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农田土壤重金属污染问题是我国面临的最为严重的环境问题之一。土壤重金属污染限制了耕地正常的农作物种植,对农产品安全、人体健康以及生态环境的风险不容小觑。本研究以粤北某铅锌冶炼厂周边典型重金属污染农田土壤修复-光伏发电综合项目为例,对冶炼厂周边农田镉铅污染进行调查,了解农田土壤中镉铅污染特征,评价镉铅污染程度;研究高精度便携式X射线荧光光谱仪(HDXRF)快速测定土壤重金属的可靠性;尝试在污染农田土壤的光伏板下种植经济观赏植物,筛选耐荫型重金属耐性和积累较强的植物,优化其种植方式,以期为镉铅污染土壤的光伏-修复联合技术模式提供理论依据和技术指导。本研究取得的主要结果如下:
(1)研究区土壤整体呈酸性,剖面土壤pH随采样深度增加整体呈上升趋势。土壤全量镉铅的变异系数分别为88.8%、94.4%,有效态镉铅的变异系数为97.6%、126%,镉铅浓度受人为影响较大。土壤中镉铅整体表现为距离铅锌冶炼厂越近,土壤中的镉铅浓度越高;距离冶炼厂越远,土壤中的镉铅浓度越低;研究区东部整体污染较轻,受冶炼厂影响较小。研究区土壤镉铅浓度超过《农用地土壤环境质量标准(GB15618-2018)》的限值,超标率皆为95.8%,整体污染严重。研究区土壤内梅罗综合污染指数超标的点位较多,占全部样本的98.9%,且81.8%的点位于P>3的重度污染区间内。在调查区内,轻度污染农田面积约为230亩,中重度污染农田面积约为2800亩。各土层镉铅浓度最大值都出现在0~20cm表层土壤,随剖面深度的增加镉铅浓度呈下降趋势。镉铅在表层土壤中存在较严重的积累性,且Cd的积累性更强。在下层土壤中有91.4%的点位存在不同程度的积累性,镉铅向下迁移,并在下层土壤中产生积累。
(2)HDXRF法测定土壤中重金属,稳定性和准确度高、检测限低,对Cd元素的检测下限为0.27mg kg-1。土壤颗粒粒径对土壤重金属浓度测定结果有一定影响,样品过100目筛时的测定结果较理想;土壤含水量对HDXRF法的测定结果影响较大,应保证测试土壤样品干燥;有机质对HDXRF法的测定结果存在影响,但可通过调整方程的常数进行校准。HDXRF法测定值更接近实验室ICP-AES法的测定结果,Cu、Zn、Pb和Cd的决定系数分别为0.9975、0.9967、0.9614和0.9954;HDXRF法与实验室AFS测定As的决定系数最高可达0.9798。较之实验室测定方法,HDXRF法只需简单前处理,如风干、研磨等,且其测定范围宽,适用于土壤中重金属Cu、Zn、Pb、Cd和类金属As的快速测定,是一种简单、快速、准确、可靠的分析方法。
(3)本研究中的9种花卉植物耐荫性较强,光伏板遮荫有利于其生长。光伏板遮荫对野牡丹中Cd影响显著,对其它植物的Cd浓度无显著影响,遮荫度增加利于该植物吸收Cd;光伏板遮荫对红花橙木、野牡丹、红背桂花、鹅掌柴中Pb的影响显著,对其它植物的Pb浓度无显著影响,但适当遮荫利于植物对Pb的吸收。红背桂花和鹅掌柴是Cd的积累植物和Pb的耐性植物,其它则是Cd和Pb的耐性植物。红背桂花和鹅掌柴的Cd吸收量较高,分别可达25.9μg株J和27.1μg株-1;栀子对Pb的吸收能力最强,可达104μg株-1。综合考虑不同植物的株高、生物量、生长状况、耐荫性、重金属耐性和吸收性,建议大面积种植红背桂花。
