镉污染农田土壤修复技术及安全利用方法研究进展

作物镉(Cd)超量累积是人体中镉的主要来源。研究镉污染农田土壤修复技术及安全利用方法对保护生态环境及保障食品安全具有重大意义。镉对植物的毒性效应与其生物有效性密切相关,且土壤镉的生物有效性决定其植物根系吸收量,因而基于土壤镉生物有效性调控原理的修复技术是农业环境领域近年来的研究热点。此外,植物镉含量也与植物自身特性密切有关,故筛选不同镉累积特性的植物可为镉污染土壤修复和安全利用提供重要生物质资源。文章综合评述了镉生物有效性的物理和化学调控方法,并分别就超累积植物和低累积作物介绍镉污染农田土壤的植物修复技术和安全利用方法。物理方法如水分管理主要通过改变土壤环境的Eh等理化性质从而影响土壤镉的形态转化过程,进而影响植物镉的吸收量;化学方法如施用钝化剂主要通过改变土壤的pH及土壤镉吸附特性,从而改变土壤镉的生物有效性。低镉累积作物通过减少根系镉吸收或降低地上部镉转运的方式减少可食部镉累积量;镉超累积植物的修复效率主要取决于其镉富集系数的高低及生物量的大小。化学和生物联合调控方法主要通过降低土壤镉含量或阻止镉进入作物可食部,实现"边生产边修复"。农田土壤镉污染修复技术及安全利用方法存在效率低、体系不稳定等问题,探究土壤镉生物有效性关键调控因子及其作用机制、充分挖掘特殊镉累积特性的植物资源并探寻改造植物镉耐性的方法以提高镉污染农田土壤修复效率将是今后该领域的研究热点。     

8种钝化剂产品对不同镉污染土壤理化性质和镉有效性的影响

探讨施用钝化剂对Cd污染土壤理化性质和修复效果,可为北方轻中度Cd污染农田安全利用提供依据。采用盆栽培养试验,研究不同Cd污染程度下,施用8种钝化剂产品对土壤理化性质、主要养分积累、Cd有效性和小白菜吸收Cd的影响。结果表明,与对照相比,土壤加入1 mg·kg~(-1) Cd时,除P6和P7钝化剂外,其他6种钝化剂可显著降低土壤有效态Cd含量,降幅为9.09%—56.73%;P3钝化剂的Cd钝化效果最佳,添加量为5%时土壤有效态Cd降低率为54.90%,小白菜降Cd率为54.04%;所有处理小白菜Cd质量分数均低于0.2 mg·kg~(-1),符合国家食品污染物限量标准。土壤加入5 mg·kg~(-1) Cd时,添加8种钝化剂处理均可显著降低土壤有效态Cd含量,降幅为11.14%—81.08%;其中P3钝化剂的Cd钝化效果最佳,添加量为5%处理下土壤有效态Cd降低率81.08%,小白菜降Cd率为72.16%,小白菜Cd含量(0.22 mg·kg~(-1))基本上接近国家食品中污染物限值,而其他7种钝化剂处理小白菜Cd含量均不同程度超标。相关性分析表明,土壤有效态Cd含量、小白菜Cd含量分别与土壤pH、有机质、速效磷和有效钾含量呈显著或极显著的负相关关系。由此可见,对于北方轻中度Cd污染农田,可通过施用合适的钝化剂产品来改善土壤养分状况,降低土壤Cd的有效性,从而达到农产品安全生产的目的。     

