网站地图网站地图联系我们联系我们收藏本站收藏本站

当前位置首页 » 新闻资讯 » 业内新闻 » 土壤修复|萝卜和小白菜重金属吸收试验

土壤修复|萝卜和小白菜重金属吸收试验

返回列表 来源:铁人环保 查看手机网址
扫一扫!土壤修复|萝卜和小白菜重金属吸收试验扫一扫!
浏览:- 发布日期:2020-01-07 16:44:37【

为研究海泡石和生物炭两种钝化剂对镉铅复合污染土壤修复效果及微生物群落功能多样性的影响,以南京某蔬菜地土 壤为研究对象,采用盆栽试验方法,研究海泡石和生物炭单施及配施条件下,土壤理化性质、土壤微生物群落功能多样性、土壤 Cd、Pb 有效态含量的变化以及萝卜和小白菜两种作物对 Cd、Pb 富集的影响。结果表明:海泡石和生物炭单施、混施均显著促进土 壤 Cd、Pb 由酸溶态向残渣态转化,降低 Cd、Pb 生物有效性。其中,2.5% 海泡石处理 Cd、Pb 有效态含量降幅最大,与对照相比,种植 萝卜和小白菜的土壤 Cd、Pb 含量分别降低 71.88%~75.44% 和 81.21%~84.52%。生物炭对土壤微生物活性影响显著,2.5% 生物炭 处理微生物对碳源利用能力最强,但微生物群落功能多样性未显著增加。添加海泡石和生物炭均减轻了萝卜和小白菜可食部位 对 Cd、Pb 的富集,2.5% 海泡石和 1.25% 海泡石与 1.25% 生物炭配施处理,萝卜可食部位 Cd 和 Pb 含量均满足《食品安全国家标准》(GB 2762—2017),但小白菜可食部位 Pb 含量超出安全标准。研究表明,从土壤环境质量和作物安全角度考虑,一般采取海泡石 和生物炭配施进行重金属 Cd-Pb 复合污染土壤的修复,而且在中度 Cd-Pb 污染的菜地土壤中优先考虑种植萝卜类蔬菜。

随着经济的高速发展和工业化进程的加速,我国 耕 地 重 金 属 污 染 问 题 日 益 突 出 ,尤 其 镉(Cd)和 铅(Pb)是农田土壤重金属污染的主要元素,对粮食作 物的安全生产构成巨大威胁。但由于我国人口压力大,优质耕地资源短缺与粮食生产需求矛盾突出, 不可能将污染土壤进行大规模休闲或采取工程措施、 开展植物修复等;对农田重金属污染土壤而言,最有 效的方式是采取化学钝化措施,尤其是对中轻度污染 的农田土壤。大量研究发现海泡石和生物炭是两 种应用广泛的钝化剂,对土壤重金属活性的降低具有 较好的效果。例如,添加海泡石可以有效降低土壤可 溶态 Cd、Pb 含量和水稻体内各部分重金属含量;生 物炭能够固定土壤中 Cd、Pb,同时降低 Cd、Pb 对薄荷 和小白菜等的毒性。但是大部分研究主要关注海 泡石和生物炭对土壤重金属有效性的影响及在土 壤-作物系统中的迁移,而对土壤微生物功能响应的 研究较缺乏。

微生物是土壤中最活跃的组分,对环境的变化极 为敏感,可以用作土壤质量变化的预测指标。土壤 微生物生物量、微生物群落碳源代谢活性和功能多样 性一般被用来作为重金属污染土壤的敏感指标。重 金属污染对土壤微生物生态特征的影响结果存在差 异,有促进作用、抑制作用或无明显影响,这主要是由 于土壤微生物体系比较复杂,且受重金属种类和浓度 以及土壤理化性质的共同作用。铜矿区附近土壤中微生物的生物量随着重金属污 染程度的增加而明显下降,群落功能多样性也降低; 郭碧林等研究指出低浓度重金属污染能够促进微 生物生长,土壤微生物生物量碳、氮随外源 Cd 胁迫浓 度的增加表现为先上升后下降的趋势。钝化剂的添 加在一定程度上能够改变土壤理化性质,降低土壤重 金属活性,影响土壤微生态环境。因此,评价钝化剂 修复重金属污染土壤效果时,不仅要关注重金属有效 性的降低,更需要考虑其对微生物功能的影响。

基于此,本试验以南京某蔬菜地土壤为研究对 象,通过盆栽试验方法,研究海泡石和生物炭单施及配施对 Cd-Pb 复合污染土壤重金属有效性、土壤微生 物群落多样性及作物富集 Cd、Pb 的影响,从土壤环境 质量和蔬菜安全食用角度综合分析,为重金属污染土 壤的修复提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

