長(zhǎng)時(shí)間尺度下土壤組分互作對(duì)外源銅分布的影響.pdf

1、重金屬污染是影響我國(guó)糧食安全與生產(chǎn)、危害人民健康和限制社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙。近年來，我國(guó)土壤重金屬污染事故時(shí)有發(fā)生，己引起政府和公眾的廣泛關(guān)注。銅是植物生長(zhǎng)所需要的微量元素，但過量的銅會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生危害。土壤是由礦物、有機(jī)物及微生物等固相組分組成的復(fù)雜體系，這些固相組分的數(shù)量、組成及表面特性等決定著重金屬的化學(xué)行為、有效性和歸宿。本研究選取紅壤、褐土及黑土，添加秸稈或秸稈+工程菌(Pseudomonas putida X4/pIM

2、E)與土壤組分發(fā)生相互作用后輸入外源銅，土壤培養(yǎng)24個(gè)月，每4個(gè)月取樣1次。利用傳統(tǒng)化學(xué)分析和現(xiàn)代儀器分析如同步輻射(C NEXAFS、SR-FTIR)等對(duì)土壤進(jìn)行銅形態(tài)分析、有機(jī)碳含量及組成分析和鐵氧化物含量的測(cè)定等。探究土壤組分互作及老化效應(yīng)對(duì)外源銅在土壤組分上分布的影響，明確長(zhǎng)時(shí)間尺度下Cu化學(xué)形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程。為不同類型土壤中銅污染的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論支撐。主要結(jié)果如下:
　　(1)考察了外源有機(jī)物、微生物進(jìn)入土壤后對(duì)有機(jī)

3、碳含量和組成的影響。秸稈、秸稈+工程菌分別顯著提高了紅壤、褐土和黑土中總有機(jī)碳、腐殖酸和可溶性有機(jī)碳含量;培養(yǎng)8個(gè)月內(nèi)紅壤、褐土及黑土中可溶性有機(jī)氮較對(duì)照處理分別下降4.1倍-7.2倍、0.6倍-1.3倍和1.6倍-7.9倍，可能是秸稈、秸稈+工程菌使微生物活性增強(qiáng)，大量消耗可溶性有機(jī)氮;隨后可溶性有機(jī)氮在紅壤和褐土中分別增加7.4％-170％和11.0％-160％。三種土壤中有機(jī)碳類型均以脂肪碳、羧基碳和烷氧碳形式存在，占總有機(jī)碳含量

4、的60％以上。秸稈處理提高三種土壤中烷氧碳/脂肪碳比值;降低紅壤中有機(jī)碳的芳香性，增強(qiáng)黑土中有機(jī)碳芳香性。黑土胡敏酸的C/O比在前16個(gè)月較對(duì)照增加，C/H比在培養(yǎng)的第16-24個(gè)月降低，說明秸稈使黑土胡敏酸脂肪性增加，芳香性降低。
　　(2)明確了鐵氧化物含量變化及與有機(jī)物的相關(guān)性。紅壤中游離鐵含量最高，黑土中非晶型鐵和絡(luò)合鐵含量最高。加入秸稈、秸稈+工程菌后顯著降低三種土壤中非晶型鐵含量。前20個(gè)月，非晶型鐵含量在三種土壤呈增

5、加趨勢(shì)，在20-24個(gè)月含量降低。非晶型鐵氧化物含量與各類型有機(jī)碳含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。Fep/Fed在三種土壤中隨時(shí)間逐漸增加，即鐵氧化物在有機(jī)質(zhì)上的絡(luò)合程度增加。同步輻射紅外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示:三種土壤中粘粒礦物和鐵氧化物與脂肪碳位置分布的相關(guān)性最高;秸稈促進(jìn)紅壤中有機(jī)碳與鐵氧化物的結(jié)合，降低褐土中粘粒礦物、鐵氧化物與有機(jī)碳的相關(guān)性;老化效應(yīng)可提高紅壤和褐土中有機(jī)碳與粘粒礦物、鐵氧化物的相關(guān)性，黑土中結(jié)果相反。
　

6、　(3)揭示了外源銅形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程。紅壤中，銅主要以專性吸附態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化態(tài)形式存在，占總銅含量的73.7％-89.7％。褐土在培養(yǎng)后的4個(gè)月，銅以碳酸鹽結(jié)合態(tài)和腐殖酸結(jié)合態(tài)形式存在，占到全銅含量的81.8％;此后，褐土中銅主要以碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)形式存在，占到總銅含量的83.6％-90.5％。黑土中腐殖酸結(jié)合態(tài)銅含量高達(dá)55.0％-73.9％。秸稈、秸稈+工程菌提高三種土壤中水溶態(tài)銅含量，可能

7、是形成Cu與可溶性有機(jī)物形成絡(luò)合物，增加了Cu的溶解性;降低交換態(tài)和專性吸附態(tài)/碳酸鹽結(jié)合態(tài)銅含量。三種土壤不同處理中均為殘?jiān)鼞B(tài)Cu含量隨時(shí)間逐漸增加。
　　(4)得到銅移動(dòng)性隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化及秸稈、秸稈+工程菌在不同土壤中降低銅移動(dòng)性可持續(xù)時(shí)間和效率最高時(shí)期。黑土中銅移動(dòng)系數(shù)最低(6.4-9.2)，與黑土中高有機(jī)質(zhì)含量和粘粒含量有關(guān)。銅的移動(dòng)系數(shù)在三種土壤中均為前20個(gè)月逐漸下降，第24個(gè)月增加?？赡茉蚴歉乘岷头蔷丸F氧化物

8、含量在培養(yǎng)后的第24個(gè)月減小及鐵氧化物在有機(jī)質(zhì)上的絡(luò)合程度提高。加入秸稈、秸稈+工程菌后均可以降低銅的移動(dòng)性，且秸稈在紅壤、褐土及黑土中促進(jìn)銅移動(dòng)性下降的效率最高時(shí)期分別為12個(gè)月、12個(gè)月和8個(gè)月;工程菌僅在紅壤培養(yǎng)后8個(gè)月內(nèi)對(duì)降低銅有效性的效率高于秸稈處理。秸稈、秸稈+工程菌在紅壤、褐土及黑土中起作用的時(shí)間分別為16個(gè)月、24個(gè)月和大于24個(gè)月。
　　(5)提出了不同類型土壤銅形態(tài)的主控因素。土壤理化性質(zhì)和各形態(tài)銅的多元線性逐