納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果的評估方法與流程
2023-10-09 22:08:39 1
本發明涉及土壤治理技術領域，特別涉及一種納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果的評估方法。
背景技術：
從2014年環境保護部公布的全國土壤汙染調查公報明顯看出土壤重金屬汙染還是相當的嚴重，給我們的生產以及生活帶來了巨大的挑戰。現階段各國應用的土壤重金屬汙染修復技術主要有化學修復法、客土法以及植物修復法。化學修復法一般是向土壤中加入改良劑，改良劑可以在一定程度上鈍化土壤中重金屬，從而可以緩解重金屬對植物的脅迫作用。
根際即根系周圍受根系生長影響的土體，自1904年由德國微生物學家Lorenz Hiltner首次提出以來，受到了研究者的廣泛關注。根際為植物生態系統與土壤生態系統相交叉形成的特殊區域，由於受植物根系生理過程的影響，根際土壤與非根際土壤相比，在物理、化學及生物特性上都有較大差異，因此，同一種改良劑對不同作物的土壤的改良效果可能存在極大差異；因此，不同的改良劑是否能夠真正緩解重金屬對不同植物的脅迫作用，還有待對植株根際部分土壤中重金屬的鈍化情況進行進一步的研究，目前，現有的對根際環境的研究還不能比較精確地分離距根室不同距離的土壤樣品，因此還沒有出現對根際環境中重金屬鈍化效果的科學的評估方法。
技術實現要素：
本發明的一個目的是解決至少上述問題，並提供至少後面將說明的優點。
本發明還有一個目的是提供一種納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果的評估方法，其能夠通過分區明確的根箱將作物的根部限制在一定區域內，實現比較精確地分離距根室不同距離的土壤樣品，並進行重金屬含量的檢測，從而準確的評估納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果，為實際生產提供理論指導。
為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果的評估方法，包括以下步驟：
步驟一、製備汙染土壤，將重金屬配置成一定濃度溶液後添加入土壤中，平衡處理一個月，備用；
步驟二、製備納米改良劑修復土壤，將納米改良劑按一定質量百分比添加入汙染土壤中，平衡處理兩個月，備用；
步驟三、將汙染土壤和納米改良劑修復土壤等份均勻分裝至根箱中各區域作為對照組和實驗組，並將同一種作物播種在各根箱中的根系生長室內培養成作物樣品；
步驟四、取樣檢測：每隔一定時間破壞性採集步驟三中實驗組和對照組根箱的作物樣品、根系生長室內土壤樣品Ⅰ以及左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ，並分別測定各作物樣品的重金屬總量和土壤樣品的重金屬總量；當實驗組作物樣品重金屬總量＜對照組作物樣品重金屬總量，且實驗組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量＞對照組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量，且實驗組左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ重金屬總量近等於對照組左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ重金屬總量，計為有效；當實驗組作物樣品重金屬總量近等於對照組作物樣品重金屬總量，且實驗組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量近等於對照組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量時，計為無效；
其中，根箱包括箱體，其為上部開口的矩形槽體；隔片組，其通過卡槽可滑動的設置在所述矩形槽體內，所述隔片組設置為2組，且2組隔片組沿所述箱體的長邊沿滑動設置，以將所述箱體分隔為根系生長室及對稱分布在所述根系生長室兩側的左土壤室及右土壤室；其中，任一組所述隔片組包括平行設置的2-4片隔片，所述隔片為帶有邊框的網片，所述網片的網目為200-500目，所述隔片可拆卸的插於所述卡槽內；爪夾，其夾設在所述隔片和所述卡槽的接觸處。