土壤样品采自南京城郊某蔬菜地,土壤类型为黄 棕壤。采集表层 0~20 cm 土壤样品,自然风干,过 2 mm 尼龙筛,保存备用。同时用环刀采集 10 cm 和 20 cm 处原状土壤样品带回实验室,测定土壤田间持水 量平均值为 21%,土壤 pH 值 6.34,有机碳含量 26.69 g·kg−1,速效氮含量 105.16 mg·kg−1,速效磷含量 24.84 mg·kg−1,Cd 和 Pb 全量分别为 1.37 mg·kg−1 和 707.82 mg·kg−1,有效态 Cd 和 Pb 含量分别为 0.53 mg·kg−1 和28.45 mg·kg−1。

供试钝化剂:海泡石为天然黏土矿物材料,含少 量的白云石和滑石等杂质,主要成分为 SiO2、MgO 和 CaO,pH 值 8.54,比表面积 24.32 m2·g-1,孔径 1.90 nm, Cd 和 Pb 均未检出。生物炭采用水稻秸秆制备,在密 闭环境下 500 ℃高温炭化,并过 0.149 mm 筛,密封备 用。 生 物 炭 pH 值 7.87,有 机 碳 含 量 154.84 mg · kg−1,Cd 和 Pb 含量分别为 0.026 mg· kg−1 和 1.25 mg· kg−1。

供试植物:小五樱萝卜(Raphanus sativus L.)和小 白 菜(Brassica chinensis L.),购 于南京秋田种业研究 所。两种作物生育期为 40~50 d。

1.2 盆栽试验设计

试验共设 7 个处理:对照处理(T0),1.0% 海泡石 处理(T1),2.5% 海泡石处理(T2),1.0% 生物炭处理

(T3),2.5% 生物炭处理(T4),0.5% 海泡石与 0.5% 生 物炭配施处理(T5),1.25% 海泡石与 1.25% 生物炭配 施处理(T6),每个处理重复 3 次,其中海泡石和生物 炭均按照质量比添加至土壤中。布置盆栽试验时,按 照每盆 4 kg 土装入圆柱形塑料盆中(盆高和内径均为 30 cm),同时加入钝化剂和化肥,搅拌均匀。化肥分别施用尿素(N≥46.4%)、钙镁磷肥(P2O5≥12%)和氯化 钾(K2O≥60%),化肥用量为:每千克土壤施入 0.4 g N、 0.5 g P 和 0.4 g K。 水分调节至土壤田间持水量的65%,稳定一周后,分别将萝卜种子和小白菜种子播 入土壤中,待其生长至幼苗期后将每盆定植为 3 株, 随机摆放在温室中。试验期间定期用去离子水给作 物浇水,49 d 后萝卜和小白菜成熟收获。

1.3 样品采集及分析方法

1.3.1 样品采集

萝卜和小白菜成熟后整株收获,分别收集可食部 位鲜样,带回实验室充分冲洗后,称取可食部位鲜质 量。将鲜样放入鼓风干燥箱,经 105 ℃杀青 30 min,70 ℃下烘干至恒质量、称量,计算出萝卜和小白菜含土壤微生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸-浸提, 所得滤液用 TOC 仪(Multi N/C 3100,德国)测定微生 物生物量。微生物生物量碳(MBC)=(熏蒸碳-未熏蒸碳)×2.64微生物生物量氮(MBN)=(熏蒸氮-未熏蒸氮)×1.85土壤微生物群落功能多样性的测定采用 Biolog 平板分析法,将接种的 ECO 板于 25 ℃培养,分别于 24、48、72、96、120、144、168 h 在 590 nm 测定吸光度(OD)值。 Biolog ECO 微平板和 Biolog Reader 购自 美国 BIOLOG 公司(BIOLOG,Hayward,美国)。植物:萝卜和小白菜可食部位的重金属含量测定水量分别为 91% 和 95%,然后用粉碎机粉碎植物样用 HNO3 和 H2O(24 mL/3 mL)消化,消化液用 ICP-MS品,保存备用。采集植物样品的同时,从每个盆中取 土壤样品约 100 g 置于封口袋中,并带到实验室进行 下一步处理。将采取的土壤样品分为两部分:一部分 土壤样品经自然风干后,剔除生物残骸、植物碎片、碎 石等,过 2 mm 尼龙筛后测定土壤 pH 值和有效态重金 属含量,过 0.149 mm 筛后测定土壤有机碳含量及进 行重金属化学形态分析;另一部分直接磨碎过 2 mm 筛测定土壤含水量和微生物指标。

