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中国北方碱性农田土壤镉污染修复:现状与挑战

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土壤学报 2024年第2期61卷 348-360页

作者：张力浩白姣杰田瑞云王国昌游来勇梁家妮慈凯东刘梦丽寇乐勇周伶俐周俊吴大付孙斌周静中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所) 南京210008 河南科技学院资源与环境学院/河南省生物药肥研发与协同应用工程研究中心河南新乡453003 北京建工环境修复股份有限公司污染场地安全修复技术国家工程实验室北京100015

中国土壤镉污染面积广、程度深,但针对于我国北方碱性农田土壤镉污染治理的理论研究及技术研发却较为薄弱。基于VOSviewer软件,分析了近20年来国内外关于碱性土壤镉防控领域的研究方向、主推技术与国际研究格局。在此基础上,系统梳理了... 详细信息

中国土壤镉污染面积广、程度深,但针对于我国北方碱性农田土壤镉污染治理的理论研究及技术研发却较为薄弱。基于VOSviewer软件,分析了近20年来国内外关于碱性土壤镉防控领域的研究方向、主推技术与国际研究格局。在此基础上,系统梳理了碱性土壤中镉的转化过程及影响因素,结合原位化学钝化技术、植物修复和农艺调控措施,进一步总结了碱性土壤镉治理的科学与技术问题。我国碱性农田镉污染治理面临关注度不高、技术研发滞后以及转化困难、土壤-作物(小麦)镉吸收机制不清晰等诸多问题。因此,亟需提高碱性农田土壤镉污染防治的重视程度,研发、试点具有针对性的技术推广模式,构建土壤-作物(小麦)镉精准防控体系,以推动碱性土壤镉污染修复技术与理论的发展及粮食的安全生产。

关键词：碱性农田土壤文献计量学镉修复策略小麦

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负载缓蚀剂的介孔二氧化硅微球的制备及其在涂料中的应用

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负载缓蚀剂的介孔二氧化硅微球的制备及其在涂料中的应用

作者：梁家妮华南理工大学

学位级别：硕士

本论文首先制备负载缓蚀剂苯并三氮唑(BTA)的介孔二氧化硅微球(SiO/BTA),并对其表面进行疏水改性;其后,将改性得到的SiO/BTA加到丙烯酸乳液中,制备水性防腐涂料,掺杂SiO/BTA的涂料可以通过微球中BTA的缓慢释放延缓涂料内部缺陷引起的金... 详细信息

本论文首先制备负载缓蚀剂苯并三氮唑(BTA)的介孔二氧化硅微球(SiO/BTA),并对其表面进行疏水改性;其后,将改性得到的SiO/BTA加到丙烯酸乳液中,制备水性防腐涂料,掺杂SiO/BTA的涂料可以通过微球中BTA的缓慢释放延缓涂料内部缺陷引起的金属腐蚀,从而提高涂料的防腐蚀性能。论文主要分为以下三个部分:1、利用正硅酸乙酯(TEOS)作为硅源,通过反相乳液聚合法,制备负载BTA的介孔二氧化硅微球(SiO/BTA),并采用六甲基二硅胺烷(HMDS)作为改性剂,对SiO/BTA表面进行疏水改性。实验探讨了油水质量比、乳化剂用量、反应温度、溶液pH、反应时间等条件对反相乳液稳定性、负载率的影响;以接触角为参考因素,研究了改性剂用量、反应温度、反应时间等条件对SiO/BTA疏水改性程度的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TG)、X射线衍射分析仪(XRD)等测试方法和表征手段研究SiO/BTA的表面结构以及BTA的负载和释放情况。结果表明:当油水质量比为2:3、乳化剂用量为8 g、温度为35℃、pH为10、反应时间为24 h的条件下,乳液的综合性能最好。当SiO/BTA与HMDS质量比为3:1、反应温度为65℃、反应时间为6 h时,SiO/BTA的疏水改性效果最佳。氮气吸附测试表明SiO/BTA表面有孔结构,是一种介孔材料,孔径为3-10 nm、比容积为0.4 cm/g、比表面积为156 m/g;热重测试表明BTA的负载率为20%;紫外吸收光谱测试表明SiO/BTA中负载的BTA在不同pH溶液体系中都具有刺激响应释放,且在碱性条件下释放速率最高,104 h后可达到9.33 mg/L。2、将改性得到的SiO/BTA加到丙烯酸乳液中,设计涂料配方,制备水性防腐涂料。实验以纯丙烯酸涂料为对照组,在涂料配方中分别添加BTA、SiO微球及SiO/BTA微球,通过涂料常规测试方法研究四组涂料的物理机械性能和耐腐蚀性能。并探究了SiO/BTA的用量、改性前后的SiO/BTA、溶液pH对涂层性能的影响。结果表明:相比于纯丙烯酸涂料,直接添加BTA的涂料的耐蚀性显著提高,但其物理机械性能下降,同时储存稳定性不好;添加SiO微球的涂料的物理机械性能增加,但其耐蚀性提高不明显;而添加SiO/BTA微球的涂料不仅耐蚀性显著提高,而且物理机械性能也有一定程度的提高,同时储存稳定性良好,没有出现沉降变色等情况。当涂料中SiO/BTA的添加量为1.5%,溶液的pH为8时,涂料的综合性能最好。3、利用电化学阻抗谱(EIS)研究涂料的电化学性能,并分析涂层的失效行为。通过涂层电阻值及其变化趋势得出:纯丙烯酸涂料和添加SiO的涂料的电阻值最低,涂层电阻首先快速降低,然后缓慢变化,直至失效;添加BTA的涂料的电阻值较高,涂层电阻先缓慢变化,然后快速降低,直至失效;而添加SiO/BTA的涂料的电阻值最高,涂层电阻从始至终都是缓慢变化的。

