生物碳施加后酸性土壤稻田中镉的迁移转化及环境效应

南方为我国水稻主产区且大多数土壤呈酸性。目前土壤镉污染及稻米镉超标是我国南方面临的突出问题。酸性土壤稻田系统具有水分运移活跃、土壤中镉的活性强、土壤对酸的缓冲能力低，土壤pH易受环境影响等特点。生物碳具有多孔、碱性、高度稳定等独特的理化性质，因此在酸性土壤镉污染治理中具有良好的潜力。本项目以我国南方典型酸性土壤-红壤为对象，研究生物碳对土壤孔隙分布、水分运移参数等土壤物理性质及灌排条件下土壤中镉迁移的影响；研究生物碳对土壤pH、阳离子交换量等化学性质及镉吸附运移的影响，基于缓冲机理建立酸缓冲模型，实现pH不稳定条件下土水系统中镉环境行为的定量表达；研究生物碳对水稻植株及稻米籽粒镉吸收的影响。在以上基础上建立综合模型，对灌排条件下生物碳施加后酸性土壤稻田中镉的迁移转化及环境效应进行定量描述。项目的研究为拓宽镉污染治理途径、提高酸性土壤镉污染治理效果、保障稻米质量提供理论依据。

摘要：本项目的主要工作从2012年1月至2014年12月，共历时三年。项目按照项目计划书的进度进行，主要开展了以下几方面的工作：（1）生物碳对土壤理化性质及水分参数的影响；（2）生物碳对我国南方酸性土壤中镉的吸附剂运移的影响；（3）土壤中镉的生物有效性及水稻镉吸收的影响；（4）综合物理和化学过程，对施加生物碳后土壤中镉吸附运移的数值模拟。研究工作实现了预期的研究目标，得到的主要研究结论有：（1）粗细颗粒的生物碳均可以显著提高壤砂土的持水能力，降低粉粘壤土的持水能力。对壤土的影响与生物碳颗粒大小有关；（2）生物碳有效地限制了三种土壤的收缩性，有效降低了三种土壤的容重；对壤砂土来说两种粒径生物碳的添加均增加了土壤中小孔隙所占比重，而减小了大孔隙的比重。对粉粘壤来说，其结论相反。（3）生物碳的添加提高了土壤中高吸力段的比水容量。提高了土壤的抗旱能力。（4）细碳的添加增加了砂壤和壤土的田间持水量，增加了粉粘壤的有效水含量；粗碳的添加增加了土样砂壤的田间持水量，增加了粉粘壤的有效水含量。（5）两种粒径的生物碳对三种供试土壤的水力传导度均有减小。特别是细碳对水力传导度的减小更显著。随渗流时间的增加，饱和水力传导度有逐渐降低的趋势，特别是粉粘壤。（6）生物碳的添加增加了土样壤砂土和壤土的膨胀率。细碳对粉粘壤膨胀率的影响不显著，粗碳降低了粉粘壤膨胀率。（7）生物碳在老化进程中，由于耕作和土壤不断膨胀与收缩等作用粒径变小，导致土壤的饱和水力传导度不断减小。（8）生物碳添加可提高土壤pH，土壤酸性越强，生物碳对提高土壤pH越有效。（9）土壤对镉的吸附随土壤pH及有机质含量的增大而增大，决定镉吸附能力的不是粘粒的数量而是其粘粒矿物的组成。（10）土柱实验模拟结果显示，生物碳的添加可以增大土壤的吸附系数，生物碳添加水平相同时，入流液镉浓度越大，吸附系数越小。此外，形态分析结果表明生物碳的添加可以更加有效地降低镉的生物有效性。（12）室外土柱种植实验表明，耕层土壤镉浓度为2.5mg/L和5mg/L条件下，3%生物碳的添加均显著降低了糙米镉含量。（13）综合物理化学过程，对生物碳施加后土壤中镉的吸附运移进行数值模拟。模拟结果显示，表层添加生物碳对土壤剖面水分影响不大，主要通过增强表层对重金属的吸附能力，使土壤中重金属镉液相浓度降低，减缓其峰面向土壤深层迁移，减缓对地下水的污染。