本文關(guān)鍵詞：典型鉛鋅冶煉區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染及植物化學(xué)聯(lián)合修復(fù)研究

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【摘要】：金屬冶煉是土壤重金屬污染的最主要來源。進入土壤環(huán)境中的重金屬,會在“土壤-植物-微生物”系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化,并經(jīng)由食物鏈對人類健康造成嚴重影響。近年土壤環(huán)境污染事件頻發(fā),土壤污染治理與修復(fù)工作顯得尤為迫切。本研究對陜西省鳳縣區(qū)域(典型鉛鋅冶煉區(qū))農(nóng)田土壤重金屬污染狀況進行為期三年的動態(tài)監(jiān)測、分析評價,揭示污染土壤中重金屬狀況以及其遷移轉(zhuǎn)化特征。在此基礎(chǔ)上,選定代表性污染地塊開展為期兩年的田間試驗,采用植物化學(xué)聯(lián)合修復(fù)法,比較不同處理下污染修復(fù)效果。本研究有利于為重金屬污染土壤修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。主要研究結(jié)論如下:(1)冶煉廠周邊的表層土,尤其是冶煉廠區(qū)域和縣城區(qū)域,相對于其它較遠的流域農(nóng)田,土壤重金屬污染更嚴重。主要污染物為Cd和Zn。BCR形態(tài)分析認為Cd和Zn的生物有效態(tài)含量比其它金屬更高。土壤剖面重金屬含量隨深度增大而遞減,但80厘米深處重金屬含量仍高于中國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)超標(biāo)頻率在縣域和冶煉廠周圍區(qū)域分別為65.7%和100%。長期的冶煉廠煙塵排放和大氣沉降主要導(dǎo)致了重金屬對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的嚴重環(huán)境風(fēng)險。(2)調(diào)查冶煉廠周圍方圓200畝土地上的土著植物獲得28個科共計56種植物。以草本植物為主,灌木和小喬木分布極少。菊科植物(占物種總數(shù)的19.29%)為優(yōu)勢植物。其中灰灰菜、刺兒菜、萬壽菊、千里光、狗尾草植物為采樣區(qū)的優(yōu)勢植物。生物量干重排前3的植物為商陸(455.5 g)、串葉松香草(334.0 g)、聚合草(195.5 g)。Cd、Zn、Pb在雪里蕻、刺兒菜、雪里蕻地上部分具有較高的累積,而馬藺、隔山消、麥家公地下部分對Cd、Zn、Pb富集能力則相對較強。植物對Cd、Zn、Pb轉(zhuǎn)移系數(shù)最高的植物分別是馬藺、益母草、串葉松香草。地上部分重金屬含量超過篩選臨界值Cd(100 mg·kg-1)和Pb(1000 mg·kg-1)的植物有短穗鐵莧、聚合草、苦荬菜、雪里蕻、馬藺和雪里蕻、聚合草。綜合植物生物量以及植物富集轉(zhuǎn)移重金屬的能力確定聚合草、雪里蕻為鳳縣鉛鋅冶煉區(qū)重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)的先鋒物種。(3)16S rDNA高通量測序結(jié)果表明,土壤中微生物的總量及多樣性與土壤中的重金屬含量有一定的負相關(guān)關(guān)系。在門水平上,細菌群落主要為變形菌門和酸桿菌門,而在立地條件為山地的對照點,主要細菌門為厚壁菌門。土壤CEC、礦化系數(shù)(HA/FA)和微生物OTU豐度隨采樣距離增加而增加。希瓦氏菌屬、鹽單胞菌屬和埃希氏桿菌屬不管在耕作地(玉米地)還是非耕作地(山地)都能忍耐土壤重金屬高濃度脅迫。