关键词：缓蚀剂介孔二氧化硅负载疏水改性水性防腐涂料

土壤重金属Cu、Cd和F复合污染评价及修复技术探讨

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土壤重金属Cu、Cd和F复合污染评价及修复技术探讨

作者：梁家妮安徽农业大学

学位级别：硕士

土壤重金属和氟污染是全球环境面临的一个重要问题,我国土壤重金属和氟污染问题日益严重,特别是在重金属矿区周边地区。本文选在我国铜冶炼重要基地的江西省贵溪市某工业园区,对该工业园区周边农田土壤Cu、Cd与F复合污染土壤进行评价;... 详细信息

土壤重金属和氟污染是全球环境面临的一个重要问题,我国土壤重金属和氟污染问题日益严重,特别是在重金属矿区周边地区。本文选在我国铜冶炼重要基地的江西省贵溪市某工业园区,对该工业园区周边农田土壤Cu、Cd与F复合污染土壤进行评价;并选择了污染最严重的土壤,于2008年5～10月,在中国科学院红壤生态实验站进行了室内盆栽水稻实验,研究了新型材料纳米羟基磷灰石、木炭、竹炭、磷灰石、石灰和猪粪等6种改良剂和水洗物理处理对该复合污染土壤改良修复技术研究。主要研究结果如下:1.贵溪市九牛岗义门陈家村小组和印石里村农田土壤Cu、Cd含量分别是背景值的10.96～25.11和2.28～8.05倍,按国家国家土壤二级标准(Cu:50mg/kg,Cd:0.3 mg/kg,Cu、Cd的超标率为100%、93%;其土壤pH值与对照相比也下降了0.17～1.08个单位,同时容重、P和有效P与清洁区比均有所增加;用尼梅罗综合污染指数评价,该调查区农田属于重金属重度污染。***、Cd与F复合污染土壤添加纳米羟基磷灰石等6种改良剂,水稻分蘖期、抽穗期和成熟期的土壤pH值均有不同程度的增加,呈先增加后减少再增加的趋势。不同处理土壤pH值的高低顺序为:石灰>猪粪>磷石灰>竹碳>木炭>纳米羟基磷石灰>水洗>CK。其中,分蘖期以石灰处理的增幅最大,平均增加了0.89个单位、猪粪增加了0.51个单位、磷石灰增加了0.44个单位、纳米羟基磷石灰增加0.18个单位、木炭和竹碳分别增加0.30和0.35个单位。3.添加纳米羟基磷灰石等6种改良剂后,均显著降低了复合污染土壤中交换态Cu、Cd和水溶态F的含量。在水稻整个生育期土壤交换态Cu、Cd和水溶态F含量存在着动态变化,其变化趋势因改良剂的不同而有所差异。改良剂的添加在降低土壤重金属Cu、Cd交换态和F水溶态和交换态的含量的同时,也不同程度上增加碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机结合态和残渣态比例,从而降低了土壤重金属Cu、Cd和F的生态毒性。4.添加纳米羟基磷灰石等改良剂后,土壤中部分Cu、Cd、F由生物毒性大的形态向生物毒性小的形态转化,对水稻分蘖期、抽穗期和成熟期的生长均有一定的改善效果。其不同处理水稻茎叶和根生物量大小顺序为石灰>磷石灰>猪粪>水洗>木炭>竹碳>纳米羟基磷石灰>CK。5.添加纳米羟基磷灰石等改良剂后,水稻籽粒、茎叶和根中Cu、Cd和F的含量与对照相比下降了,下降幅度且均达到了显著水平。其中在不同处理土壤中水稻籽粒、茎叶和根中的Cu、Cd和F含量大小顺序分别为: CK>竹碳>纳米羟基磷石灰>水洗>木炭>磷灰石>猪粪>石灰、CK>水洗>木炭>竹碳>磷灰石>猪粪>纳米羟基磷石灰>石灰和CK>竹碳>水洗>木炭>猪粪>磷灰石>纳米羟基磷石灰>石灰。6.在水稻生长的整个生育期,水稻茎叶对土壤污染修复过程Cu、Cd和F的吸收是动态的。从到分蘖期到抽穗期,水稻茎叶中的Cu、Cd和F含量是随着水稻生长而逐渐升高,到水稻成熟期随着水稻生物量的增加其含量有不同程度减少。因此,对重金属Cu、Cd和F污染土壤的改良修复应该贯穿于水稻的整个生育期。7.添加纳米羟基磷灰石等改良剂后提高了土壤pH值,降低了土壤中交换态Cu、Cd和水溶态F的含量,从而降低了水稻中Cu、Cd和F的含量。相关分析结果表明,土壤pH值与土壤中交换态Cu、Cd及水溶态F含量呈显著负相关;水稻各部位Cu含量间与土壤中交换态含量呈显著相关;水稻糙米和茎叶中Cd的含量与土壤中交换态Cd含量呈显著正相关,而与根不相关;水稻茎叶和根中F的含量与土壤中水溶态含量呈显著正相关,糙米不相关。8.研究发现,在6种改良剂中,纳米羟基磷灰石、石灰、木炭是修复重金属和氟污染土壤最为经济、环保和效果最理想的改良剂。

