生物质炭对不同质地镉污染土壤性质及有效镉的影响

[目的]研究生物质炭对不同质地镉污染土壤理化性质及有效镉的影响。[方法]按照不同比例配置成砂土、壤土及黏土3种质地的镉污染土壤,通过添加不同比例的生物质炭,模拟研究不同添加量生物质炭对不同质地镉污染土壤pH、EC、有机质、含水率及有效镉含量的影响。[结果]生物质炭尽管提高了不同质地土壤pH,但是没有显著性影响;土壤EC值、有机质含量和含水率均随生物质炭添加量的增加而显著增加。当生物质炭添加量低于4%时,土壤有效镉随着生物质炭添加量的增加呈显著降低,进一步提高生物质炭添加量时土壤有效镉含量变化不明显。和对照相比,当土壤中生物质炭的添加量为2%、4%、8%时,砂土有效镉分别减少2.09%、7.94%、14.50%,壤土分别减少24.00%、32.60%、35.00%;黏土分别减少41.80%、58.80%、63.20%。[结论]该研究为生物质炭在不同质地镉污染土壤中的应用提供理论依据。     

修复肥料和紫云英对水稻吸收积累镉的影响

为探讨修复肥料和紫云英对镉污染稻田的修复效果,在大田试验条件下,设置修复肥料和紫云英处理,并与应用较为广泛的石灰进行安全利用效果对比,研究对镉污染稻田水稻不同部位镉吸收转运、有效态镉含量、镉化学形态和酶活性等的影响。结果表明：修复肥料和紫云英联合施用可以使水稻产量较不添加土壤调理剂增产9.01%,施用修复肥料或紫云英也有一定增产效果;修复肥料和紫云英单施及二者联合施用均有效降低糙米镉含量,联合施用的降镉效果最好,达到了28.64%,石灰处理后糙米镉含量也均低于GB 2762-2017限量值;修复肥料和紫云英联合施用水稻根际和非根际土壤pH值分别提高0.20和0.32个单位,效果好于石灰处理（分别提高0.08个和0.23个单位）,修复肥料单施和与紫云英联合施用根际和非根际土壤有效态镉含量分别降低32.25%和40.54%,降镉效果接近石灰处理（27.87%和42.85%）;修复肥料和紫云英联合施用降低了土壤弱酸提取态和可还原态镉含量,提高了残渣态镉含量。此外,修复肥料和紫云英的联合及单独施用在一定程度上提高了土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性;紫云英和修复肥料单施和二者配施的投入产出比较高,分别为1.76、1.73和1.72。综合来看,在镉污染稻田紫云英还田时,配合修复肥料施用可降低稻米镉含量、提高稻谷产量、改善土壤酶活性,其投入产出比较高,且具有较高的经济效益和可操作性。     

不同秸秆炭的制备及其对镉污染黄壤中镉的钝化效果

为优化秸秆炭的生产工艺及修复治理镉污染黄壤提供依据,选择水稻秸秆和玉米秸秆为试验材料,筛选优化秸秆炭的产炭温度与时间;并研究不同秸秆炭施用量(土壤重量的1%、2. 5%和5%)对镉污染黄壤中镉的钝化效果。结果表明:不同热解条件下,秸秆炭的产率为8. 7%～30. 5%,以400℃热解炭化2 h的产炭率最优,为30. 5%,较相同温度下热解炭化3 h和1 h的产炭率分别提高5. 8%和9. 3%; 1%、2. 5%和5%的3个施用量处理的水稻秸秆炭土壤可交换态镉含量较对照(不施用秸秆炭)分别降低34. 00%、54. 67%和41. 00%,玉米秸秆炭各处理土壤可交换态镉含量较对照分别降低14. 00%、42. 33%和52. 67%,土壤螯合态镉和残渣态镉的含量有所增加;在一定用量范围内,施用2种秸秆炭均能够降低黄壤中镉的有效性,以2. 5%的水稻秸秆炭和5%的玉米秸秆炭施用水平对其钝化效果最佳。     

