农田重金属钝化剂研究进展_孙翠平
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重金属钝化技术修复污染土调研报告一、原位钝化修复技术简介原位钝化修复,指利用化学、生物等措施改变重金属污染物在土壤中的化学形态和赋存状态,从而降低重金属的生物有效性和迁移性,减少植物对重金属的吸收,主要以化学固定法和微生物修复为代表。
鉴于土壤重金属污染常常涉及面积很大,各种工程修复措施的成本过高,因此发展原位钝化方法是目前中轻度污染土壤修复的较好选择。
土壤重金属钝化修复包括固化和稳定化两个概念,其中原位化学钝化修复是向重金属污染土壤中加入一种或多种物质,通过发生吸附、沉淀、离子交换、氧化还原等一系列反应,改变重金属在土壤中的化学形态、赋存状态,其主要目的是降低因土壤环境的微小变化或土壤生物活动而活化的土壤重金属污染物的迁移能力和生物有效性。
钝化剂的添加并不能将重金属污染从土壤中去除,但是可以影响其形态分布,通过将可提取态的重金属转化为残渣态,减少土壤重金属污染对环境和人类健康的危害,从而达到修复污染土壤的目的。
图1 农田重金属污染钝化重金属钝化现在是农田土壤重金属修复的主要技术,近年来研究迅速,专利情况如下图所示。
图2 重金属钝化专利分析二、技术原理不同的钝化过程和反应机制将直接影响钝化修复效果。
如果钝化修复材料,如石灰等,仅通过改变土壤pH来降低重金属的生物有效性,这种钝化是不稳定的,一旦土壤pH通过缓冲或其他因素降低,那么环境风险又将重现;如果钝化材料通过提高土壤pH和增加吸附量两种作用,土壤重金属的这种钝化作用则相对稳定,其稳定性依赖于土壤及钝化修复剂的缓冲容量和钝化修复剂的吸附容量;如果修复材料通过矿物晶格层间吸附或形成沉淀,钝化效果则依赖于重金属污染物的固液平衡动力学特征及沉淀的溶度积Ksp,其钝化效果也相对持久稳定。
土壤中重金属的钝化过程与添加材料有关,主要包括以下几个方面作用机理: 吸附、沉淀、络合、离子交换和氧化还原等。
(1)沉淀作用通过向污染土壤中施入石灰等碱性物质,随着pH值的升高,更易于使重金属水溶态形成氢氧化物或者碳酸盐结合态沉淀,并且随着土壤pH值提高,土壤表面负电荷也会增加,增强了土壤对重金属的亲和性,从而降低土壤中重金属迁移性和毒性。
矿物质钝化剂对重金属污染土壤的修复效益研究进展随着工业化进程的不断加速,重金属污染已成为全球环境保护的一个难题。
其中,重金属污染土壤对人类健康、农作物生产、生物多样性等产生了深远的影响。
因此,如何选择合适的修复方法治理重金属污染土壤已成为当今环境科学领域的一个重要研究方向。
其中,矿物质钝化剂对重金属污染土壤的修复效益备受关注。
矿物质钝化剂可通过化学稳定或物理阻隔等方式减缓或防止重金属的毒性和迁移性,从而降低土壤重金属有效态的浓度,并提高土壤的肥力和生物活性。
常见的矿物质钝化剂包括石灰、磷酸钙、磷酸铝钙等。
这些矿物质钝化剂具有如下特点:(1)具有低毒性和低成本;(2)可在灌溉或撒播等过程中与土壤快速反应,提高重金属的稳定性和复合性;(3)不易分解和挥发,适用于长期治理。
研究表明,矿物质钝化剂对重金属污染土壤的修复效益取决于多种因素,如土壤性质、重金属种类和污染程度等。
一般而言,矿物质钝化剂可显著提高土壤pH值和有效态钙离子浓度,与重金属离子形成稳定的结合物,从而限制重金属的迁移性。
例如,石灰可将污染土壤中的重金属离子与碳酸根离子结合形成难溶的碳酸盐沉淀,从而降低重金属浓度。
磷酸铝钙则可与重金属离子结合形成磷酸盐沉淀,从而有效去除土壤中的重金属。
尽管矿物质钝化剂具有一定的修复效益,但其存在一些局限性。
首先,矿物质钝化剂存在初始反应速度慢的问题,需要进行长时间的治理,难以在短时间内完全恢复受污染土壤。
其次,矿物质钝化剂不同的应用方式和含量对治理效果具有很大的影响,需要仔细考虑选择合适的使用方法。
此外,对于某些具有高毒性和难降解的重金属污染,矿物质钝化剂的修复效益可能有限。
综上所述,矿物质钝化剂是一种有效的重金属污染土壤修复方法,其可通过化学稳定和物理阻隔等方式减缓或防止重金属的毒性和迁移性,从而降低重金属的浓度并提高土壤的肥力和生物活性。
但是,使用矿物质钝化剂的修复效益受到多种因素的制约,需要具体分析其修复效果和适用范围,为环境保护工作提供科学参考。
土壤重金属污染修复钝化剂的研究进展重金属污染是当前环境问题中的重要一环。
土壤中的重金属污染来自于工业活动、废弃物处理和农药施用等多种途径,严重威胁到土壤质量和人类健康。
钝化剂作为一种修复土壤重金属污染的材料被广泛研究和应用。
本文旨在总结近年来钝化剂在土壤重金属污染修复方面的研究进展。
钝化剂主要通过吸附、离子交换、沉淀结合和胶体稳定等机制来修复土壤中的重金属污染。
常见的钝化剂包括石灰、膨润土、粉煤灰、氧化铁和氧化铝等。
这些钝化剂能够与重金属形成不溶性物质,减少其在土壤中的迁移和生物有效性,从而减轻土壤重金属污染的风险。
近年来,钝化剂的研究主要集中在以下几个方面:1.钝化剂材料的开发和改进。
研究人员通过改变钝化剂的成分、结构和表面性质,以提高其对重金属的吸附和固定能力。
例如,可以通过改变膨润土的层数、引入功能基团等方法来改善其吸附性能。
2.钝化剂修复的机制研究。
研究人员通过实验室模拟和现场调查等手段,探究钝化剂作用于土壤中重金属的机理。
例如,通过X射线衍射和电子显微镜等技术手段,可以观察钝化剂和重金属的相互作用过程。
