【摘 要】
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近年来,重金属镉(Cd)污染愈演愈烈,严重影响了农作物的产量和品质,威胁了人体健康。钝化修复是一种操作简单、快速有效的Cd污染土壤修复技术,其关键是选择来源广泛、高效且对环境友好的钝化材料。本研究选用纳米生物炭、纳米羟基磷灰石和纳米零价铁三种常见纳米材料,通过室内土壤培养试验筛选出各材料最佳的添加比例和施用时间;在此基础上开展盆栽试验,探明纳米材料对根际土壤特性以及小白菜生长和品质的影响;并采用土
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近年来,重金属镉(Cd)污染愈演愈烈,严重影响了农作物的产量和品质,威胁了人体健康。钝化修复是一种操作简单、快速有效的Cd污染土壤修复技术,其关键是选择来源广泛、高效且对环境友好的钝化材料。本研究选用纳米生物炭、纳米羟基磷灰石和纳米零价铁三种常见纳米材料,通过室内土壤培养试验筛选出各材料最佳的添加比例和施用时间;在此基础上开展盆栽试验,探明纳米材料对根际土壤特性以及小白菜生长和品质的影响;并采用土柱淋溶试验来研究纳米材料对Cd污染土壤中Cd的纵向迁移和淋滤液中Cd含量的影响,明确其对土壤环境是否会造成不良影响。主要研究结果如下:(1)不同培养时间下,纳米生物炭、纳米羟基磷灰石、纳米零价铁单独添加均能提高土壤p H、CEC,且随着添加量的增加效果明显;整个培养周期结束后,p H分别增加了0.07-0.76、0.11-0.71、0.04-0.53个单位,CEC分别增幅为9.05%-44.32%、31.39%-62.87%、4.64%-35.70%。(2)纳米生物炭、纳米羟基磷灰石、纳米零价铁单独添加均能降低土壤中的植物有效性、浸出毒性和生物可给性Cd含量,其中对植物有效性Cd含量降低幅度最大,培养结束后,降幅分别为14.32%-51.05%、14.91%-69.05%、7.90%-62.07%。对植物有效性Cd降低效果最好的添加比例分别为1%(纳米生物炭)、1%(纳米羟基磷灰石)、0.5%(纳米零价铁)。(3)纳米材料对土壤中Cd形态的影响主要表现为有效性高的可交换态Cd向有效性低的形态转化,培养结束后,三种纳米材料对可交换态Cd含量降低幅度分别为22.89%-57.78%(纳米生物炭)、12.89%-73.33%(纳米羟基磷灰石)、33.33%-77.78%(纳米零价铁)。随着培养时间的延长,所有指标变化在28天后基本稳定。三种纳米材料最佳添加比例分别为1%(纳米生物炭)、1%(纳米羟基磷灰石),0.5%(纳米零价铁)。(4)盆栽试验条件下,添加纳米生物炭(1%)、纳米羟基磷灰石(1%)、纳米零价铁(0.5%)均能显著提高小白菜生物量,地上部鲜重分别为对照的1.87、2.28、1.66倍;降低了小白菜可食部分Cd含量,降幅分别为49.69%、68.10%、57.06%,小白菜可食部分Cd含量达到《食品安全国家标准》(GB 2762-2017)中规定的限值0.2mg/kg以下;纳米材料的施用增加了小白菜可溶性糖、可溶性蛋白和维生素含量,同时降低了亚硝酸盐含量,降幅分别为65.84%、72.80%、46.22%,且亚硝酸盐含量均未超过《食品安全国家标准》(GB 2762-2017)中规定蔬菜亚硝酸盐含量安全标准(20 mg/kg),提升了小白菜的营养品质和安全品质。(5)纳米材料的添加提高了小白菜根际土壤p H,显著降低了根际土壤有效Cd含量,降幅分别为49.69%(纳米生物炭)、68.10%(纳米羟基磷灰石)、57.06%(纳米零价铁),同时促进了可交换态和碳酸盐结合态Cd含量向生物难利用的Cd形态的转化,从而降低了生物有效性。施加纳米材料后根际土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均不同程度升高,改良了土壤生态环境。(6)基于土柱淋溶试验结果,在淋溶条件下,添加纳米生物炭(1%)、纳米羟基磷灰石(1%)、纳米零价铁(0.5%)降低了0-5、5-10、10-15、15-20 cm土层中的Cd向下层土壤中的迁移量,使20-40 cm土层中Cd含量大幅度降低。与未添加纳米材料相比,20-30 cm土层Cd分别降低了47.06%、70.58%、58.82%,30-40cm分别降低了50.00%、83.33%、67.00%,减小了Cd向土壤深层迁移的风险。同时添加纳米材料后,0-20cm各土层有效态和可交换态Cd含量也显著降低,表明添加纳米材料降低了Cd的有效性,从而降低了Cd的纵向迁移风险,对下层土壤污染风险降低。(7)随着淋溶次数的增加,土壤淋出液中Cd浓度也逐渐减少,添加纳米材料处理后的土壤经过淋溶作用后使得淋溶液中的Cd含量降低了53.28%(纳米生物炭)、72.71%(纳米羟基磷灰石)、79.08%(纳米零价铁),达到《地下水质量标准》(GB 14848-2017)中Ⅳ类用水标准(0.01 mg/kg),降低了Cd对地下水污染的风险。综上,纳米生物炭、纳米羟基磷灰石、纳米零价铁对土壤重金属Cd具有较好的钝化效果,可作为高效、环境友好的土壤Cd污染钝化修复材料进行推广使用。
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