生物炭对两种镉污染土壤的修复效果研究

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生物炭因其丰富的多孔结构以及稳定的碳元素和作物所需的营养元素,可作为一种很好的土壤固水、保肥材料,而独特的外观结构会影响修复效果,因此如何提升生物炭对重金属污染土壤的改良效果以此获得更友好的生物炭,作为未来环境领域和农业领域的“利刃”,本研究采用玉米秸秆生物炭为原料,通过化学方法得到改性生物炭处理(SWT-H),比较生物炭与改性生物炭的性质及其对重金属Cd2+的吸附特性,处理前后的生物炭按照一定的比例添加到土壤H与土壤S两种原状镉污染的土壤中,通过土壤培养试验探讨其对目标污染物镉的钝化效应;在此基础上,探讨了不同生物炭在盆栽试验中的调控效应,明确其在两种镉污染土壤中的修复效果。主要研究结果如下:(1)在一定范围内,生物炭对Cd2+的吸附量随平衡液浓度的增加而呈现出上升的趋势,其吸附曲线既满足Langmuir等温吸附曲线又符合Freundlich等温吸附的要求,其中生物炭对Cd2+的饱和吸附量分别为17.96 mg/g(288.15 K),18.43 mg/g(298.15 K),21.07 mg/g(308.15 K),而改性后的生物炭对Cd2+的饱和吸附量可分别达到18.62 mg/g(288.15 K)、19.93 mg/g(298.15 K)、21.27 mg/g(308.15 K);电镜结果显示,化学处理打开了生物炭的微孔结构,孔隙结构较好;红外结果表明,改性生物炭含氧官能团数量较多,能通过表面吸附更多的Cd2+;p H在2~8时,生物炭及改性生物炭对Cd2+的吸附量随p H的升高先增加后降低。(2)土培实验发现:随添加生物炭的比例增加,均不同程度的提升了两种土壤p H,而在整个培养过程中,土壤H和土壤S的土壤p H变化呈现出先升高后降低趋势;施入生物炭能有效降低土壤H和土壤S两种土壤中有效态镉含量,但在整个培养周期,5%的生物炭添加比例对土壤H有效态镉含量降低效果最优,而土壤S则在2.5%的炭添加比例下钝化效果更优,无论是改性生物炭还是生物炭处理,添加生物炭对土壤S镉的钝化效果优于土壤H上;此外添加生物炭可以改变土壤中镉形态的分布比例,促进土壤中可交换态镉向碳酸盐结合态、有机结合态和残渣态镉转化。单从添加比例来看,5%生物炭量转化效果优于2.5%生物炭量,能更好的促进可交换态向残渣态镉转化。在整个培养过程中,随生物炭量的添加,除酸性磷酸酶活性降低外,土壤脲酶和蔗糖酶活性均呈现出增加,且5%生物炭添加比例对2种酶的促进作用显著高于2.5%添加比例,而过氧化氢酶含量在土壤H上呈现出显著的升高趋势,但在土壤S上则出现了降低。(3)盆栽实验结果表明,生物炭和改性生物炭促进了黄豆的生长,提升了土壤p H,降低了土壤有效态Cd含量,表现为:土壤S有效态Cd降低效果优于土壤H,添加生物炭及改性生物炭处理的黄豆Cd含量均低于空白处理,相比生物炭,改性生物炭处理黄豆籽粒中镉的含量更低。黄豆根部镉含量远高于地上部和籽粒中的镉含量,降低了黄豆对镉的转运和富集系数。
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