典型鉛鋅冶煉區(qū)農(nóng)田土壤重金屬污染及植物化學(xué)聯(lián)合修復(fù)研究.pdf

1、金屬冶煉是土壤重金屬污染的最主要來源。進(jìn)入土壤環(huán)境中的重金屬，會(huì)在“土壤-植物-微生物”系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化，并經(jīng)由食物鏈對(duì)人類健康造成嚴(yán)重影響。近年土壤環(huán)境污染事件頻發(fā)，土壤污染治理與修復(fù)工作顯得尤為迫切。本研究對(duì)陜西省鳳縣區(qū)域（典型鉛鋅冶煉區(qū)）農(nóng)田土壤重金屬污染狀況進(jìn)行為期三年的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)價(jià)，揭示污染土壤中重金屬狀況以及其遷移轉(zhuǎn)化特征。在此基礎(chǔ)上，選定代表性污染地塊開展為期兩年的田間試驗(yàn)，采用植物化學(xué)聯(lián)合修復(fù)法，比較不同處理的污染

2、修復(fù)效果。本研究可為重金屬污染土壤修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。主要研究結(jié)論如下:
　　(1)冶煉廠周邊和臨近縣城的區(qū)域，相對(duì)于其它較遠(yuǎn)的流域農(nóng)田，表層土壤重金屬污染比較嚴(yán)重。主要污染物為Cd和Zn。BCR形態(tài)分析認(rèn)為Cd和Zn的生物有效態(tài)含量比其它金屬更高。土壤剖面重金屬含量隨深度增大而遞減，但80 cm深處重金屬含量仍高于中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。Cd的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)超標(biāo)頻率在縣域和冶煉廠周圍區(qū)域分別為65.7％和100％。長(zhǎng)期的

3、冶煉廠煙塵排放和大氣沉降導(dǎo)致了重金屬對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)的嚴(yán)重環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
　　(2)調(diào)查冶煉廠周圍方圓200畝土地上的土著植物獲得28個(gè)科共計(jì)56種植物。以草本植物為主，灌木和小喬木分布極少。菊科植物(占物種總數(shù)的19.29％)為優(yōu)勢(shì)植物。其中灰灰菜、刺兒菜、萬壽菊、千里光、狗尾草植物為采樣區(qū)的優(yōu)勢(shì)植物。生物量干重排前3的植物為商陸(455.5 g)、串葉松香草(334.0 g)、聚合草(195.5 g)。Cd、Zn、Pb在雪里蕻、刺兒菜、

4、雪里蕻地上部分具有較高的累積，而馬藺、隔山消、麥家公地下部分對(duì)Cd、Zn、Pb富集能力則相對(duì)較強(qiáng)。植物對(duì)Cd、Zn、Pb轉(zhuǎn)移系數(shù)最高的植物分別是馬藺、益母草、串葉松香草。地上部分重金屬含量超過篩選臨界值Cd(100 mg·kg-1)和Pb(1000 mg·kg-1)的植物有短穗鐵莧、聚合草、苦荬菜、雪里蕻、馬藺和雪里蕻、聚合草。綜合植物生物量以及植物富集轉(zhuǎn)移重金屬的能力確定聚合草、雪里蕻為鳳縣鉛鋅冶煉區(qū)重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)的先鋒物種。

5、
　　(3)16S rDNA高通量測(cè)序結(jié)果表明，土壤中微生物的總量及多樣性與土壤中的重金屬含量有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在門水平上，細(xì)菌群落主要為變形菌門和酸桿菌門，而在立地條件為山地的對(duì)照點(diǎn)，主要細(xì)菌門為厚壁菌門。土壤CEC、礦化系數(shù)(HA/FA)和微生物OTU豐度隨采樣距離增加而增加。希瓦氏菌屬、鹽單胞菌屬和埃希氏桿菌屬不管在耕作地（玉米地）還是非耕作地（山地）都能忍耐土壤重金屬高濃度脅迫。土壤有機(jī)質(zhì)組分、重金屬含量與土壤微生物多樣

6、性具有較強(qiáng)相關(guān)性。
　　(4)添加生物炭能顯著提高兩季植物收獲后的根際土壤pH和CEC，對(duì)土壤EC具有輕微抑制效應(yīng);較高的生物炭添加量可顯著提高土壤有機(jī)碳總量和礦化度，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。生物炭添加能降低根際土Pb和Cd有效態(tài)含量，提高其氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)含量，減少環(huán)境危害。5-10 g·kg-1生物炭可以降低Zn有效態(tài)含量，10g·kg-1添加量可能由于吸附了其他污染物對(duì)Cu和Zn的吸附有抑制作用。5-10 g·kg-1的生物炭處理顯著降

