纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果的评估方法与流程

本发明涉及土壤治理技术领域，特别涉及一种纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果的评估方法。

背景技术：

从2014年环境保护部公布的全国土壤污染调查公报明显看出土壤重金属污染还是相当的严重，给我们的生产以及生活带来了巨大的挑战。现阶段各国应用的土壤重金属污染修复技术主要有化学修复法、客土法以及植物修复法。化学修复法一般是向土壤中加入改良剂，改良剂可以在一定程度上钝化土壤中重金属，从而可以缓解重金属对植物的胁迫作用。

根际即根系周围受根系生长影响的土体，自1904年由德国微生物学家Lorenz Hiltner首次提出以来，受到了研究者的广泛关注。根际为植物生态系统与土壤生态系统相交叉形成的特殊区域，由于受植物根系生理过程的影响，根际土壤与非根际土壤相比，在物理、化学及生物特性上都有较大差异，因此，同一种改良剂对不同作物的土壤的改良效果可能存在极大差异；因此，不同的改良剂是否能够真正缓解重金属对不同植物的胁迫作用，还有待对植株根际部分土壤中重金属的钝化情况进行进一步的研究，目前，现有的对根际环境的研究还不能比较精确地分离距根室不同距离的土壤样品，因此还没有出现对根际环境中重金属钝化效果的科学的评估方法。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果的评估方法，其能够通过分区明确的根箱将作物的根部限制在一定区域内，实现比较精确地分离距根室不同距离的土壤样品，并进行重金属含量的检测，从而准确的评估纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果，为实际生产提供理论指导。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果的评估方法，包括以下步骤：

步骤一、制备污染土壤，将重金属配置成一定浓度溶液后添加入土壤中，平衡处理一个月，备用；

步骤二、制备纳米改良剂修复土壤，将纳米改良剂按一定质量百分比添加入污染土壤中，平衡处理两个月，备用；

步骤三、将污染土壤和纳米改良剂修复土壤等份均匀分装至根箱中各区域作为对照组和实验组，并将同一种作物播种在各根箱中的根系生长室内培养成作物样品；

步骤四、取样检测：每隔一定时间破坏性采集步骤三中实验组和对照组根箱的作物样品、根系生长室内土壤样品Ⅰ以及左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ，并分别测定各作物样品的重金属总量和土壤样品的重金属总量；当实验组作物样品重金属总量＜对照组作物样品重金属总量，且实验组土壤样品Ⅰ中重金属总量＞对照组土壤样品Ⅰ中重金属总量，且实验组左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ重金属总量近等于对照组左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ重金属总量，计为有效；当实验组作物样品重金属总量近等于对照组作物样品重金属总量，且实验组土壤样品Ⅰ中重金属总量近等于对照组土壤样品Ⅰ中重金属总量时，计为无效；

其中，根箱包括箱体，其为上部开口的矩形槽体；隔片组，其通过卡槽可滑动的设置在所述矩形槽体内，所述隔片组设置为2组，且2组隔片组沿所述箱体的长边沿滑动设置，以将所述箱体分隔为根系生长室及对称分布在所述根系生长室两侧的左土壤室及右土壤室；其中，任一组所述隔片组包括平行设置的2-4片隔片，所述隔片为带有边框的网片，所述网片的网目为200-500目，所述隔片可拆卸的插于所述卡槽内；爪夹，其夹设在所述隔片和所述卡槽的接触处。

优选的是，所述步骤三中、设置实验组：将1800-2000g/根箱的纳米改良剂修复土壤均匀分装于n个根箱的根系生长室、隔片组内的近根区及左、右土壤室的远根际区域；设置对照组：按照1800-2000g/根箱的污染土壤均匀分装于n’个根箱的根系生长室、隔片组内的近根区及左、右土壤室的远根际区域内。

优选的是，所述步骤三中，并将同一种作物播种在各根箱中的根系生长室内培养成作物样品的具体过程包括播种和管理，在实验组和对照组的根系生长室内播种10-15粒作物种子，出苗一周后间苗，置于人工温室培养；每周以称重法浇水补充土壤水分的蒸发损失；各根箱在温室内随机排位，并间歇轮换，培养期间视作物的生长状况定期追肥。

