發(fā)布時間：2017-11-26 04:00

  本文關鍵詞：Cd污染條件下生物炭對種子萌發(fā)的影響研究

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【摘要】：土壤是環(huán)境的重要組成部分,同時也是人類自然環(huán)境存續(xù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必需資源。近些年,隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展,現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)也呈現(xiàn)迅速發(fā)展的態(tài)勢,農(nóng)業(yè)化學污染物的種類和數(shù)量也逐日增加,土壤問題進一步惡化。多數(shù)發(fā)達國家和發(fā)展中國家的土壤污染問題已經(jīng)影響到了農(nóng)業(yè)發(fā)展,這引發(fā)了人們的廣泛關注。土壤污染對于人類生存和生活質(zhì)量具有重要影響,會直接導致經(jīng)濟損失,食品質(zhì)量下降,危害人類健康,引發(fā)一系列環(huán)境問題。重金屬是指密度大于6 g/cm3的金屬元素(部分學者認為重金屬是密度大于5 g/cm3的金屬元素),例如:銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鈷(Co)鎳(Ni)、鎘(Cd)、汞(Hg)、銀(Ag)、鉻(Cr)和其他金屬元素。砷是一種準金屬元素,其化學性質(zhì)與環(huán)境行為與重金屬較為相似。因此,研究人員認為砷屬于重金屬的范疇。無機重金屬污染物可以通過多種途徑進入土壤,例如:污水灌溉、污泥利用、以及大量使用化肥等。根據(jù)國家環(huán)�？偩值慕y(tǒng)計,中國遭受重金屬污染的土地面積接近2000萬公頃,占耕地總面積的20%。根據(jù)中國農(nóng)業(yè)部污水灌溉面積全國調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,全國約有14,000萬公頃的污水灌溉面積,占重金屬污染土壤總面積的34.8%,其中46.7%為輕度污染,9.7%為中度污染,8.47%為重度污染。農(nóng)業(yè)土壤遭受重金屬污染,這導致18.5%的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品無法滿足衛(wèi)生標準,數(shù)千萬噸糧食無法達標。土壤中的重金屬不可生物降解。土壤的重金屬積累轉化之后,就會超過一定的濃度,產(chǎn)生毒性,對地下水、農(nóng)作物和農(nóng)產(chǎn)品都有顯著影響。重金屬會通過食物鏈對人體健康構成威脅。對于植物來說,鎘是非必要元素,但植物對其吸收和轉運功能較強。當植物從土壤或空氣中吸收鎘元素時,其體內(nèi)的生理生化過程會發(fā)生相應的變化,從而影響植物的正常生長發(fā)育。據(jù)報道,鎘對植物有害,但是研究人員尚未對重金屬鎘在生態(tài)系統(tǒng)中的形態(tài),遷移模式,毒性機制等進行研究。此外,環(huán)境條件變化以及植物種類不同對植物體內(nèi)鎘含量的影響尚待研究。一般來說,植物體內(nèi)鎘濃度越高,對植物的有害作用就越顯著,低鎘濃度對植物的生理代謝的影響不顯著。一定濃度的鎘可影響種子的物質(zhì)含量和所需能量,進而抑制種子的發(fā)芽,甚至會有致畸作用;鎘會促進植物的蒸騰強度,影響幼苗的水分代謝;鎘可降低葉綠素含量,造成氣孔開度降低,甚至關閉;植物中鎘的積累會破壞葉綠素的結構,影響光合作用系統(tǒng),降低酶的合成能力,最終導致光合速率下降;植物在鎘的脅迫下,會產(chǎn)生大量的活性氧,導致膜脂過氧化,破壞細胞膜保護系統(tǒng),使植物保護酶(SOD,POD,CAT)變性,失活等。