3.钝化剂修复技术的优化和应用。
研究人员通过实验室和田间试验,研究钝化剂在不同环境条件下的应用效果和作用机制,以优化修复技术的操作参数和方法。
例如,可以研究不同钝化剂用量、施用方式和修复周期等因素对修复效果的影响。
4.钝化剂与其他修复技术的结合应用。
研究人员将钝化剂与其他修复技术结合应用,以提高修复效果和降低成本。
例如,可以将钝化剂与植物修复、微生物修复和电动导致修复等技术相结合,形成多种修复体系,提高土壤重金属污染的修复效率。
综上所述,钝化剂作为一种修复土壤重金属污染的材料,其研究进展包括材料的开发和改进、修复机制的研究、技术的优化和应用、以及与其他修复技术的结合应用等方面。
随着研究的深入和进一步的应用探索,钝化剂在土壤重金属污染修复领域的应用前景将更加广阔。
农田重金属土壤健康钝化技术研究及应用趋势农田重金属土壤是指土壤中重金属元素含量超过国家土壤环境质量标准规定的限值的土壤。
由于农业生产中使用的农药和化肥、冶炼和焚烧过程产生的废料等原因,农田重金属土壤的污染越来越严重,给农作物的生长和人体健康带来了巨大的风险。
为了解决农田重金属土壤污染问题,研究人员提出了土壤健康钝化技术,并逐渐应用于实际生产中。
本文将对农田重金属土壤健康钝化技术的研究进展和应用趋势进行探讨。
首先,农田重金属土壤健康钝化技术主要包括物理、化学和生物处理等多个方面。
物理处理包括旋耕、覆盖和堆肥等方法,通过改变土壤结构和增加有机质含量来减少重金属的有效性。
化学处理主要是利用添加剂如磷酸盐、石灰等化合物来降低土壤中重金属的有效性。
生物处理则是利用植物和微生物等生物资源来修复农田重金属土壤。
这些处理方法已经在实验室和田间试验中得到了验证,取得了一定的修复效果。
其次,农田重金属土壤健康钝化技术的应用趋势主要集中在以下几个方面。
首先,生物处理将成为农田重金属土壤修复的主要手段。
生物处理具有修复效果好、成本低、对环境友好等优点,因此得到了广泛的关注和应用。
其次,研究人员将继续探索新的农田重金属土壤健康钝化技术。
例如,利用纳米材料、功能菌剂等新技术进行修复,将有助于提高修复效果。
此外,多种修复技术的综合应用也是未来的发展方向,通过不同方法的联合使用可以更好地修复农田重金属土壤。
最后,农田重金属土壤健康钝化技术的应用还面临一些挑战。
首先,修复成本高和周期长是当前面临的主要问题。
需要进一步降低修复成本、缩短修复周期,提高修复效率。
其次,农田重金属土壤的净化标准仍然不够明确,需要进一步制定更加科学合理的标准。
此外,不同地区和不同类型的农田重金属土壤差异较大,需要针对性地制定修复方案。
综上所述,农田重金属土壤健康钝化技术在农田重金属土壤修复中具有重要的应用价值。
未来的发展方向是进一步改进现有的修复技术,开发新的修复方法,并探索不同技术的综合应用。
钝化剂对土壤重金属污染修复研究进展钝化剂对土壤重金属污染修复研究进展徐露露1,马友华1*,马铁铮1,付欢欢1,聂静茹1,何晓红2,王强1(1.安徽农业大学资源与环境学院,安徽合肥230036;2.安徽省农业生态环境总站,安徽合肥230001)收稿日期:2013-08-23基金项目:农业部农业生态环境保护项目(农财发〔2013〕16号)作者简介:徐露露(1988—),女,安徽宿州人,硕士,主要从事农业面源污染与生态环境研究。
E-mail :158********@/doc/4717506973.html, *通信作者:马友华E-mail :yhma@/doc/4717506973.html, 摘要:总结了常见的钝化剂包括石灰性物质、炭材料、粘土矿物、含磷材料、有机肥和农业废弃物等对土壤重金属污染修复的原理、技术和方法。
介绍了钝化剂对土壤重金属修复的效果和注意事项,并对钝化剂进行土壤重金属污染修复的前景和目前存在的问题进行了展望。
关键词:钝化剂;重金属;污染;修复中图分类号:X53文献标志码:A 文章编号:2095-6819(2013)06-0025-05Passivating Agents on Remediation of Heavy Metal Pollution in SoilsXU Lu-lu 1,MA You-hua 1*,MA Tie-zheng 1,FU Huan-huan 1,NIE Jing-ru 1,HE Xiao-hong 2,WANG Qiang 1(1.School of Resources and Environment,Anhui Agricultural University,Hefei 230036,China;2.The Agricultural EcologicalEnvironment of Anhui Province Station,Hefei 230001,China )Abstract :This article reviewed the principles,techniques and methods of the common passivating agents on heavy metal contaminated soil,including calcareous substances,carbon materials,clay minerals,phosphorus materials,organic fertilizer and agricultural waste.It