7、低大豆和玉米根系、籽粒和莖葉對(duì)Cu、Zn、Pb、Cd等元素的累積;在此過程中，油菜和小麥各部位對(duì)Cu和Zn累積量顯著減少，即生物炭吸附鈍化效果會(huì)受到重金屬本身元素特性影響。但同時(shí)修復(fù)鈍化含多種重金屬污染土壤時(shí)，生物炭的施加量為5-10 g·kg-1效果更好。綜合考慮植株生物量分布特性及重金屬富集、根際土各指標(biāo)變化，該農(nóng)田區(qū)塊5 g·kg-1的生物炭添加量是較佳添加量。
　　(5)針對(duì)不同零價(jià)鐵處理，各植物不同部位的生物量分布特征不

8、同。2 g·kg-1零價(jià)鐵處理對(duì)大豆各部位的生物量最大，大豆長(zhǎng)勢(shì)最好。6 g·kg-1零價(jià)鐵處理的玉米籽粒生物量最大。零價(jià)鐵處理不利于小麥籽粒的生物量積累。四種作物中，油菜的根系生物量干重占比最大，更能吸收土壤中的重金屬。大豆、玉米和油菜不同部位對(duì)重金屬的累積順序?yàn)?莖葉＞根系＞籽粒，而小麥對(duì)重金屬的累積順序是根系＞莖葉＞籽粒。大豆籽粒和根系中重金屬隨零價(jià)鐵施用量增加而降低，總體而言，零價(jià)鐵會(huì)降低植物地上部分重金屬的含量。物理表征揭示了

9、零價(jià)鐵進(jìn)入土壤后腐蝕成各種鐵氧化物與重金屬可能發(fā)生吸附等反應(yīng)，從而達(dá)到了鈍化修復(fù)的目的。
　　(6)添加石灰和硫化鈉處理均顯著增加土壤pH值，第二季效果有所減弱。隨著石灰和硫化鈉添加量的增加，每季作物的生物量總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。對(duì)于第一季作物，石灰和硫化鈉處理基本上都顯著增加了大豆和玉米的生物量。添加石灰更能促進(jìn)大豆和玉米生物量的增加，而硫化鈉處理對(duì)小麥增產(chǎn)的效果較為明顯。石灰和硫化鈉處理基本上都能抑制兩季作物不同部位累積重金屬。硫

10、化鈉處理作物根系累積重金屬含量要低于石灰處理。硫化鈉處理下更能明顯抑制植物對(duì)重金屬的積累，但高施用量硫化鈉處理容易導(dǎo)致土壤板結(jié)。石灰和硫化鈉的單獨(dú)施加的鈍化修復(fù)效果僅持續(xù)一季，建議與其他修復(fù)劑配施。
　　(7)添加檸檬酸和EDTA處理均顯著降低了土壤pH值，且施加量越大，降低幅度越大。尤其是對(duì)第一季作物種植時(shí)土壤pH值影響較大。添加檸檬酸和EDTA降低了土壤EC含量，其中檸檬酸對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響要大于EDTA。EDTA增加了小麥和

11、油菜的生物量，降低了玉米的生物量;檸檬酸則增加了大豆的生物量。檸檬酸和EDTA處理基本上都能增加兩季作物不同部位累積重金屬。尤其是檸檬酸能顯著促進(jìn)玉米各部位對(duì)Zn的吸收。EDTA能顯著促進(jìn)小麥地上部對(duì)各重金屬的吸收累積。總的來說，檸檬酸不同程度的增加了所有植株對(duì)不同重金屬的富集系數(shù)。EDTA更能促進(jìn)植物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的提高，但施用量過高會(huì)導(dǎo)致植物地上部富集系數(shù)的減少。綜合考慮植物生物量和植物各部分對(duì)重金屬的累積特征，檸檬酸和EDTA的較佳施用

12、量分別為15 mmol·kg-1和10mmol·kg-1。
　　綜上所述，鳳縣鉛鋅冶煉廠周邊土壤重金屬污染比較嚴(yán)重，主要污染物為Cd和Zn。植物調(diào)查發(fā)現(xiàn)聚合草、雪里蕻為該區(qū)域土壤生態(tài)修復(fù)的先鋒物種。希瓦氏菌屬、鹽單胞菌屬和埃希氏桿菌屬能忍耐土壤重金屬高濃度脅迫。田間試驗(yàn)表明，生物炭、零價(jià)鐵、石灰和硫化鈉的適宜施用量分別為5 g·kg-1、6 g·kg-1、10 g·kg-1和6 g·kg-1，這四種添加劑能降低土壤重金屬生物有效性