几种实用型固化剂对矿区及冶炼厂周边土壤中Pb、Cd、Cu和Zn的稳定化研究

摘要

土壤重金属污染因其对生态系统和食品安全的不利影响，已经成为世界关注的热点。本研究旨在利用小白菜(Brassica chinensisL.)和玉米(Zea maysL.)盆栽实验评价石灰(CH),钙基膨润土(CB)烟草生物炭(TB)和天然沸石(NZ)单独施用, 1%水平下配合施用对于土壤中 Pb、Cd、Cu和Zn 的固化及其植物有效性及植物富集残余影响的内在机理。两次盆栽实验所用土壤分别为潼关土(TG-C)、凤县高浓度污染土(FX-HC)、凤县低浓度污染土(FX-LC)。所得结果表明，这些修复剂处理相比对照显著降低了53.11%的DTPA浸提态Pb (CH+ CB + TB + NZ处理),36.26%的Cd(CH + TB + NZ处理), 90.22%的Cu(CH + TB处理)和56.07%的Zn(CH + CB + NZ处理) (p<0.05),而DTPA浸提态Pb最大增长了22.13% (CH +NZ处理),Zn最大增长了34.92% (TG-C土壤，CB处理)。在玉米盆栽实验中，这些修复剂处理使得Pb最大降低了62.59%(CB + TB处理),Cd为61.68%(CH+TB处理),Cu为83.31%(CH + TB处理),Zn为52.06% (CH + CB + NZ处理)。相应地,DTPA浸提态Pb的含量最大增长了28.61% (CH + TB + NZ处理),Cu为53.56% (CH + CB处理),Zn为31.91% (TB处理)。 FX-HC土壤小白菜盆栽实验中，土壤中DTPA浸提态Pb最大含量比对照降低了33.90%(CH + CB处理),Cd、Cu和Zn分别为47.69%(CH + CB + TB + NZ处理), 91.53% (TB + NZ处理), 64.75% (CH处理)。DTPA浸提态Zn最大含量在CB + TB + NZ处理下增长了35.40%。在玉米盆栽实验中,DTPA浸提态Pb含量最大降低了87.80%(CH + CB + TB +NZ),而Cd、Cu和Zn分别降低了51.13%(CH + NZ处理),36.57%(CH + CB + NZ处理), 72.34%(CH + TB + NZ处理)。DTPA浸提态Zn含量在CH + CB + TB处理下最大增长了48.65%。FX-LC土壤小白菜盆栽实验中，DTPA浸提态Pb含量最大降低了20.04% (CB +NZ处理),Cd、Cu和Zn分别降低了22.03%（CB + TB处理), 16.30%(CH处理), 82.34%(CH+ NZ处理)。DTPA浸提态Cd含量最大增长了4.45%(CH + CB + TB处理),Cu为27.56%(TB处理), Zn为4.80% (CB + TB处理)。而在玉米盆栽实验中，DTPA浸提态Pb含量最大降低了63.87%(CB + NZ处理),Cd、Cu和Zn分别降低了83.53%(CH + CB + TB + NZ处理),98.85%(CB + TB + NZ处理),39.15%(CH + CB + TB处理),而DTPA浸提态Zn最大含量比对照增长了65.94%(TB处理)。 修复剂处理对小白菜和玉米的生物量 (地上部分, 地下部分) 产生了巨大影响。利用TG-C土壤盆栽实验中，小白菜的最大干生物量比对照增长了3.58倍(CH + CB处理),最小干生物量比对照减少了11.36倍(CB + TB处理)。而玉米的最大干生物量比对照增长了1.13倍(TB处理),最小干生物量比对照减少了3.78(CH + NZ处理)。利用FX-HC土壤盆栽实验中，小白菜的最大干生物量比对照增长了1.46倍（TB + NZ处理），最小干生物量比对照减少了4.96倍(CH + TB + NZ处理)。而玉米的最大干生物量比对照增长了3.42倍(CH + CB + TB处理)。类似地利用FX-LC土壤盆栽实验中，小白菜最大和最小干生物量分别比对照增长和降低了1.56倍（CB + TB处理）和2.66倍(CH +TB处理)。玉米的干生物量最大比对照降低了7.79倍(CH处理)。 利用 TG-C 土壤盆栽实验中，小白菜地上部分中 Pb 含量最大比对照降低了 71.80%(TB + NZ处理),而Cd、Cu和Zn含量分别比对照降低了67.59% (CH + CB + TB + NZ处理),71.63% (TB + NZ处理)和57.37% (CH + CB + TB + NZ处理),而Pb在小白菜地上部分中最大富集量比对照增长了18.11% (CH + NZ处理)。玉米地上部分中Pb含量最大比对照降低了45.03% (CB + NZ处理),Cd、Cu和Zn分别为51.18% (CH + CB + TB + NZ处理), 43.21%(CB + NZ处理)和44.35% (CH + NZ处理)。