1.3.2 分析方法

土壤 :pH 值采用无 CO2 蒸馏水 1∶2.5 土水比浸 提 ,pH 计(Orion Star ™ A211,美 国)测 定 ;有 机 碳(SOC)含 量 采 用 水 合 热 重 铬 酸 钾 氧 化 - 比 色 法 测定。Cd 和 Pb 有效态含量采用 0.01 mol·L-1 CaCl2 以 1∶5 土水比提取,形态分布采用 BCR 连续提取法, Cd 和 Pb 含量用 ICP- MS(Agilent 7500,美 国)测 定。 土壤样品分析时插入国家标准物质 GBW07450 进行 质量控制。(Agilent 7500,美国)测定。植物样品分析时插入国 家标准物质 GBW10015(菠菜)进行质量控制。

1.4 数据处理方法

数据的方差分析和相关分析均采用 SPSS 16.0 软件 ,处 理间差异显著性分析采用 LSD 检验法 ,用 Origin 8.5 作图,分析结果采用多次重复实验的平均 值±标准误差表示。

2 结果与分析

2.1 钝化剂对土壤 pH 值和 SOC 含量的影响

钝化剂对种植萝卜和小白菜的土壤 pH 值和 SOC 的影响如表 1 所示。海泡石和生物炭的施用对土壤 pH 值影响较大,与 T0 处理相比,种植萝卜和小白菜 的土壤 pH 值分别增加 0.17~0.43 个和 0.07~0.35 个单 位,且海泡石对土壤 pH 值的影响要高于生物炭,但种 植萝卜和小白菜的土壤 pH 值差异不明显。与 T0 处 理相比,添加生物炭的处理 SOC 含量增加显著,种植

萝 卜 和 小 白 菜 的 土 壤 SOC 含 量 增 加 幅 度 分 别 为

25.55%~54.21% 和 21.26%~54.50%,T4 处理土壤 SOC含量最高,仅施海泡石的处理(T1 和 T2)SOC 含量无 明显变化。

2.2 钝化剂对土壤 Cd 和 Pb 有效性及形态变化的影响

钝化剂施用对种植萝卜和小白菜的土壤 Cd 和 Pb 有效态含量的影响如图 1 所示。与 T0 处理相比, 所有添加钝化剂处理的土壤有效态 Cd 和 Pb 含量均 显著降低,种植萝卜的土壤有效态 Cd 和 Pb 含量降幅 分别为 49.12%~75.44% 和 57.94%~84.52%;种植小白 菜的土壤有效态 Cd 和 Pb 含量降幅分别为 42.19%~71.88% 和 54.85%~81.21%。 Cd 和 Pb 含量最大降幅 均在 T2 处理。

本研究以种植萝卜土壤的 Cd 和 Pb 化学形态变

化为研究对象,探讨钝化剂施用对土壤 Cd 和 Pb 化学 形态的影响。由图 2 可见,T0 处理中,土壤 4 种形态 Cd 的分布规律是酸溶态>可还原态>可氧化态>残留 态,添加钝化剂后土壤酸溶态 Cd 含量降低,残留态 Cd 含量增加;其中单施海泡石处理(T1 和 T2)Cd 残留 态增幅最大,较 T0 处理增加 1.11~1.28 倍。但 1.0% 和2.5% 钝化剂用量下,土壤 Cd 各化学形态占比无明显 差异。与 Cd 形态分布不同,T0 处理 4 种形态 Pb 的分 布规律是可还原态>酸溶态>可氧化态>残留态,添加 钝化剂后可还原态 Pb 含量和残渣态 Pb 含量都呈现 出增加趋势,与 T0 处理相比,单施海泡石处理(T1 和 T2)和海泡石与生物炭配施处理(T5 和 T6)的酸溶态 Pb 含 量 显 著 降 低 ,降 幅 分 别 为 45.74%~51.87% 和 47.65%~48.77%。

2.3 钝化剂对土壤微生物性质的影响

由表 2 可知 ,施 用钝化剂不同程度地增加了土 壤 MBC 和 MBN 的含量。 与 T0 处理相比 ,单 施海泡 石处 理(T1 和 T2)MBC 和 MBN 含量略有增加 ,但 未 达到显著水平;单施生物炭处理(T3 和 T4)和海泡石 与生物炭配施处理(T5 和 T6)MBC 和 MBN 含量增加 显 著(P<0.05),其 中 ,T4 处 理 MBC 和 MBN 含 量 最 高 ,分 别为 167.24 mg·kg-1 和 60.05 mg·kg-1,较 T0 处 理分别增加 0.87 倍和 1.55 倍。 但 T3、T4 和 T6 处理 间差异不显著。

