土壤污染特别是耕地污染问题事关食品安全和国家长远发展战略。农田土壤重金属污染、氮肥利用率低及面源污染等问题并存,威胁农业可持续发展和人体健康。因此,重金属污染治理和肥料增效等多重目标同步是农田土壤改良技术的重要目标,而寻求适宜的环境材料是获得多重目标同步的关键。环境材料是一类具有最大使用功能和最小环境负荷的材料,其特点是具有鲜明的功能性,环境友好性和经济性。为揭示环境材料对土壤铅镉固化和氮肥增效同步效应机理,本研究选用纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸三种环境材料,采用吸附解吸试验、砂柱及土柱淋溶试验、玉米发芽试验和盆栽种植等试验方法,开展三种环境材料对重金属铅、镉和氮素的吸附解吸特性、土壤铅、镉及氮素淋溶规律和效果、土壤有效态重金属铅、镉含量、重金属生物有效性和氮肥利用效率、土壤理化性质及其作物生长和品质影响的研究。结合材料表征分析,探讨了环境材料对重金属铅镉固化和氮肥增效同步效应机理,为纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸三种环境材料在土壤污染治理和土壤改良中的应用提供科学依据和技术参考。主要取得以下成果:1.通过模拟试验,研究了纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸三种环境材料对重金属铅(Pb²⁺)、镉(Cd²⁺)和铵（NH₄⁺）离子的吸附特征、吸附稳定性及吸附机制。（1）获得了纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸对Pb²⁺、Cd²⁺和NH₄⁺的最佳吸附条件。三种环境材料对Pb²⁺、Cd²⁺最佳吸附条件:纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸用量分别为2.5g/L、10.0 g/L和5.0g/L。溶液Pb²⁺和Cd²⁺初始浓度分别为600 mg/L和100 mg/L,反应温度25℃,p H=6.5,吸附时间180 min。三种环境材料对NH₄⁺最佳吸附条件:纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸用量均为12.5 g/L,溶液NH₄⁺初始浓度100 mg/L,反应温度25℃,p H=6.5（褐煤腐殖酸为4.5）,吸附时间1440 min。（2）通过等温吸附试验及吸附动力学试验获得了三种环境材料对Pb²⁺、Cd²⁺和NH₄⁺吸附机理及吸附性能。三种环境材料对Pb²⁺和Cd²⁺等温吸附曲线,使用Langumir等温吸附模型拟合度更好;纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸对Pb²⁺的最大饱和吸附量分别为322.58 mg/g、55.87 mg/g和135.14 mg/g;纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸对Cd²⁺的最大饱和吸附量分别为74.63 mg/g、15.24 mg/g和33.90mg/g;三种环境材料对Pb²⁺和Cd²⁺等温吸附过程属于优惠吸附、是吸热反应、吸附过程存在化学单层吸附;三种环境材料对Pb²⁺和Cd²⁺吸附动力学曲线,服从二级动力学模型,化学吸附占主导地位。三种环境材料对NH₄⁺等温吸附曲线,使用Freundlich等温吸附模型拟合度更好;三种环境材料对对NH₄⁺吸附过程属于优惠吸附、是吸热反应、吸附过程存在表面吸附,且为多层吸附;三种环境材料对NH₄⁺吸附动力学曲线,服从二级动力学曲线,说明吸附过程存在化学吸附,但物理吸附占据主导地位。（3）获得了三种环境材料对Pb²⁺、Cd²⁺及NH₄⁺最佳吸附稳定性条件。纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸对Pb²⁺、Cd²⁺吸附比较稳定。当6.5<p H<7.5时,Pb²⁺、Cd²⁺脱附率分别只有0.43%-0.95%。