生物炭和堆肥联合修复洞庭湖重金属污染湿地土壤研究

发布时间：2020-03-29 06:24

【摘要】：洞庭湖湿地是全球重要的生态系统,也是重要的生物栖息地,对人类的生产和生活至关重要。然而,近年来由于人类活动,湿地面积逐渐较少,湿地土壤重金属和有机污染物的污染越来越严重,严重威胁了生态系统的平衡和人类的健康。重金属进入湿地后易被吸附于底泥中,在底泥中逐渐累积,当湖泊湿地流体力学和物理化学等外界条件发生变化,湿地中的重金属易从底泥中重新释放出来,从而成为湖泊湿地和水体的二次污染源,进而导致湿地生态环境的恶化。而且土壤中的重金属不易被生物分解或降解,滞留时间长,因此重金属易在土壤中累积,难以去除。湿地重金属污染已被越来越多的人关注,湿地污染修复和生态系统的恢复是紧迫的和必要的。生物炭和堆肥联合已被证明是非常有效的重金属污染土壤修复方法。但是已有的有关生物炭和堆肥联合修复污染土壤的研究主要是一种比例将生物炭和堆肥混合施入土壤,很少有研究生物炭和堆肥间不同比例对土壤中重金属的影响。因此在本研究中,我们研究并探讨了生物炭与堆肥联合及二者间不同比例对洞庭湖湿地土壤中重金属移动性和生物可利用性及重金属吸附-解吸行为的影响和作用。本研究的主要内容包括(1)评估施入污染土壤60天后不同比例的生物炭和堆肥对土壤理化性质的影响;(2)通过CaCl_2提取土壤中可利用重金属,测定生物炭和堆肥间不同比例对土壤中重金属Cd、Cu和Zn生物可利用性的作用,并说明其中可能的潜在机制;(3)分析不同比例的生物炭和堆肥联合对土壤中重金属形态分布的影响和作用机理;(4)比较并分析Cd、Cu和Zn在不同比率的生物炭和堆肥混合物施入的土壤中的吸附-解吸行为;(5)确定生物炭和堆肥间不同比例对Cd、Cu和Zn的吸附-解吸中作用机制。采集洞庭湖重金属污染湿地土壤,向湿地土壤中分别加入不同比率的生物炭和堆肥混合物后进行培养修复实验,分析各修复措施对土壤理化性质、重金属生物可利用性和形态分布的影响。结果显示施入各土壤修复剂后,土壤中总有机碳(TOC)、水溶性有机碳(WEOC)、阳离子交换容量(CEC)和可利用磷的含量随着堆肥在生物炭和堆肥混合物中比例的增加而逐渐升高。由于生物炭和堆肥间高效的相互作用,土壤pH在生物炭添加比率为20%和40%时获得较高值。由于土壤pH的变化,各土壤修复剂显著降低了Cd和Zn的可利用性,且二者的可利用性在土壤pH值较高时最低。但是各土壤修复剂增加了Cu的可利用性,这是由堆肥中高浓度水溶性有机碳(WEOC)和高含量Cu导致的。此外,各修复剂降低了Cd和Zn的可交换态比例,二者的可交换态随着堆肥含量的增加而逐渐降低。但是含有堆肥的修复剂促进了土壤中Cu从Fe/Mn氧化态和残渣态向有机物结合态的转化。这些结果表明,生物炭和堆肥间不同比例对污染土壤中的重金属的可利用性和形态分布具有显著的影响。通过研究生物炭和堆肥间不同比例对土壤中Cd、Cu和Zn的吸附-解吸行为发现,Langmuir和Freundlich方程对Cd和Zn的拟合效果较好,而Langmuir方程对Cu的拟合效果稍好于Freundlich方程。所有修复剂的施加都明显促进了土壤中重金属的吸附亲和力。Cd和Zn的吸附量随着堆肥比例的升高而增加,主要原因是堆肥提高了土壤中有机质和磷的含量。而土壤中的Cu在生物炭比例为10%和20%时吸附量较高,这是因为一定量生物炭的添加能够增加吸附位点,吸附堆肥中的Cu和水溶性有机碳。而且,一定量生物炭的使用能有效抑制Cd和Cu的解吸,而Zn的解吸率随着堆肥比例的升高而逐渐降低。
【图文】：

生物炭,潜力,移动性,重金属

生物炭是有效的土壤重金属修复剂，它可固定土壤中的重金属，降低重金属生物可利用性和移动性，降解有机污染物，改善土壤质地和微生物栖息环境，提高污染土壤质量。因此生物炭在土壤中具有重要潜力（图1.1）。生物炭施入土壤后可降低土壤中重金属的移动性，减少植物对重金属的吸收，进而减小重金属对生态环境和人类健康的危害。Ahmad等将5%的生物炭施入土壤后发现，与未修复土壤相比Pb的生物可利用性降低75.8%[22]。Jiang等在研究生物炭对老成土（高度风化和淋溶的土壤）中重金属移动性和可利用性时发现酸溶性Cu和Pb明显减少，还原态和氧化态Cu和Pb含量增加，说明生物炭的

生物炭,堆肥化,堆肥,有机固体废物

1.5.1 生物炭和堆肥间的相互作用生物炭可作为有机添加剂用于固体废物的堆肥化，，近年来越来越多的研究致力于探索生物炭的应用对有机固体废物堆肥的作用（图1.2）。生物炭施用率、施用时间和生物炭种类都可以影响有机固体废物的堆肥过程。生物炭富含碳，加入堆肥后会改变堆肥基质的C/N比，从而影响堆肥过程。生物炭的添加会影
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53

【参考文献】