also de -scribed the effects and precautions of those passivating agents.The outlook of the passivating agent remediation technology and the existing problems of heavy metal contaminated soil were prospected.Keywords :passivating agent;heavy metal;contamination;remediation农业资源与环境学报2013年12月·第30卷·第6期:25-29December 2013·Vol.30·No.6:25-29Journal of Agricultural Resources and Environment土壤重金属污染已成为全球性环境问题,因其隐蔽性、不可逆性和长期性的特点,对生态系统构成潜在的巨大威胁,并通过食物链影响人体和动物的健康。
[键入文字]农田土壤重金属污染化学钝化修复研究进展:摘要:土壤重金属化学钝化修复是指向污染土壤中添加钝化剂,使重金属由活性向稳定化形态转化,以降低重金属的迁移和生物可利用性,从而修复重金属污染土壤的方法。
本文综述了近些年国内外各类钝化材料修复重金属污染土壤的作用效果和机理、实例等方面的研究进展,并讨论了原位修复土壤重金属中亟待解决的问题,旨在为农田土壤重金属污染的化学钝化剂筛选与应用提供参考依据。
前言随着城镇化、工业化的发展和城市污泥、废弃物进入农业生态系统,土壤重金属污染态势日趋严峻。
据国家环保部、国土资源部等的调查,我国土壤各种污染物超标点位占调查总点位的16.1%;而耕地土壤点位超标率高达19.4%,污染情形不容乐观。
由于我国人口压力大,优质耕地资源短缺与粮食生产需求的矛盾异常突出,不可能将污染土壤进行大规模休闲、种植非粮食作物或开展植物修复;工程措施则代价高昂难以实施,且污染土壤填埋并不去除重金属类污染物,所以对农田重金属污染土壤而言,切实可行且能保证作物安全生产的修复措施应是化学钝化,尤其是对中轻度污染的农田土壤。
化学钝化修复是向污染土壤中施入各种钝化剂,利用吸附、沉淀、氧化还原、络合等机制,改变污染物的形态与活性,使其转化成非活性、植物难吸收的组分,从而实现修复利用的技术。
目前采用的钝化剂主要包括各类含磷物质、粘土矿物、生物炭、氧化物、有机物等,它们对不同污染物以及土壤类型、污染程度的修复效果有一定差异,相关综述论文也常见报道。
本文就一些主要的化学钝化材料修复重金属污染研究进展作一概述,为进一步推动农田重金属污染土壤修复研究与应用提供参考。
1 含磷物质对污染土壤中重金属的钝化含磷物质除提供植物磷营养外,对重金属的钝化修复是当前土壤重金属污染修复研1。
农田土壤重金属污染钝化修复技术研究进展作者:郑子乔来源:《农家科技》2018年第11期摘要:当各国都在激烈地追求城市化和工业化的进展时,却忽略对农田土壤的污染状况,导致农田土壤重金属污染问题愈加严重。
我国自改革开放以来,经济发展的势头超越很多工业大国,但与此同时我国面临着严峻的环境污染问题。
造成大气污染、水污染及农田污染程度加深的原因是由于我国重工业产地的大量修建,盲目追求重工业产量的对内需求和对外输送。
本文就目前我国面临的农田土壤污染状况分析农田土壤污染修复技术及研究进展。
关键词:农田土壤;重金属污染;钝化;修复技术;进展土壤的成分为矿物质、有机质、土壤溶液及空气与水的混合物,土壤溶液是大气中的植物根须及土壤微生物吸取养分的重要媒介,也是污染物进入土壤的主要途径。
其中土壤重金属污染是最为严重和持久的污染源头,重金属污染物主要含有铬、汞、砷等严重危害生物的重金属颗粒,以及有一定毒性的铜、锌等元素。
污染物的来源极其广泛,主要来源有采矿厂的废渣倾倒、农田灌溉残留的农药、生活垃圾如废弃电池、未经处理的污水排放和大气沉降。
排放物的有害元素由土壤表层逐渐深入到土壤内层,常年堆积会彻底破坏土质结构导致土壤的原有成分被强制改变。
残留在土壤中的重金属不会随着年月的增加而逐渐消失,反而会更加顽固的残留在土壤结构中。
土壤重金属的来源有人为和自然两种,人为因素是造成土壤重金属污染的重大原因。
重金属的毒性不受重金属的含量多少控制,取决于重金属在土壤中的存在形态。
其存在形态有以下几种:水溶态;碳酸盐结合态;离子态;有机结合态;残留态。
随着周围环境的改变如大气温度和湿度,各个形态之间可以相互转化,水溶态和残留态的毒性最强,活跃度最高,浸入到植物体内的能力最强。
目前各国的研究学者都在致力于如何消融和降解这些顽固的重金属污染物。
随着中国人口的猛增,工业化和农业化正在加快进程以满足当今人类的生产需求,城镇化建设的步伐紧随其后,人类的生产活动正在改变人与自然的和谐相处模式。
