巯基膨润土对水稻土中镉形态转化的影响研究

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我国人口众多,土地资源相对匮乏,而快速的城市化与工业化进程使农用土地重金属污染日益严重。镉是国际癌症研究机构归类的致癌物,土壤中镉极易通过水稻富集,给人体的健康带来极大危害。但是,水稻对镉的吸收不仅仅取决于土壤中镉的总量,更重要的是与镉在土壤中的存在形态有关。本研究以四川省丹棱某地镉污染农田土壤为修复对象,通过大田及盆栽实验研究了巯基化膨润土对土壤镉的形态转化的影响、对水稻生长及吸收镉的影响,评价了巯基膨润土对土壤中镉的钝化效果,为镉污染土壤的钝化修复提供了依据。主要研究内容及成果如下:(1)通过选择实验用水、空白样品和振荡方式,优化了《生态地球化学评价样品分析技术要求》(DD2005-03)中土壤中镉的七种形态的提取、测定方法。(2)对巯基膨润土的结构和吸附镉的性能进行了表征,并进一步进行了放大实验,获得了与小试产品吸附镉的性能相当的中试产品,并应用于盆栽和大田水稻种植的钝化修复实验。(3)大田实验结果表明:添加材料Bent-1和Bent-2后,大田土壤有效态镉随材料添加量的增加呈现明显的下降,分别从0.7 mg/kg和0.48 mg/kg最大下降到0.36 mg/kg和0.31 mg/kg;碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、强有机质结合态镉变化不明显,离子交换态、铁锰氧化物结合态镉变化明显;添加材料Bent-1后,离子交换态镉所占比例从30%下降到20%,铁锰氧化物结合态镉所占比例从15%增加到24%;添加材料Bent-2后,土壤中离子交换态镉所占比例从39%最大下降到27%,铁锰氧化物结合态镉所占比例从11%增加到23%;添加材料Bent-1大米和秸秆中镉含量随材料添加量增加逐渐下降,大米和秸秆镉含量最多下降70.48%和63.08%,添加材料Bent-2对水稻作用不明显。相关性分析显示,材料添加量与土壤中有效态镉、水溶态和离子交换态镉显著或极显著负相关,土壤中水溶态与离子交换态镉对有效态镉的含量贡献最大,巯基化膨润土主要通过土壤中水溶态和离子交换态镉逐渐向铁锰氧化物结合态转化实现镉污染土壤的钝化修复。(4)盆栽实验结果表明:添加材料Bent-1和Bent-2后,土壤镉有效态随材料添加量增加显著下降,分别从3.55 mg/kg和3.00 mg/kg最大下降到1.38 mg/kg和1.79 mg/kg;除了水溶态、残渣态之外,其他五个形态镉均发生了变化,离子交换态镉所占比例从34%最大分别下降到17%和13%,碳酸盐结合态镉所占比例从24%分别下降到22%和15%。铁锰氧化物结合态镉所占比例从8%分别上升到24%和30%,强有机质结合态镉所占比例从1%分别上升到4%和11%;添加材料Bent-1后土壤腐殖酸结合态镉所占比例从20%上升到24%,添加材料Bent-2后腐殖酸结合态镉所占比例从20%下降到17%。Bent-1的添加有效降低了镉污染条件下水稻受到的氧化胁迫作用,从而降低了水稻叶片酶的活性,CAT活性随材料添加量增加而下降,从168 U·g-1FW·min-1下降到49 U·g-1FW·min-1,SOD活性在材料添加量为12.5 g时稍有上升,随后随材料添加量增加,从111 U·g-1FW·h-1下降到62 U·g-1FW·h-1,POD活性随材料添加量增加而下降,从199μg·g-1FW·min-1下降到141μg·g-1FW·min-1。对添加材料Bent-1与Bent-2土壤形态分析结果表明,两种材料钝化机理类似,都主要通过将土壤中离子交换态、碳酸盐结合态镉转化为铁锰氧化物结合态和强有机质结合态镉达到降低土壤镉有效态的目的,其中主要转化为铁锰氧化物结合态。盆栽添加材料Bent-1后,大米和秸秆的镉含量随着材料添加量而下降,最大下降到0.39和1.31 mg/kg;添加材料Bent-2后,大米和秸秆的镉含量最大下降到0.45和1.54 mg/kg。离子交换态与碳酸盐结合态镉与水稻大米、秸秆中镉含量呈显著相关,表明这两种形态镉对水稻中的镉含量贡献最大。
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