农业环境科学学报杂志

农业环境科学学报杂志2022年第7期

• 有机酸对土壤磷的活化利用研究进展

  魏丹,杨华薇,陈延华,吕春玲,毕睿忻,张馨元,马茂亭

  近年来,随着磷肥的大量投入,我国农田土壤中的磷大量累积且呈增长趋势,进而加剧了水体污染和磷矿耗竭的风险,因此,合理利用土壤中的累积磷对农业生产可持续发展和生态环境保护至关重要。本文运用VOSviewer关键词共现分析、数据统计分析等方法,对土壤磷活化文献进行了分析,包括有机酸的种类、有机酸活化磷素的研究概况、有机酸活化磷素的效果、影响因素及活化机制。结果表明:有机酸活化磷的研究在国际上依然是热点;有机酸可以通过促进高稳性磷向活性磷转化,显著提高土壤有效磷含量,提高幅度达到10~1 000倍;有机酸的活化效果受其种类、浓度以及土壤类型的影响,其中柠檬酸和草酸在众多有机酸中的活化效果最为显著,且磷素活化量随有机酸浓度的升高而增加;在石灰性和中性土壤上草酸的活化效果最强,在酸性土壤上柠檬酸的活化效果最强;活化机制主要包括酸溶解作用、络合作用和竞争吸附,三者协同作用促进磷素活化。在此基础上,对有机酸活化土壤磷素进行了总结及展望,以期为我国土壤磷资源的高效利用及水环境保护提供理论依据和实践方法。

• 聚乙烯微塑料对花生幼苗镉吸收及生理特征的影响

  宗海英,刘君,郭晓红,李萌,黄小丽,王芳丽,宋宁宁

  为探讨地膜源微塑料和镉(Cd)复合污染对作物生理特性及吸收Cd的影响,以聚乙烯微塑料(PE)和Cd为试验材料,采用液配试验探究PE (50 mg·L-1和200 mg·L-1)和Cd (25 μmol·L-1和100 μmol·L-1)单一及复合污染条件下花生幼苗丙二醛(MDA)含量、抗氧化酶活性、根系活力及Cd含量的变化。结果表明,PE单一处理时,50 mg·L-1 PE显著提高了花生生物量,而200 mg·L-1 PE显著提高了花生体内MDA含量,并抑制了花生根系活力,降低了花生生物量。PE和Cd共存时,与不添加PE相比,两种浓度(50mg·L-1和200 mg·L-1) PE均显著诱导了花生体内MDA的产生,且不同程度提高了花生抗氧化酶活性,抑制了根系活力、显著降低了花生生物量和促进了花生对Cd的吸收,尤其是Cd浓度为100 mg·L-1时,50 mg·L-1和200 mg·L-1PE使得花生根系Cd吸收提高幅度分别为60.9%和78.8%。双因素分析显示,PE和Cd交互对花生幼苗生理特征和Cd吸收有显著影响,说明PE和Cd复合污染对作物的毒性产生协同作用。

• L-天冬氨酸纳米钙促进油菜生长的机理机制

  侯佳玉,闫磊,程锦,曾紫君,张雅茹,鲁克嵩,姜存仓

  为揭示外源L-天冬氨酸纳米钙[Ca (L-asp)-NPs]对作物生长的影响,以油菜为供试材料,通过水培试验,研究了不同浓度(0、25、50、75、100 mg·L-1)的Ca (L-asp)-NPs和钙离子[1.18 g·L-1 Ca (NO3)2·4H2O]对植株生物量、根系形态、钙含量、叶绿素、光合参数、丙二醛和可溶性蛋白含量的影响。结果表明:较低浓度(25、50 mg·L-1)的Ca (L-asp)-NPs对油菜生长影响不显著,较高浓度(100 mg·L-1)的Ca (L-asp)-NPs会提高植株生物量(如株高和根长)。与不施钙相比,Ca (L-asp)-NPs施用会促进油菜根系的生长,增加叶绿素含量,提高叶片光合速率,100 mg·L-1 Ca (L-asp)-NPs处理下油菜总根长、总表面积和根尖数分别增加了76.08%、30.78%和1 107.31%;净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率则分别提高了295.31%、31.90%、1 158.03%和376.74%。另外,Ca (L-asp)-NPs的施用会降低叶片丙二醛含量,提高可溶性蛋白含量。研究表明,外源Ca (L-asp)-NPs可以作为纳米肥料为油菜补充钙营养,100 mg·L-1 Ca (L-asp)-NPs对油菜生长的促进效果最佳,油菜长势最接近于适宜钙水平。Ca (L-asp)-NPs具有作为新型纳米钙肥料在农业生产中推广的潜力。