㊀㊀2023年第64卷第11期2611收稿日期:2022-09-27作者简介:任佳佳(1988 ),女,安徽安庆人,助理农艺师,本科,从事土肥检测和技术推广工作,E-mail:923708779@㊂通信作者:石艳平(1983 ),男,农艺师,硕士,从事土壤与肥料技术推广工作,E-mail:5251499@㊂文献著录格式:任佳佳,石艳平,陈轶平.施用钝化剂对水稻田中汞的修复效果[J].浙江农业科学,2023,64(11):2611-2615.DOI:10.16178/j.issn.0528-9017.20221010施用钝化剂对水稻田中汞的修复效果任佳佳,石艳平∗,陈轶平(嘉兴市土肥植保与农村能源站,浙江嘉兴㊀314050)㊀㊀摘㊀要:开展小区试验,研究不同钝化剂(石灰㊁土壤调理剂㊁甲壳素㊁有机肥)施用对水稻各体系中重金属汞转运迁移特性及生物有效性的影响㊂施用钝化剂可以降低水稻籽粒中重金属汞的积累,减少对水稻植株的毒害作用,增加土壤肥力并促进水稻植株生长㊂结果显示:分别添加不同钝化剂显著降低土壤中有效态Hg 含量,与空白对照组相比下降了51%~59%㊂添加石灰㊁土壤调理剂㊁甲壳素㊁有机肥处理水稻籽粒中的Hg 含量显著减少,较空白对照组分别降低了35%㊁29%㊁46%㊁38%,其中甲壳素处理效果优于其他3种钝化剂㊂关键词:汞;水稻;钝化剂;甲壳素;土壤修复中图分类号:S511㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0528-9017(2023)11-2611-05㊀㊀随着我国现代化农业的快速发展,农业生产过程中大量机械化设备作业及使用化学物质种类越来越多样化,使得耕地土壤重金属污染问题越来越严重[1]㊂近年来的研究证明,中国内陆地区居民接触汞的主要食物来源是含汞的大米而非含汞的水产食品[2]㊂水稻植株对甲基汞有较强的积累能力,能直接从土壤吸收甲基汞,并被水稻根系吸收并向上运输,然后累积在籽粒中㊂土壤中的无机汞主要在硫酸盐还原细菌和铁还原细菌作用下转化为甲基汞,更易被水稻根系吸收并在水稻体内转移㊂全球90%的稻米产自亚洲,而我国作为世界稻作的起源地,有近2/3的人口以稻米为主食[3]㊂土壤中汞含量超标,使得农作物的生长受到抑制,影响农田生态系统,污染物也会随之迁移,一旦进入人体并积累,将对人体健康造成严重危害[4]㊂因此,农田中重金属汞的去除迫在眉睫㊂土壤重金属钝化主要是通过在重金属污染的土壤中加入钝化剂后,使得重金属被钝化剂包裹㊁吸附㊁沉淀㊁络合等作用,能够减少土壤中重金属的释放或降低重金属的迁移性和生物有效性,从而达到快速降低重金属的毒性并改善土壤性质,是土壤重金属修复的常用手段[5]㊂近年来许多钝化剂如海泡石㊁石灰㊁生物质炭以及不同类型的钝化剂复配在土壤修复领域被大量应用并取得一定成效[6]㊂本文以石灰㊁有机肥㊁甲壳素㊁土壤调理剂4种不同钝化剂作为考察对象,通过在嘉兴市某个汞污染水稻田进行重金属污染修复田间试验,分析比较以上4种不同来源的钝化剂对大田环境下土壤Hg 含量㊁水稻生长发育性状㊁水稻体内Hg 含量以及转运和富集的影响,筛选出能够有效治理Hg 污染农田的土壤钝化剂,为Hg 污染农田大面积治理推广应用提供科学依据,对粮食安全生产具有重要意义㊂1 材料与方法1.1㊀试验地概况㊀㊀试验地位于浙江省嘉兴市某地,位于北亚热带南缘,属东亚季风区,冬夏季风交替,气候温和,四季分明,水热同步,光热同季,年平均气温15.5~15.8ħ㊂最热月(7月)平均气温28.1~28.4ħ;最冷月(1月)平均气温2.7~3.3ħ㊂年无霜期230d 左右㊂年平均降水量1100~1200mm,年10ħ以上积温5000ħ,年日照时数2000~2100h㊂1.2㊀试验设计㊀㊀供试水稻为秀水121,试验采用随机区组排列设计,共设置5个处理,每个试验设置3次重复,共15个小区,每个小区面积为100m 2,试验材料分别为:添加石灰㊁添加有机肥㊁添加甲壳素㊁添加土壤调理剂和不添加任何材料的对照处理2612㊀㊀2023年第64卷第11期(CK),具体添加量如表1所示㊂水稻种植过程中为防止各处理间相互影响,在田埂上覆膜㊂种植前按照2250kg㊃hm-2撒施土壤调理剂并翻耕,施肥㊁除虫㊁除草等田间管理与当地常规管理一致㊂表1㊀钝化剂种类及施加量钝化剂种类用量/(kg㊃hm-2)石灰1200有机肥2250甲壳素300土壤调理剂2250空白对照01.3㊀样品采集与测定方法㊀㊀水稻成熟后整株收获,先用自来水将根系泥土洗净,再用去离子水冲洗整个植株数次,用滤纸吸干表面水分,分为地上部(茎㊁叶㊁籽粒)和地下部(根)㊂在105ħ下杀青30min,然后70ħ下烘干至恒重后取出,水稻谷粒使用小型脱壳机进行脱壳,收集籽粒㊂每个部分经粉碎机粉碎后备用㊂采集水稻样品同时,按五点取样法采集0~20cm表层土壤㊂土壤样品经风干磨细后,过1.5mm(10目)筛与0.17mm(100目)筛,备用㊂土壤pH值用电极法测定(蒸馏水以2.5ʒ1的水土比浸提)㊂土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定㊂土壤有效态Hg含量采用DTPA浸提剂(0.005mol㊃L-1DTPA+0.01mol㊃L-1CaCl2+ 0.1mol㊃L-1TEA)提取,最后采用原子吸收光谱火焰法和石墨炉法测定㊂水稻样品中的总Hg含量采用原子吸收光谱仪进行测定㊂1.4㊀数据处理㊀㊀所得试验数据利用Microsoft Excel2019作前期处理,SPSS21.0软件对数据进行统计分析和各处理之间的差异性比较,通过Origin2019软件绘图㊂各部位的转运系数(TF)和富集系数(BCF)计算方法如下:TF根-茎为茎Hg含量除以根Hg含量;TF茎-叶为叶Hg含量除以茎Hg含量;TF茎-籽粒为籽粒Hg含量除以叶Hg含量; BCF根为根Hg含量除以土壤Hg含量; BCF茎为茎Hg含量除以土壤Hg含量; BCF叶为叶Hg含量除以土壤Hg含量; BCF籽粒为籽粒Hg含量除以土壤Hg含量㊂2 