生物炭(Biochar)是生物質(zhì)(例如,秸稈、草、木屑、畜禽糞便等農(nóng)林廢棄物)的不完全燃燒或在缺氧條件下熱解所產(chǎn)生的富含碳顆粒。生物炭在減少溫室氣體排放、土壤改良等應用中潛力巨大,已引起國際環(huán)境界和土壤界的極大關注。生物質(zhì)轉化為生物炭不僅可生產(chǎn)再生能源(合成氣和生物油),同時能夠有效降低大氣中的CO2,可望成為人類應對氣候變化的一條重要途徑,呼吁加強生物炭人為輸入土壤后的環(huán)境行為和環(huán)境效應研究。生物炭施用于土壤可改善土壤結構和性質(zhì),增加土壤保水能力和有機質(zhì)含量(SOM)、改善土壤的通氣條件、提高土壤p H值和陽離子交換容量(CEC);提高土壤肥力、增加作物產(chǎn)量;改善土壤微生物的棲息生長環(huán)境,促進土壤團聚體的形成;提高土壤C/N比,固定大氣中的CO2,同時減少溫室氣體N2O、CH4的排放;生物炭可有效降低土壤中N、P等營養(yǎng)元素的淋溶。生物炭具有孔洞結構、表面電荷和表面官能團(如羧基、羥基、酚羥基、羰基等)等特征,施入土壤后不僅對土壤的結構和性質(zhì)產(chǎn)生影響,也必將影響污染物的遷移轉化行為。研究發(fā)現(xiàn),生物炭具有吸附重金屬的性能,向土壤中添加生物炭可減弱重金屬污染物的遷移性,降低重金屬污染物在植物體內(nèi)的累積水平,有望成為土壤重金屬污染的固定化修復途徑之一。目前,有關生物炭對重金屬污染土壤的固定化修復研究主要集中在以下幾個方面:(1)生物炭對重金屬的吸附規(guī)律、機制及其影響因素。研究表明,生物炭對重金屬的吸附作用除靜電作用和表面吸附外,尚可能存在沉淀作用、表面配位作用等。(2)生物炭對黃土中重金屬的吸附-固定化機理、構效關系、穩(wěn)定性及影響因素。一般地,生物炭施入土壤可顯著增強土壤對重金屬的吸附能力,降低重金屬有效態(tài)含量,減弱其生物有效性。(3)生物炭對土壤-植物系統(tǒng)中重金屬遷移的阻控作用機制、時效性及影響因素。研究表明,土壤中添加一定比例的生物炭,可明顯提高土壤p H值、有機質(zhì)含量、陽離子交換容量等,可阻控重金屬向植物體內(nèi)遷移,降低重金屬對制物的毒害作用,提高作物產(chǎn)量。然而,目前有關生物炭對重金屬植物有效性的研究多集中在植物的生長期和成熟期,對于不同重金屬脅迫下生物炭對種子發(fā)芽的影響研究鮮見。一定濃度的重金屬(如Cd)對種子發(fā)芽具有明顯的抑制作用,那么是否可以通過施加生物炭,以吸附-固定化作用降低體系內(nèi)重金屬的有效濃度,提高種子的發(fā)芽率,改善幼苗的生長狀況?再者,環(huán)境條件對于種子發(fā)芽影響很大。生物炭本身作為外源物質(zhì),其施入后可明顯提升體系的p H值、CEC值、SOM、電導率(EC)等,那么變化后的環(huán)境條件對種子的發(fā)芽影響如何?這些問題尚待研究。因此,本文以西北地區(qū)常見的農(nóng)業(yè)廢棄物-棉花秸稈、玉米秸稈和豬糞為生物質(zhì),分別在300 oC和500 oC下限氧熱解制得生物炭(分別標記為:棉花秸稈生物炭BCM300和BCM500;玉米秸稈生物炭BCY300和BCY500;豬糞生物炭BCZ300和BCZ500),采用培養(yǎng)皿試驗、浸泡試驗和盆栽試驗,研究了不同Cd(II)污染濃度下,施加不同比例的生物炭對種子(白菜、胡蘿卜、玉米和小麥)發(fā)芽率及芽根長的影響,并考察分析相關的影響因素,以期初步探究不同重金屬脅迫下生物炭對種子萌發(fā)的影響。