近日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所重金屬生態(tài)毒理與污染修復(fù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)向土壤中添加鈣基改性生物炭，并種植低鎘積累玉米品種，可以有效修復(fù)堿性鎘污染土壤，該研究為堿性鎘污染土壤的修復(fù)和土壤生態(tài)環(huán)境的改善提供了理論依據(jù)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《土壤和耕作研究》上。
測(cè)序結(jié)果表明，鈣基改性生物炭改變了微生物群落結(jié)構(gòu)和組成，主要表現(xiàn)為物種數(shù)目和多樣性指數(shù)以及優(yōu)勢(shì)物種相對(duì)豐度顯著增加。該技術(shù)在堿性鎘污染土壤的安全利用和改善農(nóng)業(yè)土壤微生態(tài)環(huán)境方面具有良好的應(yīng)用潛力。
(資料圖)
生物炭表面改性可增加對(duì)重金屬的吸附能力
在過(guò)去的幾十年里，由于具有固碳、提高土壤肥力和固定污染物的優(yōu)勢(shì)，生物炭已被廣泛用于修復(fù)不同類型的重金屬污染土壤，但原始生物炭修復(fù)高濃度重金屬污染物的能力可能有限。
論文通訊作者、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所研究員孫約兵表示，大量研究表明，生物炭的表面改性可以優(yōu)化其理化性質(zhì)和對(duì)重金屬的吸附能力。生物炭的表面改性可以通過(guò)不同的方式實(shí)現(xiàn)，主要包括蒸汽活化、熱處理、酸性/堿性改性和金屬鹽或氧化物的浸漬。
據(jù)報(bào)道，由于對(duì)重金屬脅迫的抗性和耐受性存在差異，不同品種的作物對(duì)重金屬的吸收和富集能力存在明顯差異。
“適當(dāng)選擇低鎘積累玉米品種并結(jié)合改良劑，可以有效減少鎘向作物地上部分的積累和遷移，這可能會(huì)成功提高玉米在堿性鎘污染土壤中的鎘耐受性?！睂O約兵指出。
重金屬在土壤中的分布、遷移和生物利用度與各種土壤因素密切相關(guān)。除了經(jīng)常被提及的土壤pH值、鹽度、有機(jī)質(zhì)含量和氧化還原電位等因素外，土壤團(tuán)聚體還可以對(duì)重金屬在土壤顆粒中的分布起決定性作用。許多研究表明，由于物理化學(xué)特性的不同，土壤團(tuán)聚體的各種顆粒對(duì)重金屬的吸附能力可能不同。
“團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分,也是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位。了解重金屬在土壤團(tuán)聚體中的分布和遷移，可以幫助我們科學(xué)有效調(diào)節(jié)重金屬的含量?！睂O約兵說(shuō)。
為堿性鎘污染耕地安全利用提供指導(dǎo)
土壤微生物作為土壤理化過(guò)程的主要調(diào)節(jié)因子，在養(yǎng)分循環(huán)、肥力提高和固碳等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。生物炭由于具有巨大的比表面積和孔隙體積，可以為微生物提供棲息地和庇護(hù)所。
此外，生物炭中的有效水溶性營(yíng)養(yǎng)素等會(huì)影響微生物活性，可能會(huì)改變土壤微生物棲息地的物理化學(xué)性質(zhì)，從而改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。此前，研究人員發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可以增加土壤養(yǎng)分含量和有機(jī)碳礦化，導(dǎo)致土壤微生物活性和群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。
論文第一作者、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所博士研究生孫彤介紹，本研究通過(guò)田間試驗(yàn)，從微觀角度探討了鈣基改性生物炭和低鎘積累品種組合管理對(duì)土壤中鎘的生物利用度、玉米籽粒鎘積累和微生物生態(tài)功能修復(fù)效果的影響。研究結(jié)論將為今后使用鈣基改性生物炭作為土壤改良劑，為堿性鎘污染耕地修復(fù)和安全利用提供實(shí)用指導(dǎo)。
“為了研究鈣基改性生物炭與低鎘積累品種偶聯(lián)對(duì)弱堿性鎘污染農(nóng)田的修復(fù)效果，我們進(jìn)行了田間試驗(yàn)，探討了土壤團(tuán)聚體中鎘的分布、玉米籽粒對(duì)鎘的吸收以及土壤微生物群落的狀況。結(jié)果表明，鈣基改性生物炭處理可使大塊土壤和土壤團(tuán)聚體中的有效鎘分別減少12.09%—16.20%和3.67%—24.72%。粒徑組分金屬負(fù)荷和分布因子分析表明，鎘優(yōu)先富集在土壤中的細(xì)顆粒組分上，鈣基改性生物炭促進(jìn)了鎘從微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的再分配?！睂O彤說(shuō)。
與對(duì)照組相比，添加鈣基改性生物炭后，低鎘積累玉米品種農(nóng)玉16和三北218籽粒中的鎘含量分別顯著降低37.55%—50.80%和23.60%—51.20%。高通量測(cè)序結(jié)果表明，添加鈣基改性生物炭后，種植低鎘積累玉米品種農(nóng)玉16和三北218的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生了顯著變化，其特征是操作分類單元數(shù)量、α多樣性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)門豐度顯著增加。
“研究結(jié)果表明，鈣基改性生物炭與低鎘積累玉米聯(lián)合管理是修復(fù)弱堿性鎘污染土壤的有效途徑，有利于保障糧食質(zhì)量安全，改善土壤生態(tài)環(huán)境功能?！睂O約兵說(shuō)。
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