极端强酸性条件（p H=2.5）,Pb²⁺、Cd²⁺脱附率分别低于21.53%和24.37%。纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸对NH₄⁺吸附不稳定。当6.5<p H<7.5时,NH₄⁺脱附率达到17.98%-19.91%。极端强酸性条件（p H=2.5）,NH₄⁺脱附率分别大于43.23%。这种性质对于其在土壤中的缓释效应具有重要意义。2.探讨了环境材料作用下Pb²⁺、Cd²⁺及NH₄⁺的淋溶规律、淋溶效果,并获得了对Pb²⁺、Cd²⁺固化和NH₄⁺保持效应最好的材料组合。（1）纳米碳对Pb²⁺保持效果最好,褐煤腐殖酸对Cd²⁺、NH₄⁺保持效果最好;纳米碳及褐煤腐殖酸处理Pb²⁺、Cd²⁺及NH₄⁺淋出率峰值出现在第二次淋溶试验,较CK及蛇纹石处理出现延迟;四次淋溶后,Pb²⁺、Cd²⁺及NH₄⁺累积淋出率趋于稳定;三种环境材料对Pb²⁺、Cd²⁺及NH₄⁺累积淋出率曲线能够按照Logistics模型拟合,纳米碳处理Pb²⁺最大淋溶速率拐点出现最晚,褐煤腐殖酸处理Cd²⁺、NH₄⁺最大淋溶速率拐点出现最晚。（2）获得了对Pb²⁺、Cd²⁺固化及NH₄⁺保持效应最佳环境材料及氮素组合:CN4AS4HA2N2。在土柱淋溶试验中,环境材料处理Pb²⁺、Cd²⁺及NH₄⁺累积淋出率分别较对照CK降低14.62%-58.75%,12.81%-53.46%和1.03%-90.83%。3.以铅、镉胁迫下种子萌发试验和盆栽试验为基础,研究了三种环境材料对Pb²⁺、Cd²⁺生物有效性、环境材料及氮肥用量对作物生长、产量及品质的影响。（1）获得了影响玉米种子发芽的最低抑制浓度和玉米幼苗不同部位对Pb²⁺、Cd²⁺胁迫响应差异。Pb²⁺、Cd²⁺离子对玉米种子发芽率、发芽势的影响表现出低浓度促进,高浓度抑制,且浓度愈高抑制作用愈明显;玉米种子萌发对Cd²⁺胁迫较Pb²⁺敏感;Pb²⁺、Cd²⁺离子无论浓度高低,对于玉米种子芽长和根长伸长均起到抑制作用;玉米种子根长伸长对Pb²⁺、Cd²⁺离子胁迫响应较芽长伸长更为敏感。Pb²⁺和Cd²⁺抑制种子萌发的浓度分别为25 mg/L和15 mg/L。（2）环境材料能够促进重金属Pb²⁺、Cd²⁺胁迫下玉米发芽与生长。环境材料能够降低Pb²⁺、Cd²⁺胁迫对玉米种子的抑制作用,对于Pb²⁺胁迫,纳米碳处理作用效果最佳,对于Cd²⁺胁迫,褐煤腐殖酸处理作用效果最佳。（3）环境材料能够促进玉米增产,随氮肥用量增加玉米增产效应下降。环境材料处理玉米籽粒产量和地上部分干物质量较对照提高19.99%-59.72%和5.86%-30.35%。单一材料处理,纳米碳作用效果最佳;复合材料处理,纳米碳+褐煤腐殖酸+蛇纹石（CN+AS+HA）作用效果最佳;氮肥用量小于500 mg/kg时,玉米籽粒产量及地上部分干物质积累量随氮肥用量增大而增大;氮肥用量大于500 mg/kg时,玉米籽粒产量及地上部分干物质积累量随氮肥用量增大而减小。（4）环境材料可提高玉米可食用部分品质,氮肥用量增加降低玉米品质。环境材料处理玉米秸秆Pb²⁺、Cd²⁺含量较CK最大降幅分别为36.55%和40.72%;环境材料处理玉米籽粒Pb²⁺、Cd²⁺含量较CK最大降幅分别为39.66%和41.33%;单一环境材料处理,纳米碳作用效果最佳;复合材料处理,纳米碳+褐煤腐殖酸+蛇纹石（CN+AS+HA）作用效果最佳。玉米秸秆及籽粒重金属Pb²⁺、Cd²⁺含量随氮肥用量增加而增加。4.环境材料能够固化重金属、提高氮肥利用效率,改善土壤理化性质;氮肥用量增加能活化重金属,降低氮肥利用效率,不利于土壤理化性质改善。（1）环境材料能够固化重金属,降低有效态土壤重金属含量;增加氮肥用量则增加有效态土壤重金属含量。环境材料处理土壤有效态重金属Pb²⁺、Cd²⁺含量较CK降低4.38%-11.87%和2.78%-9.13%。单一材料处理,纳米碳作用效果最好。复合材料处理,纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸（CN+AS+HA）处理作用效果最好。