論文的主要研究內(nèi)容和結果如下:(1)不同Cd濃度下生物炭對種子發(fā)芽的影響(培養(yǎng)皿試驗)將50粒經(jīng)消毒處理的種子置于底襯定性濾紙的培養(yǎng)皿(8.5 cm)中,施入不同量的生物炭(0,0.1,0.5和1.0 g/皿),加入20 m L含Cd(II)溶液(0,1,5和10 mg/L,分別標記為Cd0,Cd1,Cd5和Cd10),將樣品置于培養(yǎng)箱中進行發(fā)芽試驗(溫度20±2°C;光照16/8 h;濕度80-90%)。不同處理條件下,體系p H值、電導率(EC)和NH4+呈現(xiàn)不同變化。培養(yǎng)皿中體系的p H值較生物炭的p H值降低(8)。體系EC值隨著生物炭的施用量增加而增大,以BCM300為例,其施加量分別為0.1、0.5和1.0 g/皿時,體系的EC值分別為265、990和1285μS/cm;高溫條件下(500°C)制備的生物炭引起體系EC值升高的幅度較低溫條件下(300°C)制備的生物炭為高,例如,1.0 g BCY500時的EC值為5230μS/cm,而1.0 g BCY300的EC值僅為3120μS/cm。隨著加入Cd(II)溶液濃度的增大,體系EC值升高,以0.5 g/皿BCZ300為例,加入Cd0、Cd1、Cd5和Cd10后體系EC值分別為927、2060、4880和7670μS/cm。生物炭制備溫度與體系EC值亦相關。在1.0 g/皿BCM300+Cd1、1.0 g/皿BCM500+Cd1和BCY300體系中NH4+有較明顯的檢出,其余體系下NH4+濃度極低或未檢出。生物炭施加體系下,溶液中有效Cd(II)濃度隨著生物炭的施加量增大而降低,例如BCZ500+Cd5體系下,有效Cd(II)濃度隨BCZ500施加量(0.1、0.5和1.0 g/皿)的增大依次下降為46.07、45.63和44.14?g/m L。在生物炭施加量較低的情況下(0.1 g/皿),其對白菜(Brassica rapa L.)和胡蘿卜(Daucus carota L.)種子發(fā)芽無影響或略有促進,但在高施加量的情況下(0.5和1.0 g/皿),白菜和胡蘿卜種子發(fā)芽率降低。例如,0.1 g/皿BCM500下,白菜的發(fā)芽率較對照(94%)提高至98%;0.1 g/皿BCZ500和BCY300下,胡蘿卜的發(fā)芽率較對照(68%)分別提高至70%和76%,但0.1 g/皿BCM500對胡蘿卜發(fā)芽率無顯著影響;1.0 g/皿BCY500下,胡蘿卜的發(fā)芽率最低。對于小麥,施加少量生物炭(0.1 g/皿)均提升了其發(fā)芽率,較對照(48%)而言,0.1 g/皿BCZ300,BCZ500,BCM300,BCM500和BCY500存在下,發(fā)芽率分別為60%,56%,68%,64%和68%。對于玉米,0.1 g/皿生物炭對其發(fā)芽率沒有顯著影響或有略微的降低。例如,對照條件下玉米發(fā)芽率為92%,0.1g/皿BCZ300、BCZ500、BCY300、BCM300、BCM500和BCY500條件下,玉米發(fā)芽率分別為92%、90%、92%、86%、84%和84%。隨著生物炭施加量增大(0.5和1.0 g/皿),玉米發(fā)芽率顯著降低。隨著Cd(II)濃度增大,不同種子的發(fā)芽率均降低,例如Cd5條件下,玉米種子發(fā)芽率極低,Cd10條件下,玉米種子無發(fā)芽。隨著Cd(II)濃度從1.0 mg/L增大至10 mg/L時,白菜芽根長縮短;在BCZ500體系下,胡蘿卜根長隨著Cd(II)濃度(1,5和10 mg/L)的增大而縮短。在0.1 g/皿BCY300、BCY500和Cd(II)濃度分別為1,5和10 mg/L體系下,白菜根長較無生物炭情況下增長,但仍不及對照條件下的根長。這表明,生物炭的施入可減弱Cd(II)對種子根長的影響,但生物炭自身對芽根長的影響不可忽略。