含铁材料钝化稻田土壤镉和砷的效果研究

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我国南方部分稻田土壤受到镉(Cd)和砷(As)复合污染,常常导致稻米中Cd和As超过食品安全国家标准的限定值,给人们身体健康带来潜在危险。因土壤中Cd和As化学行为相反,使同时治理Cd和As复合污染稻田土壤成为一个急需解决的难题。本研究以南方Cd和As复合污染稻田土壤为研究对象,通过室内土壤纯培养试验筛选出能同步钝化土壤Cd和As的材料;在此基础上通过盆栽试验,研究了不同含铁材料对土壤中Cd、As形态及水稻对Cd、As吸收的影响,探讨不同材料钝化稻田土壤Cd、As的效果,旨在为Cd和As复合污染稻田土壤治理提供参考。主要研究结果如下:(1)通过室内土壤纯培养试验,研究了天然海泡石Sep、改性海泡石IMS、改性海泡石Sep-FM和钢渣SS几种材料对土壤p H、土壤氧化还原电位(Eh)、土壤孔隙水重金属浓度,以及土壤Cd和As形态的影响。结果表明:与CK相比,Sep、IMS、Sep-FM和SS处理土壤p H升高、Eh降低,土壤孔隙水中Cd浓度下降;土壤可交换态Cd比例降低,可还原态Cd、可氧化态Cd和残渣态Cd比例上升,促进了土壤Cd形态向植物难利用形态转化。IMS-2.5、SS-5处理土壤孔隙水As浓度在全培养期间均处于较低水平,显著低于CK处理。所有IMS、Sep-FM处理均降低了土壤非专性吸附态As比例,高施用量IMS-2.5、Sep-FM-2.5和SS-5处理显著降低了专性吸附态As比例,增加了无定形铁氧化物态As的比例。总之,高用量的IMS、Sep-FM和SS能同时有效钝化土壤Cd和As,促进其向生物难利用的形态转化。(2)研究了针铁矿(GT)和天然海泡石(SEP)单独和复合处理对水稻Cd和As吸收累积、土壤孔隙水中Cd和As浓度以及土壤Cd和As形态的影响。结果表明,添加钝化剂降低了土壤孔隙水Cd浓度,其中SEP+GT处理效果最好,其次是SEP和0.5SEP+0.5GT处理;针铁矿、针铁矿与海泡石联合处理降低了土壤孔隙水As浓度,其中GT效果最好,其次是SEP+GT处理和0.5SEP+0.5GT处理,而SEP处理则提高了土壤孔隙水As浓度。SEP、GT、0.5SEP+0.5GT和SEP+GT处理提高了土壤残渣态Cd比例,显著抑制了水稻对Cd的吸收,使糙米Cd含量降低40.0%~72.0%。GT、0.5SEP+0.5GT和SEP+GT处理使土壤中晶体铁氧化物态As比例显著降低,残渣态As比例显著增加。0.5SEP+0.5GT处理显著降低了糙米As含量,其糙米As含量为CK处理的64.6%,其他处理则与CK无显著差异(p>0.05)。0.5SEP+0.5GT处理具有同时降低糙米Cd和As含量的效果。(3)通过盆栽试验研究了两种改性海泡石钝化稻田土壤Cd和As的效果。结果表明海泡石通过改性后材料表面粗糙度均明显增加,比表面积增大,吸附位点增多。海泡石及其改性材料吸附的Cd以Cd(OH)2的形态存在;铁锰改性海泡石FMS中Mn O2可以将As(Ⅲ)氧化为As(V),增强了材料对As的吸附。天然海泡石SEP、铁改性海泡石NIMS和铁锰改性海泡石FMS处理均显著降低了土壤孔隙水Cd浓度,其中NIMS降低效果最好;钝化剂使土壤Cd形态向植物难利用形态转化。SEP、NIMS和FMS处理均显著抑制了水稻对Cd的吸收,使糙米Cd含量下降了42.0%~85.6%,其降低效果FMS>NIMS>SEP。NIMS和FMS处理降低了土壤孔隙水As浓度,促进土壤As形态向植物难利用的晶体铁氧化物态转化,NIMS和FMS处理分别使糙米As含量下降了30.4%和24.8%。总之,NIMS和FMS处理同时降低了糙米Cd和As含量,且FMS效果好于NIMS。(4)研究了一次性施入改性海泡石对第二年水稻Cd和As吸收的影响。结果表明,SEP、NIMS和FMS处理均降低了土壤交换态Cd比例,促进土壤Cd形态向生物有效性较低的铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态Cd转化,降低Cd的移动性和生物有效性。SEP、NIMS和FMS材料第二年仍能显著抑制水稻对Cd的吸收,使糙米中Cd含量降低了21.2%~66.3%,其中FMS处理降低效果最好、其次是SEP和NIMS处理。NIMS和FMS处理第二年糙米As含量与CK相比差异未达到显著水平(p>0.05)。
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