生物质炭对稻田土壤镉铅污染的长期效应及稳定机制

Paddy soil heavy metals (Cd/Pb et al.) pollution is paid more attention. Biochar could amend soil pollution with micropore, various functional groups structure characteristics. It is hotpot to decrease the soil heavy metal bio-activity for plant uptake, alleviate the ecological risk with application biochar in environment domain, but the long-term behaviors of biochar on heavy metals are still unclear in paddy soil with insitu amendment. This project object is biochar amendment the paddy soil Cd and Pb pollution with FTIR technique, synchrotron-based and filed-DMT. This research will investigate long-term (6-8 year) and short-term (1-3 year) Cd and Pb passivation and uptake and microbial process with biochar application, analysis key factors on Cd and Pb form transformation/adsorption, clarify the effects and coupling relationship of biochar, soil and microbial community on long-term holding Cd and Pb. The research should shed light on the molecular-level mechanisms on biochar passivation Cd and Pb and provide theoretical foundation and scientific basis on chemical behavior of Cd and Pb pollution in nature environmental with biochar application.

农田土壤重金属(Cd/Pb等)污染日益引起人们关注，生物质炭具有微孔、多种官能团等结构特点，对污染土壤有修复功能，在降低污染土壤重金属的生物有效性、减少作物吸收并其缓解生态风险方面有重要作用，是当前环境科学领域研究的前沿热点，但原位修复污染稻田土壤的长期效应机理尚不明确。本项目以生物质炭修复稻田土壤Cd/Pb污染作为研究对象，利用红外光谱、同步辐射及原位道南膜等技术，研究土壤Cd/Pb在生物质炭作用下长期(6-8年)和短期(1-3年)固持钝化并降低作物吸收的物理化学与微生物过程，分析Cd/Pb的吸附、形态转化、迁移的主控因素及关键因子，明确土壤、微生物与生物质炭在钝化固持Cd/Pb过程中的作用及在分子水平上的耦合关系，阐明生物质炭稳定土壤重金属Cd/Pb的长期效应及机制，为进一步认识生物质炭修复Cd/Pb污染在自然环境中的环境化学行提供理论基础及科学依据。

生物质炭具有特殊的微观结构和化学组成在重金属的污染修复中有重要作用，本项目就生物质炭对重金属形态的影响及其机制展开研究，试验内容主要包括改性生物质炭对水中镉铅的吸持固定的影响；生物质炭长期室内培养对溶液和土壤中重金属的吸附及赋存形态的影响；原位生物质炭长期和短期施用条件下，生物质炭对土壤性质、微生物群落多样性、原位重金属赋存形态和迁移再分配的影响及作用机理。结果表明：硫酸亚铁铵改性芦苇生物质炭具有了多孔的表层结构和丰富的表面官能团，显著提高了镉铅的吸附性能，最大吸附量达2.97mg/g(镉)和17.5mg/g(铅)，并通过表层物理吸附和化学键合吸持固定重金属，形成稳定的化合物形式而降低活性。室内生物质炭长期培养后，15%处理高效去除土壤溶液和水溶液中镉分别达88%和90%，并改变镉形态，提高碳酸盐结合态及有机结合态镉的比例；同时释放多种微量元素，促进生物质炭中元素与重金属的交换作用，从可利用形态转变为生物质炭中难利用形态，减少作物的吸收。土壤原位施用生物质炭显著改善土壤的物理结构和理化性质，提高土壤有机碳含量及其各组分的炭含量和土壤持水量，改善土壤pH值；提高土壤碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和脱氢酶的活性，促进土壤营养元素循环；改善土壤微生物群落的多样性，显著提高了九个门的微生物相对丰度；生物质炭显著降低了水溶态镉铅浓度，并改变镉铅其它形态而降低其生物可利用性，有利于生物质炭长期吸持固定重金属，进而减少作物根部对镉铅的吸收和地上部转移，降低了人类的食物暴露风险。通过本项目的研究，明确了生物质炭在土壤中的稳定性与土壤性质、土壤酶活性和土壤微生物群落多样性的相互作用；揭示了生物质炭在水溶液和土壤中对镉铅形态转化和迁移的影响；阐明了生物质炭对土壤理化性质变化、土壤微生物多样性改变与镉铅形态变化之间的长期作用机理，为进一步生物质炭的推广应用提供技术支撑和科学依据。