添加生物炭对土壤镉形态和小白菜镉吸收的影响

为了深入研究生物炭对土壤镉(Cd)形态及对小白菜吸收镉的影响,研究采取盆栽试验,将小白菜种植于镉污染土壤中,通过添加不同质量分数的生物炭进行培养试验。试验共设CK(不添加生物炭)、T1(添加2%的生物炭)及T3(添加4%的生物炭)三个处理,每个处理进行三次重复。试验结果表明：添加生物炭可以显著提高供试土壤的pH,T1、T2处理可分别将土壤pH提高0.58、0.80个单位;随着生物炭添加量的增加,土壤中弱酸提取态镉与可还原态镉的含量降低,而可氧化态镉与残渣态镉的含量增加,且T2处理与T1处理相比效果更显著;添加生物炭可以显著减少小白菜吸收镉的量,T1和T2处理可以分别使小白菜对镉的吸收降低41.67%和75.00%。总的来说,添加生物炭可以降低土壤中有效态镉的含量并显著降低小白菜对镉的吸收量,是一种降低土壤镉危害、提高小白菜的食品安全性的有效方法。     

生物炭基调理剂对土壤镉生物有效性的影响

研究采用木屑和市政污泥混合物制备的生物炭与石灰石、沸石混配成镉污染土壤调理剂,连续两季施用于镉污染稻田。通过对土壤中生物有效态镉及水稻中镉的检测,探讨生物炭基调理剂连续施用的降镉效果及其对水稻吸收镉的影响。结果表明:施用该生物炭使土壤中生物有效性镉降低,与石灰石、沸石混配能进一步降低土壤中有效态镉含量;两季试验有效态镉最大降低幅度分别为27.8%和22.9%;施加沸石、生物炭及两者混配均能提高水稻千粒重,最高达24.2%;混配施用生物炭与石灰石、沸石比单独施用该生物炭能进一步降低水稻根和米中镉含量,与空白对照相比,两季中根镉最大降幅为29.1%,稻米中镉含量降低48.8%。     

不同土壤调理剂对桂东中度镉污染农田的修复效果

为桂东地区镉污染农田的安全生产提供依据,在桂东中度镉污染农田开展田间试验,比较诺地康、隆昌LC-SOl、格丰GF-TD2、格丰GF-TP3和石灰5种不同的土壤调理剂对土壤pH、土壤有机质、全镉、有效态镉和糙米镉含量的影响,探明不同土壤调理剂在中度镉污染农田上的修复效果。结果表明：与对照相比,施用5种土壤调理剂均显著提高土壤pH,土壤pH增加0.26～0.91个单位;土壤有效态镉含量显著降低31.8%～56.6%;水稻糙米中的镉含量降幅为45.9%～80.8%,土壤pH与土壤有效态镉含量密切相关,土壤有效态镉含量与土壤pH呈极显著负相关（R=-0.676）;但5种土壤调理剂对水稻产量、土壤全镉含量和土壤有机质含量影响较小。从水稻产量、土壤pH、土壤有效镉含量和糙米镉含量来看,格丰GF-TP3土壤调理剂对土壤有效态镉含量和糙米镉含量的控制效果最佳,其降幅分别为56.6%和80.8%。     

高活性土壤调理剂在镉污染酸性稻田中应用

通过田间试验,研究了土壤调理剂对中轻度镉污染稻田土壤的修复效果。结果表明:施用该土壤调理剂可显著提高土壤pH值,提高幅度最高可达0.47个单位,在施用量为1 125和1 500 kg/hm~2条件下,土壤有效态镉平均浓度分别降低了0.114和0.127 mg/kg,精米镉含量分别下降了34.8%和39.2%,稻谷产量分别增加了8.7%和11.6%。该产品可有效改善酸性土壤理化性质、降低土壤镉的可移动性、减少水稻镉吸收、提升稻谷产量,进而提高经济效益。     