优选的是，当实验组作物样品重金属总量近等于对照组作物样品重金属总量，且实验组土壤样品Ⅰ中重金属总量＞对照组土壤样品Ⅰ中重金属总量，计为无效。

优选的是，所述步骤三中，在设置实验组和对照组之前，向污染土壤和纳米改良剂修复土壤中按照N/P/K＝1.5:1:1.5比例施入底肥，调节含水量至最大田间持水量的60％。

优选的是，所述步骤四中，每隔10-15天取样一次；

作物样品的取样方法具体为：将整株作物轻轻从土壤中取出，自来水冲洗干净，蒸馏水冲洗2-3次，用滤纸擦干，记录生物量及株高，然后置于已编号自封袋中，称量，记录其总鲜重，然后105℃下烘干1.5h，再65℃下烘干至恒重，记录其干重；

采集根系生长室内土壤样品Ⅰ以及左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ的具体方法为：取样时开箱并逐一抽出纱网插片，用不锈钢称样勺分别采集根系生长室、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。

优选的是，所述箱体的开口处的长边上设置有以长边中心为原点，分别向两侧延伸的刻度尺，且所述相邻隔片之间的距离设置为4-10毫米。

优选的是，所述箱体的左侧板和右侧板为可拆卸设置；所述箱体的前面板和背板设置为透明板。

优选的是，所述箱体的左侧板和右侧板的下部对称开设有多个通孔，且对称开设的两两通孔内分别穿设有软水管，所述软水管上均匀分布有出水口，且相邻两根软水管的水流方向相反。

优选的是，所述软水管上铺设有海绵垫层。

本发明至少包括以下有益效果：

通过调节卡槽在箱体长边上的位置，然后插入隔片，可以将箱体分为试验需要的任意大小的隔室，从而可以满足不同试验对于隔室大小的需求，使得试验更加灵活；调节好插片的位置之后，既可以将制备好的污染土壤和纳米改良剂修复土壤均匀分装至根箱的各区域，之后将作物播种至各根箱中的根系盛行事内培养作物样品；由于根箱中插片为网片，且网片的目数决定了作物的根系不会穿过网片生长，但不影响土壤中各元素和水分的迁移，因此，可以保证实验检测过程中，能够精确的分离实验组和对照组中相同位置的根际土壤样品，以及距离根室相同的非根际土壤样品，保证纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果的评估的科学性。

综上所述，本发明方法通过分区明确的根箱将作物的根部限制在一定区域内，实现比较精确地分离距根室不同距离的土壤样品，并进行重金属含量的检测，从而准确的评估纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果，为实际生产提供理论指导。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果的评估方法的流程图；

图2为本发明所述根箱的立体结构示意图；

图3为本发明所述根箱的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1、2和3所示，本发明提供一种纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果的评估方法，包括以下步骤：

步骤一、制备污染土壤，将重金属配置成一定浓度溶液后添加入土壤中，平衡处理一个月，备用；

步骤二、制备纳米改良剂修复土壤，将纳米改良剂按一定质量百分比添加入污染土壤中，平衡处理两个月，备用；

步骤三、将污染土壤和纳米改良剂修复土壤等份均匀分装至根箱中各区域作为对照组和实验组，并将同一种作物播种在各根箱中的根系生长室内培养成作物样品；

步骤四、取样检测：每隔一定时间破坏性采集步骤三中实验组和对照组根箱的作物样品、根系生长室内土壤样品Ⅰ以及左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ，并分别测定各作物样品的重金属总量和土壤样品的重金属总量；当实验组作物样品重金属总量＜对照组作物样品重金属总量，且实验组土壤样品Ⅰ中重金属总量＞对照组土壤样品Ⅰ中重金属总量，且实验组左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ重金属总量近等于对照组左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ重金属总量，计为有效；当实验组作物样品重金属总量近等于对照组作物样品重金属总量，且实验组土壤样品Ⅰ中重金属总量近等于对照组土壤样品Ⅰ中重金属总量时，计为无效；