关键词：土壤重金属氟污染改良剂修复

典型冶炼厂大气沉降区农田耕层土壤重金属（Cd、Cu、Pb）输入输出平衡研究

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土壤学报 2023年

作者：米雅竹梁家妮周俊刘梦丽寇乐勇夏睿智田瑞云施颖舒天才舒伍星周静鹰潭市农业农村粮食局中国科学院南京土壤研究所鹰潭市余江区农业农村粮食局国家红壤改良工程技术研究中心中国科学院红壤生态实验站中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室

为探究不同大气沉降区农田耕层土壤镉(Cd)、铜(Cu)、铅(Pb)的质量平衡特征，以距离贵溪冶炼厂34 km(背景区)、6 km(中沉降区)、1 km(高沉降区)的0～20 cm农田耕层土壤为研究对象，通过化学质量平衡方法对土壤重金属的主要输入途径(大气... 详细信息

为探究不同大气沉降区农田耕层土壤镉(Cd)、铜(Cu)、铅(Pb)的质量平衡特征，以距离贵溪冶炼厂34 km(背景区)、6 km(中沉降区)、1 km(高沉降区)的0～20 cm农田耕层土壤为研究对象，通过化学质量平衡方法对土壤重金属的主要输入途径(大气沉降、灌溉水、农药肥料)和输出途径(地表径流、土壤淋溶、籽粒带走)开展为期三年的监测与定量分析。结果表明：背景区、中沉降区、高沉降区由大气沉降导致的Cd年均输入通量分别为0.84、2.26、9.01 mg·m-2·a-1，分别占比43.18%、38.33%、100%;Cu年均输入通量分别为17.62、99.68、747.6 mg·m-2·a-1，分别占比80.76%、86.24%、100%;Pb年均输入通量分别为13.93、27.43、73.17 mg·m-2·a-1，分别占比97.75%、92.36%、100%。背景区和中沉降区由灌溉水导致的Cd年均输入通量分别为1.05、3.60 mg·m-2·a-1，分别占比54.62%和60.82%；农药肥料带入的重金属年均输入量占比小于5%，可忽略不计。不同沉降区土壤的主要输出途径均为地表径流和土壤淋溶，输出占比介于86.66%～100%；籽粒带走的重金属输出占比介于2.88%～13.34%。2019—2021年，背景区、中沉降区、高沉降区土壤Cd、Cu、Pb的年均净输入通量均大于0,Cd年均净输入通量分别为1.54、1.96、4.38 mg·m-2·a-1;Cu年均净输入通量分别为12.72、28.02、184.0 mg·m-2·a-1;Pb年均净输入通量分别为13.03、21.31、55.04 mg·m-2·a-1。综上，建议加强研究区域大气污染源和灌溉水质的长期监测并采取一定的控制措施，同时避免秸秆直接还田。本研究可为区域农田环境质量保护及重金属污染修复治理提供理论支持。

