摘要：

生物炭(biochar)是秸秆,动物粪便等农林废弃物不完全燃烧或无氧低温热解所产生的高含碳颗粒,生物炭的多孔结构和表面丰富的含氧官能团使得生物炭具有对重金属较强的吸附能力.因此,加强生物炭在农田土壤重金属污染修复治理中的应用研究,对恢复农田土壤健康生产能力,保障农产品安全和人体健康具有重要意义. 本文以棉花秸秆为原料制备而成的生物炭作为实验材料,通过室内吸附实验和大田修复试验,研究了生物炭对Cd的吸附特性,对土壤重金属Cd污染的钝化修复效应以及钝化处理对土壤养分,酶活性和微生物群落结构多样性等的影响行为.研究结果如下: 1)吸附实验表明,生物炭对Cd~(2+)的吸附可以用Freundlich等温线较好的拟合,在不同温度下其饱和吸附量分别为9.738mg·g~(-1)(288.15K),10.14mg·g~(-1)(298.15K),10.40mg·g~(-1)(308.15K),10.71mg·g~(-1)(318.15K);热力学参数表明生物炭吸附Cd~(2+)的过程是自发的吸热过程.吸附动力学过程符合二级动力学模型,在40min即可达到平衡.溶液pH值对生物炭吸附Cd~(2+)的影响较大,在pH2~8范围时,生物炭对Cd~(2+)的吸附量随pH的增加先上升后下降.生物炭对Cd~(2+)的吸附量随着溶液离子强度的增大呈降低趋势.XPS分析表明生物炭对Cd~(2+)的化学吸附机制主要为表面羟基(-C-OH)与羰基(-C=O)与Cd~(2+)发生络合化学反应. 2)大田试验表明,低(5t·ha1),中(10t·ha1),高(20t·ha1)三种用量生物炭单施及其与发酵鸡粪(10t·ha1),氮磷钾复合肥(0.6t·ha1)复配钝化处理均可显著降低油麦菜可食部分和根部对Cd的吸收积累,与对照相比,各钝化处理后油麦菜可食部分Cd含量降低32.6%~54.8%,根部Cd含量降低14.4%~30.9%,其中生物炭与发酵鸡粪复配处理对油麦菜可食部分和根部镉含量的降低效果最好.各钝化处理后,土壤有效态Cd含量较对照均显著降低,降幅为7.04%~21.85%.生物炭单施以及高用量生物炭与氮磷钾复合肥复配等处理不同程度提高了土壤的pH值,增幅为0.03~0.25个单位,而生物炭与发酵鸡粪复配以及低用量生物炭与氮磷钾复合肥复配处理则较对照降低0.04~0.14个单位pH值.油麦菜可食部分Cd含量与土壤有效态Cd含量之间呈极显著的正相关关系. 3)与对照相比,各钝化处理后土壤中的过氧化氢酶,脲酶和碱性磷酸酶的含量均显著提高,增幅分别为10.2%~34.9%,18.0%~38.5%和0.7%~13.4%,土壤的铵态氮,硝态氮,速效钾含量也显著增加,增幅分别为61.1%~105.8%,64.6%~295.5%和54.0%~212.5%.对于土壤中有效磷的含量,仅生物炭与发酵鸡粪复配以及中,高量生物炭与氮磷钾复合肥复配处理较对照有显著增加,增幅为21.5%~134.5%.与对照相比,土壤中有效Cu含量均有不同程度的降低,而有效Mn含量则有不同程度的升高;有效Ca,Mg,Fe,Zn含量随着生物炭施用量增加,由低于对照上升为高于对照.施入生物炭后,镉污染土壤微生物丰度较对照有所提高,相似性指数和聚类分析均显示,随着生物炭用量的增加,会对土壤微生物群落结构多样性产生一定的影响.

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