结果与分析2.1㊀钝化剂对土壤Hg有效态含量的影响土壤中的重金属以多种状态存在,而重金属有效态才能够被植物吸收利用,所以土壤重金属有效态指标能更好地反映耕地土壤污染状况[7-8]㊂图1显示,施用4种钝化剂都可以显著降低重金属汞的有效态含量(P<0.05),进而影响水稻根系对重金属汞的吸收利用㊂各组处理土壤中重金属汞的有效态含量为:甲壳素<土壤调理剂<有机肥<石灰< CK㊂施用石灰㊁土壤调理剂㊁有机肥处理与空白对照组CK相比,分别下降了53%㊁55%和51%,其中土壤调理剂㊁有机肥处理对降低土壤Hg的生物有效性效果相当,两组处理效果都优于石灰处理㊂施用甲壳素对降低土壤中Hg生物有效性的效果最好,较空白对照组显著降低了59%㊂柱上无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05),图2~3同㊂图1㊀不同钝化剂处理对土壤Hg有效态含量的影响2.2㊀钝化剂对Hg污染稻田水稻生长发育性状的影响㊀㊀水稻生长发育性状是考察钝化剂的关键指标之一,而4种钝化剂均能促进水稻生长发育说明了这4种钝化剂施用能够减轻Hg对水稻的毒害作用㊂从图2可以看出,施用石灰㊁土壤调理剂㊁甲壳素处理及有机肥处理与CK相比,株高分别增加了9%㊁20%㊁25%㊁10%;干物质量分别增加了1%㊁6%㊁20%㊁15%;千粒重分别增加了16%㊁15%㊁23%㊁7%;分蘖数分别增加了20%㊁16%㊁27%㊁29%,可以看出甲壳素处理效果最好㊂甲壳素处理与CK相比,株高㊁干物质量㊁千粒重㊁分蘖数有显著提高的效果(P<0.05),这与杨雪玲等[9]的研究结果相似㊂石灰处理水稻的干物质量与CK处理效果相当,而土壤调理剂㊁有机肥处理有显著性提高(P<0.05)㊂施用甲壳素处理水稻的㊀㊀图2㊀不同钝化剂处理对水稻生长发育性状的影响千粒重质量增加最为显著,施用石灰㊁土壤调理剂效果其次,施用有机肥效果与CK无显著差异㊂除土壤调理剂处理外,其他3种钝化剂处理下水稻的分蘖数均有显著性增加(P<0.05)㊂2.3㊀钝化剂对水稻各部位积累Hg含量的影响㊀㊀由图3可知,与水稻地上部分相比,水稻根系中富集Hg含量最高,表明水稻根系对Hg具有极强的束缚力和耐受力,根系细胞对重金属元素Hg 的通透性较低,导致根部富集的Hg含量最高[10]㊂在水稻根系中,4种钝化剂处理中的Hg含量较空白对照组均无明显差异㊂在水稻茎秆中,各处理中的Hg含量均有降低,相比对照下降11%~19%,但差异未达到显著水平㊂在水稻叶片中,添加甲壳素处理显著提高水稻叶片的Hg含量,提高41% (P<0.05),其他处理叶片中的Hg含量与对照相比未达到显著水平㊂在水稻籽粒中,各处理对水稻籽粒中的Hg含量影响差异显著(P<0.05),添加石灰㊁土壤调理剂㊁甲壳素㊁有机肥处理分别较对照组下降35%㊁29%㊁46%㊁38%,其中添加甲壳素处理降低效果优于添加石灰㊁土壤调理剂㊁有机肥处理㊂成熟期的水稻,Hg大部分积累在根部,茎部Hg含量积累水平相当,但施用甲壳素能显著提高水稻叶部Hg含量的累积(P<0.05),而其他3组处理与CK无显著差异,水稻籽粒中的Hg含量在4种钝化剂处理下均显著降低(P<0.05)㊂2.4㊀钝化剂对水稻Hg转运和积累的影响㊀㊀从表2可以看出,未添加任何钝化剂处理的水稻体系内Hg的转运系数依次为TF根-茎<TF茎-叶< TF茎-籽粒,而添加4种钝化剂处理的水稻体系内Hg 的转运系数为TF根-茎<TF茎-籽粒<TF茎-叶㊂与对照组比较,各处理对水稻中的Hg根系到茎秆㊁茎秆到叶片转运系数影响不大㊂与对照相比,各处理对水稻中的Hg茎秆到叶片转运系数均有上升,但是添加4种钝化剂处理将水稻中的Hg茎秆到籽粒转运系数显著降低(P<0.05),表明钝化剂的施用抑制了重金属汞从茎部向籽粒的迁移㊂不同部位对Hg的富集能力不同,水稻BCF根含量最大说明重金属Hg主要富集在根部㊂钝化剂处理下的BCF茎均高于对照,但并没有显著差异㊂土壤调理剂㊁甲壳素处理下水稻的BCF叶显著高于CK(P<0.05),石灰㊁有机肥处理与CK无显著差异㊂甲壳素㊁有机肥处理下的水稻BCF籽粒值与CK中的有显著性差异(P<0.05),其他2种钝化剂处理组与CK差异不大㊂即添加石灰㊁土壤调理剂㊁甲壳素㊁有机肥可2614㊀㊀2023年第64卷第11期㊀㊀图3㊀不同钝化剂处理对成熟水稻体内Hg含量的影响表2㊀不同钝化剂处理对水稻体内转运系数和富集系数的影响处理TF根-茎TF茎-叶TF茎-籽粒BCF根BCF茎BCF叶BCF籽粒CK0.11ʃ0.03a 1.18ʃ0.36a 2.11ʃ0.38a0.29ʃ0.02a0.03ʃ0.01a0.04ʃ0.01c0.07ʃ0.01a 石灰0.13ʃ0.08a 1.23ʃ0.75a0.90ʃ0.61b0.63ʃ0.03b0.08ʃ0.06a0.07ʃ0.01bc0.05ʃ0.01ab 土壤调理剂0.09ʃ0.02a 1.37ʃ0.35a0.86ʃ0.16b0.66ʃ0.05b0.06ʃ0.02a0.08ʃ0.02b0.05ʃ0.01ab 甲壳素0.10ʃ0.03a 2.01ʃ0.80a0.63ʃ0.17b0.69ʃ0.03b0.07ʃ0.01a0.13ʃ0.03a0.04ʃ0.01b 有机肥0.09ʃ0.04a 1.34ʃ0.47a0.98ʃ0.35b0.60ʃ0.08b0.06ʃ0.03a0.07ʃ0.02bc0.05ʃ0.01b ㊀㊀注:同列数据后无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)㊂以促进Hg从茎秆到叶片的转运并在水稻茎部积累,从而来减少Hg在水稻籽粒中的积累,其中添加甲壳素㊁有机肥处理效果优于添加石灰㊁土壤调理剂处理㊂3 讨论本研究结果表明,4种钝化剂的施用能够显著降低土壤中Hg的有效态含量㊂施用钝化剂能改变重金属汞的赋存形态,从而使得土壤中汞的有效态含量下降㊂有相关研究表明,石灰通过提高土壤pH值和增加黏土矿物㊁有机质和铁铝氧化物等来促进重金属离子专性吸附比例㊂pH值上升可以增加土壤胶体吸附重金属离子的能力或促进重金属离子反应生成沉淀[11]㊂而有机肥的施用会将大量的有机质带入土壤,有机质降解转化产生的腐殖质可以抑制汞的甲基化,减轻重金属的毒害作用[12-13]㊂钝化剂施用后水稻株高㊁干物质量㊁千粒重㊁分蘖数均呈上升趋势,说明钝化剂可以增加水稻的生物量,促进植株的生长发育㊂一方面是因为钝化剂的施用可以降低重金属的生物有效性从而减轻重金属对作物的毒害作用,另一方面是钝化剂的施用可以改良土壤理化性质并提供丰富的营养来促进作物生长㊂研究结果显示,施用甲壳素对降低水稻籽粒中的汞含量效果最好,作用机理可能是因为甲壳素含有大量的羟基㊁氨基基团,能够吸附重金属离子,并与之形成稳定的螯合物,进而降低重金属的生物有效性,达到减少土壤中的重金属向作物体内转移的目的[14]㊂甲壳素还可以改变土壤孔隙和团粒结构,提高土壤肥力来促进水稻生长[15-16]㊂研究结果表明,添加甲壳素处理比添加石灰㊁土壤调理剂㊁有机肥处理对土壤中的重金属汞的钝化效果最好,可能是由于甲壳素既能吸附重金属离子来抑制汞的转运迁移,又能提高土壤肥力来促进作物生长发育,达到增产作用㊂4 结论石灰㊁土壤调理剂㊁甲壳素㊁有机肥处理使得土壤中有效Hg含量显著下降(P<0.05),与CK 相比分别降低了53%㊁55%㊁59%㊁51%㊂另外,钝化剂的施用还可以提供营养来促进水稻生长,增加水稻产量㊂钝化剂处理下水稻根系和茎部的Hg含量与CK无显著差异,甲壳素处理下水稻叶部Hg含量较CK显著提高41%,石灰㊁土壤调理剂㊁甲壳素㊁有机肥处理的水稻籽粒中Hg含量分别比CK 降低了35%㊁29%㊁46%㊁38%,而甲壳素处理下籽粒Hg含量最低,说明效果最好㊂钝化剂处理后水稻体内Hg从茎到籽粒的转运系数明显降低(P<0.05)且BCF籽粒<BCF叶,与CK相反,表明钝化剂可以抑制Hg向籽粒转运迁移,从而减少籽粒中Hg含量㊂参考文献:[1]㊀刘腾飞,杨代凤,谢修庆,等.我国耕地污染状况㊁成因及对策建议[J].环境与可持续发展,2017,42(3):129-132.[2]㊀程和发,高旭,罗晴.大米汞污染与摄食大米甲基汞暴露研究进展[J].农业环境科学学报,2019,38(8):1665-1676.[3]㊀HU Y A,CHENG H F.Control of mercury emissions fromstationary coal combustion sources in China:current status andrecommendations[J].Environmental Pollution,2016,218:1209-1221.[4]㊀许韫,李积胜.汞对人体健康的影响及其防治[J].国外医学(卫生学分册),2005(5):278-281.[5]㊀徐琦,李也,王维仪.重金属污染土壤固化稳定化药剂研究进展[J].山东化工,2021,50(8):257-261. 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谢,增强了其UV-B胁迫抗性[4]。
综上所述,褪黑素是植物体内重要的内源激素分子之一,在植物响应各类非生物胁迫中起着积极的作用,同时也在一定程度上可以增强植物对非生物胁迫因子的抗逆性。
尽管关于褪黑素与植物非生物胁迫的互作关系研究已经较多,但对褪黑素参与调控非生物胁迫的分子机制却知之甚少,因此该领域今后的研究重点还应该在此方面有所突破。
4.2 褪黑素与生物胁迫褪黑素对植物应对生物胁迫的影响主要表现为在减缓植物和采后果实的细菌、真菌和病毒病害等方面发挥着重要作用。
2022年海南大学施海涛团队系统阐述了褪黑素在该领域的相关研究进展[38]。
该报道指出:(1)病原体侵染可触发褪黑素-ROS-RNS调控环路,从而维持植物抗病和发育之间的平衡。
(2)褪黑素还可能与其他植物激素互作调节植物的抗病性。
例如,人们发现褪黑素在病原体浸染时会作用于水杨酸(SA)上游并正调控其积累,激活依赖于MAPK信号级联反应介导植物免疫应答;褪黑素也可影响生长素与茉莉酸(JA)信号通路提高植物对病原菌的抗性。
(3)褪黑素处理也会直接抑制病原体(如多种细菌、真菌等)的活性,以及下调与病原体毒性相关基因的表达,从而减轻其对植物的致病性。
然而,目前褪黑素对病原体防御的研究仍处于早期阶段,其介导植物免疫反应中的具体机制仍有待将来深入阐明。
5 结语与展望关于植物褪黑素的研究有很多,主要集中在生物合成途径、生理功能及非生物胁迫应答等方面。
虽然褪黑素在植物各器官、组织中广泛分布,但有关褪黑素在植物体内的运输途径及作用机制还有待进一步研究。
此外,褪黑素被认为可以作为激素信号分子在逆境胁迫应答中发挥重要作用,然而对于植物如何感受褪黑素及如何进行信号调控仍不清楚,这也将是今后对植物褪黑素生物学功能进行深入研究的一个重要方向。
