论文部分内容阅读
据《全国土壤污染状况调查公报》报道,我国土壤环境状况不容乐观,其中以重金属镉（Cd）污染最为严重,超标点位达7.0%。生物炭含有丰富的酚羟基、羧基和羰基含氧官能团,具有较大的比表面积,可有效吸附土壤中重金属,降低其迁移性和生物有效性。本研究通过大田示范试验,探究了钙基、锰基和铁基三种改性生物炭对弱碱性Cd污染土壤的钝化修复效应以及对土壤理化性质、团聚体结构、土壤环境质量和玉米植株中Cd累积特征的影响,以期为改性生物炭大面积应用于弱碱性Cd污染农田土壤原位钝化修复提供理论依据和技术支撑。主要的研究结果的结论如下:（1）向土壤中施加钙基改性生物炭,土壤p H值、有效态阳离子交换量和有机质含量均有所提高。与对照相比,土壤DTPA-Cd含量降幅达到12%～30.2%,且Cd赋存形态由活性较高的可交换态和可还原态向更稳定的残渣态转变。钙基改性生物炭的施加明显降低了Cd在玉米植株中富集,三种玉米品种籽粒中Cd含量较对照分别下降了52.65%～72.56%（郑单958）、37.54%～50.80%（蠡玉16）和23.60%～51.20%（三北218）。添加钙基改性生物炭一定程度上改善了土壤环境质量,土壤过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶活性随着改性生物炭施加量的增加呈现出逐渐升高的趋势。钙基改性生物炭处理下,土壤5～8 mm和2～5 mm粒级团聚体所占比例增加,而≤0.25 mm粒级团聚体占比则有所下降,土壤团聚体稳定性增加。玉米籽粒中（郑单958）Cd含量与土壤有效态Cd含量呈极显著负相关关系（p<0.01）。与对照相比,土壤微生物OTUs序列数目增多,Shannon、Chao1和ACE指数显著增加（p<0.05）,说明添加改性生物炭提高了细菌群落丰富度和多样性。不同改性生物炭处理下门水平上土壤中微生物的种群大致相同,主要以变形菌门、酸杆菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门和放线菌门为优势门,施加钙基改性生物炭后土壤变形菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门相对丰度有所减少,而放线菌门相对丰度增加了17.73%～39.04%。（2）有效态阳离子交换量表现为随着铁基改性生物炭施加量的增加而逐渐升高,FBC???处理下达到最大值,较对照处理显著增加了17.17%（p<0.05）。添加铁基改性生物炭后,有机碳含量较对照增加了6.59%～20.36%。土壤中DTPA-Cd含量呈现逐渐降低的趋势,降幅达到37.74%～41.65%,Cd赋存形态由可交换态和可还原态逐渐向可氧化态和残渣态转变,土壤中Cd的迁移性和生物活性降低。铁基改性生物炭的施加降低了Cd在三种玉米各部位含量,其中籽粒中Cd含量分别较对照下降41.31%～76.64%（郑单958）、38.19%～70.95%（蠡玉16）和52.30%～59.95%（三北218）。铁基改性生物炭对土壤团聚体结构具有良好的优化作用,促进小颗粒团聚体向大颗粒团聚体不断转化,土壤团聚体稳定性增强,与对照相比,团聚体GWD、MWD和R0.25值分别增加了10.2%～32.1%、3.7%～32.7%和0.45%～6.71%。添加铁基改性生物炭后提高了土壤中过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶活性。玉米籽粒中Cd含量与土壤有效态Cd含量呈极显著正相关关系（p<0.01）。与对照相比,土壤微生物OTUs序列数目增多,Shannon、Chao1和ACE指数明显增加,细菌群落丰富度和多样性提高。总体来说,不同处理下门水平上土壤中微生物的种群大致相同,铁基改性生物炭处理组中芽单胞菌门相对丰度有所减少,而放线菌门和酸杆菌门相对丰度增加。（3）施加锰基改性生物炭后,随着改性生物炭施加量的增加,土壤有机碳含量呈现出逐渐升高的趋势,较对照增加了3.2%～32%,而土壤DTPA-Cd含量则降低了22.34%～28.42%,土壤重金属Cd由不稳定形态向稳定形态转化,表现为可交换态和可还原态含量降低,残渣态含量增加。与对照相比,添加锰基改性生物炭后三种玉米各部位Cd含量总体上有所下降,其中籽粒中Cd含量分别下降了8.03%～76.97%（郑单958）、26.40%～66.96%（蠡玉16）和42.22%～83.46%（三北218）。锰基生物炭对土壤团聚体的分布结构和稳定性具有改良作用,增加了大团聚体（5～8 mm和2～5 mm粒级）的质量百分比,抑制了微团聚体（≤0.25 mm）形成,团聚体GWD、MWD、R0.25值较对照均有明显增加,分别增加了15.1%～20.3%、8.1%～22.4%和0.43%～7.6%。Cd质量含量主要富集在团聚体小颗粒中,其在土壤团聚体各粒级的质量负载随粒径的减小而逐渐增大。Cd分布因子在0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒级中表现出明显富集状况,而在5～8 mm和2～5 mm粒径中表现出明显亏损状态。添加锰基改性生物炭降低了土壤团聚体各粒级中DTPA-Cd含量,与对照相比,5～8、2～5、0.5～1和0.25～0.5 mm团聚体粒径中DTPA-Cd含量分别降低了7.63%～15.14%、15.62%～24.37%、3.66%～13.82%和11.62%～13.73%（p<0.05）。添加锰基改性生物炭后土壤微生物OTUs序列数目和Shannon指数显著增多,细菌群落物种多样性提高,不同处理下土壤变形菌门和芽单胞菌门相对丰度有所减少,而酸杆菌门相对丰度有一定幅度增加。