9种钝化剂对耕地土壤镉的钝化效果

为镉污染耕地土壤修复与作物种植提供科学依据,在清镇市红枫湖镇设置田间试验,比较了施加9种土壤钝化剂对土壤和白菜重金属镉含量的影响。结果表明:施加石灰的休闲土壤(不种白菜)有效态镉含量降低最多,降幅为67.97%;施加玉米生物炭的种植白菜土壤有效态镉含量降低最多,降幅为48.02%;施加玉米生物炭、土壤修复调理剂和楚戈牌土壤调理剂的白菜中镉含量较不施加的对照下降最多,降幅达17.0%左右。认为9种钝化剂对耕地土壤镉均有一定钝化效果,而8种钝化剂对白菜镉吸收积累有一定阻滞效果,建议镉污染耕地土壤修复利用施加钝化剂时,优先选用石灰、玉米生物炭、土壤调理剂。     

不同原料生物质炭对重金属污染土壤微生物活性的影响

  目的  探究不同原料制备的生物质炭能否缓解长期重金属污染对土壤微生物活性的胁迫效应，为污染土壤生物质炭修复提供科学依据。  方法  将竹材边角料(BB)、山核桃Carya cathayensis蒲壳(PB)和玉米Zea mays秸秆(CB)制备的3种生物质炭分别以3%比例(炭土质量比)添加到长期受铅、镉污染土壤中，分析生物质炭短期施用下土壤养分、重金属有效质量分数和土壤微生物活性的变化特征。  结果  3种生物质炭添加均未影响土壤重金属全量，而显著(P＜0.05)降低了土壤氯化钙可提取态铅、镉质量分数。与不施生物质炭处理相比，BB、PB和CB分别使可提取态铅质量分数显著(P＜0.05)降低了69%、84%和72%；使可提取态镉质量分数显著(P＜0.05)降低了26%、63%和36%，且PB处理显著(P＜0.05)低于BB和CB处理。PB和CB添加均显著(P＜0.05)提高了土壤pH(0.79和0.51个pH单位)、有机碳质量分数(37%和74%)、全氮质量分数(12%和41%)，而BB添加对其影响不显著。BB、PB和CB分别使土壤磷脂脂肪酸总量提高了33%~56%、革兰氏阳性菌提高了30%~41%、革兰氏阴性菌提高了40%~66%、放线菌提高了34%~52%、真菌提高了33%~79%，但3种处理间无显著差异(除PB和CB处理的磷脂脂肪酸总量显著高于BB处理)。3种生物质炭均显著(P＜0.05)提高了脱氢酶活性(2~6倍)，但未影响土壤基础呼吸速率，而PB处理显著(P＜0.05)降低了细菌胁迫指数(13.9%)，提高了底物诱导呼吸速率。  结论  山核桃蒲壳制备的生物质炭可作为较好的改良剂，降低土壤铅镉有效性，恢复土壤微生物的数量和活性。图4表3参29     

生物炭对水稻镉吸收的影响

为明确施用生物炭对水稻镉吸收的影响,研究了不同生物炭施用量(1.5%、3.0%、6.0%)对土壤pH、土壤有效态镉含量、水稻产量、水稻籽粒中镉含量的影响。结果表明:施用生物炭能够显著提高土壤pH,比对照组分别增加0.05,0.11,0.16。施用生物炭能够降低土壤中有效态镉的含量,比对照组分别降低2.4%、3.8%、7.1%。施用生物炭能够增加水稻产量,施用生物炭的3个处理水稻产量均高于对照处理,但差异不显著。施用生物炭能够抑制镉向水稻植株中迁移,显著降低水稻籽粒中镉的含量,比对照组分别降低20.2%、21.5%、25.8%。在镉污染土壤中施用生物炭可显著降低镉的有效性,降低了水稻镉污染的风险,对保障粮食安全具有重要意义。     

