近日，农业农村部环境保护科研监测所重金属生态毒理与污染修复创新团队研究发现，通过向土壤中添加钙基改性生物炭，并种植低镉积累玉米品种，可以有效修复碱性镉污染土壤，该研究为碱性镉污染土壤的修复和土壤生态环境的改善提供了理论依据。相关研究成果发表在《土壤和耕作研究》上。
测序结果表明，钙基改性生物炭改变了微生物群落结构和组成，主要表现为物种数目和多样性指数以及优势物种相对丰度显著增加。该技术在碱性镉污染土壤的安全利用和改善农业土壤微生态环境方面具有良好的应用潜力。
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生物炭表面改性可增加对重金属的吸附能力
在过去的几十年里，由于具有固碳、提高土壤肥力和固定污染物的优势，生物炭已被广泛用于修复不同类型的重金属污染土壤，但原始生物炭修复高浓度重金属污染物的能力可能有限。
论文通讯作者、农业农村部环境保护科研监测所研究员孙约兵表示，大量研究表明，生物炭的表面改性可以优化其理化性质和对重金属的吸附能力。生物炭的表面改性可以通过不同的方式实现，主要包括蒸汽活化、热处理、酸性/碱性改性和金属盐或氧化物的浸渍。
据报道，由于对重金属胁迫的抗性和耐受性存在差异，不同品种的作物对重金属的吸收和富集能力存在明显差异。
“适当选择低镉积累玉米品种并结合改良剂，可以有效减少镉向作物地上部分的积累和迁移，这可能会成功提高玉米在碱性镉污染土壤中的镉耐受性。”孙约兵指出。
重金属在土壤中的分布、迁移和生物利用度与各种土壤因素密切相关。除了经常被提及的土壤pH值、盐度、有机质含量和氧化还原电位等因素外，土壤团聚体还可以对重金属在土壤颗粒中的分布起决定性作用。许多研究表明，由于物理化学特性的不同，土壤团聚体的各种颗粒对重金属的吸附能力可能不同。
“团聚体是土壤的重要组成部分,也是土壤结构的基本单位。了解重金属在土壤团聚体中的分布和迁移，可以帮助我们科学有效调节重金属的含量。”孙约兵说。
为碱性镉污染耕地安全利用提供指导
土壤微生物作为土壤理化过程的主要调节因子，在养分循环、肥力提高和固碳等方面发挥着关键作用。生物炭由于具有巨大的比表面积和孔隙体积，可以为微生物提供栖息地和庇护所。
此外，生物炭中的有效水溶性营养素等会影响微生物活性，可能会改变土壤微生物栖息地的物理化学性质，从而改变土壤微生物群落结构。此前，研究人员发现，添加生物炭可以增加土壤养分含量和有机碳矿化，导致土壤微生物活性和群落结构发生明显变化。
论文第一作者、农业农村部环境保护科研监测所博士研究生孙彤介绍，本研究通过田间试验，从微观角度探讨了钙基改性生物炭和低镉积累品种组合管理对土壤中镉的生物利用度、玉米籽粒镉积累和微生物生态功能修复效果的影响。研究结论将为今后使用钙基改性生物炭作为土壤改良剂，为碱性镉污染耕地修复和安全利用提供实用指导。
“为了研究钙基改性生物炭与低镉积累品种偶联对弱碱性镉污染农田的修复效果，我们进行了田间试验，探讨了土壤团聚体中镉的分布、玉米籽粒对镉的吸收以及土壤微生物群落的状况。结果表明，钙基改性生物炭处理可使大块土壤和土壤团聚体中的有效镉分别减少12.09%―16.20%和3.67%―24.72%。粒径组分金属负荷和分布因子分析表明，镉优先富集在土壤中的细颗粒组分上，钙基改性生物炭促进了镉从微团聚体向大团聚体的再分配。”孙彤说。
与对照组相比，添加钙基改性生物炭后，低镉积累玉米品种农玉16和三北218籽粒中的镉含量分别显著降低37.55%―50.80%和23.60%―51.20%。高通量测序结果表明，添加钙基改性生物炭后，种植低镉积累玉米品种农玉16和三北218的土壤微生物群落结构和组成发生了显著变化，其特征是操作分类单元数量、α多样性指数和优势门丰度显著增加。
“研究结果表明，钙基改性生物炭与低镉积累玉米联合管理是修复弱碱性镉污染土壤的有效途径，有利于保障粮食质量安全，改善土壤生态环境功能。”孙约兵说。
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