中国北方碱性农田土壤镉污染修复:现状与挑战

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。

碱性农田土壤冬小麦不同生育期镉的迁移转化研究

目前,农田土壤镉污染导致的农业生态环境安全问题引起了极大的关注,然而与酸性土壤相比,针对碱性土壤镉污染导致小麦籽粒镉超标的相关研究进展缓慢。为探明镉在碱性土壤-作物系统中的迁移转化规律,以河南省济源市碱性镉污染农田土壤及冬小麦为例,通过分析小麦不同生育期土壤和小麦植株各器官镉含量的分布变化,阐明了土壤镉随小麦生长发育的富集及迁移转化规律,揭示了根际效应和土壤理化性质对该过程的影响。结果显示:1)随着小麦生长发育,相较于非根际,根际土壤理化性质的变化更为明显,有机质向根际环境的富集趋势显著(P<0.01);2)土壤镉有效态含量在小麦灌浆期明显上升,且在非根际土壤中受有机质正向促进(r_(BS)=0.471,P_(BS)<0.05;r_(RS)=0.544,P_(RS)<0.01),而在根际中被CEC负向抑制(r_(BS)=-0.707,P_(BS)<0.01;r_(RS)=-0.637,P_(RS)<0.01);3)小麦根部对镉的富集能力(R_(BCF):0.559-1.61)显著高于茎叶(L_(BCF):0.146-0.584),土壤镉向根部富集主要表现在分蘖期(分蘖期1.61>灌浆期0.600>成熟期0.559),向地上部分迁移转运则集中在灌浆期(灌浆期1.04>分蘖期0.277>成熟期0.260);4)小麦根部对镉的富集能力随根际土壤pH的升高而增强(r=0.690,P<0.05),茎叶对镉的富集能力随根际土壤CEC的升高而降低(r=-0.697,P<0.05)。由此,在碱性土壤镉污染修复治理中,针对性地在镉向小麦富集迁移的关键期(分蘖期、灌浆期)采取阻控措施,调节关键影响因素(土壤有机质、CEC),可控制小麦籽粒镉超标风险。研究结果可为碱性镉污染农田土壤的修复治理及风险防控提供理论基础。

钝化剂对中碱性农田土壤重金属镉及其在小麦中累积的影响

通过田间实验探讨了钝化剂对中碱性农田土壤中镉含量及其在小麦不同生长期镉累积的影响。结果显示,钝化剂能降低中碱性农田土壤有效态镉含量。在有效态镉含量为1.24 mg·kg^(-1)的新乡农田土壤中,添加w=0.20%的钝化剂,60~240 d后土壤二乙烯三胺五乙酸(DTPA)有效态镉含量较对照(CK)降低28.09%~53.15%,140 d后小麦根、茎、叶镉含量较对照分别降低43.20%、53.00%、53.00%,200 d后分别降低48.92%、53.82%、39.20%,240 d后分别降低47.92%、29.46%、21.41%,说明钝化剂能降低土壤中有效态镉含量和小麦中镉含量,使小麦不同生长期各部位镉累积量降低,小麦籽粒镉含量从0.22降低至0.09 mg·kg^(-1),满足GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》要求。

钝化剂对冶炼厂周边中碱性农田土壤重金属及其在小麦中累积的影响

通过冶炼厂周边田间试验,探讨了钝化剂2,4,6-三巯基均三嗪三钠(TMT)对冶炼厂周边中碱性农田中小麦生长末期重金属累积的影响。结果显示:在污染土壤中,添加w=0.10%(质量分数)TMT55材料,60~240 d后土壤DTPA有效态镉含量较对照降低效率为18.50%~41.53%;DTPA有效态铅含量较对照降低效率为21.06%~28.43%。在有效态镉含量为0.97 mg/kg的污染土壤中添加w=0.10%(质量分数)TMT55材料,200 d后小麦根、茎、叶镉含量较对照分别降低32.04%、27.38%、35.39%,240 d后小麦根、茎、叶、籽粒镉含量较对照分别降低18.12%、34.86%、12.39%、20.81%。在有效态铅含量为56.72 mg/kg的污染土壤中添加w=0.10%(质量分数)TMT55材料,200 d后小麦根、茎、叶铅含量较对照分别降低26.84%、23.84%、29.32%,240 d后小麦根、茎、叶、籽粒铅含量较对照分别降低14.34%、46.36%、19.29%、42.40%。TMT55材料能抑制小麦在生长末期对重金属镉和铅的累积,是潜在重金属污染的冶炼厂周边中碱性农田土壤修复材料。

含硫材料对中碱性农田土壤镉的钝化效果

通过模拟实验探讨含硫材料〔硫化钙(CaS)、聚合二硫代氨基甲酸钠(DTCR)和2,4,6-三巯基均三嗪三钠(TMT)〕对中碱性农田土壤中镉的钝化效果。结果显示,相同试验条件下,在2种麦田土壤(来自河南新乡和济源)中,3种钝化剂对DTPA有效态镉降低效率的大小顺序均为TMT55(纯度w为55%)>DTCR>CaS。在有效态镉含量为1.56 mg·kg^-1的新乡土壤中添加w=0.10%的CaS、DTCR和TMT55,稳定30 d后有效态镉含量分别比对照降低21.15%、48.71%和41.69%。在有效态镉含量为0.97 mg·kg^-1的济源土壤中添加w=0.10%的CaS、DTCR和TMT55,稳定30 d后有效态镉含量分别比对照降低10.42%、40.43%和40.70%。与其他材料相比,DTCR和TMT55具有低剂量和高效率的优点,是潜在的中碱性农田土壤重金属镉修复材料。

碱性Cd污染农田原位稳定化修复研究

围绕碱性农田重金属Cd污染原位稳定化修复技术,通过实验室小试筛选出以椰壳生物炭为核心材料的稳定剂应用于修复重金属Cd污染的碱性土壤,并进一步探究了施加稳定剂对于小麦生长的影响.研究结果表明,随着稳定剂施加量的增加重金属Cd钝化效果显著增加,在施加量为2%时,椰壳生物炭对土壤有效态Cd钝化率达到99.08%,远高于木质生物炭、硅肥以及钙镁磷肥.稳定化修复后,土壤中Cd由生物可利用性较高的形态向稳定的结合态转化,降低土壤环境风险.此外椰壳生物炭的施加还可以促进小麦生长,降低小麦体内Cd含量,稳定剂施加量为1.5%时,与对照组相比小麦根中Cd含量降低64.31%,地上部Cd含量降低69.60%.本研究筛选的椰壳生物炭作为稳定剂不仅能够实现Cd污染碱性农田的持效性修复,还能够显著改善土壤结构并提高土壤肥力,促进小麦生长,为以后该技术在我国北方大面积重金属污染碱性农田的修复及规模化应用提供支持.