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矿产开采和金属冶炼造成了矿区及其周边农田土壤的严重污染，并以多金属复合污染为主，从而使重金属通过食物链进入人体，危害人体健康。我国设施土壤普遍存在退化现象，土壤酸化、肥力下降且重金属在土壤中的有效性增加，严重降低了作物的产量和品质。与传统的土壤修复剂相比，生物炭具有多孔性、高比表面积、大量的表面负电荷和较高的稳定性而且用农业废弃物做原材料，成分单一，有害物质含量很少。除了能够稳定土壤中的重金属元素，还可以改善土壤质量，提高土壤孔性和田间持水量，从而提高作物产量。因此，生物炭在修复与改良土壤上有很好的应用前景。
本论文通过土培盆栽和田间试验相结合，向多金属复合污染土壤中施用作物秸秆制备的生物炭，研究了不同原材料和不同粒径的生物炭对降低重金属在土壤中的移动性，在旱作植物小麦和淹水植物水稻体内的累积作用及生物炭处理对水稻根表铁膜的形成及其截留重金属能力的影响。通过用15年棚龄的典型设施退化土壤，盆栽试验研究了生物炭对设施土壤的改良作用和对增加油菜产量及降低可食部分重金属含量的作用。主要结果如下:
(1)盆栽条件下，不同水稻组织制备的生物炭处理增加了小麦地上部的生物量和根长;降低了小麦单位根长对Cd、Zn、Pb的吸收效率，降低率分别为55-77％、28-49％、17-52％;降低了小麦地上部中Cd、Zn、Pb的含量，分别降低38-71％、0-37％、0-60％，但提高了As的含量，提高了达2倍。稻秆炭比其他炭能够更加有效地减小Cd、Zn和Pb在土壤中的NH4NO3提取态，减小Cd、Zn在小麦地上部的含量。只有稻糠炭对小麦地上部中的Pb含量有显著的减小作用。而且，细粒径稻糠炭显著减小了Cd、Zn和Pb在小麦体内的迁移系数，减小率分别为34％、28％、55％。稻秆炭显著减小了As从小麦根向地上部的迁移，减小率为49％。总体上说，小粒径的生物炭比大粒径生物炭能更加有效地降低土壤中Cd、Zn、Pb的移动性。只有稻糠炭，减小其粒径可以进一步减小小麦地上部中Cd、Zn和Pb的含量。生物炭不仅通过改变Cd、Zn、Pb、As在土壤中的有效态浓度，还通过改变Cd、Zn、Pb、As在小麦体内的迁移系数来影响重金属在小麦地上部中的含量。
(2)盆栽条件下，不同水稻组织制备的生物炭处理降低了水稻地上部中Cd、Zn、Pb的含量，降低率分别可达98％、83％和72％（稻秆炭的降低作用最大），但提高了As的含量，提高了达3.3倍。生物炭处理显著减小了毛管水中Cd和Zn的浓度，分别减小了43-89％和55-95％，提高了As的浓度，提高了达13.2倍。毛管水中Pb浓度的变化因生物炭不同而不同，稻秆炭对毛管水中的Pb浓度有所增加，稻壳和稻糠炭减小了毛管水中的Pb浓度。生物炭处理下，土壤毛管水的pH值、可溶性有机碳(DOC)、可溶性磷和硅的浓度及根表铁膜的形成量均显著提高，Cd和Pb在铁膜中的分配比率也显著增加，分别增加了0.8-4.7倍和0.4-1.8倍，但没有增加As和Zn在铁膜中的分配比率。稻秆炭处理显著降低了Cd和Pb从水稻根向地上部的迁移，降低幅度分别可达88％和55％。本试验首次研究了生物炭对多金属复合污染土壤上种植的水稻根表铁膜的形成及重金属在水稻体内迁移的影响。生物炭通过减小土壤毛管水中的Cd、Zn浓度、增加铁膜对Cd和Pb的截留能力和增加土壤毛管水的As浓度来减小水稻地上部中Cd、Zn、Pb的含量、提高As的含量。
(3)田间条件下，稻秆炭和豆秆炭的施用(20 t hm-2)显著提高了土壤的pH值，分别提高了1.2和0.5个单位;减小了土壤中Cd、Zn、Pb的NH4NO3提取态含量，分别减小66-90％、73-92％、74-91％，稻秆炭的减小作用好于豆秆炭。稻秆炭处理显著提高了土壤中As的NH4NO3提取态含量，提高77％，但豆秆炭对土壤中As的有效性没有产生显著影响。两种生物炭处理均减小了水稻根表铁膜的形成量，稻秆炭的减小作用显著;均显著减小了Cd在水稻铁膜、根、茎叶、稻壳和籽粒中的含量，显著减小了Zn、Pb在水稻根和茎叶中的含量，对铁膜中Zn的含量没有显著影响，对As在水稻铁膜、根、茎叶、稻壳和籽粒中的含量均没有明显影响。只有稻秆炭处理显著减小了铁膜中的Pb含量，减小65％。两种生物炭对稻壳和籽粒中的Pb、As含量均没有显著影响，对稻壳中的Zn含量有一定程度的降低，而且稻秆炭显著提高了水稻籽粒中的Zn含量。稻秆炭和豆秆炭对水稻籽粒中Cd的降低率分别为71％和26％。稻秆炭对水稻籽粒中Zn含量的提高率为25％。另外，生物炭处理提高了水稻茎叶中K和P的含量，但是减小了茎叶中Ca和Mg的含量。
(4)用15年棚龄的设施退化土壤和对照露地土壤进行盆栽试验表明:加入生物炭后，露地和设施土壤的pH值均显著升高，稻秆炭的升高作用最大;设施土壤Cd、Zn、Pb、Ni的NH4NO3提取态浓度显著降低，分别降低9.1-71％、9.4-93％、16-48％、0-71％，稻秆炭的降低作用最强。生物炭处理使设施和露地土壤中As的NH4NO3提取态浓度都有显著升高，稻糠炭的作用最明显。生物炭的施用增加了设施土壤中的油菜根对Cd、Zn、Pb、Cu、Ni的截留能力，减小了这些重金属在油菜体内的迁移系数，稻秆炭的减小作用最明显。两种土壤的生物炭处理对As在油菜体内的迁移系数均有提高作用。生物炭处理显著降低了设施土壤上种植的油菜地上部中Cd、Zn、Pb、Cu、Ni的含量，下降率分别可达43％、63％、32％、24％和71％，对露地土壤上种植的油菜地上部中Cd、Cu、Ni的含量也有显著下降，下降幅度小于设施土壤，但没有显著影响Zn和Pb的含量。在露地和设施土壤中，稻秆炭对油菜地上部Cd、Zn、Pb、Cu、Ni的减小作用均大于其他两种炭。生物炭处理对两种土壤中油菜地上部的As含量有提高作用，稻糠炭的提高作用最明显。生物炭处理不同程度的增加了露地和设施土壤上种植的油菜地上部和根的生物量及根长。