• 氧化石墨烯和多环芳烃复合暴露诱导成年斑马鱼脑组织毒性及其代谢研究

  孙晶,李伟,丛瑞,胡献刚,欧阳少虎

  为研究氧化石墨烯(Grapheneoxide,GO)和多环芳烃(Polycyclicaromatic hydrocarbons,PAHs)共暴露诱发的水生生态毒性效应及相关代谢机理,使用成年斑马鱼为动物模型,研究不同浓度GO (0.01、0.1 mg·L-1)、PAHs (含16种优控PAHs,每种PAHs的浓度均为5 μg·L-1)单独暴露,以及相应浓度的GO-PAHs复合暴露21 d对成年斑马鱼脑组织的毒性及代谢的影响。斑马鱼脑组织酶响应结果表明,0.1 mg·L-1 GO和0.1 mg·L-1 GO-PAHs处理会显著(P<0.05)降低多环芳烃受体活性,除PAHs组外,其他处理组细胞色素P4501A1(CYP1A1)酶的含量均显著降低。代谢组学分析结果表明,0.1mg·L-1 GO组和0.1 mg·L-1 GO-PAHs复合暴露组均会对斑马鱼脑组织的氨基酸和脂肪酸代谢产生显著影响。此外,与GO和PAHs单独暴露组相比,GO-PAHs复合暴露组的酶响应和诱导产生的代谢物水平与GO处理组更相近,说明GO和PAHs复合暴露时,GO在成年斑马鱼脑组织中的代谢毒性效应占主导。

• 基于多评估方法的县域镉污染风险管控研究

  刘鹏祺,徐东昊,李亚琳,蔡泽江,文石林,徐明岗,朱齐超

  为支撑区域尺度重金属镉(Cd)污染农田的分区管理决策,以湖南省某典型粮食大县为案例,通过区域网格采集土壤和水稻样品,分析县域Cd污染空间分布特征,结合单因子评价、地累积指数法和人体健康风险法,评估该县Cd污染风险。结果表明:不同评价方法对Cd污染风险区划分差异较大。单因子指数法显示该县仅有5.9%的区域存在污染风险,地累积指数法显示该县29.2%的区域存在污染风险,主要分布于中东部。而健康风险评估法显示全县分别有90.0%和82.7%的区域对儿童和成人存在Cd污染风险,风险面积最大,主要位于该县中东部和南部区域。情景分析显示,土壤酸化改良是降低酸性中轻度Cd污染农田风险的有效措施,酸化改良可减少22.0%~37.8%的风险区域。研究表明,在南方酸性土壤地区,应强化以人体健康为导向的区域Cd污染风险管理方案,并结合酸化农田改良降低中轻度Cd污染地区的污染风险,促进Cd污染农田安全利用。

• 风干和冻干对稻田土壤镉形态分析的影响

  卢兰,唐开钊,吴聪,王帅,廖文娟,尹力初,周卫军,崔浩杰

  稻田土壤样品自然风干和冷冻干燥处理,是目前稻田土壤中镉形态分析过程中广泛采用的两种前处理方法,然而,风干和冻干处理对不同施肥稻田土壤镉形态分析的影响规律及机制的影响尚不明确。本研究以长期不同施肥稻田土壤为研究对象,通过对比自然风干和冷冻干燥稻田土壤样品,探讨了两种干燥方式对稻田土壤镉形态变化和化学提取有效镉含量的影响规律及机制。结果表明:不同施肥稻田土壤冷冻干燥样品中化学提取有效态镉含量均明显低于自然风干样品,长期施用化肥和高量有机肥稻田土壤有效态镉提取量差异分别达到56.5%~69.2%和50.8%~66.3%;而长期施用常量有机肥的稻田土壤有效态镉提取量差异为16.9%~22.3%。与自然风干样品相比,冷冻干燥处理的长期施用化肥和高量有机肥稻田土壤可交换态、有机结合态和铁锰氧化物结合态镉含量变化明显,而长期施用常量有机肥稻田土壤中可交换态和碳酸盐结合态镉含量变化较明显。两种干燥方式下土壤颗粒大小分布差异对土壤有效态镉提取影响较小。相关分析表明,风干和冻干过程中土壤pH、有机质、交换态铁和水铁矿性质变化对有效态镉提取的影响较大。干燥方式可显著影响长期不同施肥稻田土壤镉的形态及化学提取有效态镉的数量,在分析稻田土壤有效态镉含量时应注意干燥方式对不同土壤和提取剂提取效果的影响。