凹凸棒粘土对镉污染农田的原位钝化修复效果研究

原位钝化修复在重金属污染土壤修复中有着不可替代的作用,而修复材料在污染农田中的长期应用效果一直是人们关注的焦点。通过野外大田钝化修复试验,研究了不同添加剂量(0、1.25、1.75、2.50、3.25 kg·m~(-2))凹凸棒粘土对镉(Cd)污染土壤理化性质及对水稻(Oryza sativa L.)和小麦(Triticum aestivum L.)吸收Cd的影响,采用梯度扩散薄膜技术(DGT)评价修复前后土壤中生物可利用态Cd含量的变化。结果表明,施用凹凸棒粘土显著抑制水稻和小麦籽粒中Cd富集量,第一季降幅分别为68.8%~83.3%与54.7%~75.5%,其中2.5 kg·m~(-2)施加剂量对Cd污染土壤的修复效果最佳。施加凹凸棒粘土同样抑制了作物对Zn、Ni等其他重金属的吸收,而对Se吸收影响并不显著。施加凹凸棒粘土显著提高了土壤p H、阳离子交换量(CEC)和土壤细颗粒含量,相关性分析表明,水稻和小麦籽粒中Cd含量与土壤p H呈极显著负相关性(相关系数分别为-0.72和-0.64),推测土壤p H的升高是导致水稻、小麦籽粒中重金属含量降低的一个重要原因。不同施用量凹凸棒粘土均在一定程度上降低了土壤DGT提取态Cd含量,分别下降了82.8%、85.1%、84.4%和67.1%。连续3年原位钝化修复效果跟踪观察结果表明,凹凸棒粘土可持续降低水稻和小麦籽粒中Cd含量,1.25 kg·m~(-2)和1.75 kg·m~(-2)处理组产出的水稻籽粒中Cd含量由2014年的0.140 mg·kg~(-1)与0.215 mg·kg~(-1)分别降低为2016年的0.094 mg·kg~(-1)和0.120 mg·kg~(-1)。综上,凹凸棒粘土在修复Cd污染农田土壤方面具有广阔的应用前景。     

施用石灰对Pb、Cd、Zn在土壤中的形态及大白菜中累积的影响

重金属的不同形态对于作物吸收重金属及受害具有十分密切的关系,通过施用石灰改变重金属的形态、毒性以及对作物的影响具有重要的意义。以大白菜(Brassica pekinensis)为研究对象,通过盆栽试验,探讨了在铅、镉和锌污染土壤上,施用石灰对土壤中不同形态镉、铅和锌含量及在大白菜中累积的影响。结果表明,施用石灰后,土壤中碳酸盐结合态Pb、Cd和Zn含量明显减少,铁、锰氧化物结合态和有机物结合态Pb、Cd和Zn含量明显增加;对大白菜吸收Pb、Cd和Zn均起到较好的抑制作用,石灰用量为5g·kg-1土时,对大白菜吸收Pb、Cd和Zn的抑制效果最好。     

小麦籽粒中镉对锌的拮抗作用与有机肥的调控

研究不同的镉、锌复合污染水平对小麦籽粒锌吸收的影响及有机肥的调控作用。试验结果表明,随着土壤中外源Zn浓度的提高,小麦籽粒Zn含量显著增加;Cd和Zn复合污染的土壤上,小麦籽粒对Zn的吸收累积除受到土壤中外源Zn水平的影响外,还受到外源Cd的影响,高浓度Cd(100 mgkg-1)减少了Zn在小麦籽粒中的累积,说明Cd对小麦吸收Zn有拮抗效应;施用有机肥显著降低了1000 mgkg-1Zn污染土壤上小麦籽粒Zn含量及1000 mgkg-1Zn与100 mgkg-1Cd复合污染土壤上小麦籽粒Zn含量,而显著增加了500 mgkg-1Zn与Cd复合污染土壤上小麦籽粒Zn含量。因此,有机肥对Cd和Zn复合污染土壤上小麦籽粒Zn含量的影响与外源Cd、Zn的浓度组合有关。     

石灰、硅钙镁改良剂对不同土壤-水稻系统Cd吸收累积的影响

为研究改良剂(石灰、硅钙镁肥)对典型稻田土壤-水稻系统Cd吸收累积的影响,选取河沙泥(潮土母质发育)和紫泥田(紫色砂页岩母质发育)模拟制备成中度Cd污染土壤,施加不同用量的石灰和硅钙镁肥,进行水稻盆栽试验,分析土壤pH、土壤Cd形态以及水稻各部位Cd含量变化,探讨不同改良剂对不同土壤-水稻系统Cd吸收累积的影响.结果表明,施用石灰和硅钙镁肥能显著提高河沙泥土壤pH值,分别提高0.62—0.79个单位、0.35—0.46个单位,但对紫泥田pH值无显著影响.向河沙泥中施用石灰能降低其土壤酸提取态Cd含量,且在S3.0处理时降幅最大;而紫泥田施用硅钙镁肥能显著降低其酸提取态Cd.施用石灰和硅钙镁均能降低河沙泥水稻糙米Cd含量,分别降低23.5%—35.9%、9.5%—21.9%,且随着施用量的提高,糙米Cd含量降低幅度逐渐增大;施用硅钙镁肥能显著降低紫泥田糙米Cd含量,下降幅度为23.5%—34.1%.同种改良剂对水稻Cd吸收累积的影响因土壤类型不同而存在差异,向河沙泥中施用石灰和紫泥田中施用硅钙镁能最大程度抑制水稻对Cd的吸收累积,降低糙米Cd含量,提高稻米品质.     

