我國典型農(nóng)田土壤中重金屬的轉化與遷移特征研究.pdf

1、近二十多年來，我國農(nóng)田土壤重金屬污染問題日益突出，部分地區(qū)的土壤重金屬污染已危及糧食安全生產(chǎn)。研究我國典型農(nóng)田土壤重金屬積累過程中重金屬化學形態(tài)轉化，吸附與解吸及運移的規(guī)律，有利于全面弄清不同土壤條件下重金屬的環(huán)境化學行為，預測重金屬在土壤-植物、土壤-水體中的遷移，為重金屬的風險評價提供參考依據(jù)，對評價重金屬在實際環(huán)境中的影響和預測農(nóng)田土壤重金屬的污染趨勢有著重要理論和實際的意義。本研究選擇了我國不同氣候區(qū)的7種典型農(nóng)田土壤(包括黑土

2、、黃潮土、紅壤、灰潮土、黃綿土和兩種水稻土)，以目前我國土壤重金屬污染較為突出的鉛(Pb)、鎘(Cd)、銅(Cu)，汞(Hg)等4種重金屬元素作為研究對象，采用室內(nèi)培養(yǎng)、重金屬形態(tài)分級、吸附解吸實驗、室內(nèi)淋溶實驗及模擬模型等綜合研究方法，探討了我國典型農(nóng)田土壤中重金屬環(huán)境化學行為過程及其風險性。研究內(nèi)容包括水分條件對典型重金屬在農(nóng)田土壤中形態(tài)轉化動態(tài)過程的影響，農(nóng)田土壤對Cu、Pb、Cd和Hg的吸附與解吸特性，污水灌溉下典型重金屬在農(nóng)田

3、土壤中的運移和積累及其模擬，以及污染土壤中重金屬的淋溶特性及其釋放動力學。獲得的主要結論如下：
　　 ⑴不同水分條件下重金屬在農(nóng)田土壤中形態(tài)轉化特點。通過連續(xù)檢測2個污染水平的4種重金屬元素(Cu、cd、Pb和Hg)在7種農(nóng)田土壤中的3種水分條件(水分適度、干濕交替及長期淹水)下的培養(yǎng)試驗過程(150 d)中重金屬化學形態(tài)的變化，發(fā)現(xiàn)：①隨著外源重金屬添加量的增加，土壤中交換態(tài)和碳酸鹽結合態(tài)重金屬的比例增加，殘渣態(tài)重金屬的比例則

4、隨之降低；高濃度外源重金屬進入土壤后，轉化為緊結合態(tài)重金屬的能力有所減弱；土壤性質(zhì)在一定程度上決定了外源重金屬在土壤中各形態(tài)轉化的方向。②外源重金屬進入土壤后，活性重金屬形態(tài)的比例隨老化時間的增加逐漸下降；擴散方程可較好地擬合交換態(tài)重金屬在土壤中的轉化動態(tài)過程；交換態(tài)重金屬在土壤中的下降速率可以作為重金屬形態(tài)轉變率的表征參數(shù)，用于比較與評價不同水分條件下重金屬在農(nóng)田土壤中形態(tài)轉交速率的快慢。三種水分管理模式下，Cu、Pb、Cd和Hg在7

5、種農(nóng)田土壤中形態(tài)轉變速率快慢的順序是：淹水>干濕交替>75％田間持水量。③水分條件可改變土-水系統(tǒng)中pH、Eh、有機質(zhì)、碳酸鹽及氧化鐵形態(tài)，從而影響外源重金屬在農(nóng)田土壤中的形態(tài)轉化及分布。
　　 ⑵我國典型農(nóng)田土壤中重金屬Cu、Pb、Cd、Hg的吸附解吸特征。以0.01 mol·L-1NaNO3作為背景電解質(zhì)溶液，對7種農(nóng)田土壤中重金屬Pb、Cu，Cd和Hg的吸附.解吸行為及其影響因素進行了研究，結果表明：①黑土對4種重金屬都有

