论文部分内容阅读
当前我国农田土壤重金属污染问题严峻,生物炭作为一种吸附材料和土壤改良材料,在污染土壤原位稳定化工程修复中广受关注。为进一步提升生物炭对土壤重金属的原位稳定化效率,本研究以采集自陕西凤县（FX）和云南昆明（KM）的污染土壤为研究对象,选取猪粪和Ca（H2PO4）2作为原材料,使用高温热解法在700℃下制备了猪粪生物炭（SMB）和磷素强化猪粪生物炭（PSMB）,试验探讨了SMB和PSMB对土壤中重金属镉（Cd）和铅（Pb）的稳定化潜力。研究中,首先运用了比表面分析（BET）、电子扫描显微镜-能量色散X射线光谱分析（SEM-EDS）、红外光谱分析（FT-IR）、X射线衍射分析（XRD）等技术手段,表征分析了SMB和PSMB材料的表面孔隙结构、组成成分以及理化性质差异;然后,在污染土壤稳定化培养试验过程中,以DTPA提取和BCR顺序提取法评估了生物炭对土壤重金属Cd、Pb的稳定化作用;同时,测定了土壤养分,以评估生物炭的添加对土壤肥力的影响;最后,通过小白菜盆栽试验法评价了添加生物炭对土壤肥力、植物重金属吸收以及植物生长的影响。主要研究结果和结论如下:（1）与SMB相比,经过磷素强化改性（PSMB）后,生物炭的p H从11.07增加到11.28,EC值从3920增加到4830(μS·cm-1),灰分产率从64.48%增大至67.92%,生物炭比表面积从39.38 m2·g-1减少至16.77 m2·g-1,但总孔隙体积变化不大(SMB的总孔隙体积为0.064 cm3·g-1,PSMB的总孔隙体积为0.060 cm3·g-1)。SEM-EDS分析显示,PSMB的磷（P）含量明显高于SMB。此外,FT-IR分析显示,猪粪热解处理导致其化学功能组分发生了重新排列,PSMB和SMB均在1419cm-1处出现了强烈的C=C的伸缩振动峰,且PSMB在此处的峰尤为明显,说明磷酸强化热解可以促使碳结构的芳构化;在～555 cm-1和1037 cm-1处也均出现较强烈的P–O键伸缩振动峰,且在PSMB中该峰强度显著高于SMB,证明PSMB中引入了更多的P–O键。进一步对生物炭材料进行的XRD分析表明,在SMB和PSMB的XRD衍射图谱中可以清晰地观察到大量无机矿物的形成,但相比于SMB,PSMB分别在2θ=20.99°和2θ=26.50°处出现了两个明显区别于SMB的新衍射峰,分别为新生成的透钙磷石和三斜磷钙石矿物晶体衍射峰。（2）添加SMB和PSMB会改变土壤的p H、提高土壤的EC。添加3%SMB和3%PSMB的处理,能有效提高FX和KM土壤中Available-P、Available-K和土壤有机质（SOM）的含量。与FX和KM原始土壤相比,添加3%PSMB处理可以使FX土壤中Available-P增加7.82倍,使KM土壤中Available-P增加约8.13倍;在对照和SMB 3%处理下,土壤中Available-K含量分别由对照的397 mg·kg-1和28 mg·kg-1增加到SMB3%处理下的1507mg·kg-1和1021mg·kg-1;此外,SOM的增加幅度与SMB和PSMB的施用量成显著地正相关。（3）与对照相比,添加SMB和PSMB处理显著降低了Cd和Pb在FX和KM土壤中的有效性。相比于在FX和KM土壤中添加1%SMB、3%SMB以及1%PSMB处理,添加3%PSMB能最大程度地降低FX土壤中34.02%DTPA-Cd和18.70%DTPA-Pb的浓度,同时也可以最大程度的降低KM土壤中47.73%DTPA-Cd和24.58%DTPA-Pb的浓度。此外,与对照相比,所有生物炭处理的FX和KM土壤中酸可溶态Cd和Pb比例降低,而残渣态Cd和可还原态Pb的比例显著升高。（4）3%PSMB的添加使得FX小白菜地上部生物量增加为对照的1.62倍;使得KM地上部小白菜生物量增加为对照的1.27倍。3%PSMB在FX土壤中的应用,使得小白菜地上部中Cd和Pb分别降低19.23%和46.54%,地下部中Cd和Pb分别降低38.31%和43.10%。3%PSMB在KM土壤中的应用,使得小白菜地上部中Cd和Pb分别降低84.66%和56.33%,地下部中Cd和Pb分别降低86.89%和54.80%。总而言之通过盆栽试验进一步证实生物炭的添加有助于小白菜生物量的增加。3%PSMB在FX和KM土壤中的应用,显著降低了小白菜对于Cd和Pb的吸收。研究表明,土壤施用生物炭PSMB不但能有效促进污染土壤中的Cd和Pb的稳定化,还能有效提高土壤养分供给水平,是一种具有一定应用前景的土壤修复和改良材料。