不同外源有机物对旱地土壤中铬的还原与固定机制研究

The high ecological risk of hexavalent chromium (Cr(VI)) in dryland soils is mainly related to soil prpperties including high pH and low organic matter concentration. The Cr(VI) is of high biotoxicity and oxidizability, and can be easily reduced to trivalent chromium (Cr(III)) of low biotoxicity under receiving electron and hydrogen ion. The organic matter is a good electron donor for reduciton of Cr(VI) in dryland soils. The project focuses on fuction of main agricultural watses (i.e., maize straw and peanut shell) by different processing method on reduction and immobilization of Cr in dryland soils (i.e., brown earth and cinnamon soil) in Liaoning area, China. The chemical extraction technology in combination with X-ray absorption near edge structure (XANES) will be applied to investigate mainly: (1) the effect of different temperature and burned time for biomass carbonization of maize straw and peanut shell on reduction of Cr(VI) and immobilization of Cr(III) in dryland soils; (2) the effect of different processing method (i.e., compost, grinding and biomass carbonization) of agricultural watses on the reduction of Cr(VI) in dryland soils; (3) the relationships between dose of reduced chromium (VI) added to soils by different organic matter and toxicity response of wheat shoot growth as well as main controlling factors on them. The aim of this project is to clarify the mechanism of organic matters from different sources affecting Cr speciation transformation and its bioavailability in dryland soils. The results of the project will supply the strong scientific basis for the remediation of Cr contaminted soils in Liaoning area, China.

本项目针对旱地土壤上pH较高、有机质含量较低等铬的高风险问题，以旱地土壤中铬的影响因素为切入点，围绕土壤中铬的形态变化与毒性强弱的量化关系，利用2个代表辽宁主要污染地区的土壤类型及主要农业废弃物为研究对象，采用先进的化学浸提法、同步辐射光谱技术（XANES）结合植物毒害评价方法，主要研究：1）不同农业废弃物的炭化条件对旱地土壤中外源铬的还原与固定能力的影响；2）不同处理方式的农业废弃物因性质差异引起的铬还原与吸附能力的差异；3）不同旱地土壤上有效态铬含量与植物毒性的关系以及植物毒害的主控因素；阐明不同性质的有机物质对土壤中铬的形态转化及生物有效性的影响机理，以期为辽宁地区旱地土壤铬污染修复提供切实的理论支撑。

有机物可以作为一种有效的吸附剂同时提供碳源及电子，促进高毒价态的Cr(VI)向低毒价态的Cr(III)转化。将农业废弃物炭化不仅可以减少其向大气排放CO2的风险，也可以提高其固定土壤中重金属的能力。本研究采用室内吸附动力学与温室盆栽试验相结合的方法，重点讨论：1）不同原材料、不同裂解温度制备的生物炭在物理化学性质上的差异，以及对土壤中Cr(VI)的还原能力的影响；2）不同处理方式（粉碎、炭化、腐熟）的农业废弃物对土壤中Cr(VI)的还原能力的影响。并通过温室内小麦植株生长情况，进一步确定Cr(VI)污染土壤的有机修复材料。通过3年的研究，了解了Cr不同价态之间的转换条件与毒性变化的理论基础，取得了以下主要研究结果：.1.生物炭的性质随原材料、裂解温度不同变化很大，其对Cr(VI)的还原能力差别很大。玉米秸秆生物炭由于比花生壳生物炭具有较低的pH及更大的比表面积，对Cr(VI)的还原能力更强。由于温度越高，生物炭炭化程度越强、结构越稳定，有机活性官能团越少，pH越高，因此对Cr(VI)的还原能力越低。.2.不同处理方式的农业废弃物对Cr(VI)的还原能力差别很大。秸秆粉末的还原能力最强，其次是低温裂解生物炭产物，最差的为腐熟的秸秆材料；土壤性质的差异对有机物还原Cr(VI)的能力影响显著。棕壤上，秸秆粉末与其低温裂解生物炭产物效果相当；褐土中，秸秆粉末显著高于生物炭对Cr(VI)的还原能力。.3.从温室内小麦生长发育指标发现，Cr(VI)的植物毒性与秸秆的处理方式、土壤性质及其污染程度三者有关。棕壤中，秸秆粉末与低温裂解的生物炭效果相当；褐土中，秸秆粉末的效果最佳，这与室内还原动力学试验结果一致。此外，在污染较轻的棕壤中，秸秆粉末与低温生物炭效果相当，而在污染较重的棕壤中，秸秆粉末的还原能力优于低温生物炭。研究结果明确了普通秸秆、生物炭材料对污染土壤中Cr(VI)毒性降低的影响，进一步明确了即使不经过炭化过程，秸秆粉末对Cr(VI)毒性降低同样具有不可忽视的作用。