Pearson相關系數(shù)結果顯示,白菜、胡蘿卜的發(fā)芽率和根長與體系p H值、EC值、有效Cd(II)濃度和NH4+濃度之間的相關性強度較低(r0.2)。(2)不同Cd濃度下生物炭對種子發(fā)芽的影響(浸泡試驗)將50粒經(jīng)消毒處理的白菜(或小麥Triticum aestivum L.)種子置入塑料瓶中,以相對于溶液質(zhì)量0,0.5%,1%和2%的量施入生物炭,加入50 m L的去離子水(或10 mg/L的Cd(II)溶液),將樣品置于溫度20±2?C和濕度約50%的室內(nèi)進行發(fā)芽試驗。無Cd(II)存在下,體系的p H值在6.54-9.07范圍內(nèi),生物炭和Cd(II)同時存在下,體系的p H值降低至5.28-7.01的范圍內(nèi);總體上,隨著生物炭加入量的增大,體系p H值升高。類似地,隨著生物炭加入量的增大,體系EC值升高。例如,0.5%、1%和2%的BCZ300體系的EC值分別為1253、1805和3772μS/cm。10 mg/L Cd(II)存在下,體系EC值明顯升高(例如,0.5%BCM300 1430μS/cm,1%BCM300 2410μS/cm,2%BCM300 2960μS/cm,而0.5%BCM300+Cd10 12460μS/cm,1%BCM300+Cd10,12230μS/cm,2%BCM300+Cd10 11980μS/cm)。無Cd(II)條件下,加入生物炭,體系中NH4+均有檢出,且隨著生物炭加入量的增大,NH4+濃度增大。但是,Cd(II)和生物炭共存時,體系中NH4+無檢出。隨著生物炭施用量的增大,體系中有效Cd(II)濃度下降(例如,0.5%BCM300+Cd10=49.01μg/m L,1%BCM300+Cd10=48.47μg/m L,2%BCM300+Cd10=45.20μg/m L)。無Cd(II)時,隨著生物炭加入量的增大,白菜和小麥的發(fā)芽率及根長均減小。例如,0.5,1.0和2.0%BCM300下,白菜芽的根長分別為68%,52%和18%。在Cd10存在下,這種變化趨勢依然存在,而且Cd10會進一步降低發(fā)芽率及根長。以白菜大發(fā)芽情況為例,0.5%BCZ500時為80%,而2%BCZ500+Cd10時僅為18%;以白菜芽根長情況為例,0.5%BCZ500時為70.4 cm,而2%BCZ500+Cd10時僅為11.3 cm。當Cd10存在、且生物炭用量較大時,根長狀況最差,如白菜1%BCZ300+Cd10 12.5 cm,小麥1%BCZ300+Cd10 10.6 cm;白菜2%BCZ500+Cd10 11.3,小麥2%BCZ500+Cd10 10.4cm;白菜2%BCM500+Cd10 10.5 cm,白菜2%BCY500+Cd10 8.8 cm。Pearson相關系數(shù)結果顯示,白菜發(fā)芽率及根長與體系的p H值呈現(xiàn)弱正相關(0.2r0.29),白菜、小麥的發(fā)芽率及根長與體系的EC值和有效Cd(II)濃度分別呈較強的負相關(0.40r0.69),而與NH4+濃度相關系較差(0r1.9)。(3)不同Cd濃度下生物炭對種子發(fā)芽的影響(盆栽試驗)以黃土為受試土壤,過2 mm篩,混勻。將土壤填裝入直徑14 cm高8 cm的塑料花盆中,倒入500 m L 10 mg/L的Cd Cl2溶液,混勻,放置過夜;以質(zhì)量比0,0.5%,1%和2%的比例加入生物炭,混勻(以S標記土壤)。將50粒經(jīng)消毒處理的白菜(或小麥)種子置入花盆中,定期補充水分,控制室溫19±2?C,12天后觀測種子發(fā)芽率及根長。隨生物炭施入量的增大,體系p H值呈現(xiàn)升高的趨勢。