土壤理化性质对发电厂周边土壤Cd生物有效性的影响

该研究旨在通过对土壤理化性质与Cd有效性之间的关系的研究,甄别影响Cd在土壤-水稻系统迁移转化的主要因素,为稻田Cd的污染控制提供科学依据。采集韶关发电厂周边的土壤样品和相应的水稻样品,分析土壤和水稻样品的Cd含量,以及土壤中Cd的各种形态和土壤理化性质,并分析它们之间的相关性。结果显示,(1)随着土壤中无定形铁氧化物以及游离态铁氧化物含量的增加,土壤中的Cd的生物有效性降低,表明土壤中铁形态深刻地影响着Cd的生物有效性。(2)土壤中硅的形态也是影响Cd在土壤-水稻体系迁移的重要因素,土壤中有效态硅和无定型硅具有抑制水稻吸收Cd的作用。(3)土壤pH降低会促进结合在土壤固相中的Cd(如碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态)发生溶解,因而随着土壤pH值的降低,土壤中生物可利用性的Cd含量会逐渐加大,表明土壤pH是影响Cd在土壤-水稻体系迁移的重要因素。综上,土壤理化性质对土壤中Cd的生物可利用性有重要影响,进而影响了水稻对Cd的吸收和积累。     

上饶市某铜矿废弃地土壤重金属污染特征及健康风险评价

以上饶某铜矿废弃地土壤为研究对象,共采集50份采场边坡废弃地土壤样品,对该铜矿区废弃地土壤重金属污染特征、来源及其对人体的健康风险进行探析,为矿山开采及废弃地重金属污染防治提供理论依据。使用原子吸收分光光度计测定Cu、Cd、Cr、Pb和Zn含量并对其理化性质进行测定,分析该铜矿废弃地重金属含量及其与理化性质之间的相关性。采用单因子指数法结合内梅罗综合指数法和健康风险评价模型对该矿区废弃地土壤重金属污染状况及人体健康风险进行评价。结果表明,该矿区土壤重金属中Cu和Cd均远超过国家土壤环境二级标准和江西省土壤背景值,Zn、Pb和Cr含量都超过江西省土壤背景值;Cd、Pb、Cr、Cu和Zn的变异系数分别为95%、98%、71%、60%和18%。聚类分析结果表明,Cd受理化性质的影响较为显著。主成分分析表明,土壤样品中的Cd受TN的影响较大,各重金属均受到理化性质的不同程度影响,且在不同的主成分上的比重各异,表明它们具有同源性。污染指数评价结果表明,5种重金属中Cu和Cd的污染最为严重,Cr的污染相对较轻。健康风险评价结果表明,5种重金属对成人和儿童产生的非致癌暴露风险值均为CrCdPbCuZn,其中Cr对周围居民所产生的健康风险不容忽视。     

不同来源重金属污染的土壤对水稻的影响

采用人工污染土壤、尾矿砂、污泥等不同载体的污染源来模拟土壤污染 ,研究其对水稻生长、吸收养分和吸收重金属的影响。结果表明 ,不同污染载体对水稻生长的影响不同 ,其影响的大小顺序为人工污染土壤 >尾矿砂 >污泥 >尾矿砂 +污泥。不同污染载体对水稻吸收重金属的影响亦不同 ,以纯化学试剂的形式添加到土壤中的重金属最易被提取出来 ,植物从中吸收的Cu、Zn、Pb、Cd最多 ,而从以污泥为污染载体的土壤中吸收的Zn、Pb、Cd最少。研究表明 ,用添加纯化学试剂的方法来模拟污染土壤对生态与环境的影响是可行的 ,确定土壤负载容量是安全的 ,因为在实验条件下它对供试植物的影响最明显     