• 台州市典型电子垃圾拆解场地周边农田土壤重金属污染特征和来源解析

  郑宇娜,刘鹏,刘金河,周长瑞,王琪,冯美云,刘冠宏,朱旭东,林匡飞

  为分析台州市电子垃圾拆解场地周边农田土壤中重金属污染特征和来源贡献,在2021年3月采集研究区230个表层(0~20 cm)农田土壤,测定了样品中9种重金属(Cr、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb)元素含量。通过污染负荷指数(PLI)和潜在生态风险指数(RI)分析重金属的生态风险,并利用地统计、多变量统计和正定矩阵(PMF)模型相结合的方法探究该区域土壤重金属来源。结果表明:研究区域周边农田土壤中Cd的污染水平最高,中位数超过了其农用地土壤污染风险筛选值,超标率达到了75.65%。另外,Cr和Cu的超标率也较高,分别为27.39%和42.61%。综合污染负荷指数显示,16.96%和7.39%的样本分别属于中度污染和严重污染,而在潜在风险指数中,55.22%的样本属于中等风险,34.78%的样本属于重度以上风险。地统计、多变量统计和PMF模型综合结果表明,该区域土壤中9种重金属的来源可归为4类:Cr、Co和Ni主要来源于自然源;As主要来源于农业源;Zn、Cu、Cd和Pb主要来源于金属冶炼源,集中分布在电子垃圾拆解历史遗留场地周边的农田土壤中;Hg主要来源于燃煤和工业源。

• 电子废弃物拆解污染土壤施用污泥发酵渣对香根草吸收与转运重金属的影响

  郭江山,顾卫华,白建峰,董滨,庄绪宁,赵静,王景伟

  为探究施用污泥高温好氧发酵渣(以下简称"发酵渣")对电子废弃物拆解污染土壤改良和植被恢复的影响,通过盆栽试验比较添加不同剂量发酵渣(3%和6%)对土壤有机质、养分、重金属形态及香根草吸收与转运重金属等的影响。结果显示:施用发酵渣显著提高了土壤溶解性有机质的荧光指数和在226~400 nm范围内的紫外吸光度积分值,但显著降低了自生源指数;显著提高了土壤电导率、有效磷和速效钾含量,但显著降低了土壤pH。与未修复土壤相比,所有处理(含不添加发酵渣的CK处理)均提高了重金属稳定态比例;与CK相比,施用发酵渣显著提高了Cu、Pb、Zn和Cd的稳定态比例,增幅分别为4.8~7.3、7.8~9.0、3.7~6.4个和1.8~4.0个百分点。施用发酵渣促进了香根草生长,其中3%添加量处理使香根草鲜质量、株高和叶绿素a+b含量分别显著增加8.2%、11.9%和6.6%,但6%添加量处理对株高和叶绿素a+b含量的提高效果不显著。施用发酵渣降低了香根草中Cu、Cd、Zn和Pb的富集量,降幅分别为10.4%~20.6%、24.0%~52.0%、2.5%~5.1%和12.4%~23.6%;抑制了香根草对Cu、Zn和Pb向地上部转运,但促进了Cd向地上部转运。研究表明,施用污泥发酵渣可以改良土壤性状,促进重金属稳定和香根草生长,具有污染场地土壤生态修复的应用潜力。

• 连续施用改性生物质炭对镉铅土壤修复效果及其对微生物群落结构的影响

  杨素勤,魏森,张彪,李煊桢,张玉鹏,马振华,宁欣杰,魏宏杨

  为探究磷酸改性生物质炭对石灰性污染土壤重金属的稳定效果及对微生物群落结构的影响,于2015-2019年选择豫北某地污染农田土壤开展连续5 a的定位试验。研究选用磷酸改性稻壳生物质炭为土壤调理剂,设置土壤调理剂不同年限的连续施用处理,分析土壤有效态镉、铅含量及小麦籽粒镉、铅含量,以探究调理剂钝化效果的持续性,借助高通量测序技术测定连续施用调理剂对耕地土壤微生物群落结构的影响。结果表明:本研究选用的磷酸改性稻壳生物质炭虽一定程度上降低了石灰性土壤的pH,但土壤中有效态镉、铅含量显著减少,不同年限连续施用土壤调理剂最终都能显著抑制小麦籽粒中镉、铅的积累。与不添加土壤调理剂的对照处理相比,各处理土壤有效态镉、铅含量分别降低32%~46%和24%~36%,小麦籽粒镉、铅含量降幅为17%~43%和9%~35%。此外,调理剂显著提升了细菌Pseudolabrys和Nordella以及真菌Mortierella的丰度,降低了细菌Nocardioides和Bryobacter以及真菌Gibberella和Sarocladium的丰度。研究表明,连续施用5 a调理剂后小麦籽粒镉含量达到最低值,施加调理剂3 a即可显著降低小麦籽粒中铅含量;施用调理剂对土壤微生物群落结构产生一定的影响,改善了土壤细菌群落的多样性及丰富度。