在 24 h 之前均很低且没有明显变化,从 24 h 后开始出 现差异,96 h 后出现明显差异,总体趋势是单施生物 炭处理(T3 和 T4)AWCD 值高于其他处理。根据图 3 中 AWCD 值的变化情况,选择培养 96 h 的 AWCD 值 计算微生物群落功能多样性指数(表 2)。通过表 2 可 以看出,钝化剂的添加一定程度上增加了 Shannon 指 数、Simpson 指数和 Pielou 指数,其指数值分别比对照

0.8 T0 T1 T2

增加 1%~10%、1%~6% 和 1%~16%,均未达到显著差 异水平。

2.4 钝化剂对萝卜和小白菜累积 Cd 和 Pb 的影响

钝化剂对萝卜和小白菜可食部位 Cd 和 Pb 含量

(以鲜样计)累 积的影响如图 4 所示。 添加钝化剂 显著降低了萝卜和小白菜可食部位 Cd 和 Pb 的含 量 。 与 T0 处 理 相 比 ,萝 卜 可 食 部 位 Cd 含 量 下 降 32.64%~82.61%,Pb 含量下降 45.37%~94.44%,且 在 T2 和 T6 处理下萝卜可食部位 Cd 和 Pb 含量均满足《食品安全国家标准》(GB 2762—2017)(最 大限值Cd≤0.1 mg·kg-1 、Pb≤0.1 mg·kg-1)。小白菜可食部位 Cd 和 Pb 含量较 T0 处理分别下降 26.92%~69.23% 和 37.57%~81.50%,但仅在 T2 处理小白菜可食部位 Cd 含 量 满 足《食 品 安 全 国 家 标 准》最 大 限 值(Cd≤0.2 mg·kg-1),所有钝化剂处理小白菜 Pb 含量均超过该 标准最大限值(0.3 mg·kg-)。

2.5 钝化剂对萝卜和小白菜产量的影响

钝化剂对萝卜和小白菜产量的影响如图 5 所示。

由图 5 可见,添加钝化剂不同程度的增加了萝卜和小白菜产量(鲜质量),与 T0 处理相比,T3、T4 和 T6 处理 增加显著,T1、T2 与 T5 处理差异不显著。

3 讨论

本研究中,本底土壤 Cd 的含量介于土壤污染风 险筛选值和风险管制值之间,Pb 含量高于土壤污染 风险管制值。添加不同用量的海泡石和生物炭后,有 效态 Cd 和 Pb 含量显著下降,其中 2.5% 海泡石处理土 壤 Cd 和 Pb 有效态含量降幅最大,分别由 0.53 mg·kg−1 和 28.45 mg·kg−1 降低到 0.12 mg·kg−1 和 3.49 mg·kg−1,降幅高达 77.36% 和 87.73%。海泡石和生物炭作为重 金属修复常用的钝化剂,一方面是由于添加后能够提 高土壤 pH 值,增加土壤胶体和黏粒表面负电荷,增强 其对土壤中 Cd2+ 和 Pb2+ 的吸附能力 ;而 且土壤中的 Fe、Mn 等离子与 OH- 结合形成的羟基化合物为重金 属离子提供了更多的吸附位点,降低了重金属的生物 有效性,同时促进氢氧化物、碳酸盐和磷酸盐沉淀 的形成 ,有 利于 Cd 和 Pb 由生物有效态转变为残渣 态。本实验的结果也证实了施用钝化剂后 Cd 和 Pb 的残渣态含量大幅度提高,这与袁兴超等研究结果

一致。另一方面,海泡石和生物炭都具有较强的吸附 作用。海泡石具有巨大的比表面积和特殊的孔结构, 硅氧四面体外缘存在的大量 Si-OH 可以与重金属离 子形成表明络合,减弱重金属的扩散性;内表面积不 仅可吸附交换性离子,重金属离子还可以进入海泡石 晶格内部取代镁氧八面体中的 Mg,从而发生同晶置 换作用,将重金属阳离子吸持在层间的晶架结构内成 为固定离子,抑制污染物质参与再循环。生物炭表 面丰富的含氧官能团也起到吸附重金属的作用,但对 重金属离子的吸附作用结合力较弱,易发生解吸,修 复作用的效果和持久性相对于海泡石较弱。该 实验研究也证实单施生物炭处理土壤 Cd、Pb 有效性 和作物对 Cd、Pb 的积累量均高于单施海泡石处理。