农田土壤重金属污染阻控技术研究进展

土壤重金属污染阻控技术主要是指通过化学行为将重金属钝化在土壤中,或利用植物生理作用,喷施各种阻隔剂抑制重金属在植物体内的流动,或通过水分管理、深耕等农艺措施调控重金属进入植物体内的行为。其中,钝化技术主要是向土壤中添加钝化剂,通过吸附、沉淀、络合、离子交换和氧化还原等一系列反应,降低重金属污染物的生物有效性和可迁移性,从而达到修复目的的方法;阻隔技术通常指通过向农作物喷施肥料以调节其生理代谢,从而降低农作物对重金属的吸收或降低重金属向作物可食用部位的转运。而作物从土壤中吸收重金属,不仅取决于土壤中重金属的含量,还受到土壤性质、肥料种类、作物种类、水分条件及耕作制度的影响,因此,合理改善上述条件,可有效抑制重金属活性,降低其生物有效性。土壤重金属污染阻控技术具有处理成本低廉、效果明显、操作简单和不影响农作物生产等优点,是土壤重金属污染治理的重要手段之一,是当前世界范围内的研究热点,亦是一种治理土壤重金属污染的环境友好技术。文章主要介绍和评述了土壤重金属污染阻控技术的原理、类型、技术优点及进展情况,并对今后的研究重点进行了简要的讨论。     

几种固定剂对镉污染土壤的原位化学固定修复效果

在野外现场条件下,开展了硅肥、钙镁磷肥、石灰和骨炭粉等多种材料对镉污染土壤的固定修复研究.结果表明,施用这几种固定剂后不同程度地抑制了玉米(Zea mays L.)对Cd的吸收,其中骨炭粉和石灰的效果最好,在0.5%的施用量下,这两种固定剂可使玉米可食部位Cd含量降低到安全限量标准水平.而其它处理在本研究条件下未能使作物Cd含量降低到安全范围.固定剂抑制植物吸收Cd的效果从大到小顺序依次为:骨炭粉≈石灰>硅肥≈钙镁磷肥>高炉渣≈钢渣.形态提取分析表明,施用固定剂处理使土壤Cd的水溶态、可交换态和碳酸盐结合态减少,而有机结合态和残渣态增加,说明促进Cd从有效态向缓效/迟效态转化是固定剂抑制植物吸收Cd的重要机制.     

场地土壤重金属镉和铅复合污染毒性阈值的推导及其应用

镉(Cd)和铅(Pb)是生物体非必要元素,具有毒性大、迁移性强等特点,二者在场地土壤中通常存在复合污染的现象.土壤污染物预测无效应浓度(predicted no effect concentration,PNEC)是污染物自身毒性与不确定性系数共同决定的参数,其中土壤污染物的生物有效性是PNEC值不确定性的重要来源.本研究选择湖南常宁某铜矿冶炼厂和江苏靖江某电镀厂2个不同类型的污染场地及周边土壤,基于土壤理化性质及重金属的有效性浓度,采用经验模型估算出Cd和Pb单一污染对植物根系生长的半效应浓度(median effect concentration,EC50)及其土壤中的PNEC,通过浓度加和(concentration addition,CA)模型,结合外推因子法,估算获得场地土壤实际Cd和Pb复合污染的预测无效应浓度(PNEC面x).结果 表明,2个场地土壤中Cd的平均含量分别为背景值的102倍和37.6倍,Pb平均含量分别为背景值的15.1倍和3.86倍,Cd和Pb复合污染现象明显.由于2个场地土壤性质差异较大,Cd和Pb的EC50存在较大差异,EC50(Cd)分别为19.1 ～36.2 mg·kg-1和20.1 ～ 35.4 mg· kg-1,而EC50(Pb)分别为366～1891 mg·kg-1和682～1575 mg·kg-1.同时由于场地实际污染土壤的理化性质及Pb/Cd含量比不同,所推导的PNECmix也存在明显差异,Cd含量及其在Cd和Pb总量中的占比较高的土壤样点的PNECmix较低,2个场地的PNECmix分别为0.933～37.9 mg·kg-1和32.9 ～ 744 mg· kg-1.2个场地调查样点中Cd和Pb含量的实测值均在一定程度上高于相应的PNECmix,对植物生长存在一定的生态风险.因此,进行复合污染生态风险基准值制定和生态风险评价时,需要考虑影响污染物的生物有效性和关键场地特异性(site-specific)因素,如土壤理化性质及不同污染物浓度比等.     