優選的是，所述步驟三中、設置實驗組：將1800-2000g/根箱的納米改良劑修復土壤均勻分裝於n個根箱的根系生長室、隔片組內的近根區及左、右土壤室的遠根際區域；設置對照組：按照1800-2000g/根箱的汙染土壤均勻分裝於n』個根箱的根系生長室、隔片組內的近根區及左、右土壤室的遠根際區域內。
優選的是，所述步驟三中，並將同一種作物播種在各根箱中的根系生長室內培養成作物樣品的具體過程包括播種和管理，在實驗組和對照組的根系生長室內播種10-15粒作物種子，出苗一周後間苗，置於人工溫室培養；每周以稱重法澆水補充土壤水分的蒸發損失；各根箱在溫室內隨機排位，並間歇輪換，培養期間視作物的生長狀況定期追肥。
優選的是，當實驗組作物樣品重金屬總量近等於對照組作物樣品重金屬總量，且實驗組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量＞對照組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量，計為無效。
優選的是，所述步驟三中，在設置實驗組和對照組之前，向汙染土壤和納米改良劑修復土壤中按照N/P/K＝1.5:1:1.5比例施入底肥，調節含水量至最大田間持水量的60％。
優選的是，所述步驟四中，每隔10-15天取樣一次；
作物樣品的取樣方法具體為：將整株作物輕輕從土壤中取出，自來水衝洗乾淨，蒸餾水衝洗2-3次，用濾紙擦乾，記錄生物量及株高，然後置於已編號自封袋中，稱量，記錄其總鮮重，然後105℃下烘乾1.5h，再65℃下烘乾至恆重，記錄其乾重；
採集根系生長室內土壤樣品Ⅰ以及左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ的具體方法為：取樣時開箱並逐一抽出紗網插片，用不鏽鋼稱樣勺分別採集根系生長室、左土壤室或右土壤室中作物根系的微型土壤剖面上的土壤各100g。
優選的是，所述箱體的開口處的長邊上設置有以長邊中心為原點，分別向兩側延伸的刻度尺，且所述相鄰隔片之間的距離設置為4-10毫米。
優選的是，所述箱體的左側板和右側板為可拆卸設置；所述箱體的前面板和背板設置為透明板。
優選的是，所述箱體的左側板和右側板的下部對稱開設有多個通孔，且對稱開設的兩兩通孔內分別穿設有軟水管，所述軟水管上均勻分布有出水口，且相鄰兩根軟水管的水流方向相反。
優選的是，所述軟水管上鋪設有海綿墊層。
本發明至少包括以下有益效果：
通過調節卡槽在箱體長邊上的位置，然後插入隔片，可以將箱體分為試驗需要的任意大小的隔室，從而可以滿足不同試驗對於隔室大小的需求，使得試驗更加靈活；調節好插片的位置之後，既可以將製備好的汙染土壤和納米改良劑修復土壤均勻分裝至根箱的各區域，之後將作物播種至各根箱中的根系盛行事內培養作物樣品；由於根箱中插片為網片，且網片的目數決定了作物的根系不會穿過網片生長，但不影響土壤中各元素和水分的遷移，因此，可以保證實驗檢測過程中，能夠精確的分離實驗組和對照組中相同位置的根際土壤樣品，以及距離根室相同的非根際土壤樣品，保證納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果的評估的科學性。
綜上所述，本發明方法通過分區明確的根箱將作物的根部限制在一定區域內，實現比較精確地分離距根室不同距離的土壤樣品，並進行重金屬含量的檢測，從而準確的評估納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果，為實際生產提供理論指導。
本發明的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。
附圖說明
圖1為本發明所述的納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果的評估方法的流程圖；
圖2為本發明所述根箱的立體結構示意圖；
圖3為本發明所述根箱的剖視圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
