连续种植对组配改良剂修复土壤中重金属钝化稳定性的影响

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近年来,我国土壤重金属污染问题较为突出,重金属可在农业种植系统中积累和迁移,并通过农产品进入食物链,由此带来的农产品安全风险和人体健康风险不容忽视。化学钝化技术因具有投入低、见效快、适宜大面积污染土壤修复以及能实现边修复边生产等优点已被广泛应用于重金属污染土壤修复。然而,施加钝化剂仅是通过改变重金属赋存形态及生物有效性将重金属固定在土壤中,随着钝化时间的推移及环境条件的改变,钝化剂所固定的重金属具有重新活化、释放的风险,其中重金属污染土壤钝化修复后所种植的农作物根系活动诱导根际土壤理化-生物化学-微生物环境改变是直接或间接影响重金属钝化修复效果稳定性的重要因素。然而,农作物根际过程对改良剂修复土壤中重金属钝化稳定性的影响机理尚不完全清晰。本研究以黔西北典型土法炼锌区周边农用地表层污染土壤为研究对象,将常用的钝化材料即石灰、海泡石、生物炭、腐殖酸分别按照质量比为1:1:2:2、1:2:1:2、2:2:1:1进行组配得到3种组配改良剂(A、B、C),3种组配改良剂(A、B、C)的添加量分别为0、20、40、80 g?kg-1,通过盆栽试验研究连续种植2季小白菜对不同添加量的3种组配改良剂A、B、C修复土壤中重金属钝化稳定性的影响机理,取得的结果如下:(1)3种组配改良剂均可明显改善污染土壤的理化性质并促进污染土壤有效养分含量增加。对照土壤(CK)为中偏碱性,相比CK处理组,不同施用量的3种组配改良剂(A、B、C)总体上均能增加土壤p H、EC,且其与添加量呈明显的正相关关系。而连续两季小白菜种植,降低了土壤p H,且第二季种植土壤p H<第一季种植土壤p H<钝化后土壤p H,而增加了土壤EC。同时不同施用量的3种组配改良剂(A、B、C)均可不同程度地增加土壤有效养分(N、P、K)及有机质含量。施用3种组配改良剂(A、B、C)增加了土壤中溶解性有机质含量,而连续种植两季小白菜后,土壤溶解性有机质含量有所降低,第二季种植土壤中溶解性有机碳(DOC)小于第一季种植土壤。相比CK处理组,不同施用量的3种组配改良剂(A、B、C)总体上降低了土壤酶活性,连续种植两季小白菜后,土壤脲酶、碱性磷酸酶有所增加,而土壤过氧化氢酶和脱氢酶有不同程度地降低。(2)3种组配改良剂总体上对土壤重金属均有较好的钝化效果,均能有效降低土壤重金属有效态含量。相比CK处理组,施用3种组配改良剂(A、B、C)总体上均能有效降低土壤Cu、Zn、Cd的有效态含量。而施用组配改良剂A增加了土壤Pb的有效态含量但不显著。3种组配改良剂(A、B、C)对土壤Zn的有效态含量降低效果最为显著。3种组配改良剂(A、B、C)对土壤Cu、Pb、Zn、Cd的钝化效果依次为:C>B>A。(3)连续种植两季小白菜可显著改变土壤细菌群落结构。连续种植两季小白菜后土壤细菌主要优势菌分别为放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)。种植第一季小白菜后,土壤细菌优势菌门的相对丰度整体表现为放线菌门(Actinobacteria)>变形菌门(Proteobacteria)>绿弯菌门(Chloroflexi)>酸杆菌门(Acidobacteria)>芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)>拟杆菌门(Bacteroidetes)。而种植第二季白菜后土壤细菌优势菌门的相对丰度整体表现为变形菌门(Proteobacteria)>放线菌门(Actinobacteria)>绿弯菌门(Chloroflexi)>酸杆菌门(Acidobacteria)>拟杆菌门(Bacteroidetes)>芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)。种植第二季小白菜后土壤中最优势细菌门由放线菌门(Actinobacteria)变为变形菌门(Proteobacteria)。相比CK处理组,3种组配改良剂修复土壤中变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度显著增加。(4)连续种植两季小白菜可显著影响3种组配改良剂钝化重金属的稳定性。连续种植两季小白菜后,CK处理组中Cu、Pb、Zn、Cd的有效态含量均显著升高。而3种组配改良剂修复土壤中,除Pb相比CK处理组有不同程度升高外,Cu、Zn、Cd相比CK处理组均不同程度降低,但其有效态含量均高于种植前。表明在连续种植条件下,3种组配改良剂钝化重金属不同程度活化,连续种植影响了组配改良剂的钝化效果稳定性。相比之下,3种组配改良剂对Cu、Zn、Cd的钝化稳定性效果较好,而对于Pb的钝化稳定性效果较差。同时,连续种植增加了重金属在小白菜体内的含量,第二季种植后小白菜的根和叶中的Zn、Pb、Cd含量均高于第一季。(5)模拟小白菜根系分泌有机酸对土壤重金属钝化稳定性影响的结果表明,不同浓度根系分泌有机酸可通过改变土壤p H等理化性质改变重金属的赋存形态,进一步影响土壤重金属活性。小白菜根系分泌有机酸可不同程度增加土壤酸溶态和可还原态重金属(Cu、Pb、Zn、Cd)的百分比含量,并不同程度降低可氧化态、残渣态重金属(Cu、Pb、Zn、Cd)的百分比含量。综上所述,3种组配改良剂可不同程度地降低重金属(Cu、Zn、Cd)的生物有效性,对土壤重金属有较好的钝化效果。而连续两季小白菜种植后,植物通过根际活动(根系分泌物和根际微生物活性)影响土壤理化、生物化学以及微生物学特性从而在一定程度上进一步活化了土壤重金属,降低了改良剂对重金属的钝化稳定性,增加了连续种植后作物体内重金属含量。因而,污染农用地土壤钝化修复后连续种植作物需要合理考虑植物根际活动对重金属钝化稳定性的影响,以降低农作物种植风险。
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