螯合剂在污染土壤植物修复中的应用

向土壤中施加螯合剂可有效提高植物修复效率.根据螯合剂的作用原理,文章着重阐述了螯合剂施用后对污染土壤中重金属的活化、植物吸收和体内转移的影响,并对使用螯合剂的环境风险和今后的研究方向作了简要的讨论.     

钾肥对小麦根际土壤镉的吸收及其植物毒性的影响

研究不同钾肥对Cd在根际土壤-植物系统中转移及植物有效性的影响可为农业生产提供依据。以潮褐土为供试土样,采用盆栽方法研究了氯化钾、硝酸钾、硫酸钾对小麦(Triticum aestivum L)根际环境镉的吸收转移及植物有效性的影响。结果表明,(1)KCl提高根际土中有效态Cd质量分数(wCd),K2SO4和KNO3降低根际土壤有效态wCd。(2)K2SO4处理下,小麦根wCd显著大于对照;随KNO3和KCl施入量的增加,小麦根中Cd含量逐渐升高。(3)相同处理三种钾肥比较小麦地上部干物重表现为:KNO3>KCL>K2SO4,根干物质量均低于对照。(4)钾肥的施入提高小麦体内CAT,POD酶活性。建议Cd污染土施用KNO3,尽量避免施用KCl和K2SO4。     

土壤重金属镉、铅及其复合污染对羊蹄(Rumex japonicus Houtt)生长及其抗性生理指标的影响

为探究重金属Cd、Pb及其复合污染对植物的生长及生理的影响,选用乐安河湿地优势乡土植物羊蹄(Rumex japonicus Houtt),采用室内土培盆栽实验,分别设置不同的Cd、Pb单因素及其双因素复合污染水平,研究羊蹄的生物量、株高等生长指标及植物组织中丙二醛(MDA)、可溶性糖等抗性生理指标的变化特性。结果表明:随着Cd、Pb污染胁迫浓度的增加以及胁迫时间的延长,羊蹄的生物量及株高均受到显著(P0.05)抑制,且Cd+Pb双因素复合污染胁迫的抑制作用大于单因素Pb或Cd的污染胁迫;羊蹄植物组织中的MDA含量及可溶性糖含量随Cd、Pb污染胁迫强度的增加及胁迫时间的延长显著增加(P0.05);在盆栽土壤中单因素Cd或Pb的高浓度胁迫下,羊蹄的自我调控能力显著增强(P0.05),MDA含量下降。不同污染水平的单因素Cd、Pb及Cd+Pb双因素复合污染胁迫对羊蹄可溶性糖含量的影响均存在显著性(P0.05)差异。     

酸雨与镐对大豆幼苗荧光特性复合影响的测定

在中国不同地域的多数农业生产区中,酸雨(AR)与Cd污染重叠发生.土壤中Cd元素在AR作用下赋存状态改变,一旦达到伤害阈值即对植物造成伤害,并通过食物链对动物和人体健康造成威胁.考察AR和Cd对植物叶绿素荧光特性的复合效应是深人理解二者影响光合功能的途径之一.本文以大豆幼苗为试材,初步探讨了Cd与AR对大豆幼苗叶绿素荧光特性的复合影响,旨为科学评价Cd与AR污染环境中作物生产安全及典型污染物的环境生态效应等提供基础实验数据.     

蓄电池拆解区铅、镉复合污染农田土壤钝化修复

为了揭示复配及改性钝化材料对农田土壤中重金属的钝化效应,通过土壤培养和田间试验相结合的方式,研究了镁基矿物材料、土壤调理剂、巯基改性海泡石、钙镁磷肥对Pb、Cd复合污染土壤的修复效果,并以油菜为供试作物,研究了施用土壤调理剂和巯基修饰海泡石对油菜吸收累积Pb、Cd的影响.同时,通过扫描电子显微镜(SEM),傅里叶变换红...     