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山东农业科学2016,48(8):147 153Shandong Agricultural SciencesDOI :10.14083/j.issn.1001-4942.2016.08.033收稿日期:2016-01-19基金项目:山东省重大应用技术创新项目“设施菜地重金属污染治理关键技术研究与应用”;山东省“泰山学者”建设工程专项;山东省农业科学院科技创新重点项目(2014CXZ01);山东省农业科学院青年基金项目(2014QNM49)作者简介:孙翠平(1990-),女,硕士,主要从事环境污染治理等方面研究。
E -mail :1012044319@qq.com *通讯作者:李彦(1970-),女,研究员,主要从事农业面源污染防控研究。
E -mail :nkyliyan@126.com 农田重金属钝化剂研究进展孙翠平,李彦*,张英鹏,薄录吉,井永苹,仲子文,孙明(山东省农业科学院农业资源与环境研究所,山东济南250100)摘要:农田重金属污染原位钝化修复是通过向土壤中添加钝化剂来降低重金属的有效浓度和生物有效性,从而降低重金属对生态环境和土壤—作物系统的危害。
这种方法因操作简便、见效快、适合大面积修复而被广泛应用,且不同类型钝化剂具有不同的修复效果和修复机制。
本文从无机类、有机类、新型材料三个方面对钝化剂进行分类,并从修复机理、修复效果、影响因素以及注意的问题等方面分析钝化剂修复重金属污染的现状。
针对实际环境中存在的多种重金属复合污染,利用复合钝化剂进行修复,今后需进一步研究钝化剂修复机理以及探寻新的修复材料,并通过长期田间试验监测修复效果稳定性。
关键词:重金属污染;钝化剂;农田;修复中图分类号:S156.2文献标识号:A文章编号:1001-4942(2016)08-0147-07Research Progress of Farmland Heavy Metal PassivantSun Cuiping ,Li Yan *,Zhang Yingpeng ,Bo Luji ,Jing Yongping ,Zhong Ziwen ,Sun Ming(Institute of Agricultural Resources and Environment ,Shandong Academy of Agricultural Sciences ,Jinan 250100,China )Abstract In situ immobilization of heavy metals in contaminated farmland is adding passivant into soil toreduce the effective concentration and bioavailability of heavy metals ,thereby reduce the hazards of heavy met-als to ecological environment and soil -crop system.This method is widely used due to its characteristics of simple operation ,quick effect and suitable for large -scale restoration.Different kinds of passivant have dif-ferent remediation effects and mechanisms.In this paper ,the passivant was classified into three types of inor-ganic ,organic and new materials ,then the status of heavy metal pollution remediation was analyzed in terms of remediation mechanisms ,remediation effects ,affecting factors and the notices.And the composite passivant was used aiming at the combined contamination of multiple heavy metals in actual environment.It was sugges-ted that the further research should pay more attention to restoration mechanism and new passivants ,and the stability of remediation effects needed to be monitored through long -term field experiment.KeywordsHeavy metal pollution ;Passivant ;Farmland ;Remediation随着工业化、城镇化的快速发展,采矿、有色金属冶炼、电镀、合金制造等行业产生的“三废”通过大气沉降、污水灌溉和污泥施肥进入土壤环境,加重了土壤中重金属污染;为增加作物产量,农药、化肥的不合理施用也会人为地增加土壤中重金属污染[1,2]。
