生物炭炭际微域土壤中镉的分布和迁移转化机制研究

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当前我国耕地土壤重金属污染形势严峻,其中Cd污染尤为突出,随之带来的食品质量安全问题也令人担忧,土壤Cd污染防治与修复工作亟待加强。生物炭作为一种原位钝化剂,因其具有的优良特性在修复土壤重金属方面具有广泛的应用前景。不同的生物炭在理化性质方面存在差异,其对Cd钝化的机制也不尽相同,目前多数研究关注于添加生物炭对土壤重金属钝化的宏观效应,而土壤系统中生物炭对重金属固定的微观过程和反应机理研究较少。生物炭与土壤界面形成的特殊的微域环境称之为炭际微域,类似于植物根系周围的根际环境,生物炭炭际微域土壤中重金属的特性不同于非炭际土壤,而目前有关生物炭添加对炭际微域土壤理化性质和重金属变化的影响研究较少。  针对目前研究中存在的问题,采用田间双层网袋法研究不同热解温度下的猪粪生物炭对炭际微域土壤和生物炭基本理化性质、Cd分布及迁移转化的影响,探讨生物炭老化过程对土壤Cd的钝化效果,以期为生物炭在土壤Cd污染钝化修复技术应用方面提供理论依据和技术支撑。主要研究结果如下:  (1)热解制备的猪粪生物炭呈碱性,pH值在8.5-10.5之间,灰分含量较高;制备成生物炭后,虽然猪粪生物炭本身含有较高的Cd背景值(0.6-0.8mg/kg),但生物炭中Cd的有效性几乎为零,热解过程可完全钝化原料自身所包含的Cd。  (2)通过双层网袋实验物理分离生物炭和炭际微域土壤,研究不同生物炭对炭际微域土壤中pH值、DOC、 Cd的形态、有效性和全量的影响。结果表明,炭际微域土壤pH值由5.8提升至6.6-6.8;300、500和700℃条件下制备的生物炭使炭际微域土壤中Cd有效性分别降低38%、30%和18%;土壤酸可提取态Cd分别降低40%、25%和10%,Cd的形态由酸提取态向可还原态和残渣态转化,显著降低了土壤中Cd的有效性;炭际微域土壤中全Cd含量减少,而生物炭中Cd的全量提高0.6mg/kg以上,这表明存在着炭际微域土壤Cd向生物炭表面迁移过程的可能性。  (3)通过对分离出的生物炭进行理化性质测定、FTIR表征及CHNS元素分析发现,生物炭pH值由碱性下降至近中性(7.0-7.5);生物炭中O含量上升,表面发生氧化作用;傅里叶图像上不饱和基团峰强度没有变化,表明生物炭上的芳香类基团没有变化;低温猪粪生物炭(300℃)对Cd的吸附机理可能与酚羟基对Cd的络合作用有关。
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