梯度薄膜扩散技术(DGT)与传统化学方法评估黑麦草吸收Cd的对比

为研究不同方法评估黑麦草吸收Cd的效果,采集了16个不同理化性质实际Cd污染土壤,盆栽试验种植黑麦草,采用梯度薄膜扩散技术(DGT)测定黑麦草根际土Cd的生物有效性,并与离心法采集土壤溶液、乙酸(HAc)和乙二胺四乙酸二钠(EDTANa2)3种传统提取方法所提取土壤有效态Cd含量进行比较,研究其与黑麦草地上部和地下部Cd含量的相关关系.结果表明,DGT提取的土壤有效态Cd含量与黑麦草中Cd含量的相关性显著高于化学提取法.运用多元统计分析研究土壤pH、阳离子交换量(CEC)、有机质(OM)和土壤颗粒组成等理化指标的影响,提取出两种主成分因子,建立了多元回归模型.第一主成分与OM和黏粒(clay)之间呈显著相关,定义为土壤中影响重金属生物有效性的"有机指标",第二主成分则与土壤pH和CEC相关程度较高,定义为土壤中影响重金属生物有效性的"无机指标".研究表明,第二主成分显著影响了3种化学方法构建的预测模型,而DGT技术综合了两种主成分对土壤有效态Cd含量的影响,所构建的模型几乎不受土壤基本理化性质的影响,说明DGT分析法是一种预测黑麦草吸收Cd的较好方法.     

稻季磷锌处理对水稻和伴矿景天吸收镉的影响

超积累植物与农作物轮作或间套作是实现重金属污染土壤边生产边修复的重要方式。通过水稻和伴矿景天(Sedum plumbizincicola)轮作的盆栽试验来研究Cd污染酸性红壤上稻季增施P和Zn对水稻和后茬伴矿景天吸收Cd的影响。结果表明,稻季高P处理(400 mg·kg~(-1))土壤CaCl_2提取态Cd含量较对照(100 mg·kg~(-1))有所降低,水稻秸秆Cd含量无明显影响,但秸秆向籽粒的转运系数显著降低;稻季Zn处理降低了土壤CaCl_2提取态Cd含量,糙米Cd含量由0.21 mg·kg~(-1)(对照)降低至0.15 mg·kg~(-1);稻季增施P和Zn对后茬伴矿景天生长及地上部Cd含量未产生明显影响;Zn处理促进了稻米和伴矿景天对Zn的吸收。稻季适当增施P和Zn降低了水稻Cd积累风险,而对后茬伴矿景天Cd吸收修复无影响,可作为Cd污染土壤水稻与伴矿景天轮作边生产边修复的调控手段。     

沼液还田下不同种植模式的重金属风险评价及安全消纳量分析

为探讨沼液中重金属对土壤质量、农林作物安全生产的影响,评价施用沼液对土壤环境与农林作物污染的风险,以及提出不同种植模式的沼液适宜用量,在广西壮族自治区主要生猪养殖区,选择蔬菜、果树、牧草、用材林等不同类型的耕地13个,采集0-20cm和20-40cm土层土壤样品以及部分植物的根系、茎秆、叶片、果实等,测定上述样品的Cu、Zn、Pb、Cd、Cr等元素的含量,分析和评价土壤、农林作物的污染状况。结果显示：13个样点中,0-20 cm和20-40 cm土壤的Cu、Zn污染样点比例相同,分别为46.2%和38.5%,高于Pb、Cd、Cr;0-20、20-40 cm土壤的Cu、Zn污染指数,以及0-20 cm土壤内梅罗综合污染指数与沼液浇灌总量呈显著正相关,而与年均浇灌量相关性不显著;耕地土壤5种元素的沼液消纳容量大小为Cr>Pb>Zn>Cu>Cd。9个可供食用的植物样点中,Pb含量超标的样点数最多,其次是Cr,占比分别为66.7%和44.4%;内梅罗综合污染指数处于污染的样点比例为88.9%。杂交象草（(Pennisetumamericanum×P.purpureum)...