钝化剂对土壤镉铅有效性和微生物群落多样性影响

为研究海泡石和生物炭两种钝化剂对镉铅复合污染土壤修复效果及微生物群落功能多样性的影响,以南京某蔬菜地土壤为研究对象,采用盆栽试验方法,研究海泡石和生物炭单施及配施条件下,土壤理化性质、土壤微生物群落功能多样性、土壤Cd、Pb有效态含量的变化以及萝卜和小白菜两种作物对Cd、Pb富集的影响。结果表明:海泡石和生物炭单施、混施均显著促进土壤Cd、Pb由酸溶态向残渣态转化,降低Cd、Pb生物有效性。其中,2.5%海泡石处理Cd、Pb有效态含量降幅最大,与对照相比,种植萝卜和小白菜的土壤Cd、Pb含量分别降低71.88%～75.44%和81.21%～84.52%。生物炭对土壤微生物活性影响显著,2.5%生物炭处理微生物对碳源利用能力最强,但微生物群落功能多样性未显著增加。添加海泡石和生物炭均减轻了萝卜和小白菜可食部位对Cd、Pb的富集,2.5%海泡石和1.25%海泡石与1.25%生物炭配施处理,萝卜可食部位Cd和Pb含量均满足《食品安全国家标准》(GB 2762—2017),但小白菜可食部位Pb含量超出安全标准。研究表明,从土壤环境质量和作物安全角度考虑,一般采取海泡石和生物炭配施进行重金属Cd-Pb复合污染土壤的修复,而且在中度Cd-Pb污染的菜地土壤中优先考虑种植萝卜类蔬菜。     

生物炭施用对棕壤重金属镉赋存形态及油菜吸收镉的影响

以受镉(Cd)单一污染的棕壤为供试土壤,分别添加不同用量(0、1%、3%和5%)的稻壳生物炭进行土壤培养试验,通过测定不同形态重金属Cd含量及土壤pH的变化,研究生物炭施用对棕壤中Cd赋存形态的影响;将培养后的土壤继续进行盆栽油菜的种植,测定不同时期油菜地上部及地下部的Cd含量,并计算其根富集系数及地上部转运系数,旨在探明生物炭的施用对油菜吸收Cd的影响。结果表明,随生物炭施用量的增加,活性较强的交换态Cd的含量显著降低,而活性较弱的有机结合态和残渣态Cd的含量显著增加(P0.05);3%、5%的生物炭施用量提高了土壤pH,可交换态Cd与土壤pH存在极显著负相关关系(P0.01),有机结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态Cd与土壤pH存在显著正相关关系(P0.05)。与对照相比,不同生物炭施用量(1%、3%和5%)处理的油菜地上部Cd含量分别降低了18.86%、64.22%、68.40%,地下部Cd含量分别降低了11.03%、57.93%、60.62%;油菜全生育期根富集系数减小值在0.01~1.26范围内,地上部转运系数减小值在0.22~0.32范围内,其中以生物炭施加量为5%的处理效果最佳。     

生物炭与肥料复配对土壤重金属镉污染钝化修复效应

通过田间实验,研究了生物炭与有机肥及氮磷钾复合肥复配施用对菜地土壤重金属镉污染钝化修复效应,并探讨了作用机制。结果表明,菜地土壤添加不同钝化材料可显著降低油麦菜地上可食部位Cd的累积量,降幅可达32.6%~54.8%,各钝化处理的菜地土壤有效态Cd含量均出现显著降低,降幅可达7.04%~21.85%,施用生物炭可以显著提高菜地土壤pH值,有利于促进对土壤重金属Cd活性的钝化作用;而施用鸡粪却明显降低菜地土壤pH值,不利于菜地土壤重金属Cd的钝化作用。土壤pH值与油麦菜根部Cd累积量间呈显著的正相关性,但与油麦菜地上可食部位Cd累积量间的相关性并未达到显著性水平。该项研究可为生物炭与有机肥及氮磷钾复合肥复配修复污灌菜地土壤重金属镉污染提供一定的理论基础。     