重金属污染土壤的修复不仅要关注重金属有效

性的降低,更要考虑土壤微生物活性和微生物群落功 能多样性的改变。本研究中添加海泡石和生物炭的 处理均能有效降低土壤 Cd 和 Pb 生物有效性,提高微 生物碳源利用能力,增强微生物代谢活性。说明土壤 重金属浓度的降低对土壤微生物产生保护作用,提高 细胞活性,促进微生物生长。但仅添加生物炭的处理 显著提高土壤微生物量碳、氮含量,可能是由于微生物 性质的变化不仅与重金属浓度有关,而且与土壤性质 也密切相关。研究表明,重金属毒性的大小随着土 壤中有机物质含量的升高而降低,本试验中施加生 物炭的处理有机质含量较对照和施加海泡石的处理 显著提高,可能是导致生物炭处理微生物量显著提高 的原因之一。而且生物炭物理结构空间大,能够直接 吸附土壤微生物于孔隙中,成为土壤微生物生活的载 体,同时供给 N、P、K、Ca 等土壤微生物生长代谢必不 可少的营养元素,直接促进微生物生物量的增加。

土壤微生物群落功能是反映土壤稳定性和生态 机制的重要敏感性指标。本实验中添加海泡石的处 理对土壤微生物群落功能多样性无影响,说明虽然添 加钝化剂可以降低土壤重金属有效性,但重金属含量 并不是唯一制约因素。先前也有研究指出,影响微生 物群落功能变化的因素复杂,土壤理化性质与微生物 群落的变化可能具有更强的相关性。添加生物炭 的处理一定程度上能够缓解并提升微生物代谢功能 多样性,但提升效果并不显著,主要是因为土壤微生 物只能利用生物炭中一小部分易分解的碳源;而且 该试验周期短,生物炭的添加可能对微生物群落功能 的变化短期影响较小。

海泡石和生物炭均能显著降低萝卜和小白菜可食部位 Cd、Pb 的积累,且随钝化剂用量的增加而降 低,可能与土壤重金属 Cd、Pb 有效性降低有关。尤其 是添加 2.5% 海泡石后萝卜可食部位 Cd 和 Pb 含量及 小白菜可食部位 Cd 含量均满 足《食 品安全国家标 准》,仅小白菜 Pb 含量超出最大限值,可能与本底土 壤 Pb 含量高达 707.82 mg·kg−1 有关。从蔬菜安全角 度考虑,需要采取进一步措施,例如提高钝化剂用量、 延长钝化时间等,或者调整作物种类,优先种植萝卜 等对重金属富集能力相对较低的蔬菜。生物炭单施 和 1.25% 生物炭与 1.25% 海泡石配施处理显著增加 萝卜和小白菜产量,一方面是由于生物炭含有丰富的 土壤养分元素 N、P、K、Ca、Mg 及微量元素,施用后能 够直接增加土壤养分,提高土壤肥力,促进作物生长, 增加作物产量;另一方面,海泡石和生物炭施用后 都能够改善土壤理化性质,增加土壤 pH 值,此条件更 有利于作物生长,且二者均具有降低重金属 Cd、Pb 生物有效性的作用,能够抑制萝卜和小白菜对 Cd、Pb 的吸收,减轻对作物的毒害,因此在一定程度上可以 提高作物产量。但该研究只针对一季作物表层土 壤钝化效果进行分析,需要进一步开展长期试验研究 钝化剂对土壤环境质量的影响;而且由于本底土壤 Pb 含量较高,后期考虑在高钝化剂用量下开展海泡 石和生物炭配施的试验研究。

4 结论

(1)海泡石和生物炭单施、配施均不同程度地提 高了土壤 pH 值,促进 Cd、Pb 由酸溶态向残渣态转化, 降低土壤 Cd、Pb 有效性;2.5% 海泡石单施和 1.25% 海 泡石与 1.25% 生物炭配施土壤 Cd、Pb 钝化效率最高。

(2)海泡石和生物炭的添加显著降低萝卜和小白 菜可食部位 Cd、Pb 含量,且小白菜相对于萝卜更容易 富集 Cd、Pb,从蔬菜安全角度考虑,建议优先考虑种 植萝卜类蔬菜。

(3)生物炭的添加有效增加土壤微生物活性和作 物产量,从土壤环境质量改善和作物增产角度综合考 虑,建议采取海泡石和生物炭配合施用进行重金属 Cd-Pb 污染土壤的修复。

内容来之于农业生态科学学报由铁人环保公司小编整理转编!如有侵权请告知删除!

推荐阅读

【本文标签】:农田土壤重金属污染|农田重金属污染土壤|土壤重金属活性
【责任编辑】:铁人环保版权所有:http://www.fstrhb.com转载请注明出处

铁人环保推荐

相关业内新闻

最新资讯文章