• 蚯蚓对不同pH值土壤中铬赋存及细菌群落的影响特征

  王浩羽,韦杰,孙进宇,宋言,顾强,宓文海,居静,赵海涛,封克

  为明确蚯蚓活动对不同酸碱性土壤中铬(Cr)赋存和细菌群落的影响,采用控制试验探究了赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)对不同酸碱性(酸性pH 5.88、中性pH 7.55、碱性pH 8.97)、不同Cr含量(15 mg kg-1和50 mgkg-1)土壤中Cr赋存形态和细菌群落的影响。结果表明:接种蚯蚓后,土壤pH值向中性转变,低Cr含量土壤的pH值变化量大于高Cr含量土壤;相比于酸性和碱性土壤,接种蚯蚓后中性土壤中的Cr去除率最高,低Cr含量中性土壤的Cr去除率达62.74%,高Cr含量中性土壤的Cr去除率达37.51%;接种蚯蚓后,土壤中酸可提取态Cr的含量显著增加,残渣态Cr的含量显著降低;接种蚯蚓提高了酸性土壤中变形菌门的丰度、降低了放线菌门的丰度,提高了中性和碱性土壤中放线菌门的丰度,降低了变形菌门和拟杆菌门的丰度,显著提高了土壤细菌群落的丰度(Chao指数和ACE指数),但显著降低了其多样性(Shannon指数)。综上,蚯蚓通过摄食和被动扩散作用对中性土壤中Cr的富集、移除效果优于对酸性和碱性土壤,接种蚯蚓能够有效提升土壤中Cr的生物有效性,改变土壤的细菌群落结构。

• 分次施用碱性肥料对土壤pH及土壤镉有效性的影

  曹巧滢,詹曜玮,丁尔全,高诚祥,张立丹,樊小林

  为探究碱性肥料治酸改土的效果,以碱性肥料为供试肥料,以湖南松柏村典型镉污染农田土为供试土壤,以镉高累积菜心"特青四号"及镉低累积菜心"绿宝"为供试作物,设置不施氮对照CK、碱性肥料及尿素三个处理,研究盆栽条件下,分次施用碱性肥料对土壤pH及土壤镉生物有效性的影响。结果表明:分次施用碱性肥料能在移栽后65 d内使土壤pH维持在较高的水平,特青四号盆栽施用碱性肥料处理土壤的pH分别比尿素及CK处理的高出0.61个及0.20个单位,绿宝盆栽施用碱性肥料处理土壤的pH分别比尿素及CK的高出0.36个及0.12个单位;分次施肥65 d内,各取样时期施用碱性肥料处理土壤的有效镉含量均显著低于CK。而65 d时,特青四号及绿宝盆栽碱性肥料处理的有效镉含量与施用尿素处理相比分别降低了0.11 mg·kg-1和0.08 mg·kg-1;与CK相比,尿素及碱性肥料均能显著提高菜心氮量;分次施肥条件下,施用尿素及碱性肥料均能显著降低菜心镉含量。研究表明,在镉污染农田土壤中施用碱性肥料,不仅能提高菜心生物量,保证土壤供氮,还能长效提高土壤pH并降低土壤有效镉含量。

• 土壤矿物与生物炭可溶性组分的交互作用及机制

  秦晶晶,刘玉学,何莉莉,汪玉瑛,吕豪豪,陈立天,杨生茂

  为探究生物炭可溶性组分与土壤矿物的交互作用,进而从矿物角度揭示生物炭在土壤中的稳定机制,以水稻秸秆为生物质原料制备不同炭化温度的生物炭(RS300、RS500和RS700),选用高岭石、蒙脱石和伊利石3种土壤矿物,开展土壤矿物与生物炭可溶性组分的吸附结合实验。结果表明:随生物炭可溶性组分碳浓度的升高,土壤矿物对其吸附量逐渐增加,3种土壤矿物的吸附量顺序总体为蒙脱石>伊利石>高岭石,这与土壤矿物的自身结构直接相关。高岭石、蒙脱石对生物炭可溶性组分的结合机制以范德华力为主,其贡献比例分别为3.4%~87.0%和32.0%~82.0%;而伊利石与RS300可溶性组分的吸附结合作用以Ca2+架桥为主(贡献比例为60.4%~70.6%),与RS500和RS700可溶性组分的结合以范德华力为主(贡献比例分别为18.7%~65.0%和53.0%~67.6%)。经综合对比分析,RS500通过与蒙脱石的交互结合,最大程度上抑制了可溶性组分的溶解,有利于更好地发挥生物炭的固碳减排优势。

• 江西省农田灰水足迹时空分析

  傅春,陈毓迪,刘业忠,李帆,黄金燕

  为更好地分析江西省农田氮磷污染时间变化趋势和空间分布特征,本文基于《江西统计年鉴》和各地方统计年鉴的相关数据,运用地理信息系统(ArcGIS)和《全国农田面源污染排放系数手册》测算出不同地区氮磷污染流失系数,结合灰水足迹核算方法,对江西省及各县区2000-2020年的灰水足迹及其强度进行计算分析。结果表明:在过去21 a间,江西省农田氮磷灰水足迹总体呈先增后降的变化趋势,氮肥和磷肥灰水足迹峰值分别出现在2011年和2015年;折算后磷肥灰水足迹大于折算后氮肥灰水足迹,因而磷是江西省农田生产的主要污染物,年化肥施用量中占比最大的复合肥是主要污染源;农田氮磷污染物灰水足迹及强度空间分布相似,均呈现中部高、四周低的分布特点,境内农田面源污染严重区域主要为南昌市、宜春市东部地区、铅山县、南丰县和永修县。