土壤有機質(zhì)組分、重金屬含量與土壤微生物多樣性具有較強相關(guān)性。(4)添加生物炭能顯著提高兩季植物收獲后的根際土壤ph和cec,對土壤ec具有輕微抑制效應(yīng);較高的生物炭添加量可顯著提高土壤有機碳總量和礦化度,促進植物生長。生物炭添加能降低根際土pb和cd有效態(tài)含量,提高其氧化態(tài)和殘渣態(tài)含量,減少環(huán)境危害。5-10g·kg-1生物炭可以降低zn有效態(tài)部分,10g·kg-1炭量添加可能由于吸附了其他污染物對cu和zn的吸附有抑制作用。5-10g·kg-1的生物炭處理顯著降低大豆和玉米根系、籽粒和莖葉對cu、zn、pb、cd等元素的累積;在此過程中,油菜和小麥各部位對cu和zn累積量顯著減少,即生物炭吸附鈍化效果會受到重金屬本身元素特性影響。但同時修復(fù)鈍化含多種重金屬污染土壤時,生物炭的施加量為5-10g·kg-1效果更好。綜合考慮植株生物量分布特性及重金屬富集、根際土各指標(biāo)變化,該農(nóng)田區(qū)塊5g·kg-1的生物炭添加量是最佳添加量。(5)針對不同零價鐵處理,各植物不同部位的生物量分布特征不同。2g·kg-1零價鐵處理對大豆各部位的生物量最大,大豆長勢最好。6g·kg-1零價鐵處理的玉米籽粒生物量最大。零價鐵處理不利于小麥籽粒的生物量積累。四種作物中,油菜的根系生物量干重占比最大,更能吸收土壤中的重金屬。大豆、玉米和油菜不同部位對重金屬的累積順序為:莖葉根系籽粒,而小麥對重金屬的累積順序是根系莖葉籽粒。大豆籽粒和根系中重金屬隨零價鐵施用量增加而降低,總體而言,零價鐵會降低植物地上部分重金屬的含量。物理表征揭示了零價鐵進入土壤后腐蝕成各種鐵氧化物與重金屬可能發(fā)生吸附等反應(yīng),從而達到了鈍化效應(yīng)的修復(fù)目的。(6)添加石灰和硫化鈉處理均顯著增加土壤ph值,第二季種植后效持續(xù)但有所減弱。隨著石灰和硫化鈉添加量的增加,每季作物的生物量基本呈現(xiàn)出一致的增加趨勢。對于第一季作物,石灰和硫化鈉處理基本上都顯著增加了大豆和玉米的生物量。添加石灰更能促進大豆和玉米生物量的增加,而硫化鈉處理對小麥增產(chǎn)的效果較為明顯。石灰和硫化鈉處理基本上都能抑制兩季作物不同部位累積重金屬。硫化鈉處理作物根系累積重金屬含量要低于石灰處理下作物根系累積重金屬含量。硫化鈉處理下更能明顯抑制植物對重金屬的積累,但高施用量硫化鈉處理容易導(dǎo)致土壤板結(jié)。綜上,石灰可作為鎘污染農(nóng)田土壤原位鈍化修復(fù)較為理想的改良劑。(7)添加檸檬酸和edta處理均顯著降低了土壤ph值,且施加量越大,降低幅度越大。尤其是對第一季作物種植時土壤ph值影響較大。添加檸檬酸和edta降低了土壤ec含量,其中檸檬酸對土壤電導(dǎo)率的影響要大于edta。edta增加了小麥和油菜的生物量,降低了玉米的生物量;檸檬酸則增加了大豆的生物量。檸檬酸和edta處理基本上都能增加兩季作物不同部位累積重金屬。尤其是檸檬酸能顯著促進玉米中各部分對zn的吸收。edta能顯著促進小麥地上部分對各重金屬的吸收累積�？偟膩碚f,檸檬酸都不同程度的增加了所有植株對不同重金屬的富集系數(shù)。edta更能促進植物轉(zhuǎn)運系數(shù)的提高,但施用量過高會導(dǎo)致植物地上部分富集系數(shù)的減少。綜合考慮植物生物量和植物各部分對重金屬的累積特征,檸檬酸和EDTA的最佳施用量分別為15 mmol·kg-1和10 mmol·kg-1。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X53;X173
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本文編號：1282247