黏土矿物对农田重金属Cd污染土壤修复效果研究

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目前,我国农田土壤重金属污染形势日趋严峻,其中镉(Cd)污染最为普遍,尤其在城市与工矿区周边。由于重金属Cd具有迁移性强,易被植物吸收等特点,土壤Cd污染问题受到人们的广泛关注。黏土矿物钝化修复措施是治理农田Cd污染土壤常用方法,正在得到越来越多的示范应用,但黏土矿物修复Cd污染土壤的长期效果及多方面影响,是亟需关注和研究的问题。本研究分别以海泡石和凹凸棒石作为修复材料,通过外源添加Cd元素,对农田重金属Cd污染土壤进行钝化修复盆栽试验,研究两种黏土矿物在不同比例施加量下,对玉米地上各部位Cd含量、土壤pH及有效态Cd含量等变化的影响,用以表征修复效果。同时设计土柱淋滤试验,模拟不同频率降雨量及降雨强度降水条件下,对施加不同比例海泡石处理土柱中土壤重金属Cd随径流作用的迁移特征,分析淋滤液和土壤中pH、Cd全量及有效态Cd含量的变化规律,以研究其迁移特征。(1)在两种土壤Cd污染水平下,从适宜作物生长和对作物毒害程度来看,施加海泡石比凹凸棒石对降低作物茎叶及籽粒中Cd含量的作用更有效,且成本较低。在两种黏土矿物不同施加量条件下,均为土壤5mg kg-1Cd浓度对玉米株高影响比2 mg kg-1明显,不同时期趋势一致,而玉米生长各时期内,两种黏土矿物对株高的影响,与施Cd水平有关。与未添加黏土矿物的对照组相比,按不同比例施加两种黏土矿物均有不同程度提高作物的生物量,但未达到显著水平。玉米植株地上各部位Cd含量均随着土壤中Cd含量的增大而增加,其分布大小为玉米籽粒<玉米茎<玉米叶。(2)土壤pH变化是黏土矿物钝化修复Cd污染土壤的一个重要因素。盆栽土壤0~10 cm 土层pH均高于10~20 cm 土层,且随着两种黏土矿物施加量的增加而升高;按不同比例施加两种黏土矿物均能有效降低土壤中有效态Cd含量,且具有显著性差异(P<0.05)。土壤pH升高,能改变土壤中Cd的存在形态,进而降低了 Cd的迁移性和生物有效性,缓解了 Cd对玉米和土壤的损伤和危害。(3)土柱淋滤试验中,不同比例施加海泡石的土柱经淋滤处理,8个淋滤柱持水量大小顺序为 C1H1>C1H2>C2H3>C1H>CK1>C2H1>C2H2>CK2;淋滤液 pH 值均在6.5~8.0之间。淋滤强度会影响入渗速率的大小,淋滤强度越大,入渗速率越大;同时淋滤液中Cd含量也会随之减少。在两种Cd污染土壤水平下,施加海泡石的土柱中Cd含量均低于对照组,施加量分别为1%和1.5%时,对淋滤液中Cd淋失量影响最大。(4)两种Cd污染土壤下,与对照组相比,施加不同比例海泡石对Cd污染土壤不同深度Cd含量影响显著(P<0.05);且重金属Cd有不同程度的纵向向下迁移现象。对照组Cd污染土壤在20~30 cm 土层(此层原始土壤中Cd含量为0.46 mg kg-1)Cd含量分别为0.90mg kg-1 和 1.82mg kg-1,增加了0.4mg kg-1 和 1.36mgkg-1;施加海泡石进行处理能有效地抑制重金属Cd向下层迁移,其中在两种土壤Cd污染水平下,分别施加1%和1.5%的海泡石对土壤中Cd向下迁移变化最大,分别减少到0.50 mg kg-1和0.44 mg kg-1。(5)对盆栽土壤进行浸出试实验分析得出:除C1A2处理外,10~20 cm 土层浸出Cd含量均高于0~10 cm 土层,这表明重金属Cd污染土壤经过耕种和黏土矿物钝化处理后仍有向下迁移的现象。其中5 mg kg-1Cd污染土壤较2 mg kg-1Cd污染土壤中Cd浸出量降低效果显著,且凹凸棒石施加量为1.5%时,对0~10 cm土层Cd浸出量影响最大,减少了 0.132 ug L-1(33.8%);海泡石施加量为1.5%时,对10~20 cm 土层Cd浸出量影响最大,减少了 0.213 ugL-1(46.0%)。
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