基施钢渣及生物炭结合水分管理阻控水稻镉砷吸收研究

采用土柱实验和田间实验,研究了不同水分管理、基施钢渣及生物炭对稻田-水稻系统中镉砷污染同时阻控的效果。土柱实验结果表明,持续性淹水(CF)降低了Cd的生物有效性,但显著提高了As在土壤中的溶出,钢渣显著提高了土壤p H,降低了土壤Eh,并同时降低了Fe和Cd的溶解,增加了土壤溶液中Mn和As的含量。田间实验结果表明,糙米中Cd和As的含量呈显著负相关(R=-0.838,P0.05)。好氧环境下,基施钢渣及生物炭(A+SS、A+SS+BC)无法抑制Cd在稻米中的积累,而持续性淹水环境下基施钢渣和生物炭(CF+SS+BC)对水稻Cd和As具有同时阻控的效果,这或可成为水稻镉砷同时阻控的配套技术。     

天然植物营养素对水稻生长发育及降镉效应研究

为探明天然植物营养素(水溶有机肥料)对水稻生长发育、稻米品质和降镉效应的影响,通过镉超标土壤盆栽试验开展研究。结果表明:喷施天然植物营养素对水稻株高及分蘖有一定的促进作用,提高水稻对氮、钾的吸收和稻谷产量,稻草氮、钾含量分别较对照提高2.2%~5.4%和15.4%~26.4%,稻谷产量提高5.7%;显著提高稻米粗蛋白和赖氨酸含量,粗蛋白含量提高6.1%~10.9%,赖氨酸含量提高50.0%~63.6%;增加稻根镉含量,阻止镉向地上部转移,茎叶镉含量较对照降低3.7%~9.6%;稻米镉含量0.07 mg/kg,低于国家食品卫生标准(0.2 mg/kg)。叶面喷施浓度以1∶900倍稀释液为宜。     

小麦秸秆生物质炭对碱性土壤中油菜生长和镉吸收的影响

为探讨小麦秸秆生物质炭对镉（Cd）污染碱性土壤的修复效果,采用序批式吸附试验和Cd污染土壤盆栽试验,研究了小麦秸秆生物质炭施用（1%,m/m）对碱性土壤吸附Cd的影响,以及对Cd污染土壤中油菜生长和Cd吸收的影响。结果表明：Cd在生物质炭上的吸附等温线非线性较强,生物质炭对Cd的表面吸附起主导作用,Cd在生物质炭上的分配系数（K_d）是在土壤上的1.5~3.0倍。生物质炭施用可促进土壤对低浓度Cd的吸附,0.1 mg·L^-1平衡浓度下K_d值提高了19.5%;生物质炭施用可抑制土壤对高浓度Cd的吸附,在10 mg·L^-1条件下K_d值降低了37.2%。生物质炭施用对土壤pH值影响不显著,但缓解了Cd污染对油菜生长的抑制作用,油菜生物量最高提高了45.0%,也抑制了油菜对Cd的富集,油菜富集Cd的量最高降低了40.6%;CaCl₂、Mg（NO₃）₂、NH₄OAC、HCl、DTPA和BCR1作为提取剂提取出土壤中Cd的量与油菜地上部分吸收Cd的量相关性较强（线性回归方程决定系数R²> 0.8）,而Mg（NO₃）₂萃取出土壤中Cd的量更能预测油菜地上部分吸收Cd的量。研究表明,小麦秸秆生物质炭有利于降低碱性土壤中Cd的生物有效性,但并非通过提高土壤pH值和吸附能力来实现。     