其中，根箱包括箱体100，其为上部开口的矩形槽体；隔片组200，其通过卡槽101可滑动的设置在所述矩形槽体内，所述隔片组设置为2组，且2组隔片组沿所述箱体的长边沿滑动设置，以将所述箱体分隔为根系生长室及对称分布在所述根系生长室110两侧的左土壤室120及右土壤室130；其中，任一组所述隔片组包括平行设置的2-4片隔片，所述隔片为带有边框的网片，所述网片的网目为200-500目，所述隔片201可拆卸的插于所述卡槽内；爪夹300，其夹设在所述隔片和所述卡槽的接触处。

在上述方案中，通过调节卡槽在箱体长边上的位置，然后插入隔片，可以将箱体分为试验需要的任意大小的隔室，从而可以满足不同试验对于隔室大小的需求，使得试验更加灵活；调节好插片的位置之后，既可以将制备好的污染土壤和纳米改良剂修复土壤均匀分装至根箱的各区域，之后将作物播种至各根箱中的根系盛行事内培养作物样品；由于根箱中插片为网片，且网片的目数决定了作物的根系不会穿过网片生长，因此，可以保证实验检测过程中，能够精确的分离实验组和对照组中相同位置的根际土壤样品，以及距离根室相同的非根际土壤样品，纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果的评估的科学性。

一个优选方案中，所述步骤三中、设置实验组：将1800-2000g/根箱的纳米改良剂修复土壤均匀分装于n个根箱的根系生长室、隔片组内的近根区及左、右土壤室的远根际区域；设置对照组：按照1800-2000g/根箱的污染土壤均匀分装于n’个根箱的根系生长室、隔片组内的近根区及左、右土壤室的远根际区域内。

一个优选方案中，所述步骤三中，并将同一种作物播种在各根箱中的根系生长室内培养成作物样品的具体过程包括播种和管理，在实验组和对照组的根系生长室内播种10-15粒作物种子，出苗一周后间苗，置于人工温室培养；每周以称重法浇水补充土壤水分的蒸发损失；各根箱在温室内随机排位，并间歇轮换，培养期间视作物的生长状况定期追肥。

一个优选方案中，当实验组作物样品重金属总量近等于对照组作物样品重金属总量，且实验组土壤样品Ⅰ中重金属总量＞对照组土壤样品Ⅰ中重金属总量，计为无效。

一个优选方案中，所述步骤三中，在设置实验组和对照组之前，向污染土壤和纳米改良剂修复土壤中按照N/P/K＝1.5:1:1.5比例施入底肥，调节含水量至最大田间持水量的60％。

一个优选方案中，所述步骤四中，每隔10-15天取样一次；

作物样品的取样方法具体为：将整株作物轻轻从土壤中取出，自来水冲洗干净，蒸馏水冲洗2-3次，用滤纸擦干，记录生物量及株高，然后置于已编号自封袋中，称量，记录其总鲜重，然后105℃下烘干1.5h，再65℃下烘干至恒重，记录其干重；

采集根系生长室内土壤样品Ⅰ以及左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ的具体方法为：取样时开箱并逐一抽出纱网插片，用不锈钢称样勺分别采集根系生长室、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。

如图2所示，一个优选方案中，所述箱体的开口处的长边上设置有以长边中心为原点，分别向两侧延伸的刻度尺102，且所述相邻隔片之间的距离设置为4-10毫米。在上述方案中，通过在箱体上设置刻度尺，可以方便调节卡槽的位置，使得各个隔室的分布均匀，更好的控制各个隔片之间的距离，使得试验的结果更加准确；通过设置隔片间的距离为4-10毫米，满足了一般实验需要采样的根际土两侧的土壤范围。

一个优选方案中，所述箱体的左侧板和右侧板为可拆卸设置；所述箱体的前面板和背板设置为透明板。将箱体的左侧板和右侧板设置为可拆卸的，在土壤取样时将侧板拆下，使得取样更加方便快捷，提高了试验效率。通过将箱体的前面板和背面板设置为透明板，可以使试验人员观察到根箱内植物的根系发育，帮助试验人员准确的把握土壤的取样时间。