• 湖南省农业面源污染与农村水环境质量的响应关系分析

  宋晓明,柳王荣,姜珊,姜彩红,吴根义

  为揭示农业面源污染与农村水环境质量的响应关系,以湖南省46个区县为研究对象,核算了2019年种植业、畜禽养殖业、水产养殖业及农村生活污水中化学需氧量、总氮、总磷、铵态氮(COD、TN、TP、NH+4-N)的排放量,采用水污染指数法量化了农村地表水水质类别,对农业面源等标污染负荷、单位国土面积和单位地表径流等标污染负荷与水质类别值进行了相关性分析。结果表明:农业面源污染的主要来源是畜禽养殖和农村生活污水,主要污染物是TN;COD的主要来源是畜禽养殖业,TP的主要来源是农村生活污水,而TN和NH+4-N的主要来源是种植业和畜禽养殖业。46个区县中,农村水体水质类别为Ⅲ类及以下的区县有19个,Ⅳ类15个、Ⅴ类7个、劣Ⅴ类5个,TN是造成水质较差的主要定类指标。等标污染负荷与水质类别无明显相关性,而单位国土面积和单位地表径流等标污染负荷与水质类别均呈显著正相关,相关系数分别为0.979 2、0.993 3;4种污染物中,COD单位国土面积和单位地表径流等标污染负荷与水质类别无明显相关性,而TN、TP、NH+4-N与水质类别呈正相关,是湖南农村水体水质变化的主要影响因子,其中TN是水质类别的决定性因子。利用本研究所得响应关系函数模型可以初步预测农村水体水质类别,进而有效降低农村水环境质量监测的难度和成本,同时为不同类别农业污染源监管提供科学依据。

• 江汉平原稻虾轮作模式地表径流氮、磷流失特征

  陈玲,范先鹏,黄敏,刘冬碧,吴茂前,夏颖,张富林,张志毅,倪承凡,程子珍

  为明确江汉平原地区典型稻虾轮作模式的农田地表径流流失特征,推动稻虾综合生态种养模式的可持续发展,从2018年9月至2021年9月,采用原位监测的方法,对稻虾轮作模式典型田块地表径流发生过程进行了研究。结果表明:该模式稻田年产生径流10次,产流量(1 270±287) mm,产流系数44.7%。总氮年均流失量(24.59±4.70) kg·hm-2,其中虾季占50.8%,稻季占49.2%;总磷年均流失量(3.28±1.03) kg·hm-2,其中虾季占46.3%,稻季占53.7%。流失的氮素以可溶性总氮为主(77.4%),其中硝态氮占44.5%,铵态氮占34.8%;流失的磷素以可溶性磷为主(54.8%)。农田地表径流总氮平均浓度为(1.88±2.10) mg·L-1,总磷平均浓度为(0.25±0.14) mg·L-1。虾季总氮浓度平稳,稻季施肥后波动较大且有峰值;总磷只在虾季投料和稻季施肥后有小幅波动,并无明显峰值。稻虾轮作模式地表径流氮、磷的流失形态,径流总氮、总磷浓度,田面水中氮、磷浓度受田面水层与投入品的影响,虾季和稻季表现不同,平均氮、磷浓度值高于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类标准限值。研究识别出稻虾轮作模式的氮、磷流失风险时段为:虾季结束时的排水期、稻季成熟期的排水期以及强降雨和施肥后1周内的耦合期。

• 一种湖泊生态环境改善方案比选方法——以白洋淀为例

  尚青,王晨,常硕,麻晓梅,曾勇

  湖泊生态环境改善与恢复是系统工程,筛选科学合理的改善方案是湖泊治理的重要工作。本文面向湖泊生态环境整体改善要求,构建包括水动力、水质和生境三要素指标的生态环境改善方案比选指标体系,提出了基于TOPSIS决策的方案比选方法。以白洋淀为例,设定了"补水格局优化(S1)"、"深度治污(S2)"、"补水格局优化+适度治污(S3)"3套比选方案,开展了水动力和水质模拟,进行了方案比选。结果表明,3套方案对理想解的贴近度分别为0.35、0.55、0.84,S3方案为推荐方案,对水动力、水质、水生境改善效果最优。