生物有机肥和生物炭对Cd和Pb污染稻田土壤修复的研究

在田间试验条件下,研究施用生物有机肥和生物炭对稻田Cd 和Pb 污染的钝化修复效果。研究结果表明:施用生物有机肥和生物炭处理可以提高土壤pH值以及土壤养分含量,并显著降低土壤有效态Cd 和Pb 的含量,且土壤pH 值与土壤有效态Cd 和Pb 的含量呈极显著负相关;生物有机肥和生物炭处理还可以降低水稻体内Cd 和Pb 的含量,其中水稻糙米Cd 降幅达到了22.00%和18.34%,水稻糙米Pb 含量的降幅也达到了33.46%和12.31%,且水稻糙米Cd 和Pb 的含量与土壤有效态Cd 和Pb 的含量呈显著正相关。综合各处理对土壤pH 值、土壤养分含量、土壤有效态Cd 和Pb 的含量以及水稻Cd和Pb 的影响,可以看出生物有机肥和生物炭处理对于Cd 和Pb 污染稻田土壤有较好的修复效果。     

三种生物质炭对红壤和黄壤镉有效性的影响

采用盆栽试验,研究了5%的花生壳炭、竹炭和小麦秸秆炭对红壤和黄壤中有效镉含量及玉米幼苗镉吸收和转运的影响。结果表明:3种生物质炭使红壤和黄壤的pH分别提高0.12~0.59和0.21~1.00,有机质含量分别提高35.43%~83.34%和52.14%~142.82%,均达到显著性水平(P0.05);生物质炭使红壤和黄壤有效镉含量分别降低12.8%~20.1%和17.7%~29.9%,降幅在红壤中以花生壳炭处理最大,黄壤中则以小麦秸秆炭处理最大,但两种土壤中花生壳炭、小麦秸秆炭处理有效镉含量差异不显著;3种生物质炭一定程度上可抑制红壤中玉米的生长,但花生壳炭和竹炭可促进黄壤中玉米幼苗的生长;花生壳炭和竹炭使红壤中玉米幼苗地上部镉含量分别降低19.63%和23.10%,竹炭使黄壤中玉米幼苗根部镉含量提高14.88%,其余处理对玉米幼苗根部和地上部的镉含量影响均不显著。这说明尽管生物质炭可通过提高土壤pH和有机质含量降低红壤和黄壤的有效镉含量,但对植物镉含量的影响则因土壤类型和生物质炭种类而异。     

保水剂对土壤重金属镉形态及生物有效性的影响

基于保水剂所具有的较强重金属吸附能力,近年来已被作为重金属污染土壤的修复候选材料之一,为弄清保水剂如何影响重金属在土壤中的形态转化,通过向镉污染土壤中添加不同用量保水剂后的黑麦草盆栽试验,探讨保水剂(聚丙烯酸钠)对黑麦草吸镉以及对土壤镉形态转化的影响。结果显示,试验所用保水剂对溶液中重金属镉有较强的吸附能力,在镉浓度为200 mg·L~(-1)的溶液中,保水剂吸附镉可达120 mg·g~(-1)以上,添加保水剂可减少镉在黑麦草地上部的积累量。仅添加保水剂处理,60 d后土壤镉下降20%以上。添加保水剂并栽种黑麦草,可使土壤镉附加下降16%以上,培养过程中减少的土壤镉绝大部分被保水剂所吸附。黑麦草根系分泌物对镉的络合可促使难溶性镉向可溶性镉转化,而保水剂通过对可溶性镉的吸附降低了可溶性镉的浓度,促进镉由"残渣态→可氧化态→可还原态→酸溶态"的转化,两者共同促进了土壤镉的降低。添加保水剂一方面促进了土壤中难溶性镉向可溶性镉的化学转化,另一方面又减少了镉在植物体内的积累。因保水剂吸附的镉是否在一定时间后可重新释放出来被植物吸收还不清楚,将保水剂作为钝化剂正式用于修复镉污染土壤之前,还须通过长期的生物学试验加以验证。