如图2所示，一个优选方案中，所述箱体的左侧板和右侧板的下部对称开设有多个通孔103，且对称开设的两两通孔内分别穿设有软水管，所述软水管上均匀分布有出水口，且相邻两根软水管的水流方向相反。

在上述方案中，在可调节的多隔层根箱的底部设置软水管，可以在根箱底部对土壤进行灌水，避免了常用的从顶部向下浇灌造成的灌水不均一，同时，将相邻的软水管设置为流向相反，使得可调节的多隔层根箱底部灌水时，水分分布更加均匀，避免了水分分布不均造成的土体中养分向一侧迁移，影响试验结果的准确性。

一个优选方案中，所述软水管400上铺设有海绵垫层500。

在上述方案中，在软水管上铺设海绵垫层，使得可调节的多隔层根箱的底部具有一定的保水能力，能够有效的降低试验中人工浇水的次数，从而节省了大量的人力，且简化了试验步骤，同时，海绵垫层的设置，也使得水分的分布更加均匀，进一步避免了土体中养分的迁移，提高了试验结果的准确性。

采用上述方案对不同的纳米改良剂对根际环境中重金属钝化效果进行评估；

实施例1

供试土壤为：取自河北省保定市漕河大桥表层土(0～20cm)；

供试植物为：油菜(青梗菜)；

供试钝化剂取自江苏苏州惠泽精细化学总汇，为钙基纳米蒙脱石，其蒙脱石含量为95％。

步骤一、盆栽试验土壤除原土外，另设Cd模拟污染土，即在背景污染土上以CdCl₂·H₂O配成溶液后添加至土壤中，使土壤中Cd含量分别约为5mg/kg模拟污染土壤平衡一个月后备用；

步骤二、平衡好的Cd模拟污染土，按比例0％、0.5％、1％、2％的量添加纳米蒙脱石，钝化平衡2个月，作为纳米蒙脱石修复镉污染土壤，备用；其中，0％的量添加纳米蒙脱石为对照组，剩余三组为实验组；

步骤三、盆栽种植及日常管理：为了防止营养匮乏，向土壤中按照N/P/K＝1.5:1:1.5比例施入底肥，调节含水量至最大田间持水量的60％，按照4个处理梯度，每个处理设置3个重复，1800g/盆的试验土壤按照根箱培养方法均匀分装于根室、近根区及远根际区域，播种10-15粒，出苗一周后间苗，置于人工温室培养。每周以称重法浇水补充土壤水分的蒸发损失，各处理在温室内随机排位，并间歇轮换，保证生长条件一致，培养期间视植物的生长状况定期追肥，确保根际环境中矿质养分的充分供给，避免植物生长过程养分胁迫的可能性发生；

步骤四、盆栽收获及样品采集：分别于植株种植15d和30d破坏性采集植物和土壤样品；植物样品采集：轻轻从土壤中取出植物样品，自来水冲洗干净，蒸馏水冲洗2-3次，用滤纸擦干，105℃下烘干1.5h，再65℃下烘干至恒重，记录其干重，备用；

土壤样品采集：用不锈钢称样勺在已经收获的盆栽内挖取微型土壤剖面，取样时开箱并逐一抽出PVC纱网插片，分离采集植物根系不同距离土壤各100g，土壤样品风干或冷冻干燥，备用；

土壤、植物中Cd总量测定方法为：称取烘干磨细土壤、植物样品各0.2g于100ml消解管中，采用HNO₃-HF-H₂O₂法(体积比5：2：2)消解，原子吸收分光光度法测定Cd含量。