而Pb在玉米地上部分中最大富集量比对照增长了33.04% (CH + TB + NZ),Cu、Zn分别为23.96%(CH + TB + NZ处理)和11.65%(CB + TB处理)。利用FX-HC土壤盆栽实验中，小白菜地上部分中Pb最小富集量比对照降低了58.36% (CH + CB处理), Cd、Cu、Zn分别为64.64%(CH处理), 47.84%(TB + NZ处理)和9.26% (CH + CB处理),而Cd的最大富集量比对照增长了9.85% (CH + CB + TB处理), Zn为61.14% (TB处理)。玉米地上部分中Pb最小富集量比对照降低了55.98% (CH +TB + NZ处理), Cd为54.54%(CH + CB + TB + NZ处理),Cu为59.83%(CH + CB + TB +NZ处理), Zn为19.16% (CH处理)。NZ处理使得Zn在地上部分的富集量比对照增长了19.00%。而利用FX-LC土壤盆栽实验中，小白菜地上部分中Pb富集量最小比对照降低了73.55% (CH + CB + TB处理),Cd、Cu和Zn分别为61.30%(CH + CB处理), 43.76%(CH +TB + NZ处理)和58.14% (CH + CB + TB + NZ处理)。Pb、Zn富集量最大比对照增长了1.76% (CH+ NZ处理)和28.52% (TB + NZ处理)。玉米地上部分中Pb,Cd,Cu和Zn的最小富集量分别比对照降低了58.76% (TB处理), 68.53%(CH + TB + NZ处理), 68.17%(CH +CB + TB + NZ处理)和69.47% (CH + CB),而Zn的最大富集量比对照增加了60.21%(CH +TB + NZ处理)。 利用 TG-C土壤盆栽实验中，小白菜地下部分中 Pb, Cd, Cu和 Zn的最小富集量分别比对照降低了68.21% (CH + CB +NZ处理), 83.03% (CH + CB + TB + NZ处理), 94.00%(TB + NZ处理),和61.13% (CB + TB + NZ处理)。而Pb和Zn最大富集量分别比对照增长了84.74% (TB + NZ处理)和27.91% (CH + TB处理)。玉米地下部分中Pb、Cd、Cu和Zn 的最小富集量分别比对照降低了78.76% (CH + CB + NZ处理），65.07% (CH + CB + TB +NZ处理), 34.64% (CH + TB处理),和62.60% (CH + NZ处理)。而Pb和Cu的最大富集量分别比对照增长了66.99% (CH + TB处理)和29.62% (CH + CB处理)。利用FX-HC土壤盆栽实验中，小白菜地下部分中 Pb、Cd、Cu和Zn 的最小富集量分别比对照降低了 86.70%(CB + TB处理), 41.76% (CH + CB + TB + NZ处理), 97.02% (CB + TB处理)和33.03% (CH+ NZ处理),而Zn的最大富集量比对照增长了52.76% (CH + CB + TB处理)。玉米地下部分中Pb、Cd、Cu和Zn的最小富集量分别比对照降低了52.08% (CH + CB处理), 71.02%(CH + CB + TB + NZ处理) 85.84% (TB + NZ处理)和45.54% (CH + CB + TB + NZ处理),而Pb的最大富集量比对照增长了2.27% (CH + CB + TB + NZ处理)。 所用修复剂的添加显著降低了供试植物地下部分中重金属的浓度。利用 TG-C 土壤盆栽实验中，小白菜地下部分中 Pb、Cd、Cu、Zn 的最小浓度分别比对照降低了 50.06%(CH + CB + TB + NZ处理), 66.84% (CH + TB处理), 87.36% (CB + TB + NZ处理)和50.00%(CH + CB + TB + NZ处理),而Zn的最大浓度比对照增长了35.50% (CH + TB处理)。玉米地下部分中Pb、Cd、Cu、Zn的最小浓度分别比对照降低了46.68% (CH + CB + TB + NZ处理), 38.53% (CH + NZ处理), 54.99% (CB处理)和48.79% (CH + NZ),而Zn的最大浓度比对照增长了5.19% (TB处理)。 基于本研究，我们发现选用的修复剂对土壤中的重金属元素有显著的固化作用，并且对于Cd的固化效果最优。并且，修复剂处理对于降低植物中Cd、Cu比Pb、Zn更有效。这可能是因为基于修复剂的碱性特点、重金属形态以及土壤类型，修复剂的添加改变了土壤的理化性质，比如 EC、pH、有机质、胡敏酸、富里酸、CEC和溶解有机碳等等。总而言之，本研究应进一步通过长期田间试验研究这些修复剂对于土壤重金属元素的固化、土壤微生物多样性、酶活性、土壤理化性质和其他一些植物生理方面的影响。