• 磁性HAP/Fe3O4材料去除水土环境中Cd的效果研究

  尹文华,刘迎春,王杰,王圣森,王小治,尹微琴

  为探究磁性羟基磷灰石/四氧化三铁(HAP/Fe3O4)纳米材料对水土环境中Cd的去除效果,以米糠为原料,采用水热法制备纳米材料,通过水中吸附实验和土壤培养实验对Cd去除效果进行研究。结果表明:pH为8时,HAP/Fe3O4对Cd的吸附更符合伪二阶动力学模型,吸附过程以化学吸附为主。溶液为酸性时,HAP/Fe3O4对Cd2+的吸附机制可能为表面吸附和生成沉淀,溶液为中碱性时,对Cd2+的去除以表面吸附以及离子交换为主。此外,HAP/Fe3O4在5次循环后吸附能力仍保持在较高水平,说明其作为吸附剂具有较高的可重复利用性。在土壤实验中,土壤pH随培养时间的延长和HAP/Fe3O4投加量的增加,总体呈上升趋势。与对照组相比,HAP/Fe3O4添加量为0.5%的处理显著降低了土壤CaCl2提取态Cd含量,降幅为62%;浸出实验证明HAP/Fe3O4增强了土壤中重金属的滞留能力。HAP/Fe3O4纳米材料作为一种原料价格低廉且环境友好的吸附剂在处理水污染和修复土壤方面应用前景广阔。

• 尖晶石型双金属修饰生物炭对水中镉的去除

  白马,柴友正,陈安伟,袁佳仪,彭程,王雪芹

  为实现农林废弃生物质的资源化利用,以弃置水稻、大豆秸秆为基底,采用浸渍-溶胶凝胶法制备了非贵双金属协同含氧官能团修饰生物炭。通过调控热解温度、生物质原料、改性剂投加比例以及蛋清液投加量等制备参数条件,筛选对水中镉具备高效去除能力的改性生物炭。结果表明:热解温度为450℃,以铁锰双金属添加,蛋清液投加量为10 mL条件下,尖晶石型水稻基铁锰改性生物炭(MF-BCS)相较于未改性生物炭、大豆基铁锰改性生物炭对镉表现出更优的吸附性能,最大吸附容量可提升至109.2 mg·g-1,吸附平衡时间为100 min。研究表明,双金属与羟基、羧基官能团的协同修饰显著提高了生物炭的比表面积并增加了吸附点位。改性生物炭吸附镉的过程更符合准一级动力学方程,吸附过程以物理吸附为主,化学络合吸附为辅。

• 湿地植物根系分泌物中有机酸对NSAIDs胁迫的响应

  叶彬,周涛,廉杰,李祎飞,邹华

  以人工湿地典型植物芦苇(Phragmites australis)为研究对象,探索芦苇根系分泌物中有机酸对非甾体类消炎药(NSAIDs)混合物(双氯芬酸、布洛芬、吲哚美辛、酮洛芬、萘普生)长期胁迫的响应。首先,优化测定有机酸的高效液相色谱(HPLC)法;然后,构建水培和人工湿地两种体系,于NSAIDs胁迫下(地表水浓度级别,100 ng·L-1),在芦苇幼苗期、展叶期和快速生长期,监测植物的生长生理情况,测定根部累积的NSAIDs浓度,并分析根系分泌物中有机酸的组分变化。结果表明:优化的HPLC方法可以在10 min内分离12种有机酸(草酸、酒石酸、奎尼酸、苹果酸、丙二酸、乳酸、乙酸、柠檬酸、琥珀酸、丙酸、富马酸和反乌头酸),检测限低于1 mg·L-1。在两种体系中均发现,随着植物的发育,根系释放速率增大的有机酸包括奎尼酸、柠檬酸、丙酸、丙二酸、苹果酸和草酸,且在快速生长期尤为明显,表明芦苇在NSAIDs胁迫下可能通过根系释放特定的有机酸促进根际微生物降解NSAIDs,从而减少根系对NSAIDs的吸收,人工湿地体系中芦苇根部NSAIDs累积量的降低和叶绿素抑制作用的减轻间接支持了这一猜测。研究表明,奎尼酸、柠檬酸、丙酸、丙二酸、苹果酸和草酸具备提高人工湿地处理地表水NSAIDs效率的潜力。

• 生物炭对污泥-菌渣堆肥腐殖化与重金属钝化的影响

  李思敏,张义竞,唐锋兵,李思雨,王彦飞,许铮

  为探讨生物炭对市政污泥堆肥腐殖化和重金属钝化的影响,将市政污泥和菌渣按照湿质量比1:0.7进行混合,设置3个堆体进行好氧堆肥:处理组堆体分别添加混料干质量5%和10%的生物炭(记为BC5、BC10);对照组(CK)堆体不添加生物炭。结果表明:添加生物炭可延长高温时间,促进堆肥中富里酸向大分子胡敏酸转变,降低水溶性有机物含量,促进堆体腐熟。添加生物炭的堆体对重金属的钝化效果均优于CK组,BC5对可交换态Cu、Pb钝化效果较好,钝化率分别为78.12%、97.82%,BC10对可交换态Cr、Ni、Zn钝化效果较好,钝化率分别为66.64%、5.88%、19.76%;堆肥后Cu、Pb、Cr残渣态分配率增加量大小顺序为BC10>BC5>CK,Ni、Zn残渣态分配率增加量大小顺序为BC5>BC10>CK。Cu、Cr、Pb、Zn可交换态分配率均与水溶性有机物和富里酸呈极显著正相关(P<0.01),与胡敏酸呈极显著负相关(P<0.01)。研究表明,添加生物炭有利于堆体腐殖化和重金属钝化,且两者存在相关性。

