科技日報記者 馬愛平
近日，農業農村部環境保護科研監測所重金屬生態毒理與污染修復創新團隊研究發現，通過向土壤中添加鈣基改性生物炭，并種植低鎘積累玉米品種，可以有效修復堿性鎘污染土壤，該研究為堿性鎘污染土壤的修復和土壤生態環境的改善提供了理論依據。相關研究成果發表在《土壤和耕作研究》上。
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測序結果表明，鈣基改性生物炭改變了微生物群落結構和組成，主要表現為物種數目和多樣性指數以及優勢物種相對豐度顯著增加。該技術在堿性鎘污染土壤的安全利用和改善農業土壤微生態環境方面具有良好的應用潛力。
生物炭表面改性可增加對重金屬的吸附能力
在過去的幾十年里，由于具有固碳、提高土壤肥力和固定污染物的優勢，生物炭已被廣泛用于修復不同類型的重金屬污染土壤，但原始生物炭修復高濃度重金屬污染物的能力可能有限。
論文通訊作者、農業農村部環境保護科研監測所研究員孫約兵表示，大量研究表明，生物炭的表面改性可以優化其理化性質和對重金屬的吸附能力。生物炭的表面改性可以通過不同的方式實現，主要包括蒸汽活化、熱處理、酸性/堿性改性和金屬鹽或氧化物的浸漬。
據報道，由于對重金屬脅迫的抗性和耐受性存在差異，不同品種的作物對重金屬的吸收和富集能力存在明顯差異。
“適當選擇低鎘積累玉米品種并結合改良劑，可以有效減少鎘向作物地上部分的積累和遷移，這可能會成功提高玉米在堿性鎘污染土壤中的鎘耐受性。”孫約兵指出。
重金屬在土壤中的分布、遷移和生物利用度與各種土壤因素密切相關。除了經常被提及的土壤pH值、鹽度、有機質含量和氧化還原電位等因素外，土壤團聚體還可以對重金屬在土壤顆粒中的分布起決定性作用。許多研究表明，由于物理化學特性的不同，土壤團聚體的各種顆粒對重金屬的吸附能力可能不同。
“團聚體是土壤的重要組成部分,也是土壤結構的基本單位。了解重金屬在土壤團聚體中的分布和遷移，可以幫助我們科學有效調節重金屬的含量。”孫約兵說。
為堿性鎘污染耕地安全利用提供指導
土壤微生物作為土壤理化過程的主要調節因子，在養分循環、肥力提高和固碳等方面發揮著關鍵作用。生物炭由于具有巨大的比表面積和孔隙體積，可以為微生物提供棲息地和庇護所。
此外，生物炭中的有效水溶性營養素等會影響微生物活性，可能會改變土壤微生物棲息地的物理化學性質，從而改變土壤微生物群落結構。此前，研究人員發現，添加生物炭可以增加土壤養分含量和有機碳礦化，導致土壤微生物活性和群落結構發生明顯變化。
論文第一作者、農業農村部環境保護科研監測所博士研究生孫彤介紹，本研究通過田間試驗，從微觀角度探討了鈣基改性生物炭和低鎘積累品種組合管理對土壤中鎘的生物利用度、玉米籽粒鎘積累和微生物生態功能修復效果的影響。研究結論將為今后使用鈣基改性生物炭作為土壤改良劑，為堿性鎘污染耕地修復和安全利用提供實用指導。
“為了研究鈣基改性生物炭與低鎘積累品種偶聯對弱堿性鎘污染農田的修復效果，我們進行了田間試驗，探討了土壤團聚體中鎘的分布、玉米籽粒對鎘的吸收以及土壤微生物群落的狀況。結果表明，鈣基改性生物炭處理可使大塊土壤和土壤團聚體中的有效鎘分別減少12.09%—16.20%和3.67%—24.72%。粒徑組分金屬負荷和分布因子分析表明，鎘優先富集在土壤中的細顆粒組分上，鈣基改性生物炭促進了鎘從微團聚體向大團聚體的再分配。”孫彤說。
與對照組相比，添加鈣基改性生物炭后，低鎘積累玉米品種農玉16和三北218籽粒中的鎘含量分別顯著降低37.55%—50.80%和23.60%—51.20%。高通量測序結果表明，添加鈣基改性生物炭后，種植低鎘積累玉米品種農玉16和三北218的土壤微生物群落結構和組成發生了顯著變化，其特征是操作分類單元數量、α多樣性指數和優勢門豐度顯著增加。
“研究結果表明，鈣基改性生物炭與低鎘積累玉米聯合管理是修復弱堿性鎘污染土壤的有效途徑，有利于保障糧食質量安全，改善土壤生態環境功能。”孫約兵說。
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