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重金属在土壤中具有难降解、隐蔽性强、毒性高的特点,能通过食物链进入人体,并在人体中累积,危害人体健康。重金属污染土壤的修复已成为当前国际关注的重要问题之一。化学钝化修复作为污染土壤修复技术的一种,具有投入低、修复快速、操作简单等特点,且对大面积中低度土壤污染的修复具有较好的优越性,因此得到广泛的应用。然而,由于化学钝化修复只是暂时改变了重金属的存在形态,降低其生物有效性,但重金属元素仍保留在土壤中,土壤环境条件的改变可能会引起重金属的再次释放。由于钝化剂在长期应用中受到土壤、水、植物、微生物等多种环境因素的影响,评估钝化修复的持久性对于研究钝化剂的长期固定机制、指导污染土壤的钝化修复具有重要意义。 本文以贵溪冶炼厂周边重金属Cu/Cd污染农田土壤为研究对象,采用一次性添加钝化剂,进行连续三年的稻麦轮作,研究了重金属Cd/Cu在土壤-植物系统中的迁移,考察了纳米羟基磷灰石和生物质炭修复重金属污染土壤的稳定性;基于两种不同水分管理方式的温室稻麦轮作盆栽试验,研究了不同水分管理方式对生物质炭钝化重金属稳定性的影响;通过文献检索并结合本研究,分析了年际变化对钝化剂修复重金属污染土壤稳定性的影响,同时评估了两种修复材料自身稳定性和其修复效果的稳定性。主要研究结果如下: (1)基于三年的温室盆栽试验,考察了纳米羟基磷灰石修复重金属污染土壤的稳定性。施用纳米羟基磷灰石在三年内分别使水稻籽粒重最高增加了12.68%、29.68%和71.03%;使水稻根重最高增加了15.57%、2.76%和4.40%,表现为随种植年限的延长对水稻籽粒重的提高作用增强,对根重的作用减弱;对小麦生物量的作用类似。不同生长季内,纳米羟基磷灰石使土壤pH值提高了0.48~1.26个单位,使有效态Cd和Cu含量分别降低了61.7%~91.9%和57.1%~94.5%,且随着种植年限的延长,纳米羟基磷灰石对土壤pH和土壤有效态Cd/Cu含量的影响较稳定。施用纳米羟基磷灰石降低了水稻和小麦籽粒中的Cd/Cu含量,但对作物籽粒中重金属含量的年际间稳定性因重金属种类不同有所差异,且对Cu的作用较Cd更稳定。 (2)通过三年的温室盆栽试验,施用生物质炭在三年内分别使水稻籽粒重最高增加了104%、121%和188%,使根重最高增加了32.0%、63.4%和17.8%,表明生物质炭对水稻籽粒重的促进作用在增强,而对根重则减弱;对小麦生物量的作用也有类似规律。不同生长季内,生物质炭使土壤pH提高了0.01~0.75个单位,使有效态Cd和Cu含量分别减少了4.17%~53.5%和8.72%~87.7%,且随种植年限的延长而减弱。施用生物质炭降低了作物籽粒中Cd/Cu含量,对小麦的效果大于水稻,且在不同生长季间的的波动较大,总体上表现为随时间延长作用减弱。 (3)基于两种不同水分管理方式(淹水、旱作)的三年稻麦轮作盆栽试验,考察了不同水分管理对生物质炭钝化重金属稳定性的影响。不同水分管理方式下生物质炭对于土壤中全碳、全氮的影响不明显,淹水和旱作处理在不同生长季内分别使土壤pH增加了0.11~0.31个单位和0.17~0.56个单位,使土壤有效态Cd含量减少了12.9%~17.7%和23.9%~31.5%,使有效态Cu含量减少了15.2%~62.7%和16.1%~65.0%。然而,淹水处理更有利于生物质炭提高作物的生物量,减少作物对Cd/Cu的累积,但随时间延长不同水分管理间的差异不显著。对稻麦轮作盆栽试验后生物质炭性质的分析表明,旱作处理的生物质炭颗粒破坏更加严重,固持在生物质炭上的重金属更容易释放,而两种水分管理方式对生物质炭的结构没有明显影响。 (4)基于三年的水稻盆栽试验,比较了两种钝化材料的自身稳定性和修复效果的稳定性。通过对纳米羟基磷灰石释放磷元素和生物质炭释放钾元素能力的评估,发现两种材料在第一年有较好的稳定性,其后钝化材料自身的性质会发生明显改变,导致其释放元素的能力下降。不同年份内,纳米羟基磷灰石和生物质炭使土壤pH分别提高了19.84%~20.06%和1.28%~6.54%,使有效态Cd含量分别减少了78.3%~82.3%和12.9%~15.7%,使有效态Cu含量减少了77.8%~91.5%和25.8%~57.3%,表明纳米羟基磷灰石对土壤pH和有效态重金属作用的稳定性强于生物质炭,水稻籽粒中的Cd/Cu含量也有类似规律。通过文献检索并结合本研究分析发现,在钝化修复中钝化剂对土壤pH和土壤有效态重金属的作用受年际变化影响较小,而对作物体内重金属含量的影响受年际变化影响较大。因此,考虑长期修复过程中的年际气候和环境因素的影响对于钝化修复稳定性研究是非常必要的。