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我国典型农田土壤中重金属的转化与迁移特征研究

郑顺安  
【摘要】:近二十多年来,我国农田土壤重金属污染问题日益突出,部分地区的土壤重金属污染已危及粮食安全生产。研究我国典型农田土壤重金属积累过程中重金属化学形态转化、吸附与解吸及运移的规律,有利于全面弄清不同土壤条件下重金属的环境化学行为,预测重金属在土壤-植物、土壤-水体中的迁移,为重金属的风险评价提供参考依据,对评价重金属在实际环境中的影响和预测农田土壤重金属的污染趋势有着重要理论和实际的意义。本研究选择了我国不同气候区的7种典型农田土壤(包括黑土、黄潮土、红壤、灰潮土、黄绵土和两种水稻土),以目前我国土壤重金属污染较为突出的铅(Pb)、镉(Cd)、铜(Cu)、汞(Hg)等4种重金属元素作为研究对象,采用室内培养、重金属形态分级、吸附解吸实验、室内淋溶实验及模拟模型等综合研究方法,探讨了我国典型农田土壤中重金属环境化学行为过程及其风险性。研究内容包括水分条件对典型重金属在农田土壤中形态转化动态过程的影响,农田土壤对Cu、Pb、Cd和Hg的吸附与解吸特性,污水灌溉下典型重金属在农田土壤中的运移和积累及其模拟,以及污染土壤中重金属的淋溶特性及其释放动力学。获得的主要结论如下: 1.不同水分条件下重金属在农田土壤中形态转化特点 通过连续检测2个污染水平的4种重金属元素(Cu、Cd、Pb和Hg)在7种农田土壤中的3种水分条件(水分适度、干湿交替及长期淹水)下的培养试验过程(150 d)中重金属化学形态的变化,发现:(1)随着外源重金属添加量的增加,土壤中交换态和碳酸盐结合态重金属的比例增加,残渣态重金属的比例则随之降低;高浓度外源重金属进入土壤后,转化为紧结合态重金属的能力有所减弱;土壤性质在一定程度上决定了外源重金属在土壤中各形态转化的方向。(2)外源重金属进入土壤后,活性重金属形态的比例随老化时间的增加逐渐下降;扩散方程可较好地拟合交换态重金属在土壤中的转化动态过程;交换态重金属在土壤中的下降速率可以作为重金属形态转变率的表征参数,用于比较与评价不同水分条件下重金属在农田土壤中形态转变速率的快慢。三种水分管理模式下,Cu、Pb、Cd和Hg在7种农田土壤中形态转变速率快慢的顺序是:淹水于湿交替75%田间持水量。(3)水分条件可改变土-水系统中pH、Eh、有机质、碳酸盐及氧化铁形态,从而影响外源重金属在农田土壤中的形态转化及分布。 2.我国典型农田土壤中重金属Cu、Pb、Cd、Hg的吸附解吸特征 以0.01 mol·L-1 NaNO3作为背景电解质溶液,对7种农田土壤中重金属Pb、Cu、Cd和Hg的吸附-解吸行为及其影响因素进行了研究,结果表明:(1)黑土对4种重金属都有极强的吸附能力,黄潮土、黄绵土等恒电荷土壤对Cu、Pb、Cd的吸附能力远大于可变电荷土壤(红壤、灰潮土和两种水稻土),但对Hg的吸附能力与可变电荷土壤相当。(2)pH、CEC、有机质、氧化铁含量对于土壤对重金属的吸附有较大影响,这几种因子间的组合很大程度上决定了对土壤对重金属的吸附能力,蒙脱石、伊利石和高岭石在土壤粘土矿物中所占比例也可影响土壤对重金属的吸附性能。(3)在重金属污染水平0~1000 mg·kg-1范围内,农田土壤对重金属的解吸率为HgPbCdCu,二次幂函数最适合拟合土壤中重金属的解吸量与吸附量之间的关系。随着吸附量的增加,农田土壤对重金属的解吸率增大,但解吸率增长存在一定的滞后性,对重金属吸附能力越强,则解吸率越小,解吸率增长的滞后性越强,解吸率增长越慢。 3.污水灌溉下重金属在农田土壤中的运移、积累规律 通过室内土柱淋溶实验并结合HYDRUS-1D软件,模拟单一和复合两种污水灌溉条件,对重金属在土壤垂直方向的迁移及积累行为进行了研究,结果表明:(1)土壤对重金属的吸附性能是污水灌溉条件下淋出液中重金属浓度及土柱剖面中重金属分布的决定性因素。恒电荷土壤对Cu、Cd、Pb和Hg的吸附性能很强,进入土壤的外源重金属主要被吸附在土壤0-5 cm表层,淋出液中重金属浓度极低,符合地下水水质Ⅱ类标准。可变电荷土壤对重金属的吸附能力较低,进入土壤的外源重金属含量超过了土壤吸持固定能力,在淋溶过程中会出现穿透。在穿透过程中,土壤饱和导水率和弥散度可在微观上影响重金属在土壤中开始穿透的时间、穿透曲线的形状及穿透持续的时间。(2)确定性平衡模型(DEM)和化学非平衡两点模型(TSM)分别对单一淋溶模式下重金属在恒电荷土壤和可变电荷土壤中的迁移及积累过程有较好的拟合效果,对复合淋溶模式下拟合的相关性虽然很好,但返回的吸附参数低于实测值。(3)根据模型预测,长期低浓度的污染仍然会使重金属在土壤中向下迁移和积累。当模拟的灌溉时间超过200年时,10cm以下的土壤剖面中也可有较高浓度的重金属积累,可对环境及地下水产生一定的污染风险。 4.污染土壤中重金属的淋溶特性及其释放动力学 采用室内土柱淋溶实验,模拟自然雨水的性质和成分,研究了3年以上降雨条件下污染农田土壤中重金属Cu、Pb、Cd、Hg的淋溶及释放特征,发现:(1)模拟降雨作用下,淋溶量2000 mL内是重金属快速释放时期,在这个期间,淋溶液内重金属含量较高,累积释放量随时间推移而迅速增加,但释放速度不断减小,至2000 mL后,淋溶液内重金属含量达到很低水平,累积释放量几乎不变,是准平衡阶段。在研究的4种重金属中,Pb的环境风险最小,Hg在农田土壤中的迁移能力虽然较弱,但Hg的环境质量标准最为严格,因此具有较高的环境污染风险。(2)重金属的释放率与土壤对重金属的吸附性能具有一致性,土壤对重金属的吸附能力越强,则该重金属释放率越低。有机质、容重、土壤质地、吸附性能、土壤中重金属的初始含量及CEC对于土壤重金属的释放均有较大影响。(3)模拟降雨作用下污染农田土壤重金属的释放过程可以使用修正的Elovich方程和双常数方程进行拟合,且以Elovich方程拟合的效果最好。


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