生物炭对农田冻融土壤污染迁移转化与修复的影响机理研究——以Cd和Pb为例

作     者：刘明轩 

作者单位：东北农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付强

授予年度：2023年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 082802[工学-农业水土工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 120405[管理学-土地资源管理] 

主      题：冻融循环过程 土壤重金属污染 生物炭吸附重金属 重金属形态转化 长效修复治理 

摘      要：农田重金属污染是全球污染防治面临的重点问题,对环境安全、人体健康、农业可持续发展等方面都有着重要影响。本研究基于高纬度寒区气候背景,通过室内模拟复配镉铅(Cd、Pb)混合污染土壤,设定不同生物炭施加量(0%、1%、2%),不同土壤初始含水率(15%、20%、25%)等初始条件,探究了农田冻融土壤理化性质变化以及重金属形态变化规律,验证了土壤及生物炭经历冻融循环后的吸附能力变化,并通过土柱淋溶试验验证冻融循环以及施加生物炭对饱和土壤中重金属运移过程的影响。主要研究结果如下:(1)施加生物炭对农田冻融土壤的改良效果。冻融循环过程中土壤p H降低,电导率增加,阳离子交换能力提高。冻融作用破坏土壤结构,生物炭通过稳定土壤团聚体组成,减少小颗粒团聚体的形成,从而减少土壤对Cd、Pb的吸附能力。高土壤含水率(25%)加剧了冻融循环对土壤的影响效果,促使土壤酸碱度变化更加明显,土壤中的电导率趋于稳定,同时增加了土壤的阳离子交换能力,严重破坏了土壤结构。并且生物炭施加量越多,土壤p H提高幅度越大,电导率增加,土壤阳离子交换量也呈上升趋势,同时也稳定了土壤结构。冻融过程增加了生物炭的吸附点位与官能团丰度,增大了生物炭比表面积,减少了生物炭的孔径及孔体积,在多个方面加强了生物炭对重金属的吸附调节效果。(2)施加生物炭对农田冻融土壤中重金属环境行为的影响。冻融过程中Cd、Pb的可溶态、可还原态占比增加0.28～56.19%,生物炭减少了土壤中Cd、Pb迁移量,降低了重金属的有效性,重金属的可还原态、可氧化态及其他形态等不可被作物利用的重金属形态数量均随着生物炭施加量的增加而呈上升趋势,可见生物炭的施加显著降低了冻融循环过程中重金属的环境胁迫倾向。土壤含水率的增加使土壤中Cd、Pb有效性降低,土壤质量含水率由15%变化到25%时,重金属Cd、Pb的可溶态占比减少约6.78%和5.41%。(3)寻求农田冻融土壤调控模式。利用“一种基于干分-湿筛法测定土壤团聚体中重金属的方法用来准确划分土壤重金属来源,通过分析不同粒径团聚体携带重金属能力发现大粒径团聚体的携带能力要弱于小粒径团聚体。结合土壤重金属分布规律特点,得出在冻融循环前20%土壤含水率土壤中施加1%生物炭,此方式对于季节性冻土土壤修复起到显著调控作用。(4)农田冻融土壤迁移转化影响。冻融作用提高了生物炭吸附重金属的能力,Cd最大吸附量提高了75.4%,Pb最大吸附量提高了60.6%。而土壤的经历冻融作用后吸附Cd、Pb能力也提升了9.72%和17.09%。在穿透试验中,施加生物炭延长了水分淋出时间,增大了土壤阻止作用。冻融循环破坏土壤结构增大了土壤的弥散系数,增加了Cd、Pb的最大缓冲容量以及土壤穿透速率。利用HYDRUS-1D的化学非平衡两点模型对溶质进行模拟效果较好,对于土壤及炭土混合物的吸附参数与实际值结果在可利用范围内,能够达到补充参数的效果。综上所述生物炭作为一种土壤生物炭能够减弱冻融循环对土壤带来的负面影响,同时也作为一种固化剂降低了土壤中重金属污染情况。冻融循环明显加强了生物炭调控土壤的效果,增加了炭土复合体对于污染的预防承载能力,进而提高了农田土壤的作物种植潜力。研究结果可为季节性冻土区农田生态环境保护、土壤重金属污染治理、生物炭改良土壤吸附污染物及饱和土壤重金属行为解析提供理论依据和技术支撑。