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土壤Cd污染行为及其控制与改良利用已成为当前土壤学、环境科学和生态学等领域的研究热点之一。施用改良剂对Cd污染土壤进行原位修复是一种较经济有效的治理措施。海泡石具有较大比表面积和较高的pH值,对重金属离子有较强吸附能力,可用于重金属超标土壤的改良。
本文以海泡石为材料,系统研究了海泡石对Cd的吸附解吸特征及其主要影响因素,添加海泡石对红黄泥、黄泥田和红沙泥3种典型水稻土Cd的吸附解吸特性与Cd在土壤中形态转化的影响,以及海泡石用于Cd超标水稻土的原位修复效应。主要结果如下:
1.海泡石对Cd的吸附主要受接触时间、溶液Cd浓度、pH值和陪伴离子强度等的影响。海泡石对Cd的吸附是一个快速的过程,吸附达到平衡约需60 min、最大吸附量为2288 mg kg-1。吸附前后海泡石的X射线衍射和傅里叶红外光谱的测定结果表明,海泡石对Cd的吸附以物理吸附和离子交换吸附为主。当溶液pH<4时,pH值降低会明显减少海泡石对Cd的吸附量;pH≥4时,pH值变化对海泡石吸附量的影响较小。陪伴离子强度(Na+和NO3-)的增大会抑制海泡石对Cd的吸附。
2.添加海泡石能有效增强水稻土对Cd的吸附容量和强度。在溶液Cd浓度相同时,添加海泡石可使红黄泥、黄泥田和红沙泥3种水稻土对Cd的吸附量增加17%~60%,并使吸附Cd的解吸率降低(最高达25%),其效果随海泡石添加量的增大而增强。Freundlich方程可以较好的拟合添加海泡石后3种水稻土对Cd的等温吸附过程(R2>0.95)。溶液pH值变化对3种土壤Cd吸附量的影响与其对海泡石吸附Cd的影响基本相同。
3.添加海泡石可有效钝化水稻土中的外源Cd,其效果随海泡石添加量的增大而增强,并受土壤水分条件的影响较大。实验初始阶段(2 d),在45%WHC和110%WHC(淹水)水分条件下,添加海泡石使红黄泥、黄泥田和红沙泥3种水稻土DTPA提取Cd含量分别降低8%~54%和7%~59%;随着培养时间的延长,45%WHC水分条件下这一效果逐渐减弱,而在淹水条件下,其降低效果变化不大。在2种水分条件下,添加海泡石使3种水稻土中交换态Cd含量显著降低(最大降幅55%),碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态Cd含量显著增加(最大增幅分别达到232%和329%),且均在淹水条件下变化量更大。添加海泡石可显著提高土壤pH值、降低其Eh值,是引起土壤中Cd形态变化的重要原因。
4.施用海泡石可显著降低Cd超标水稻土中Cd的有效性和农产品中Cd的含量。田间试验结果表明,施用海泡石和石灰使土壤pH值提高0.3~2.0,酸提取态Cd的比例降低3%~15%,可还原态和残渣态Cd的比例相应提高。土壤Cd形态的变化有效抑制了作物对Cd的吸收:水稻地上各部分Cd的含量显著降低,糙米Cd降低了15.0%~48.8%、稻壳Cd降低了25.0%~60.2%、稻草Cd降低了19.0%~53.4%,萝卜茎和萝卜叶的Cd含量分别降低10.0%~58.3%和10.8%~50.0%。不同改良剂的效果依次为海泡石与石灰配施>海泡石>石灰,其效果均随用量的增加而增强。施海泡石和石灰对水稻的产量、生物量以及Cd在水稻和萝卜体内的分布规律没有显著影响。