(4)本研究采用短期的根盒种植试验,初步结果表明伴矿景天地上部干重由0.188g株-1增加至0.470g株-1(单作)、0.484g株-1(间作),单作和间作鹅掌柴间生物量、根系构型参数并无显著差异。单作条件下单株伴矿景天镉吸收量小于0,间作条件下吸收量较高,达8.54μg株-1。鹅掌柴在单作和间作条件下镉吸收量差异不大,分别为0.87和0.89μg株。超积累植物伴矿景天与经济苗木鹅掌柴间作并未对二者生长产生显著的负面影响,间作时鹅掌柴中镉浓度稍低于单作,但不显著,在间作条件下伴矿景天镉的吸收量较单作有一定增加,二者间作有一定应用的潜力以提高修复效率和修复过程的经济效益,二者间作时根系与地上部相互作用机制还有待进一步的细化和规模化研究。
(1)研究区土壤整体呈酸性,剖面土壤pH随采样深度增加整体呈上升趋势。土壤全量镉铅的变异系数分别为88.8%、94.4%,有效态镉铅的变异系数为97.6%、126%,镉铅浓度受人为影响较大。土壤中镉铅整体表现为距离铅锌冶炼厂越近,土壤中的镉铅浓度越高;距离冶炼厂越远,土壤中的镉铅浓度越低;研究区东部整体污染较轻,受冶炼厂影响较小。研究区土壤镉铅浓度超过《农用地土壤环境质量标准(GB15618-2018)》的限值,超标率皆为95.8%,整体污染严重。研究区土壤内梅罗综合污染指数超标的点位较多,占全部样本的98.9%,且81.8%的点位于P>3的重度污染区间内。在调查区内,轻度污染农田面积约为230亩,中重度污染农田面积约为2800亩。各土层镉铅浓度最大值都出现在0~20cm表层土壤,随剖面深度的增加镉铅浓度呈下降趋势。镉铅在表层土壤中存在较严重的积累性,且Cd的积累性更强。在下层土壤中有91.4%的点位存在不同程度的积累性,镉铅向下迁移,并在下层土壤中产生积累。
(2)HDXRF法测定土壤中重金属,稳定性和准确度高、检测限低,对Cd元素的检测下限为0.27mg kg-1。土壤颗粒粒径对土壤重金属浓度测定结果有一定影响,样品过100目筛时的测定结果较理想;土壤含水量对HDXRF法的测定结果影响较大,应保证测试土壤样品干燥;有机质对HDXRF法的测定结果存在影响,但可通过调整方程的常数进行校准。HDXRF法测定值更接近实验室ICP-AES法的测定结果,Cu、Zn、Pb和Cd的决定系数分别为0.9975、0.9967、0.9614和0.9954;HDXRF法与实验室AFS测定As的决定系数最高可达0.9798。较之实验室测定方法,HDXRF法只需简单前处理,如风干、研磨等,且其测定范围宽,适用于土壤中重金属Cu、Zn、Pb、Cd和类金属As的快速测定,是一种简单、快速、准确、可靠的分析方法。
(3)本研究中的9种花卉植物耐荫性较强,光伏板遮荫有利于其生长。光伏板遮荫对野牡丹中Cd影响显著,对其它植物的Cd浓度无显著影响,遮荫度增加利于该植物吸收Cd;光伏板遮荫对红花橙木、野牡丹、红背桂花、鹅掌柴中Pb的影响显著,对其它植物的Pb浓度无显著影响,但适当遮荫利于植物对Pb的吸收。红背桂花和鹅掌柴是Cd的积累植物和Pb的耐性植物,其它则是Cd和Pb的耐性植物。红背桂花和鹅掌柴的Cd吸收量较高,分别可达25.9μg株J和27.1μg株-1;栀子对Pb的吸收能力最强,可达104μg株-1。综合考虑不同植物的株高、生物量、生长状况、耐荫性、重金属耐性和吸收性,建议大面积种植红背桂花。
(4)本研究采用短期的根盒种植试验,初步结果表明伴矿景天地上部干重由0.188g株-1增加至0.470g株-1(单作)、0.484g株-1(间作),单作和间作鹅掌柴间生物量、根系构型参数并无显著差异。单作条件下单株伴矿景天镉吸收量小于0,间作条件下吸收量较高,达8.54μg株-1。鹅掌柴在单作和间作条件下镉吸收量差异不大,分别为0.87和0.89μg株。超积累植物伴矿景天与经济苗木鹅掌柴间作并未对二者生长产生显著的负面影响,间作时鹅掌柴中镉浓度稍低于单作,但不显著,在间作条件下伴矿景天镉的吸收量较单作有一定增加,二者间作有一定应用的潜力以提高修复效率和修复过程的经济效益,二者间作时根系与地上部相互作用机制还有待进一步的细化和规模化研究。