應當理解，本文所使用的諸如「具有」、「包含」以及「包括」術語並不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。
如圖1、2和3所示，本發明提供一種納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果的評估方法，包括以下步驟：
步驟一、製備汙染土壤，將重金屬配置成一定濃度溶液後添加入土壤中，平衡處理一個月，備用；
步驟二、製備納米改良劑修復土壤，將納米改良劑按一定質量百分比添加入汙染土壤中，平衡處理兩個月，備用；
步驟三、將汙染土壤和納米改良劑修復土壤等份均勻分裝至根箱中各區域作為對照組和實驗組，並將同一種作物播種在各根箱中的根系生長室內培養成作物樣品；
步驟四、取樣檢測：每隔一定時間破壞性採集步驟三中實驗組和對照組根箱的作物樣品、根系生長室內土壤樣品Ⅰ以及左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ，並分別測定各作物樣品的重金屬總量和土壤樣品的重金屬總量；當實驗組作物樣品重金屬總量＜對照組作物樣品重金屬總量，且實驗組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量＞對照組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量，且實驗組左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ重金屬總量近等於對照組左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ重金屬總量，計為有效；當實驗組作物樣品重金屬總量近等於對照組作物樣品重金屬總量，且實驗組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量近等於對照組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量時，計為無效；
其中，根箱包括箱體100，其為上部開口的矩形槽體；隔片組200，其通過卡槽101可滑動的設置在所述矩形槽體內，所述隔片組設置為2組，且2組隔片組沿所述箱體的長邊沿滑動設置，以將所述箱體分隔為根系生長室及對稱分布在所述根系生長室110兩側的左土壤室120及右土壤室130；其中，任一組所述隔片組包括平行設置的2-4片隔片，所述隔片為帶有邊框的網片，所述網片的網目為200-500目，所述隔片201可拆卸的插於所述卡槽內；爪夾300，其夾設在所述隔片和所述卡槽的接觸處。
在上述方案中，通過調節卡槽在箱體長邊上的位置，然後插入隔片，可以將箱體分為試驗需要的任意大小的隔室，從而可以滿足不同試驗對於隔室大小的需求，使得試驗更加靈活；調節好插片的位置之後，既可以將製備好的汙染土壤和納米改良劑修復土壤均勻分裝至根箱的各區域，之後將作物播種至各根箱中的根系盛行事內培養作物樣品；由於根箱中插片為網片，且網片的目數決定了作物的根系不會穿過網片生長，因此，可以保證實驗檢測過程中，能夠精確的分離實驗組和對照組中相同位置的根際土壤樣品，以及距離根室相同的非根際土壤樣品，納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果的評估的科學性。
一個優選方案中，所述步驟三中、設置實驗組：將1800-2000g/根箱的納米改良劑修復土壤均勻分裝於n個根箱的根系生長室、隔片組內的近根區及左、右土壤室的遠根際區域；設置對照組：按照1800-2000g/根箱的汙染土壤均勻分裝於n』個根箱的根系生長室、隔片組內的近根區及左、右土壤室的遠根際區域內。
一個優選方案中，所述步驟三中，並將同一種作物播種在各根箱中的根系生長室內培養成作物樣品的具體過程包括播種和管理，在實驗組和對照組的根系生長室內播種10-15粒作物種子，出苗一周後間苗，置於人工溫室培養；每周以稱重法澆水補充土壤水分的蒸發損失；各根箱在溫室內隨機排位，並間歇輪換，培養期間視作物的生長狀況定期追肥。
一個優選方案中，當實驗組作物樣品重金屬總量近等於對照組作物樣品重金屬總量，且實驗組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量＞對照組土壤樣品Ⅰ中重金屬總量，計為無效。