检测结果见下表1

由上表1可知，各实验组中土壤样品Ⅱ中Cd总量均与对照组土壤样品Ⅱ中Cd总量近相等，而在纳米蒙脱石添加量为0.5和2％，且在30d后取样测定时，检测结果符合以下判断标准，即为当实验组作物样品Cd总量＜对照组作物样品Cd总量，且实验组土壤样品Ⅰ中Cd总量＞对照组土壤样品Ⅰ中Cd总量，且实验组左土壤室或右土壤室中土壤样品ⅡCd总量近等于对照组左土壤室或右土壤室中土壤样品ⅡCd总量，因此说明，纳米蒙脱石对油菜根际重金属Cd确实具有钝化效果。

在上述取样过程中，实验组土壤样品Ⅰ与对照组土壤样品Ⅰ均对应取自距离植株相同距离的土壤样品；

实验组左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ与对照组左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ均对应取自距离植株相同距离的土壤样品。

实施例2

供试土壤为：取自河北省保定市漕河大桥表层土(0～20cm)；

供试植物为：生菜；

供试钝化剂取自江苏苏州惠泽精细化学总汇，为纳米沸石。

步骤一、盆栽试验土壤除原土外，另设Pd5模拟污染土，即在背景污染土上以PdCl₂配成溶液后添加至土壤中，使土壤中Pd含量分别约为5mg/kg模拟污染土壤平衡一个月后备用；

步骤二、平衡好的Pd5模拟污染土，按比例0％、0.5％、1％、2％的量添加纳米沸石，钝化平衡2个月，作为纳米沸石修复镉污染土壤，备用；其中，0％的量添加纳米沸石为对照组，剩余三组为实验组；

步骤三、盆栽种植及日常管理：为了防止营养匮乏，向土壤中按照N/P/K＝1.5:1:1.5比例施入底肥，调节含水量至最大田间持水量的60％，按照4个处理梯度，每个处理设置3个重复，1800g/盆的试验土壤按照根箱培养方法均匀分装于根室、近根区及远根际区域，播种10-15粒，出苗一周后间苗，置于人工温室培养。每周以称重法浇水补充土壤水分的蒸发损失，各处理在温室内随机排位，并间歇轮换，保证生长条件一致，培养期间视植物的生长状况定期追肥，确保根际环境中矿质养分的充分供给，避免植物生长过程养分胁迫的可能性发生；

步骤四、盆栽收获及样品采集：分别于植株种植15d和30d破坏性采集植物和土壤样品；植物样品采集：轻轻从土壤中取出植物样品，自来水冲洗干净，蒸馏水冲洗2-3次，用滤纸擦干，105℃下烘干1.5h，再65℃下烘干至恒重，记录其干重，备用；

土壤样品采集：用不锈钢称样勺在已经收获的盆栽内挖取微型土壤剖面，取样时开箱并逐一抽出PVC纱网插片，分离采集植物根系不同距离土壤各100g，土壤样品风干或冷冻干燥，备用；

土壤、植物中Pd总量测定方法为：称取烘干磨细土壤、植物样品各0.2g于100ml消解管中，采用HNO₃-HF-H₂O₂法(体积比5：2：2)消解，原子吸收分光光度法测定Pd含量。

检测结果见下表2

由上表1可知，各实验组中土壤样品Ⅱ中Pd总量均与对照组土壤样品Ⅱ中Pd总量近相等，而在纳米沸石添加量为2％，且在15d和30d取样测定时，检测结果符合以下判断标准，即为当实验组作物样品Pd总量＜对照组作物样品Pd总量，且实验组土壤样品Ⅰ中Pd总量＞对照组土壤样品Ⅰ中Pd总量，且实验组左土壤室或右土壤室中土壤样品ⅡPd总量近等于对照组左土壤室或右土壤室中土壤样品ⅡPd总量，因此说明，纳米沸石对生菜根际重金属Pd有钝化效果。

在上述取样过程中，实验组土壤样品Ⅰ与对照组土壤样品Ⅰ均对应取自距离植株相同距离的土壤样品；

实验组左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ与对照组左土壤室或右土壤室中土壤样品Ⅱ均对应取自距离植株相同距离的土壤样品。

综上所述，应用本发明方法能够更加明确，在土壤中种植不同作物后，纳米改良剂对根际环境中不同的重金属的真正钝化效果。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。