关键词：重金属大气沉降灌溉水水稻输入输出

模拟酸雨对微米和纳米羟基磷灰石稳定化污染土壤的铜和镉淋溶效应

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生态与农村环境学报 2017年第3期33卷 265-269页

作者：祝振球周静徐磊刘创慧高敏梁家妮中国科学院南京土壤研究所江苏南京210008 国家红壤改良工程技术研究中心中国科学院红壤生态试验站江西鹰潭335211 中国科学院大学北京100049 长安大学环境科学与工程学院陕西西安710061

采用室内土柱淋溶试验,以1%的质量比向铜、镉复合污染土壤中添加微米羟基磷灰石(MHA)和纳米羟基磷灰石(NHA)稳定化培养72 h,并探讨模拟酸雨对稳定化修复土壤中Cu和Cd的释放影响,包括淋溶液的pH值、电导率(EC)、Cu和Cd浓度,以及Cu和Cd生... 详细信息

采用室内土柱淋溶试验,以1%的质量比向铜、镉复合污染土壤中添加微米羟基磷灰石(MHA)和纳米羟基磷灰石(NHA)稳定化培养72 h,并探讨模拟酸雨对稳定化修复土壤中Cu和Cd的释放影响,包括淋溶液的pH值、电导率(EC)、Cu和Cd浓度,以及Cu和Cd生物有效性的变化。结果表明,MHA处理淋溶液pH值最高,达7.78,其后依次为NHA和对照(CK)处理,且3种处理的pH值均高于模拟酸雨。MHA和NHA处理均增加了淋溶液EC值,MHA处理EC最高值是CK处理的10.41倍。与CK处理相比,MHA处理显著增加淋溶液Cu浓度,而NHA处理则降低Cu浓度;MHA和NHA处理均降低淋溶液Cd浓度。淋溶前MHA处理Cu和Cd的生物有效性降幅分别为75.0%和90.7%,NHA处理Cu和Cd生物有效性降幅分别为59.6%和52.2%,说明MHA处理稳定化效果比NHA处理更好。但是在模拟酸雨淋溶下,MHA处理Cu释放量更多,表明经MHA处理稳定的Cu和Cd在酸雨淋溶下易再次被活化。

关键词：微米和纳米羟基磷灰石稳定化重金属复合污染酸雨淋溶

冶炼厂综合堆渣场周边水质和稻米重金属污染状况评价研究

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华北农学报 2008年第B10期23卷 349-352页

作者：周静崔键梁家妮中国科学院南京土壤研究所江苏南京210008 南京师范大学地理科学学院江苏南京210046 安徽农业大学资源与环境学院安徽合肥230036

通过对冶炼厂综合堆渣场周边25个地表水、8个浅层地下水和19个稻米样品中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、As含量的测定,发现该区地表水受到Cd、As的污染,在水作和旱作时超标率均在40.0%以上;浅层地下水受到Cd、Pb的威胁。稻米受到重金属Cu、Pb... 详细信息

通过对冶炼厂综合堆渣场周边25个地表水、8个浅层地下水和19个稻米样品中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、As含量的测定,发现该区地表水受到Cd、As的污染,在水作和旱作时超标率均在40.0%以上;浅层地下水受到Cd、Pb的威胁。稻米受到重金属Cu、Pb、Cd、As的复合污染,其中Cd污染最严重,超标率达100%,重度污染率达76.9%,其最高含量为标准(0.2 mg/kg)的37.6倍;其次为Cu、As、Pb,其超标率分别为38.5%,23.1%和15.8%。