一個優選方案中，所述步驟三中，在設置實驗組和對照組之前，向汙染土壤和納米改良劑修復土壤中按照N/P/K＝1.5:1:1.5比例施入底肥，調節含水量至最大田間持水量的60％。
一個優選方案中，所述步驟四中，每隔10-15天取樣一次；
作物樣品的取樣方法具體為：將整株作物輕輕從土壤中取出，自來水衝洗乾淨，蒸餾水衝洗2-3次，用濾紙擦乾，記錄生物量及株高，然後置於已編號自封袋中，稱量，記錄其總鮮重，然後105℃下烘乾1.5h，再65℃下烘乾至恆重，記錄其乾重；
採集根系生長室內土壤樣品Ⅰ以及左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ的具體方法為：取樣時開箱並逐一抽出紗網插片，用不鏽鋼稱樣勺分別採集根系生長室、左土壤室或右土壤室中作物根系的微型土壤剖面上的土壤各100g。
如圖2所示，一個優選方案中，所述箱體的開口處的長邊上設置有以長邊中心為原點，分別向兩側延伸的刻度尺102，且所述相鄰隔片之間的距離設置為4-10毫米。在上述方案中，通過在箱體上設置刻度尺，可以方便調節卡槽的位置，使得各個隔室的分布均勻，更好的控制各個隔片之間的距離，使得試驗的結果更加準確；通過設置隔片間的距離為4-10毫米，滿足了一般實驗需要採樣的根際土兩側的土壤範圍。
一個優選方案中，所述箱體的左側板和右側板為可拆卸設置；所述箱體的前面板和背板設置為透明板。將箱體的左側板和右側板設置為可拆卸的，在土壤取樣時將側板拆下，使得取樣更加方便快捷，提高了試驗效率。通過將箱體的前面板和背面板設置為透明板，可以使試驗人員觀察到根箱內植物的根系發育，幫助試驗人員準確的把握土壤的取樣時間。
如圖2所示，一個優選方案中，所述箱體的左側板和右側板的下部對稱開設有多個通孔103，且對稱開設的兩兩通孔內分別穿設有軟水管，所述軟水管上均勻分布有出水口，且相鄰兩根軟水管的水流方向相反。
在上述方案中，在可調節的多隔層根箱的底部設置軟水管，可以在根箱底部對土壤進行灌水，避免了常用的從頂部向下澆灌造成的灌水不均一，同時，將相鄰的軟水管設置為流向相反，使得可調節的多隔層根箱底部灌水時，水分分布更加均勻，避免了水分分布不均造成的土體中養分向一側遷移，影響試驗結果的準確性。
一個優選方案中，所述軟水管400上鋪設有海綿墊層500。
在上述方案中，在軟水管上鋪設海綿墊層，使得可調節的多隔層根箱的底部具有一定的保水能力，能夠有效的降低試驗中人工澆水的次數，從而節省了大量的人力，且簡化了試驗步驟，同時，海綿墊層的設置，也使得水分的分布更加均勻，進一步避免了土體中養分的遷移，提高了試驗結果的準確性。
採用上述方案對不同的納米改良劑對根際環境中重金屬鈍化效果進行評估；
實施例1
供試土壤為：取自河北省保定市漕河大橋表層土(0～20cm)；
供試植物為：油菜(青梗菜)；
供試鈍化劑取自江蘇蘇州惠澤精細化學總匯，為鈣基納米蒙脫石，其蒙脫石含量為95％。
步驟一、盆栽試驗土壤除原土外，另設Cd模擬汙染土，即在背景汙染土上以CdCl2·H2O配成溶液後添加至土壤中，使土壤中Cd含量分別約為5mg/kg模擬汙染土壤平衡一個月後備用；
步驟二、平衡好的Cd模擬汙染土，按比例0％、0.5％、1％、2％的量添加納米蒙脫石，鈍化平衡2個月，作為納米蒙脫石修復鎘汙染土壤，備用；其中，0％的量添加納米蒙脫石為對照組，剩餘三組為實驗組；
步驟三、盆栽種植及日常管理：為了防止營養匱乏，向土壤中按照N/P/K＝1.5:1:1.5比例施入底肥，調節含水量至最大田間持水量的60％，按照4個處理梯度，每個處理設置3個重複，1800g/盆的試驗土壤按照根箱培養方法均勻分裝於根室、近根區及遠根際區域，播種10-15粒，出苗一周後間苗，置於人工溫室培養。每周以稱重法澆水補充土壤水分的蒸發損失，各處理在溫室內隨機排位，並間歇輪換，保證生長條件一致，培養期間視植物的生長狀況定期追肥，確保根際環境中礦質養分的充分供給，避免植物生長過程養分脅迫的可能性發生；
步驟四、盆栽收穫及樣品採集：分別於植株種植15d和30d破壞性採集植物和土壤樣品；植物樣品採集：輕輕從土壤中取出植物樣品，自來水衝洗乾淨，蒸餾水衝洗2-3次，用濾紙擦乾，105℃下烘乾1.5h，再65℃下烘乾至恆重，記錄其乾重，備用；