6、極強的吸附能力，黃潮土、黃綿土等恒電荷土壤對Cu、Pb、Cd的吸附能力遠大于可變電荷土壤(紅壤、灰潮土和兩種水稻土)，但對Hg的吸附能力與可變電荷土壤相當。②pH、CEC、有機質(zhì)、氧化鐵含量對于土壤對重金屬的吸附有較大影響，這幾種因子間的組合很大程度上決定了對土壤對重金屬的吸附能力，蒙脫石、伊利石和高嶺石在土壤粘土礦物中所占比例也可影響土壤對重金屬的吸附性能。③在重金屬污染水平0～1000 mg·kg-1范圍內(nèi)，農(nóng)田土壤對重金屬的解吸率

7、為Hg　　 ⑶污水灌溉下重金屬在農(nóng)田土壤中的運移、積累規(guī)律。通過室內(nèi)土柱淋溶實驗并結合HYDRUS-1D軟件，模擬單一和復合兩種污水灌溉條件，對重金屬在土壤垂直方向的遷移及積累行為進行了研究，結果

8、表明：①土壤對重金屬的吸附性能是污水灌溉條件下淋出液中重金屬濃度及土柱剖面中重金屬分布的決定性因素。恒電荷土壤對Cu、Cd、Pb和Hg的吸附性能很強，進入土壤的外源重金屬主要被吸附在土壤0～5 cm表層，淋出液中重金屬濃度極低，符合地下水水質(zhì)Ⅱ類標準?？勺冸姾赏寥缹χ亟饘俚奈侥芰^低，進入土壤的外源重金屬含量超過了土壤吸持固定能力，在淋溶過程中會出現(xiàn)穿透。在穿透過程中，土壤飽和導水率和彌散度可在微觀上影響重金屬在土壤中開始穿透的時間、

9、穿透曲線的形狀及穿透持續(xù)的時間。②確定性平衡模型(DEM)和化學非平衡兩點模型(TSM)分別對單一淋溶模式下重金屬在恒電荷土壤和可變電荷土壤中的遷移及積累過程有較好的擬合效果，對復合淋溶模式下擬合的相關性雖然很好，但返回的吸附參數(shù)低于實測值。③根據(jù)模型預測，長期低濃度的污染仍然會使重金屬在土壤中向下遷移和積累。當模擬的灌溉時間超過200年時，10cm以下的土壤剖面中也可有較高濃度的重金屬積累，可對環(huán)境及地下水產(chǎn)生一定的污染風險。

10、　　 ⑷污染土壤中重金屬的淋溶特性及其釋放動力學。采用室內(nèi)土柱淋溶實驗，模擬自然雨水的性質(zhì)和成分，研究了3年以上降雨條件下污染農(nóng)田土壤中重金屬Cu、Pb、Cd、Hg的淋溶及釋放特征，發(fā)現(xiàn)：①模擬降雨作用下，淋溶量2000mL內(nèi)是重金屬快速釋放時期，在這個期間，淋溶液內(nèi)重金屬含量較高，累積釋放量隨時間推移而迅速增加，但釋放速度不斷減小，至2000 mL后，淋溶液內(nèi)重金屬含量達到很低水平，累積釋放量幾乎不變，是準平衡階段.在研究的4種重金

11、屬中，Pb的環(huán)境風險最小，Hg在農(nóng)田土壤中的遷移能力雖然較弱，但Hg的環(huán)境質(zhì)量標準最為嚴格，因此具有較高的環(huán)境污染風險。②重金屬的釋放率與土壤對重金屬的吸附性能具有一致性，土壤對重金屬的吸附能力越強，則該重金屬釋放率越低。有機質(zhì)、容重、土壤質(zhì)地、吸附性能、土壤中重金屬的初始含量及CEC對于土壤重金屬的釋放均有較大影響。③模擬降雨作用下污染農(nóng)田土壤重金屬的釋放過程可以使用修正的Elovich方程和雙常數(shù)方程進行擬合，且以Elovich方程