近年来,我国土壤重金属污染问题日益严重,如何修复重金属污染土壤已经成为当前研究的热点。原位钝化修复技术是通过往土壤中施入一些钝化剂与重金属发生沉淀、吸附、离子交换等反应改变重金属在土壤中存在形态,减少重金属的毒害作用。与传统修复方法相比操作简便、价格低廉应用前景十分广阔。由于重金属污染土壤原位钝化修复技术的特点是通过改变重金属形态将重金属固定在土壤中,植物生长导致的根际环境的变化使其存在再次释放到土壤的风险。本文选取改性纳米黑碳作为重金属钝化剂,研究在Cd超富集植物叶用红菾菜和Cd耐受性植物黑麦草种植条件下对钝化剂钝化Cd的稳定性影响。通过盆栽实验,研究两种植物生长过程中重金属Cd在土壤-植物系统中的迁移转化;通过水培试验,研究两种植物生长过程中溶液pH、根系分泌小分子有机酸含量和种类的变化;通过模拟实验,研究pH改变和小分子有机酸存在下改性纳米黑碳对Cd²⁺的吸附解吸特征,探究植物根际对改性纳米黑碳对Cd钝化稳定性的影响机理。其目的是为钝化剂的实际应用提供了理论依据。本文的主要结果如下:在植物生长条件下改性纳米黑碳对重金属Cd有很好的钝化效果。施加改性纳米黑碳后,耐受植物黑麦草地上与地下部分Cd含量分别降低了54.9%、48.5%;叶用红菾菜地上与地下部分Cd含量分别降低了54.7%、39.4%。黑麦草地上与地下部分干重分别增加了66.0%和63.0%。在施加MBC与未施加MBC处理中,黑麦草根际有效态Cd含量比非根际分别降低了6.9%、8.9%;施加MBC处理中根际与非根际土壤有效态Cd含量分别比未施加MBC处理下降了12.9%、14.7%,黑麦草根际与改性纳米黑碳在钝化土壤中Cd时具有竞争性拮抗效应。在施加MBC与未施加MBC处理中,叶用红菾菜根际有效态Cd含量比非根际降低分别降低了6.2%、0.66%;施加MBC处理中根际与非根际土壤有效态Cd含量分别比未施加MBC处理下降了12.3%、7.2%,叶用红菾菜根际与改性纳米黑碳在钝化土壤中Cd时具有协同效应。植物生长会对土壤根际pH产生影响,在Cd污染土壤中植物根际pH高于非根际。改性纳米黑碳能改变重金属形态:黑麦草通过降低可交换态的含量,叶用红菾菜通过降低碳酸盐结合态的含量来降低土壤中Cd的生物有效性。和MBC相互作用时,黑麦草与叶用红菾菜分别通过降低碳酸盐结合态和可交换态的含量来降低土壤中Cd的生物有效性。水培条件下Cd能够抑制黑麦草的生长,与CK相比,5mg/L和20mg/L两种浓度Cd²⁺溶液黑麦草地上部干重分别下降了21.5%和42.1%,地下部干重分别下降了13.7%和31.6%。超级累植物叶用红菾菜在5 mg/L Cd²⁺浓度的胁迫下,与对照相比植物地上部和地下部干重分别降低了13.2%和8.5%。在Cd胁迫下黑麦草与叶用红菾菜根尖细胞排列、根尖形态会发生变化。两种植物在Cd胁迫下pH都迅速增加,最终趋于稳定。营养液pH与黑麦草分泌总有机酸呈显著负相关,黑麦草分泌的有机酸能够通过降低根际pH,影响MBC对重金属的钝化,叶用红菾菜营养液pH与总有机酸分泌量无相关。黑麦草分泌的有机酸主要为草酸,只有在高浓度Cd胁迫下才会分泌少量酒石酸0.15g/L。黑麦草分泌的有机酸随Cd浓度的增加而增多,在相同浓度Cd胁迫下有机酸分泌量随时间而减少,黑麦草有机酸分泌最大量为3.41g/L。叶用红菾菜分泌有机酸主要有草酸、酒石酸、苹果酸,其中以草酸为主,在Cd胁迫下有机酸分泌量迅速减少,并随营养液Cd浓度的提高有所回升。草酸、酒石酸、苹果酸分泌量最大值为分别为6.65g/L、3.20g/L、1.68g/L。Cd²⁺在改性纳米黑碳上的吸附等温线均能用Langmuir方程和Freundlich方程拟合,n值均大于1表明改性纳米黑碳对Cd²⁺都为优惠吸附。随着pH的增加改性纳米黑碳对Cd²⁺的吸附能力增强,且在pH≥9时改性纳米黑碳对Cd²⁺的最大吸附量趋于稳定。Cd²⁺在改性纳米黑碳上的解吸率随pH值的增大而减小,当pH≥9时,解吸率随pH的增加变化速度减缓,最后趋于稳定。在pH<9时,pH对Cd²⁺在改性纳米黑碳上的吸附量和吸附稳定性影响比较大,且pH越大吸附效果越好。因此根际pH增加能够提高改性纳米黑碳的钝化重金属的稳定性。施加三种有机酸都能降低改性纳米黑碳对Cd²⁺的吸附量且降低幅度为苹果酸>酒石酸>草酸。在不同有机酸作用下,Cd²⁺在改性纳米黑碳上的吸附等温线均能用Langmuir方程和Freundlich方程拟合。未添加有机酸以及在草酸、酒石酸、苹果酸作用下,改性纳米黑碳对Cd²⁺的最大吸附量分别为28.15、28.52、29.89、25.35 g/kg,草酸和酒石酸能够增加改性纳米黑碳对Cd的最大吸附量,苹果酸则相反。随着三种有机酸浓度增高,吸附在MBC上的Cd的解吸率增大,有机酸浓度继续增加,Cd²⁺的解吸率增幅变缓。当草酸浓度为10 mmol/L时达到解吸平衡,最大解吸率为43.43%。酒石酸和苹果酸为10 mmol/L时,解吸率分别为50.19%和50.07%。三种有机酸解吸改性纳米黑碳上Cd²⁺的能力大小为:苹果酸>酒石酸>草酸。