土壤樣品採集：用不鏽鋼稱樣勺在已經收穫的盆栽內挖取微型土壤剖面，取樣時開箱並逐一抽出PVC紗網插片，分離採集植物根系不同距離土壤各100g，土壤樣品風乾或冷凍乾燥，備用；
土壤、植物中Cd總量測定方法為：稱取烘乾磨細土壤、植物樣品各0.2g於100ml消解管中，採用HNO3-HF-H2O2法(體積比5：2：2)消解，原子吸收分光光度法測定Cd含量。
檢測結果見下表1
由上表1可知，各實驗組中土壤樣品Ⅱ中Cd總量均與對照組土壤樣品Ⅱ中Cd總量近相等，而在納米蒙脫石添加量為0.5和2％，且在30d後取樣測定時，檢測結果符合以下判斷標準，即為當實驗組作物樣品Cd總量＜對照組作物樣品Cd總量，且實驗組土壤樣品Ⅰ中Cd總量＞對照組土壤樣品Ⅰ中Cd總量，且實驗組左土壤室或右土壤室中土壤樣品ⅡCd總量近等於對照組左土壤室或右土壤室中土壤樣品ⅡCd總量，因此說明，納米蒙脫石對油菜根際重金屬Cd確實具有鈍化效果。
在上述取樣過程中，實驗組土壤樣品Ⅰ與對照組土壤樣品Ⅰ均對應取自距離植株相同距離的土壤樣品；
實驗組左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ與對照組左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ均對應取自距離植株相同距離的土壤樣品。
實施例2
供試土壤為：取自河北省保定市漕河大橋表層土(0～20cm)；
供試植物為：生菜；
供試鈍化劑取自江蘇蘇州惠澤精細化學總匯，為納米沸石。
步驟一、盆栽試驗土壤除原土外，另設Pd5模擬汙染土，即在背景汙染土上以PdCl2配成溶液後添加至土壤中，使土壤中Pd含量分別約為5mg/kg模擬汙染土壤平衡一個月後備用；
步驟二、平衡好的Pd5模擬汙染土，按比例0％、0.5％、1％、2％的量添加納米沸石，鈍化平衡2個月，作為納米沸石修復鎘汙染土壤，備用；其中，0％的量添加納米沸石為對照組，剩餘三組為實驗組；
步驟三、盆栽種植及日常管理：為了防止營養匱乏，向土壤中按照N/P/K＝1.5:1:1.5比例施入底肥，調節含水量至最大田間持水量的60％，按照4個處理梯度，每個處理設置3個重複，1800g/盆的試驗土壤按照根箱培養方法均勻分裝於根室、近根區及遠根際區域，播種10-15粒，出苗一周後間苗，置於人工溫室培養。每周以稱重法澆水補充土壤水分的蒸發損失，各處理在溫室內隨機排位，並間歇輪換，保證生長條件一致，培養期間視植物的生長狀況定期追肥，確保根際環境中礦質養分的充分供給，避免植物生長過程養分脅迫的可能性發生；
步驟四、盆栽收穫及樣品採集：分別於植株種植15d和30d破壞性採集植物和土壤樣品；植物樣品採集：輕輕從土壤中取出植物樣品，自來水衝洗乾淨，蒸餾水衝洗2-3次，用濾紙擦乾，105℃下烘乾1.5h，再65℃下烘乾至恆重，記錄其乾重，備用；
土壤樣品採集：用不鏽鋼稱樣勺在已經收穫的盆栽內挖取微型土壤剖面，取樣時開箱並逐一抽出PVC紗網插片，分離採集植物根系不同距離土壤各100g，土壤樣品風乾或冷凍乾燥，備用；
土壤、植物中Pd總量測定方法為：稱取烘乾磨細土壤、植物樣品各0.2g於100ml消解管中，採用HNO3-HF-H2O2法(體積比5：2：2)消解，原子吸收分光光度法測定Pd含量。
檢測結果見下表2
由上表1可知，各實驗組中土壤樣品Ⅱ中Pd總量均與對照組土壤樣品Ⅱ中Pd總量近相等，而在納米沸石添加量為2％，且在15d和30d取樣測定時，檢測結果符合以下判斷標準，即為當實驗組作物樣品Pd總量＜對照組作物樣品Pd總量，且實驗組土壤樣品Ⅰ中Pd總量＞對照組土壤樣品Ⅰ中Pd總量，且實驗組左土壤室或右土壤室中土壤樣品ⅡPd總量近等於對照組左土壤室或右土壤室中土壤樣品ⅡPd總量，因此說明，納米沸石對生菜根際重金屬Pd有鈍化效果。
在上述取樣過程中，實驗組土壤樣品Ⅰ與對照組土壤樣品Ⅰ均對應取自距離植株相同距離的土壤樣品；
實驗組左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ與對照組左土壤室或右土壤室中土壤樣品Ⅱ均對應取自距離植株相同距離的土壤樣品。
綜上所述，應用本發明方法能夠更加明確，在土壤中種植不同作物後，納米改良劑對根際環境中不同的重金屬的真正鈍化效果。
儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。