• 生态型一级强化絮凝预处理养猪废水的研究

  王力,陈冠仪,郝林林,邵维敏,曾明,王昶

  针对干湿分离集约化养猪废水污染物浓度高,生化处理难以达标排放的现状,使用生态型无生物毒性的蛭石无机矿物絮凝剂以及常规的阳离子助凝剂聚丙烯酰胺(C-PAM),以资源化为目的,进行一级强化絮凝预处理,降低后续生化处理的负荷,分别调查了蛭石絮凝剂以及蛭石絮凝剂与助凝剂C-PAM的协同效应,分析了一级强化絮凝预处理对浊度、化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)、总磷和氨氮的去除率,以及对絮体的沉降速度和体积的影响。研究发现:蛭石絮凝剂对养猪废水具有很好的絮凝效果,在蛭石絮凝剂投加量为8 g·L-1的情况下,废水的浊度和COD、SS、总磷、氨氮的浓度分别由原水的405 NTU和1 340、260、38.2、296.4 mg·L-1,减少到73.4 NTU和611.7、60、2.5、284.4 mg·L-1,去除率分别为81.9%和54.4%、76.9%、93.3%、4.1%,大幅降低后续生化处理的负荷;蛭石絮凝剂4 g·L-1和C-PAM 24 mg·L-1组合下,浊度和COD、SS、总磷、氨氮的浓度分别减少到19.2 NTU和454.5、34、5.5、267.1 mg·L-1,二者协同作用下的总去除率分别高达95.3%和66.1%、86.9%、85.5%、9.9%,优于蛭石絮凝剂单独使用的效果,相对于单一使用4 g·L-1蛭石絮凝剂而言,去除率提高了24.6%和19.2%、26.9%、8.0%、6.2%,说明阳离子助凝剂C-PAM的投加有助于污染物的去除,两者具有很好的协同效应,不仅降低了蛭石絮凝剂用量,而且有效地降低了后续生化处理的负荷。上清液与絮凝沉积物的重金属分析结果表明,其均符合排放标准和农业用肥标准,沉积物可以作为堆肥的原料,实现资源化。与传统无机絮凝剂PAC絮凝效果相比,蛭石絮凝剂以及与C-PAM协同处理后的絮体的沉降速度更快,体积更小。因此,生态型一级强化絮凝预处理将会成为未来养猪废水无害化和资源化处理的重要途经之一。

• 促进草酸青霉降解秸秆的表面活性剂效果研究

  万文,杨天杰,樊晓腾,郑海平,王世梅,韦中,徐阳春,沈其荣

  为了提高秸秆降解效率,本文探究了不同种类表面活性剂对秸秆降解菌降解秸秆的作用,并筛选出效果最佳的表面活性剂。首先筛选获得一株降解玉米秸秆能力较强的菌株——草酸青霉Z7-6;其次在液体发酵条件下,考察4种表面活性剂(两个浓度)对草酸青霉Z7-6降解玉米秸秆效果及产纤维素类酶的影响;最终通过固体发酵验证表面活性剂的效果。结果表明:筛选出的草酸青霉Z7-6对玉米秸秆具有较好的降解效果,相对降解率达40.58%。液体发酵条件下,0.1%表面活性剂处理下秸秆相对降解率较高,0.1% Triton X-100(TR)和0.1% Tween 80(TW)均可提升草酸青霉Z7-6降解玉米秸秆的效果,两者间无显著差异。0.1% TR处理中滤纸酶活性和羧甲基纤维素酶活性均显著高于其他处理。固体发酵条件下,0.1% TR的提升效果最佳。综合秸秆降解的效果和产酶情况,发现0.1% TR促进草酸青霉Z7-6降解秸秆的效果最好,也可提升该菌株纤维素类酶的活性。

