园林绿化废弃物堆肥对镉污染土壤修复机理及效应研究

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土壤镉污染问题是目前国内最受关注的环境问题之一,土壤镉一旦超标,将对人体健康构成极大威胁。施用有机改良剂修复重金属污染土壤是一种被广泛应用的化学修复方法。目前关于污泥、秸秆、粪便等有机堆肥对镉污染土壤修复的研究较多,园林绿化废弃物堆肥研究较少。本研究应用园林绿化废弃物堆肥对镉污染土壤进行修复机理及效应研究。通过吸附试验,探讨园林绿化废弃物堆肥对镉的吸附性能和吸附机理;土柱淋溶试验,研究园林绿化废弃物堆肥对镉的迁移性和生物有效性的影响;种子萌发试验,探究园林绿化废弃物堆肥对镉早期胁迫的影响;通过盆栽试验,检验园林绿化废弃物堆肥对镉污染土壤的修复效果,结论将为园林绿化废弃物堆肥在镉修复领域应用提供依据和参考。主要研究结果如下:(1)吸附试验结果表明,堆肥吸附镉的最适pH值为7.0;堆肥剂量从5 g/L增加至20 g/L,去除率从58.6%增加到98.9%;堆肥的粒径越小越有利于对镉的吸附;溶液中的共存阳离子钙离子对镉的吸附抑制作用大于镁离子和钠离子。吸附动力学研究表明准二级动力学模型能够很好的拟合堆肥对溶液中镉离子的吸附过程,揭示了堆肥对镉离子的化学吸附机制主要为堆肥表面含氧官能团(-COO、-CO和-OH等)与镉离子之间发生的络合反应。(2)土柱淋溶试验表明园林绿化废弃物堆肥提高了淋出液的pH、EC和有机碳含量,同时增加镉的淋失量。施用园林绿化废弃物堆肥分别降低了土壤有效态镉含量,同时改变了镉的赋存形态,镉的酸可提取态含量百分比降低4.6%~9.4%,镉的还原态、氧化态和残渣态含量百分比分别提高了2.9%~7.1%、1.2%~1.5%和0.5%~1.0%,降低了土壤镉的生物有效性。(3)种子萌发试验表明,施用园林绿化废弃物堆肥能显著缓解镉对小白菜种子萌发和幼苗生长的抑制作用:提高了小白菜种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数,促进了小白菜根和芽的生长,保护细胞膜透性,提高了叶绿素含量,显著降低了小白菜根和芽中的镉含量。(4)施用园林绿化废弃物堆肥对镉单一污染土壤进行修复的盆栽试验表明:堆肥提高了土壤pH、有机质含量、有效磷和速效钾含量;显著提高了镉污染土壤脲酶、过氧化氢酶和脱氢酶的活性;降低了土壤有效态镉含量,降低了镉在土壤-植物系统中的迁移性和生物有效性;提高了小白菜生物量和叶绿素含量,显著降低了小白菜根镉含量30%~36%、叶镉含量43%~69%;降低了镉在小白菜体内的富集转运,叶片BCF由0.62下降到0.22,TF由0.94下降到0.46。(5)施用园林绿化废弃物堆肥对镉、锌、铜、砷复合污染土壤进行修复试验表明:堆肥提高了土壤的pH(0.11~0.26个单位)、EC(3.5%~15.2%)和有机质含量(3.1%~35.1%);显著提高了土壤脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性;有效降低了土壤中有效态镉、锌、铜、砷的含量,其中,有效态镉含量下降幅度为33%~48%;显著提高了小白菜根和叶生物量40%~83%和29%~59%;显著降低了小白菜SOD活性、POD活性、CAT活性、MDA含量和游离脯氨酸含量等抗逆性指标;降低了小白菜根和叶对镉、锌、铜、砷的吸收,其中,小白菜根和叶的镉含量分别下降21%~44%和26%~53%。综上,园林绿化废弃物堆肥对土壤镉有很好的钝化效果,为园林绿化废弃物堆肥修复镉污染土壤提供了理论依据和实践指导。同时也为园林绿化废弃物堆肥的资源化利用开辟了新途径。
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