土壤有效态重金属Pb²⁺、Cd²⁺含量随氮肥用量增加而增加。（2）环境材料能够提高氮肥利用效率,增加氮肥用量降低氮肥利用效率。环境材料处理氮肥利用效率（NUE）较对照提高3.41%-17.65%。单一材料处理,褐煤腐殖酸作用效果最佳。复合材料处理,纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸（CN+AS+HA）处理效果最佳。氮肥利用效率随氮肥用量增加而降低。（3）环境材料能改善土壤理化性质,增加氮肥用量不利于土壤理化性质改善。环境材料处理土壤有机质（SOM）和0.25-5.00 mm土壤团聚体含量较CK提高3.28%-32.36%和0.13%-11.02%。环境材料处理可减小土壤酸碱度（p H）、电导率（EC）和土壤阳离子交换量（CEC）降幅。单一材料处理,褐煤腐殖酸处理效果最佳。复合材料处理,纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸（CN+AS+HA）处理效果最佳。当氮肥用量小于400 mg/kg时,土壤有机质（SOM）含量随氮肥用量的提高而升高;当氮肥用量大于400 mg/kg时,土壤有机质（SOM）含量随氮肥用量的提高而降低。当氮肥用量小于300 mg/kg时,0.25-5.00 mm团聚体含量随氮肥用量增大而增大;当氮肥用量大于300 mg/kg时,0.25-5.00 mm团聚体含量占比随氮肥用量的提高而降低。土壤酸碱度（p H）随土壤氮肥施用增大而降低,电导率（EC）和土壤阳离子交换量（CEC）随氮肥用量增大而增大;种植玉米前后土壤酸碱度（p H）、电导率（EC）和土壤阳离子交换量（CEC）降幅随氮肥施用量增大而增大。5.通过材料表征技术,获得了环境材料的基本性能、官能团及形貌特征,探讨了环境材料对土壤铅、镉固化和氮肥增效机理。（1）获得了材料基本性能信息。纳米碳元素组成以C、H、O元素为主要组成部分;D50=11.37 nm,D90=61.53 nm;比表面积、孔径及孔体积分别为265.88 m2/g、4.63 nm和0.061 cm3/g。蛇纹石是一种富镁硅酸盐矿物;D50=18.82μm,D90=74.99μm;比表面积、孔径及孔体积分别为141.59 m2/g、10.36 nm和0.024 cm3/g。腐植酸主要由C、H、O、S等元素组成;D50=15.46μm,D90=63.47μm;比表面积、孔径及孔体积分别为13.64 m2/g、18.13 nm和0.004 cm3/g。电负性大小顺序:蛇纹石>纳米碳>褐煤腐殖酸。（2）明确了环境材料的化学官能团、形貌特征及化学组成,并分析了吸附前后化学官能团、形貌特征和化学组成变化的原因。FT-IR图谱表明,纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸中含有大量活性基团,其中部分官能团参与了Pb²⁺、Cd²⁺及NH₄⁺离子吸附反应,吸附过程存在化学键的形成和断裂;场发射扫描电镜（SEM）结果显示,纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸表面微球、微孔及微球之间的空隙提供了吸附反应的场所;电子能谱（EDS）分析表明,Pb²⁺、Cd²⁺及NH₄⁺吸附在了纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸表面。（3）探讨了纳米碳、蛇纹石及褐煤腐殖酸三种环境材料对土壤重金属铅、镉固化及氮肥增效作用机制。环境材料对重金属铅、镉固化及氮肥增效机理包含两个层面,一是环境材料直接与重金属铅、镉及氮素离子发生化学、物理吸附,降低有效态重金属含量,减缓氮素释放,提高氮素利用效率;二是通过环境材料对土壤理化性质改变,如通过提高土壤有机质含量、0.25-5.00 mm土壤团聚体含量、减小土壤电导率、阳离子交换量及土壤p H降幅,间接改变土壤有效态重金属含量,提高氮肥利用效率。