有机物料对Pb2+的吸附特性及对铅污染麦田的修复效应

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铅(Pb)是环境中典型的重金属污染物,在水体和土壤中都有富集。农田土壤的Pb污染对生态环境质量、粮食安全生产、人类健康都有严重危害,而农业生产中所产生的废弃物如秸秆、畜禽粪便等都可以作为重金属原位修复材料,对农业废弃物资源化利用和经济可持续发展具有重要意义。但不同有机物料的吸附特性有差异,对重金属农田的修复效果也受到多种因素的影响,因此本研究选用玉米秸秆、鸡粪、食用菌菌渣、锯末生物炭四种有机物料,表征了不同材料的理化性质,分析了它们对溶液Pb2+的吸附特性,并在此基础上重点考察了四种材料对Pb污染麦田的修复效应,测定指标包括土壤理化性质、土壤微生物群落结构及多样性、重金属形态分布及迁移性、小麦植株生长和光合动态变化以及产量等,主要结果如下:(1)通过室内分析可知,四种有机物料含有羟基、羧基等官能团,能够有效地吸附Pb2+,但吸附特性有一定差异。在pH 16范围内,秸秆、鸡粪和生物炭受pH影响较大,最佳pH为5;菌渣受pH影响较小,最佳pH为2,当pH继续增大时,吸附量下降幅度较小。温度25℃,pH为5时四种材料均能较快地达到吸附平衡。四种材料对Pb2+的吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温方程,其中生物炭的平衡吸附量远高于其他三种材料,达到411.52 mg·g-1。(2)通过盆栽试验发现,添加600 mg·kg-1Pb后土壤pH下降,在越冬期和成熟期的下降幅度更大,有机质含量和土壤阳离子交换量则有一定程度的升高。在Pb污染土壤中添加秸秆或鸡粪有降低土壤pH的趋势。添加菌渣或生物炭能够明显提高土壤pH,对于有机质含量的提升也有促进作用。添加菌渣对阳离子交换量的增长也有明显的正向作用。(3)通过DTPA和BCR提取法分析得知,添加600 mg·kg-1Pb后,土壤各形态铅含量均显著增加。秸秆和鸡粪不同程度地提高了土壤DTPA有效态、可交换态和可还原态Pb含量及比例。添加菌渣后污染土壤中Pb全量、有效态含量及比例、可交换态和可氧化态含量及比例均最低。添加生物炭后污染土壤中可氧化态和残渣态的含量及比例升高。(4)不同时期,向Pb污染土壤中添加秸秆、鸡粪、菌渣或生物炭对植株中Pb含量以及转运和富集系数的影响不一致,但都没有增加植株可食用部位对Pb的富集,其中菌渣和生物炭的处理降低了成熟期籽粒中Pb含量。(5)高通量测序结果显示,添加600 mg·kg-1Pb后,土壤中细菌物种总数和多样性下降,其中放线菌的相对丰度升高,真菌物种总数和多样性升高,其中纤毛亚门的丰度下降而子囊菌门的相对丰度升高。向Pb污染土壤中添加鸡粪、菌渣、生物炭后,细菌物种总数有所升高,以菌渣的影响最大,其中放线菌的相对丰度均下降。添加秸秆、鸡粪、生物炭使污染土壤中真菌的物种总数下降;添加四种有机物料均可以使真菌物种多样性增加,其中子囊菌门的相对丰度有所下降,纤毛亚门、壶菌门和接合菌门的相对丰度则有所升高,以鸡粪、菌渣和生物炭的效果较明显。(6)向土壤中添加600 mg·kg-1Pb提高了越冬期小麦地上部干物质量,但对成熟期各产量性状有显著的抑制作用。生物炭对小麦花后15d和30d的净光合速率有一定提升作用,菌渣对整个生育期小麦根部生长有显著的促进作用,鸡粪、菌渣和生物炭都能够提高成熟期小麦地上部干物质积累量,优化成熟期各产量性状,而秸秆没有缓解Pb对小麦成熟期干物质积累以及各产量性状的胁迫效应。
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