三种土壤改良剂强化黑麦草修复铜镉污染红壤研究

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植物修复具有成本低、环境友好性等特点目前已被国内外学者广泛研究。江西红壤偏酸性,保水性差同时缺乏磷肥和有机肥,不利于植物生长。为解决上述问题,本研究选取了三种环境友好型改良剂:凹凸棒土(粘土矿物)、鸟粪石(含磷材料)、DOM(有机质)作为修复材料,分别对改良剂进行了制备、提取及表征,分析了改良剂与Cu和Cd的作用机理;选取生物量大、生长周期短的黑麦草为供试植物,采用盆栽实验,研究了不同污染程度土壤条件下三种改良剂对供试植物生长和耐受性影响、对Cu和Cd的吸收影响以及对根际土壤的效应,明确了改良剂增强植物重金属抗性和植物修复效率的机制。此外,采用功能复合概念,将凹凸棒土、鸟粪石、DOM三种功能不同土壤改良剂组合作用下联合黑麦草修复Cu和Cd污染土壤,确定了促进植物生长并提升植物修复效率的最佳组合,以期为改良剂联合植物修复重金属污染土壤提供理论和实验依据。主要的研究结果如下:1.为改善凹凸棒土的吸附性能,将凹凸棒土进行了热改性、酸改性及生物质改性。研究了改性凹凸棒土对土壤吸附解吸Cu和Cd影响及对土壤Cu和Cd动态淋溶效果影响,结果表明:改性凹凸棒土处理下土壤对Cu和Cd的吸附容量分别提升了3.45%~9.93%和19.37%~36.38%;改性凹凸棒土能降低土壤中Cu和Cd迁移性,降低地下水污染风险,其中热改性凹凸棒土钝化效果最佳。通过等温吸附模型和吸附产物FT-IR、XRD表征分析了其对Cu和Cd的吸附机理,结果表明热改性凹凸棒土对Cu和Cd的吸附主要是多分子层不均匀吸附,吸附过程主要发生在材料表面,通过硅羟基与Cu和Cd发生配位作用。2.以氯化镁为添加剂,调节N、P废水中n(Mg2+):n(NH4+):n(PO43-)比例为1.15:1:1,p H在8.5~9之间,反应时间30min,所得产物经SEM、FT-IR、XRD表征表明以鸟粪石为主。研究了鸟粪石对红壤的作用效应,结果表明鸟粪石能通过提升土壤p H促进土壤胶体对Cu、Cd的吸附,同时提升土壤溶液中磷酸根离子促进其与Cd产生Cd5(PO43(OH)沉淀等方式降低Cu、Cd的生物有效性。3.通过对比苔草提取DOM与Cu和Cd反应前后的红外光谱、紫外光谱、三维荧光光谱表明:苔草提取DOM具有大量的羟基、羧基、羰基、甲基等官能团,成分以相对分子质量较大的胡敏酸为主。苔草DOM主要是通过紫外区类富里酸物质和类腐殖酸物质的羧基、羟基等官能团与Cu和Cd产生络合作用,反应过后苔草DOM不饱和共轭双键结构数量、腐殖化水平、芳香环上的取代基数量均显著下降。研究了苔草DOM对土壤吸附Cu和Cd影响,结果表明苔草DOM会降低土壤对Cu和Cd的最大吸附量、吸附平衡速率和吸附亲和力。4.研究了热改性凹凸棒土(5、20、50 g·kg-1)、鸟粪石(10、50、100 g·kg-1)和苔草DOM(250、500、1000 mg·kg-1)对不同污染程度的土壤中黑麦草生长影响,结果表明:(1)热改性凹凸棒土、鸟粪石、DOM对黑麦草均有明显的促生作用,其中热改性凹凸棒土和鸟粪石能降低黑麦草叶片MDA含量,减少膜脂过氧化程度;鸟粪石和DOM可以促进黑麦草叶片产生GSH,清除自由基带来的负面影响。(2)热改性凹凸棒土、鸟粪石、DOM对土壤酶活性均有促进作用。但热改性凹凸棒土对土壤蔗糖酶活性影响不显著;而在低污染和高污染土壤中,高剂量的苔草DOM(1000 mg·kg-1)会抑制土壤脲酶和蔗糖酶活性。(3)热改性凹凸棒土能降低土壤细菌数量提高真菌和放线菌数量;DOM会降低土壤放线菌数量提高土壤细菌和真菌数量;鸟粪石对三种土壤微生物均有促进作用。(4)热改性凹凸棒土和鸟粪石可以通过增加黑麦草生物量达到提升黑麦草对单位质量土壤中Cu和Cd的总提取量,DOM能促进黑麦草生长同时提升黑麦草叶片对Cu和Cd的富集系数提高修复效率。当热改性凹凸棒土添加剂量为20 g·kg-1时,黑麦草的修复效率最佳;鸟粪石仅在高污染土壤中能提升黑麦草对Cu和Cd的总提取量,当添加剂量为50 g·kg-1时修复效率最佳,分别增加了59.8%Cu和44.27%Cd的总提取量;苔草DOM添加剂量为500 mg·kg-1时修复效果最佳,在低、高污染土壤中分别提升了黑麦草叶片中71.7%、22.5%Cu含量和92.1%、46%Cd含量。5.研究了最佳添加剂量下热改性凹凸棒土(20 g·kg-1)、鸟粪石(50 g·kg-1)、苔草DOM(500 mg·kg-1)组合作用对高污染土壤的黑麦草生长影响,结果表明:组合改良剂处理均能发挥功能复合作用,促进黑麦草在Cu、Cd污染土壤中生长,提升土壤微生物和酶活性,改善土壤环境,增加土壤肥力,提高修复效率。其中热改性凹凸棒土+鸟粪石+苔草DOM处理对土壤环境质量改良效果最佳;热改性凹凸棒土+鸟粪石处理中黑麦草的生长状态最佳,相对空白处理提升了260.15%的生物量;鸟粪石+苔草DOM处理中黑麦草对Cu和Cd的修复效率均最高,相对空白处理黑麦草对Cu和Cd的提取量分别提升了55.52%和83.29%。
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