利用生物炭及氧化铁阻控水稻土中的钒污染
作者单位：西北农林科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：曲东
授予年度：2021年
学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程]
摘 要：土壤钒污染修复旨在降低土壤中钒的毒性,以免土壤中的钒通过食物链在植物和生物体中富集。由于国内针对土壤钒污染的研究相对比较少,数据资料积累有限,所以,针对农业土壤我国还没有钒的土壤环境质量标准。因此,我国在针对土壤钒的研究仍然有待深入。特别是在秦岭山区和四川等一些高钒背景地区及矿区,亟待收集和积累研究结果,以深化矿区的土壤修复。鉴于生物炭具有特殊的理化性质和良好的吸附能力,其对重金属离子在土壤中的迁移转化过程有着重要的影响,因而在土壤污染修复中被广为重视。土壤中的氧化铁同样具有高活性及易于发生形态转化的特性,能够深刻地影响着土壤的理化性质及参与土壤中的生物化学转化过程。强化与氧化铁关联的污染物化学和生物转化过程认识,对揭示土壤污染修复的机理具有理论意义。水稻根际是养分及污染物的重要活动场所,根际土壤的氧化还原过程变化与水稻生长密切相关。对于变价金属钒而言,其对土壤氧化还原过程响应敏感,所以深入研究根际与非根际土壤中氧化还原的变化,对于揭示钒污染修复机理及其修复功效评估具有重要的意义。本研究选取四川省攀枝花地区的两种水稻土作为研究对象,添加氧化铁、生物炭等修复剂,通过添加偏钒酸盐模拟土壤高钒污染环境,采用泥浆培养试验探究生物炭、氧化铁对钒污染土壤中氧化还原状况的影响情况。通过盆栽试验探究根际与非根际水稻土在生物炭、氧化铁及模拟钒污染环境下土壤铁-钒氧化还原能力的变化趋势及其对水稻生长过程的影响。结合菌落PCR扩增和酶切分型技术,对氧化铁、生物炭对钒污染土壤微生物群落多样性的影响进行了分析和讨论。研究取得如下主要结果:(1)生物炭能够提高厌氧泥浆中氧化铁和钒(V)的还原能力。土壤本底钒浓度下,与对照相比Fe(III)还原最大还原潜势(a)升高9.78%,最大还原速率(V)提高16.49%,且土壤的脱氢酶活性增大;生物炭和氧化铁能够增加土壤本底钒的游离与释放,添加生物炭处理(B)和氧化铁处理(Fe)的V(V)浓度较CK处理分别高出1.33%-31.25%和40.01%-4.67%。在高钒环境下,生物炭配合氧化铁使Fe(III)还原的Vmax提高76.45%,同时V(V)含量低于其他处理,脱氢酶活性明显提高。氧化铁促进了高钒环境下的钒还原能力,V(V)浓度低于偏钒酸盐处理4.26%-12.17%,脱氢酶活性升高。重金属钒对土壤氧化还原过程有抑制作用,表现为Fe(III)还原的V下降31.71%。土壤中的Fe(III)和V(V)的还原存在竞争机制,一方面V(V)与Fe(III)竞争电子供体,另一方面V(V)还原产物可以促进Fe(III)还原。(2)水稻根际与非根际土壤氧化还原状态存在差异。S1中,种植水稻的土壤Fe(II)浓度比非种植土壤低了31.01%-41.34%,种植水稻的土壤V(V)浓度是非种植的0.48-1.60倍,相比非种植土壤V(V)浓度呈现低-高-高-低的变化规律,这与水稻根系生长情况有关。添加生物炭和氧化铁明显促进了种植体系土壤Fe(III)的还原,Fe(II)浓度较CK处理分别增加了35.98%-92.79%和14.72%-56.64%。S2中,种植水稻对土壤Fe(II)含量影响较小,而种植水稻的土壤V(V)浓度比非种植土壤低了2.68%-86.74%。种植水稻后添加氧化铁和生物炭配合氧化铁促进了高钒污染土壤中的Fe(III)还原,土壤Fe(II)浓度较CK分别提高了4.39%-38.54%和3.54%-29.16%。根系活动改变了土壤p H值,两个土样各个处理的土壤p H值下降了0.20-0.69。(3)土壤本底钒浓度下添加氧化铁抑制了水稻正常生长,株高降低,分蘖数减少,对生物量抑制率为27.8%-48.3%。不同土壤间,生物炭和偏钒酸盐的影响效果不同,S1中添加生物炭抑制了水稻生长,对地上和地下生物量较CK处理低了为22.48%-44.24%和31.97%-38.85%;添加偏钒酸盐对水稻生长产生了促进作用,相较CK地上部分生物量和根生物量分别提高23.64%-37.49%和3.77%-249.07%,表明S1土壤对添加钒酸盐时带入的铵态氮响应敏感。S2土样中,添加生物炭促进水稻生长,地上部分生物量较CK提高11.80%-21.79%,添加偏钒酸盐抑制了水稻生长,地上和根生物量相比CK处理分别减少为32.82%-38.83%和23.76-56.36%。高钒污染环境下,氧化铁和生物炭能有效促进水稻正常生长,VFe处理的地上部分和根生物量分别是V处理的2.13-2.38倍和2.67-3.30倍,VBFe处理的地上部分和根生物量分别是V处理的2.16-2.35倍和3.21-3.07倍,可见生物炭配合氧化铁对高钒环境水稻生长的促进作用更加显著。(4)重金属钒对两种土壤微生物群落有负面影响,表现为土壤微生物多样性降低。添加生物炭能够提高两种厌氧水稻土中微生物群落结构的稳定性,而添加无定形氧化铁后微生物多样性在两种土壤中表现不同,其中S1土壤微生物多样性增加,但减少了S2土壤的多样性,表明两种土壤中微生物对氧化铁的利用能力不同。在模拟高浓度钒污染的环境下,添加氧化铁可以显著提高钒污染土壤(S1)的微生物多样性,并且生物炭配合氧化铁添加后的促进作用更为明显,表明生物炭及氧化铁添加对改善钒污染土壤的微生物生态具有重要作用。S2土壤对钒污染的敏感性较强,添加氧化铁和生物炭对其微生物多样性的改善作用微弱。水稻根系活动提高了土壤微生物生态稳定性。相比对照,S1中氧化铁和生物炭在根系活动下,都使水稻土微生物多样性降低;S2中氧化铁能够有效增加土壤本底钒浓度下的微生物多样性,但对高钒污染环境作用较小,生物炭则降低了微生物多样性。
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