• 不同土地利用类型氨挥发氮同位素自然丰度特征

  白潇,遆超普,颜晓元,李淼,陶莉敏,彭凌云,周伟

  为了探讨不同土地利用类型下氨(NH3)挥发氮同位素自然丰度特征,采集3种土地利用类型(果园、菜地和林地)土壤,在可控条件下采用海绵吸收法开展了为期15 d的室内培养试验,测定了不同土地利用类型下土壤NH3挥发全过程δ15N值及其变化规律。培养期间,3种土地利用类型下的土壤NH+4-N浓度均呈现先上升后下降的趋势;果园和菜地土壤NO-3-N浓度均呈现出持续增加的趋势;土壤pH均呈现先升高后下降再升高的趋势,峰值出现在施入尿素后的第1天。菜地和果园土壤δ15N-NH+4值随培养时间延长持续升高,林地土壤δ15N-NH+4值呈现先降低后升高的趋势。果园、菜地和林地土壤NH3挥发过程δ15N值变化范围分别为-27.98‰~-13.29‰、-29.26‰~-18.52‰和-9.85‰~10.22‰。不同土地利用类型下土壤NH3挥发过程δ15N-NH3均值水平表现为菜地<果园<林地。土壤pH、土壤NH4+-N浓度和土壤NH3挥发累积量是影响上述结果的重要因素。果园和菜地的土壤pH、果园土壤NH4+-N浓度以及菜地和林地的土壤NH3挥发累积量对土壤NH3挥发δ15N-NH3值有显著影响;源解析模型显示,不同土壤NH3挥发δ15N-NH3值会导致土壤NH3挥发对大气NH3的贡献存在较大的变化,进一步指出使用不同的土壤NH3挥发δ15N-NH3值会导致溯源结果存在较大的差别。

• 稻秆及稻秆生物炭添加对稻田红壤有机碳组分及CH4和CO2累积排放量的影响

  廖添怀,李欢,王艳玲

  为明确稻秆生物炭添加对稻田红壤有机碳组分及CH4和CO2累积排放量的影响过程与机制,本研究以稻田红壤为对象,通过室内培养试验,按土壤质量的1%等碳添加量设置对照(CK)、稻秆(RS)及300、400℃和500℃下制备的稻秆生物炭(RSB300、RSB400、RSB500)5个处理,对比分析了稻秆及稻秆生物炭添加0、30 d与120 d时,稻田红壤中可溶性有机碳(DOC)、总有机碳(TOC)、游离态粗颗粒有机碳(fcPOC)、游离态细颗粒有机碳(ffPOC)、闭蓄态颗粒有机碳(oPOC)、游离态矿物结合态有机碳(fMOC)及闭蓄态矿物结合态有机碳(oMOC)的变化差异,并探讨了稻田红壤CH4和CO2累积排放量与各有机碳组分含量的相关关系。结果表明:稻秆生物炭添加后稻田红壤中DOC、TOC、fcPOC、ffPOC、oPOC和fMOC含量均显著增加;其中,oPOC与oMOC含量随着培养时间的增加而显著增加,但fcPOC与fMOC含量则显著降低(P<0.05)。与CK处理相比,RS处理的稻田红壤中CH4和CO2的累积排放量均显著且持续增加;RSB各处理的稻田红壤中CO2的累积排放量显著降低;只有RSB300和RSB400处理的稻田红壤中CH4的累积排放量显著增加,且在培养120 d时分别增加了188.5%和32.7%(P<0.05)。相关性分析表明,添加稻秆及稻秆生物炭的稻田红壤中CH4和CO2累积排放量虽与DOC、ffPOC和fcPOC含量均呈极显著正相关关系,但其中DOC和fcPOC含量起主导作用(P<0.01)。研究表明,添加稻秆生物炭可以有效提高稻田红壤中各有机碳组分的含量与稳定性,且500℃热解制备的稻秆生物炭添加对稻田红壤中CH4、CO2累积排放量抑制效果最好。

• 祁连山七一冰川梯度因子四季变化特征与土壤呼吸关联性分析

  李元鸿,赵芯,袁心洁,蔡仪威,李桂英,安太成

  为了研究四季变化过程中冰川梯度因子对其表面土壤呼吸强度的影响,利用七一冰川观测站2020年9月至2021年6月的实时观测数据,整理分析了观测站地面高度分别为5、10、15、20 m和25 m处观测点的光合有效辐射、空气温度、土壤CO2浓度等因子在3、6、9、12月份的数据,以土壤CO2浓度、土壤水汽浓度表征土壤呼吸强度,获得了冰川表面土壤呼吸强度变化规律及其影响因素。结果表明:冬季土壤CO2浓度稳定在441.3 μmol·mol-1,在四季中处于较高水平,而土壤水汽浓度稳定在0.479 mmol·mol-1,在四季中处于较低水平。夏季土壤呼吸强度与各梯度空气温度呈正相关关系,与各梯度光合有效辐射值在正午时间段呈正相关关系,在早晚时间段呈负相关关系。春秋两季土壤呼吸强度与各梯度空气温度呈正相关关系,春季土壤呼吸强度与各梯度光合有效辐射值的关系因时间段不同而不同。此外春秋两季由于存在逆温现象,以及融雪、太阳辐射等原因,其平均空气温度最高在观测点10 m处,最低在25 m处。研究所得的各梯度因子四季变化情况与土壤呼吸强度的相关性,显示出祁连山冰川与表面土壤呼吸之间具有一定的科学性关联。