例如,SBCZ500 0.5%=7.46,SBCZ500 1%=7.58,SBCZ500 2%=7.73,SBCZ500 0.5%+Cd10=6.98,SBCZ500 1%+Cd10=7.07,SBCZ500 2%+Cd10=7.21。體系EC值亦呈現(xiàn)相同的變化趨勢。例如,SBCY300 0.5%=350μS/cm,SBCY300 1%=680μS/cm,SBCY300 2%=763μS/cm;SBCY300 0.5%+Cd10=5480μS/cm,SBCY300 1%+Cd10=6290μS/cm,SBCY300 2%+Cd10=6979μS/cm。生物炭制備溫度升高,相應地土壤EC值也高(如SBCZ300 1%=365μS/cm,SBCZ500 1%=742μS/cm)。除SBCZ300和SBCM300(Cd10存在或不存在)外,其余樣品中NH4+均有檢出。土壤浸提液(以去離子水)中Cd(II)濃度隨生物炭施入量增大有降低的趨勢。例如,SBCZ500 0.5%+Cd10=39.15μg/m L,SBCZ500 1%+Cd10=39.01μg/m L,SBCZ500 2%+Cd10=35.21μg/m L。發(fā)芽率與根長的結果表明,在Cd(II)污染條件下,隨著生物炭施加量的增大,白菜和小麥的發(fā)芽率和根長均增大。例如,對于小麥,其最大根長與發(fā)芽率(G)出現(xiàn)在生物炭+Cd10的情況下。例如,SBCZ500 2%+Cd10=62.3(G 70%),SBCM500 2%+Cd10=59.70(G 70%),SBCY500 2%+Cd10=62.50(G 64%)。對于白菜,則有SBCZ5002%+Cd10=12.8(G 30%),SBCY500 2%+Cd10=16.6(G 30%)。Pearson相關系數(shù)結果顯示,種子發(fā)芽率與根長與體系p H值呈現(xiàn)弱負相關(-0.2r-0.29),與EC值和Cd(II)濃度呈現(xiàn)較強正相關(0.40r0.69),與NH4+濃度相關系較差(0r-0.19)�？偨Y了以下結論:1)反應溫度是控制碳原材料性質(zhì)的重要因素,溫度越高,原料分解越充分,生物質(zhì)炭的產(chǎn)量下降,其碳含量越高,在高溫下形成的孔隙結構相對穩(wěn)定,PH值也有所增加;2)生物炭中含有大量植物生長所必需的元素,特別是碳。同時,添加生物質(zhì)炭對種子萌發(fā)的抑制作用不明顯,從數(shù)據(jù)中,實驗組的芽長和發(fā)芽率下降(在無土培養(yǎng)皿實驗和水),可能是由于以下因素:生物炭添加可附著在種子表面,種子的呼吸作用的影響,并一定程度上抑制種子萌發(fā);生物量碳主要是酸性或堿性,在種子萌發(fā)階段可能有或多或少的影響。上述因素都能影響植物種子萌發(fā)的因素,由于本試驗的水平有限,未能對各因素進行分離的實驗分析,因此不能排除這些因素的影響;3)所有生物炭沒有對種子萌發(fā)和早期生長有顯著影響,這表明生物炭可以作為一個合格的土壤修復材料;改性生物質(zhì)碳由于表面官能團添加重金屬的吸附后使重金屬的毒性顯著降低,從而降低土壤中重金屬的毒性,這本身對植物沒有顯著影響,說明重金屬污染土壤修復效果好;基于發(fā)現(xiàn)干碳量影響種子發(fā)芽和根長度的實驗研究,但生物炭明顯降低(在無土培養(yǎng)皿實驗和水)和增加(與土壤盆栽)這些指標。可以推斷,生物炭對植株的生長有消極和積極的影響,在相同的碳量是合格的土壤修復劑,可應用于土壤和水。
【學位授予單位】：蘭州交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X53

【參考文獻】

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本文編號：1228433