通过前期调研发现,江苏省宜兴市耕地土壤镉污染问题突出。究其原因,土壤中镉的来源是颜料行业大量使用的商业镉系染料通过三废进入土壤,典型的商业镉系染料包括镉黄和镉红等,其中镉黄的主要成分是CdS,镉红的主要成分是CdS和CdSe。由于当地土壤镉污染严重,迫切需要对进行被污染土壤进行修复,生物质炭由于其具有价格低廉、不产生二次污染等优势,可以作为优良的土壤修复剂。但是生物质炭对于耕地土壤镉污染的修复机理尚不清楚。本课题以典型区域Cd污染土壤为研究对象,以生物质炭为土壤修复剂,采用盆栽和温室培育为实验方法,模拟耕地土壤Cd污染的修复过程,采用连续提取方法与电感耦合等离子体原子发射光谱质谱连用技术分析土壤Cd赋存形态变化;采用Pearson相关系数评价土壤理化性质与Cd赋存形态的相关性,重点聚焦土壤中CdS和CdSe在生物质炭修复过程中的环境行为,深入研究根际土壤Cd赋存形态变化与其生物有效性削减过程的内在关系;研究根际环境变化对Cd赋存形态转化的作用机制;解析根际环境特征、Cd赋存形态和转化、Cd削减过程三者之间内在相互关系,进而阐明土壤Cd污染的生物质炭修复机理。本论文研究结果将为土壤Cd污染修复与控制提供科学依据,对深入了解CdS和CdSe的土壤环境行为具有重要科学意义,为此开展了江苏典型耕地镉污染生物质炭模拟修复实验,取得以下主要成果:(1)采用多层格网根箱,构建距离植物根系2-10mm梯度空间微域,以耕地为受试土壤,以小麦为受试植物,在1000mgkg-1 Cd胁迫下生长3个月,测定小麦体内Cd浓度。结果表明,在添加CdS的土壤种植所得小麦和在添加CdSe的土壤种植所得小麦,其根部的浓度分别为15.57 mgkg-1和4.72 mgkg-1,在茎部浓度分别是0.29 mg kg-1和0.19 mg kg-1,说明CdS更易被小麦吸收利用。采用连续提取法分级提取不同空间微域土壤中的Cd。结果表明,在添加CdS的土壤中,可交换态Cd浓度最低,占比0.01-0.49%,有机质结合态浓度是最高,占比89.3-94.0%,残渣态为仅次于有机质结合态的第二大赋存形态,占比5.12-10.12%。CdSe在土壤中的赋存形态分布规律与CdS相似,但是浓度差异明显。可交换态浓度最低,占比0.02-0.94%,有机质结合态浓度最高,占比范围为64.71-67.39%,残渣态为仅次于有机质结合态的第二大赋存形态,浓度占比为29.54-34.03%,说明CdSe更稳定。(2)采用多层格网根箱,构建距离植物根系2-10mm梯度空间微域,以耕地为受试土壤,以小麦为受试植物。在添加生物质炭到土壤后,可以有效降低土壤中CdS和CdSe的生物可用性。其中在添加CdS 土壤种植所得小麦根部和茎部比未加生物质炭分别降低52.2%和37.9%。在添加CdSe 土壤种植所得小麦根部和茎部Cd的浓度则比未加生物质炭分别降低18.0%和21.1%。生物质炭投加到受试土壤后,可明显改变CdS在土壤中的赋存形态。生物质炭有效削减了可交换态Cd浓度,削减率5.9-92.3%,其中在根际土壤中的削减率为14.1%,提高了 Fe-Mn氧化物结合态的浓度和有机质结合态浓度,对残渣态的影响无明显规律。在添加CdSe 土壤中,生物质炭可以有效削减可交换态Cd浓度,削减率为11.8-88.3%,其中在根际土壤中的削减率为11.8%。生物质炭提高了 Fe-Mn氧化物结合态的浓度和有机质结合态浓度,对残渣态的影响无明显规律。(3)采用多层格网根箱,构建距离植物根系2-10mm梯度空间微域,以小麦为受试植物,以离子态Cd为镉污染源,并用生物质炭进行土壤修复。对于离子态Cd污染的耕地土壤,生物质炭也可以有效削弱Cd的生物有效性,生物质炭投加量越大,削弱的效果越显著。当投加1%和3%的生物质炭时,小麦根部和茎部Cd的生物有效性降低21.2%、22.9%和21.8%、37.9%。经温室培育3个月后,采用连续提取法分级提取不同空间微域土壤中的Cd。结果表明,生物质炭可以有效降低土壤中可交换态Cd的浓度,在投加量为1%和3%时,削减率达到28.2-44.1%和49.2-61.3%,随着生物质炭量的增加,碳酸盐结合态和Fe-Mn氧化物结合态的浓度提高地越多,对有机质结合态浓度的提高非常明显,可以提高121.6-338.9%和308.7-722.5%,也能增加残渣态的浓度和占比。(4)生物质炭可以通过钝化、吸附等作用固定离子态Cd,削减可交换态Cd浓度和抑制Cd的流动性达到削减其生物有效性的目的。生物质炭通过改变土壤pH和有机质浓度影响CdS和CdSe在土壤中的形态分布。具体来说,对于可交换态、碳酸盐结合态与土壤pH的相关性较显著;对铁锰氧化物结合态和有机质结合态而言,与土壤有机质的相关性较显著;对残渣态而言,与土壤pH和有机质浓度的改变没有明显相关性。