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铜在黑土—作物系统中的迁移转化及其钝化机理研究

作　者: 马荣辉
导　师: 卢升高
学　校: 浙江大学
专　业: 农业资源利用
关键词: 黑土-作物系统猪粪重金属污染生物有效性钝化剂原位修复
分类号: X53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

土壤重金属污染是影响我国粮食质量安全的重要问题。富含重金属的畜禽粪便排放和农用是造成农田土壤中重金属积累的主要来源之一。研究重金属在土壤-作物系统中的迁移转化及其控制技术是保障农产品产地环境质量,生产安全农产品的重要内容。本研究以重金属铜为例,通过盆栽模拟试验,探讨重金属在土壤-作物系统中的迁移转化规律,并利用天然矿物进行重金属原位固定(钝化)试验,以发展重金属污染土壤的修复技术。取得的主要结论如下：(1)采用盆栽实验研究猪粪对铜(Cu)在土壤-水稻系统中的化学形态、生物积累和有效性的影响。结果表明：土壤中人为添加的Cu主要以有机结合态和残渣态存在,随着土壤中Cu含量的增加,碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态Cu比例增加,其中碳酸盐结合态和有机结合态Cu的增加速率最快,添加1%猪粪能减少土壤Cu的迁移能力,促使非结合态Cu离子向结合态转化；添加1%猪粪处理可以显著降低水提取态和二乙基三胺五乙酸—三乙醇胺(DTPA—TEA)提取态Cu的量(P<0.01),使TCLP(toxicity characteristics leaching procedure)提取态Cu的量有少量增加,但没达到显著性水平；相比1%猪粪处理,添加3%的猪粪有相反的效果。对水稻不同部位Cu含量测定结果表明：与根部相比,水稻地上部分Cu含量很低；w(Cu)≥400 mg·kg-1处理中米粉Cu含量超过国家食品卫生标准(GB 15199-94,Cu≤10mg·kg-1),添加猪粪能使水稻各部分Cu含量显著降低(P<0.01),以1%猪粪处理效果最佳。适量添加猪粪到Cu污染土壤中可以降低Cu的生物有效性,但大量猪粪的长期施用导致土壤中Cu的积累会带来严重的环境生态安全问题。(2)在猪粪中重金属浓度差别很大,其平均浓度分别为：Cr 31.33、Ni 7.24、Cu 265.69、Zn 752.73、Cd 0.49、和Pb 6.46 mg·kg-1; Cu和Zn的平均浓度已超过农用污泥所要求的最大允许限度。在猪粪中,Cu和Zn总量呈显著相关性(r=0.740,p<0.01),显示猪粪中的Cu和Zn具有相似的来源；在猪粪中,Cu和Ni的浸出风险较高,其次为Zn>Cd>Pb>Pb>Cr;猪粪中各种重金属的不同形态分布也不尽相同,Cu、Ni、Cr和Pb大部分都是以残留态的形式存在的(>60%),然而,猪粪中含有的Cd和Zn大部分都不是残留态；猪粪中各种重金属的非残留态百分含量分别为：Cu 39.3%、Zn 55.1%、Cd 66.4%、Pb 18.9%和Ni 41.4%,这表明在猪粪中有很大一部分的Cu、Zn和Cd可被植物吸收利用；猪粪中有超过20%的Cu是以有机物结合态的形式存在的,而Zn主要是以铁锰氧化物结合态的形式存在,这表明猪粪中的Cu和Zn具有很强的流动性和生物可利用性。实践已经证明,长期施用猪粪作为有机肥存在一定Cu和Zn的潜在风险,在施用前,应当采取适当的措施,来防止猪粪中的重金属进入土壤。(3)对粉煤灰、磷灰石和膨润土对土壤中铜(水提取态,TCLP提取态、DTPA提取态铜和土壤铜的Tessier连续提取)的生物有效性和可淋失性的影响做了比较研究,结果表明：在添加过铜的土壤中,三种改良剂能显著降低DW、TCLP和DTPA提取态铜的量,其中膨润土的效果最为明显；在对铜处理过的土壤进行连续提取发现,三种改良剂能显著的降低非残留态铜(水溶态和交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机结合态铜)含量,增加残留态铜的含量；与没有添加过改良剂的土壤相比,添加三种改良剂能显著的降低作物地上部分中的铜含量,如在小麦盆栽实验中,400 mg·kg-1铜处理的土壤上,添加2.5%的粉煤灰、磷灰石和膨润土能使麦穗中的铜含量分别降低19.8%、31.9%和22.7%；实验表明：土壤中可淋失和生物有效态铜的量受土壤铜形态的控制,三种改良剂可以通过改变土壤中铜存在形态的方式降低铜的可淋失性和生物有效性。三种改良剂可以对添加铜处理的土壤中生物有效态铜进行吸附和固定,主要原因可能是其中一些矿物对铜进行吸附,然后形成了一定的沉积物；我们的实验表明：在添加铜处理的土壤中施用三种改良剂可以达到在原位吸附固定住铜的效果,并且表明,这种方法是一种经济有效的修复铜污染土壤的方法。

