【摘要】：鉛、銅污染的農(nóng)田對環(huán)境和食品安全生產(chǎn)具有極大的危害,目前已經(jīng)對其開展了大量的修復(fù)工作。生物炭是一種新興的有機(jī)和生態(tài)友好型修復(fù)劑,能夠修復(fù)金屬污染的土壤。與水稻秸稈生物炭相比,油菜殘余物(秸稈、葉、豆莢)在不同溫度下熱解對Pb和Cu固定的影響還未見報(bào)道。本文通過一系列的培養(yǎng)和溫室盆栽試驗(yàn),評價(jià)了應(yīng)用生物炭對鉛、銅固定、植物毒性衰減、土壤生物化學(xué)性質(zhì)、不同水分含量下的重金屬再分配以及自然污染水稻土中殘留金屬穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:(1)高溫(RS550)制備的水稻秸稈生物炭具有高pH值,其次是在高溫下制備的油菜秸稈生物炭(RP550)pH為9.98,而低溫生物炭具有較低pH值。生物炭顆粒負(fù)電荷隨pH值增加而增加,與Zeta電位的減少趨勢一致。在FTIR和XRD分析中觀察到相似趨勢,只在水稻秸稈生物炭中發(fā)現(xiàn)氧化硅。在高溫下,生物炭的總酸度降低,而總表面堿度增加。高溫生物炭使Pb和Cu的總量和生物有效性降低,更適于農(nóng)田利用。(2)通過溫室盆栽試驗(yàn)研究了油菜桿和稻稈生物炭對Pb和Cu固定、植物毒性緩解、土壤生物化學(xué)性質(zhì)的影響。Pb和Cu的活性態(tài)組分轉(zhuǎn)化為最穩(wěn)定的殘?jiān)鼞B(tài)組分。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。根和莖中Pb濃度的最大降低率分別為37.81%和26.54%,Cu在根和莖中濃度分別降低了50.41%和46.25%。生物炭應(yīng)用后增強(qiáng)土壤脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶活性,改良了土壤生化特性。(3)在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中,比較了油菜桿和稻稈生物炭對Pb和Cu轉(zhuǎn)化和生物有效性降低的程度。用RS550對土壤進(jìn)行修復(fù),酸性提取態(tài)Pb和Cu顯著降低了63.30%和66%,而殘?jiān)鼞B(tài)Pb和Cu分別增加了40.31%和52.98%,固定的重金屬主要轉(zhuǎn)化為可還原部分。Pb和Cu的生物有效性分別顯著降低了97.13%和93.71%,Pb和Cu溶解度分別降低了92.62%和72.55%。由于生物炭對具有較高的pH,故BCs對Pb和Cu具有較強(qiáng)的親和力,同Zeta電位和CEC變化一致,是重金屬固定的機(jī)制之一。(4)在溫室環(huán)境下,不同的水分含量下,系統(tǒng)地研究了油菜秸稈和稻稈生物炭對鉛、銅的再分配和植物利用率的影響。在田間含水量的80%時(shí)重金屬活性最大,其次是田間含水量的60%時(shí),而在田間含水量的40%中重金屬活性同對照相比略有變化。在田間含水量的80%時(shí),RS550的5%處理中,Pb和Cu的可交換部分分別顯著降低了75.42%和59.46%。同時(shí),5%的RS550處理使Pb和Cu在高水分含量下的殘?jiān)鼞B(tài)含量分別提高了54.76%和27.44%。80%的田間含水量下5%的RS550處理使Pb和Cu的生物可利用率顯著降低,分別為5%RS550(67.66%,46.50%)和5%RP550(60.52%,46.50%)。在連續(xù)提取和CaC12單獨(dú)提取下,隨著培養(yǎng)水分含量增加,Pb和Cu的吸收率降低了44.89%,在5%RS550中減少了51.26%,其次是5%RP550。在田間含水量的80%下,活性金屬的再分配和轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的組分,可能是由于高pH值,金屬硫化物沉淀,以及非晶型鐵氧化物濃度的增加。(5)通過研究施用生物炭到原位污染土壤后兩年的重金屬分級和生物有效性的變化,評估了油菜桿和稻稈生物炭對鉛、銅固定和污染土壤生態(tài)修復(fù)的影響。兩年內(nèi)土壤pH值基本不變。弱酸提取態(tài)Pb降低量為53.50%-57.56%,而弱酸提取態(tài)Cu降低量為50.35%-54.18。殘?jiān)鼞B(tài)Pb從36.17%增加到43.85%,殘?jiān)鼞B(tài)Cu從50.94增加到63.47%。在5%RS550處理中,生物可利用鉛的減少率從60.64%增加到75.85%,而Cu的降低率從57.61%上升到70.24%。植物內(nèi)的Pb和Cu濃度分別顯著降低了40.81%和56.14%,且兩年內(nèi)植物干重沒有顯著差異。在高溫下生產(chǎn)的稻草和油菜桿生物炭比低溫生物炭更有效地降低土壤中重金屬的生物利用率和溶解度。由于生物炭的組成和老化程度不同,生物炭對鉛和銅的固定效果也不同。這些結(jié)果表明,生物炭對Pb和Cu的固定有積極的影響,同時(shí)RS550和RP550處理改良了土壤生物化學(xué)性質(zhì)。生物炭的應(yīng)用可以使鉛和銅在不同的水分含量下固定,從而降低了植物的吸收。生物炭應(yīng)用對污染土壤生態(tài)修復(fù)的影響也進(jìn)行了評估。與銅相比,在當(dāng)前的研究中,應(yīng)用生物炭能更有效地固定土壤中鉛。本研究中使用的生物炭具有較低的污染風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)有利于在污染土壤中固定鉛和銅。與油菜桿生物炭相比,在高溫下合成的水稻秸稈生物炭具有良好的固定化性能,如較高的pH、CEC、負(fù)電荷、礦物成分等,具有更好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X53
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本文編號：2633424