不同生物炭对黔西北土法炼锌区土壤镉、铅和锌形态变化影响研究

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随着我国经济的高速发展,大量重金属元素通过废弃物的排放进入土壤环境,造成局部地段严重的土壤重金属污染。生物炭作为一种绿色环保的钝化修复材料,具有复杂的孔隙结构、巨大的比表面积和丰富的官能基团,对重金属有较强的吸附和固定作用,成为近几年来环境领域的研究热点。不同原料制备的生物炭性质差异较大,目前关于不同粒径生物炭钝化修复土壤重金属污染的研究报道甚少,本研究以贵州省毕节市赫章县土法炼锌区Cd、Pb和Zn污染土壤作为研究对象,以玉米秸秆和水稻稻壳生物炭作为钝化材料,其中玉米秸秆和水稻稻壳生物炭分别在300、400和500下制备,分别记为C(300)、C(400)、C(500)、W(300)、W(400)和W(500),2种生物炭改性后分别记为CG(300)、CG(400)、CG(500)、WG(300)、WG(400)和WG(500),将生物炭粒径分成1:小颗粒(0.075-0.2 mm)、2:中颗粒(0.2-0.45 mm)和3:大颗粒(0.45-1 mm)3个级别,交叉组合。通过傅里叶红外光谱等技术手段,表征生物炭形貌结构、元素含量、矿物组成和表面官能团,分析生物炭及供试土壤理化性质的变化特征;探究生物炭对土壤中Cd、Pb和Zn的有效态、毒性淋溶态和化学形态(弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态)的钝化机制与效果。以期为生物炭钝化修复重金属污染土壤提供基础实验数据和污染防治思路。主要研究结果如下:(1)生物炭中主要含有C和O元素,其含量随热解温度升高而增加,而芳香程度随之减弱;玉米秸秆生物炭的芳香性和极性随热解温度的升高逐渐增强,而水稻稻壳生物炭的芳香性和极性先增加后降低,芳香程度随温度升高而增强;生物炭中含有的官能团主要为-OH、C-H、C-O、C=O、C=C和C-O-C,炭孔隙结构明显,表面有颗粒状堆积物;水稻稻壳生物炭比表面积和总孔容明显高于玉米秸秆生物炭,但平均孔径较低,水稻生物炭的比表面积随热解温度的升高而增大;通过X-射线衍射(XRD)分析发现,玉米秸秆和水稻稻壳生物炭中主要含有Si O2和KCl,供试土壤中含有的矿物主要为石英、长石、云母、沸石、伊利石和绿泥石。(2)生物炭可增加供试土壤总磷(TP)含量,且对电导率(EC)影响明显,W2(500)处理中EC增加量最大,为288.1μm·cm-1;供试土壤保水保肥能力较差,玉米秸秆和水稻稻壳生物炭对土壤中阳离子交换量(CEC)影响效果不同;玉米秸秆生物炭处理中的土壤有机质(SOM)含量均降低,水稻稻壳生物炭处理除WG1(400)和W2(500)中SOM含量分别提升3.56和5.59 g·kg-1外,其余处理均降低;小颗粒改性水稻稻壳生物炭对p H影响明显,其中W1(500)处理可使土壤p H提升0.41个单位值。(3)对有效态Cd、Pb和Zn钝化效果最好的处理分别是WG2(300)、W2(300)和W3(500),降幅为19.93、53.52和44.91%;对毒性淋溶态Cd、Pb和Zn钝化效果最好的生物炭处理分别是W2(400)和W2(300);降幅可达到41.56、62.45和36.13%。水稻稻壳生物炭对有效态和毒性淋溶态Cd、Pb和Zn钝化效果均优于玉米秸秆生物炭;经过玉米秸秆和水稻稻壳生物炭处理后,大多数处理中的残渣态Cd和Pb含量升高,迁移性和毒害性降低,但对Zn化学形态的影响较小。
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