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致谢 6-7摘要 7-9Abstract 9-12目录 12-14第一章文献综述 14-28 1.1 我国农田土壤中重金属污染研究现状 14-22 1.1.1 农田土壤中重金属污染 14-17 1.1.2 我国农田土壤中重金属污染现状、影响因素及危害 17-21 1.1.3 农田中铜污染研究进展 21-22 1.2 农业有机废弃物(猪粪)循环利用研究进展 22-25 1.2.1 猪粪中的重金属研究 22-24 1.2.2 农用有机肥(猪粪等)施用前重金属钝化技术研究现状 24-25 1.3 重金属污染土壤的改良 25-28 1.3.1 常用改良剂 25-26 1.3.2 钝化剂(粉煤灰、磷灰石和膨润土)的作用机理及利用现状研究 26-27 1.3.3 钝化剂修复重金属污染土壤的利用前景 27-28第二章研究意义、内容及技术路线 28-33 2.1 研究依据、目的与意义 28-30 2.2 研究内容 30-31 2.2.1 施用猪粪对黑土-水稻系统中铜的形态转化与迁移积累的影响 30-31 2.2.2 铜在黑土-作物(小麦-水稻)系统中的迁移积累及其化学钝化 31 2.2.3 猪粪中重金属含量、化学形态和农用地生态风险评价 31 2.3 技术路线 31-33第三章猪粪对黑土-水稻系统中铜的化学形态、生物积累和有效性的影响 33-48 3.1 材料和方法 33-35 3.1.1 供试土壤和猪粪采集区概况 33-34 3.1.2 试验设计 34 3.1.3 样品采集和前处理 34 3.1.4 测定项目和方法 34-35 3.1.5 数据统计和分析 35 3.2 结果与分析 35-44 3.2.1 不同猪粪和Cu用量处理对土壤pH、电导率(EC)和有机质含量变化的影响 35-37 3.2.2 不同猪粪和Cu用量处理对水稻生物量的影响 37-38 3.2.3 不同猪粪和Cu用量处理对水稻根、稻杆和米粉中Cu积累的影响 38-39 3.2.4 不同猪粪用量处理对水稻盆栽土壤中Cu的生物有效性和全Cu量的影响. 39-40 3.2.5 不同猪粪用量处理对土壤中Cu的化学形态的影响 40-42 3.2.6 水稻吸收利用的Cu与土壤中不同化学形态Cu的相关关系 42-44 3.3 讨论 44-46 3.3.1 土壤中Cu的去向和分布 44-45 3.3.2 Cu在土壤-水稻系统中的迁移转化 45-46 3.3.3 土壤中Cu的生物有效性 46 3.4 结论 46-48第四章猪粪中重金属含量、化学形态及生态风险评价 48-56 4.1 材料和方法 48-49 4.1.1 供试猪粪采集区畜禽养殖概况 48-49 4.1.2 样品采集和前处理 49 4.1.3 测定项目和方法 49 4.1.4 数据统计和分析 49 4.2 结果和讨论 49-55 4.2.1 猪粪的pH和电导率EC 50 4.2.2 猪粪中所含矿物分析 50-51 4.2.3 猪粪中所含重金属全量的统计分析 51-52 4.2.4 猪粪中水提取和TCLP提取态重金属分析 52-54 4.2.5 猪粪中所含重金属的化学形态分析 54-55 4.3 结论 55-56第五章铜在黑土-作物(小麦+水稻)系统中的迁移积累及其化学钝化研究 56-74 5.1 材料和方法 56-57 5.1.1 供试土壤和钝化剂来源 56-57 5.1.2 试验设计 57 5.1.3 样品采集和前处理 57 5.1.4 测定项目和方法 57 5.1.5 数据统计和分析 57 5.2 结果与讨论 57-73 5.2.1 土壤pH和电导率EC 57-60 5.2.2 对小麦和水稻生物量的影响 60-64 5.2.3 铜处理和改良剂处理后对小麦和水稻植株各部分铜含量的影响 64-66 5.2.4 铜处理和改良剂处理后对盆栽土壤的几种可提取态和全铜含量的影响 66-69 5.2.5 土壤中铜的化学形态分析 69-73 5.3 结论 73-74第六章结论 74-77 6.1 结论 74-75 6.2 创新点 75 6.3 不足 75-77参考文献 77-90作者简介及主要成果 90

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