处理下污染修复效果。本研究有利于为重金属污染土壤修复提供理论依据和技术指导。主要研究结论如下:(1)冶炼厂周边的表层土,尤其是冶炼厂区域和县城区域,相对于其它较远的流域农田,土壤重金属污染更严重。主要污染物为Cd和Zn。BCR形态分析认为Cd和Zn的生物有效态含量比其它金属更高。土壤剖面重金属含量随深度增大而递减,但80厘米深处重金属含量仍高于中国土壤环境质量标准。Cd的潜在生态风险指数超标频率在县域和冶炼厂周围区域分别为65.7%和100%。长期的冶炼厂烟尘排放和大气沉降主要导致了重金属对当地生态环境的严重环境风险。(2)调查冶炼厂周围方圆200亩土地上的土著植物获得28个科共计56种植物。以草本植物为主,灌木和小乔木分布极少。菊科植物(占物种总数的19.29%)为优势植物。其中灰灰菜、刺儿菜、万寿菊、千里光、狗尾草植物为采样区的优势植物。生物量干重排前3的植物为商陆(455.5 g)、串叶松香草(334.0 g)、聚合草(195.5 g)。Cd、Zn、Pb在雪里蕻、刺儿菜、雪里蕻地上部分具有较高的累积,而马蔺、隔山消、麦家公地下部分对Cd、Zn、Pb富集能力则相对较强。植物对Cd、Zn、Pb转移系数最高的植物分别是马蔺、益母草、串叶松香草。地上部分重金属含量超过筛选临界值Cd(100 mg·kg-1)和Pb(1000 mg·kg-1)的植物有短穗铁苋、聚合草、苦荬菜、雪里蕻、马蔺和雪里蕻、聚合草。综合植物生物量以及植物富集转移重金属的能力确定聚合草、雪里蕻为凤县铅锌冶炼区重金属污染土壤生态修复的先锋物种。(3)16S rDNA高通量测序结果表明,土壤中微生物的总量及多样性与土壤中的重金属含量有一定的负相关关系。在门水平上,细菌群落主要为变形菌门和酸杆菌门,而在立地条件为山地的对照点,主要细菌门为厚壁菌门。土壤CEC、矿化系数(HA/FA)和微生物OTU丰度随采样距离增加而增加。希瓦氏菌属、盐单胞菌属和埃希氏杆菌属不管在耕作地(玉米地)还是非耕作地(山地)都能忍耐土壤重金属高浓度胁迫。土壤有机质组分、重金属含量与土壤微生物多样性具有较强相关性。(4)添加生物炭能显著提高两季植物收获后的根际土壤ph和cec,对土壤ec具有轻微抑制效应;较高的生物炭添加量可显著提高土壤有机碳总量和矿化度,促进植物生长。生物炭添加能降低根际土pb和cd有效态含量,提高其氧化态和残渣态含量,减少环境危害。5-10g·kg-1生物炭可以降低zn有效态部分,10g·kg-1炭量添加可能由于吸附了其他污染物对cu和zn的吸附有抑制作用。5-10g·kg-1的生物炭处理显著降低大豆和玉米根系、籽粒和茎叶对cu、zn、pb、cd等元素的累积;在此过程中,油菜和小麦各部位对cu和zn累积量显著减少,即生物炭吸附钝化效果会受到重金属本身元素特性影响。但同时修复钝化含多种重金属污染土壤时,生物炭的施加量为5-10g·kg-1效果更好。综合考虑植株生物量分布特性及重金属富集、根际土各指标变化,该农田区块5g·kg-1的生物炭添加量是最佳添加量。(5)针对不同零价铁处理,各植物不同部位的生物量分布特征不同。2g·kg-1零价铁处理对大豆各部位的生物量最大,大豆长势最好。6g·kg-1零价铁处理的玉米籽粒生物量最大。零价铁处理不利于小麦籽粒的生物量积累。四种作物中,油菜的根系生物量干重占比最大,更能吸收土壤中的重金属。大豆、玉米和油菜不同部位对重金属的累积顺序为:茎叶根系籽粒,而小麦对重金属的累积顺序是根系茎叶籽粒。大豆籽粒和根系中重金属随零价铁施用量增加而降低,总体而言,零价铁会降低植物地上部分重金属的含量。物理表征揭示了零价铁进入土壤后腐蚀成各种铁氧化物与重金属可能发生吸附等反应,从而达到了钝化效应的修复目的。(6)添加石灰和硫化钠处理均显著增加土壤ph值,第二季种植后效持续但有所减弱。随着石灰和硫化钠添加量的增加,每季作物的生物量基本呈现出一致的增加趋势。对于第一季作物,石灰和硫化钠处理基本上都显著增加了大豆和玉米的生物量。添加石灰更能促进大豆和玉米生物量的增加,而硫化钠处理对小麦增产的效果较为明显。石灰和硫化钠处理基本上都能抑制两季作物不同部位累积重金属。硫化钠处理作物根系累积重金属含量要低于石灰处理下作物根系累积重金属含量。硫化钠处理下更能明显抑制植物对重金属的积累,但高施用量硫化钠处理容易导致土壤板结。综上,石灰可作为镉污染农田土壤原位钝化修复较为理想的改良剂。(7)添加柠檬酸和edta处理均显著降低了土壤ph值,且施加量越大,降低幅度越大。尤其是对第一季作物种植时土壤ph值影响较大。添加柠檬酸和edta降低了土壤ec含量,其中柠檬酸对土壤电导率的影响要大于edta。edta增加了小麦和油菜的生物量,降低了玉米的生物量;柠檬酸则增加了大豆的生物量。柠檬酸和edta处理基本上都能增加两季作物不同部位累积重金属。尤其是柠檬酸能显著促进玉米中各部分对zn的吸收。edta能显著促进小麦地上部分对各重金属的吸收累积。总的来说,柠檬酸都不同程度的增加了所有植株对不同重金属的富集系数。edta更能促进植物转运系数的提高,但施用量过高会导致植物地上部分富集系数的减少。综合考虑植物生物量和植物各部分对重金属的累积特征,柠檬酸和EDTA的最佳施用量分别为15 mmol·kg-1和10 mmol·kg-1。


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