关键词：综合堆渣厂水环境稻米重金属污染评价

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土壤水分对柑橘叶片生长及多胺代谢的影响

土壤 2009年第5期41卷 796-800页

作者：周静崔键梁家妮中国科学院南京土壤研究所南京210008 南京师范大学地理科学学院南京210046

本文以2年生宫川温州蜜柑(Citrusunshiu *** Wase)盆栽幼树为材料,研究了土壤相对含水量(Soil Water Content,SWC)对橘叶生长和叶片多胺(腐胺Put,亚精胺Spd,精胺Spm)代谢的影响。结果表明:SWC由30%增加到90%,橘叶面积、叶周长、叶宽值均... 详细信息

本文以2年生宫川温州蜜柑(Citrusunshiu *** Wase)盆栽幼树为材料,研究了土壤相对含水量(Soil Water Content,SWC)对橘叶生长和叶片多胺(腐胺Put,亚精胺Spd,精胺Spm)代谢的影响。结果表明:SWC由30%增加到90%,橘叶面积、叶周长、叶宽值均在75%时达最大值12.25cm2、13.84cm、3.19cm,且叶面积、叶周长、叶长、叶宽均与SWC呈显著线性正相关;橘叶Put在SWC=75%时最低(228.95nmol/g,FW),Spd和Spm均随土壤水分递增呈抛物线变化,其最大值分别出现在45%和60%。(Spd+Spm)/Put的比值与叶面积、叶周长、叶长、叶长/宽间呈显著或比较显著负相关,且当SWC≤75%时,此比值(t)与SWC(x)间呈显著正相关(t=0.0112x+0.173,p<0.05)。因此,(Spd+Spm)/Put比值可视为柑橘对土壤水分环境敏感度的指标之一。

关键词：柑橘叶生长:多胺:土壤水分

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巨菌草对Cu、Cd污染土壤的修复潜力

生态学报 2014年第18期34卷 5342-5348页

作者：徐磊周静梁家妮崔红标陶美娟陶志慧祝振球黄林中国科学院南京土壤研究所南京210008 国家红壤改良工程技术研究中心中国科学院红壤生态实验站鹰潭335211 中国科学院大学北京100049 江西省科学院生物资源研究所南昌330029 安徽农业大学资源与环境学院合肥230036

通过田间小区试验,对比研究了土著植物金黄狗尾草、香根草、海州香薷、巨菌草分别与0.21%石灰联合对Cu、Cd复合污染土壤的修复效果。结果表明,石灰处理可以显著提高土壤pH,降低土壤有效态Cu、Cd含量。4种植物在与石灰联合后均有一定的... 详细信息

通过田间小区试验,对比研究了土著植物金黄狗尾草、香根草、海州香薷、巨菌草分别与0.21%石灰联合对Cu、Cd复合污染土壤的修复效果。结果表明,石灰处理可以显著提高土壤pH,降低土壤有效态Cu、Cd含量。4种植物在与石灰联合后均有一定的生产潜力,且表现为巨菌草>海州香薷>香根草>金黄狗尾草;修复潜力方面表现出与生产潜力相同的趋势。

关键词：石灰巨菌草土壤重金属污染修复

大气氮沉降向典型红壤区农田生态系统定量输入研究

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环境科学 2009年第8期30卷 2221-2226页

作者：崔键周静杨浩梁家妮刘晓利南京师范大学地理科学学院南京210046 中国科学院南京土壤研究所南京210008 安徽农业大学资源与环境学院合肥230036

在2005年,通过对中国科学院红壤生态实验站(江西鹰潭)内农田小气候要素和湍流的观测及大气和雨水中氮化物的分析,借助大叶阻力相似模型,研究了大气氮素(N)通过干、湿沉降输入研究地农田生态系统的N通量.结果表明,全年通过大气沉降向该... 详细信息

在2005年,通过对中国科学院红壤生态实验站(江西鹰潭)内农田小气候要素和湍流的观测及大气和雨水中氮化物的分析,借助大叶阻力相似模型,研究了大气氮素(N)通过干、湿沉降输入研究地农田生态系统的N通量.结果表明,全年通过大气沉降向该农田生态系统输入N 132.6 ***-2,其中干沉降输入N 82.63 ***-2,占大气总输入N的67.94%.干沉降过程中,气体中以NH3-N沉降为主,占气态N沉降的43.02%~89.89%(均值为71.05%);颗粒中以NO3--N为主,占颗粒态N的33.67%~94.54%(均值为61.01%).每月通过湿沉降(雨水)输入N 0.50~8.45 ***-2,以7月和11月较高.

关键词：大气氮素沉降速率沉降通量农田生态系统