每年因土壤重金属污染而造成的粮食减产达1000万吨,重金属含量超标粮食达1200万吨,造成的直接经济损失超过200亿元[3]。
而且,土壤中重金属也会通过淋溶和径流污染地下水和地表水。
因此,土壤重金属污染严重影响人类健康和农业经济、生态环境的可持续发展。
目前,针对土壤重金属污染治理思路已由将重金属完全去除转变为实行基于风险控制的策略[4]。
我国污染土壤修复效果主要通过土壤中目标污染物的总量值与土壤环境质量标准进行比较来评定,但真正影响土壤风险性的是污染物的有效值。
因此,通过钝化剂原位修复技术来降低土壤中有效态重金属含量具有重要意义。
且我国农用土壤重金属污染具有面积大、以中轻度污染为主的特点,原位钝化修复技术因操作简单、见效快且适合大面积污染治理而被广泛关注。
1农田重金属污染钝化剂分类目前,污染农田重金属钝化剂主要包括磷酸盐类、石灰类、黏土矿物、工业废渣等无机类、有机类以及新型材料等。
不同类型钝化剂的修复机理、作用效果、影响因素及后续影响等不同。
1.1无机类1.1.1磷酸盐类磷酸盐类钝化剂主要包括磷酸、磷矿粉、羟基磷灰石、磷肥、磷石膏和磷酸盐等,其修复机理主要是通过形成难溶性磷酸盐沉淀以及其对重金属的表面吸附作用。
有研究表明,磷矿粉、羟基磷灰石、磷石膏和磷酸盐等对土壤中重金属均具有较好的固定效果,尤其是对Pb 的固定效果更显著[5]。
磷酸盐的施用会微弱降低土壤pH值,磷氯铅矿类沉淀的形成导致铅的有效性降低,而某些重金属的离子形态反而增加。
培养试验中单一添加磷肥,发现其仅对Pb有明显钝化效果,稳定效率达94.57%,而Zn浓度高于原来浓度[6]。
在土壤中加入nano-HAP后能明显增加土壤对重金属Cu、Cd、Pb、Zn的吸附量和吸附亲和力,有效降低土壤重金属的解吸百分数,对4种重金属钝化能力排序为Pb(Ⅱ)>Cu(Ⅱ)>Cd(Ⅱ)>Zn(Ⅱ)[7]。
有研究者利用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)研究纳米级羟基磷灰石对Pb的钝化机理是先溶解后沉淀,而对Cd和Zn的钝化机理是表面络合和内扩散[8]。
王林等通过盆栽试验表明海泡石和磷酸盐联合修复在增产作用、降低作物Cd、Pb吸收以及土壤Cd、Pb可迁移性上均具有最佳效果,原因是海泡石可以提高土壤pH值,一方面有利于形成磷酸盐矿物沉淀,另一方面可增强土壤物理化学吸附作用[9]。
磷酸盐类钝化剂的土壤重金属污染修复效果不仅与重金属种类有关,土壤性质、含水量、修复时间等也会对修复效果产生重要影响。
在污染红壤中施入磷酸盐,铜的有效性显著降低,但磷酸盐对污染黄泥土中铜的固定效果不显著,可能与红壤含有较多的黏土矿物和铁铝氧化物所带的可变电荷有关,而黄泥土中丰富的有机质、阳离子交换量使土壤本身吸附铜较多,导致磷酸盐的加入对铜的吸附没有显著增加;红壤和黄泥土中磷酸盐的加入对锌的固定效果均显著[10]。
土壤中的水分能改变土壤的基本化学性质,进而引起土壤重金属有效态含量的变化。
有研究表明,土壤含水量一般为田间最大持水量的60%时修复效果最好,羟基磷灰石21天后随着时间延长有效态Cd 钝化去除率小幅提高,而磷酸二氢钙相反[5]。
磷酸盐类钝化剂在改善重金属污染的同时也要注意其过量施用带来的负面影响。
较高的施用量可能会造成磷的积聚从而引发一些环境风险,如磷淋失造成水体富营养化,营养失衡造成作物必需的中量和微量元素缺乏以及土壤酸化等。
所以应该谨慎选择磷肥种类和用量,最好是水溶性磷肥与难溶性磷肥配合、磷肥与石灰物质等配合施用[11]。
1.1.2石灰类石灰类钝化剂会提升土壤pH 值,进而导致土壤中重金属形态及有效性的变化。
pH值升高,土壤有机质、黏土矿物和水合氧化物以及钝化剂表面的负电荷增多,土壤对重金属的吸附能力增强[12]。
另一方面,pH值升高可以通过形成重金属的氢氧化物沉淀降低其有效性,且在硫酸根、碳酸根、羟基化合物和磷酸根存在时,在较高pH值和重金属浓度下会通过沉淀作用固定重金属[13,14]。
还有研究证明,石灰类钝化剂在土壤中可以形成水化硅酸钙和铝酸钙水合物,使土壤形成一个相对不透水层从而降低重金属的移动性[15]。
盆栽试验表明,石灰钝化效果甚至优于腐殖质+石灰组合处理,可见,石灰在重金属钝化过程中起主导作用[6]。
利用高剂量石灰(石灰土壤比重为0.4%)和高剂量磷灰石(磷灰石土壤比重为2.32%)钝化污染土壤中Cu和Cd,交换态Cu下降96%以上,而交换态Cd下降20%左右,Cu钝化效果明显优于Cd,其碳酸盐结合态和铁锰氧化841山东农业科学第48卷物结合态都有所增加,其修复效果均优于蒙脱石和凹凸棒石,主要与土壤pH值的提高有关[16]。
Ok等[17]对照研究了天然牡蛎壳(主要成分是Ca-CO3和CaO)和700ħ下煅烧的牡蛎壳对污染土壤中Cd和Pb的固定效果,煅烧后的效果明显优于天然牡蛎壳的固定效果,利用XRD、XRF和扫描电镜进行表征发现,煅烧后的牡蛎壳减少了Na 含量,同时部分低活性的CaCO3转化成了高活性的CaO,从而增强了牡蛎壳的钝化能力。
经形态分级试验发现,腐殖质+石灰组合处理的稳定化效应与单一石灰相比较强,前者有利于形成更稳定的有机结合态和残渣态,且腐殖质的增加提高了土壤中的有机质含量,从土壤改良方面考虑更有利于提高土壤肥力与土壤的持续利用[6]。