目录

声明

List of Tables:

List of figures:

List of abbreviations:

1.LITERATURE REVIEW

1. 1 Introduction

1.2 Primary sources of potentially toxic elements in contaminated soils

1.3 Impacts of potentially toxic elements on human health

1.4 An overview of worldwidePTEspollution

1.5Soil remediation approaches

1.6 Immobilization mechanism

1.7 Stabilization of soil potentially toxic elements by using additives

1.8 Research objectives

2. MATERIALS AND METHODS

2.1 Collection of soil samples and characteristics

2.2 Collection of studied amendments and characteristics

2.3 Experiments design

2.4 Sample analyses

2.5 Quality control and statistical analyses

3.THE INFLUENCE OF AMENDMENTS ON PHYSICAL-CHEMICAL CHARACTERISTICS OF SOILS

3.1 Characteristics of the studied soils and amendments

3.2. Effect of treatments on the changes in soil EC

3.3. Effect of treatments on the changes in soil pH

3.4. Effect of treatments on the changes in soil OM

3.5. Effect of treatments on the changes in soil HA

3.6. Effect of treatments on the changes in soil FA

3.7. Effect of treatments on the changes in soil CEC

3.8. Effect of treatments on the changes in soil DOC

4.THE EVALUATION OF IMMOBILIZATION EFFICACY BY USING DTPA-EXTRACTABLE PTES

4.1 Effect of treatments on DTPA-extractable Pbin soil

4.2 Effect of treatments on DTPA-extractableCdin soil

4.3 Effect of treatments on DTPA-extractable Cuinsoil

4.4 Effect of treatments on DTPA-extractable Znin soil

5. THE EVALUATION OF IMMOBILIZATION EFFECT BY USING POTEXPERIMENTS

5.1 Effect of treatments on plant dry biomass yield

5.2 Effect of treatments on chlorophyll content

5.3 Effect of treatments on shoot uptake of Pb by Chinese cabbage and maize

5.4 Effect of treatments on shoot uptake of Cd by Chinese cabbage and maize

5.5 Effect of treatments on shoot uptake of Cu by Chinese cabbage and maize

5.6 Effect of treatments on shoot uptake of Zn by Chinese cabbage and maize

5.7 Effect of treatments on root accumulation of Pb by Chinese cabbage and maize

5.8 Effect of treatments on root accumulation of Cd by Chinese cabbage and maize

5.9 Effect of treatments on root accumulation of Cu by Chinese cabbage and maize

5.10 Effect of treatments on root accumulation of Zn by Chinese cabbage and maize

6.PEARSON CORRELATION ANALYSIS

7. CONCLUSION

8.FUTURE PERSPECTIVES

9. HIGHLIGHTS

参考文献

APPENDIX A

APPENDIX B

ABOUT THE AUTHOR

PUBLISHED PEER REVIEWED PAPERS (SCI)

致谢