白 梅,鐵柏清,楊 洋,陳 喆
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖南長沙410128)
土壤環(huán)境中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化過程分為物理遷移、化學(xué)遷移、物理化學(xué)遷移、生物遷移等,其遷移轉(zhuǎn)化形式復(fù)雜多樣,是多種形式的錯綜結(jié)合[1-4]。土壤中是否種植植物、種植植物種類、種植密度大小以及在植物生長過程中灌溉施肥、噴灑農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施,都會影響土壤的理化性質(zhì)和土壤微環(huán)境,從而影響土壤中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化。筆者在室內(nèi)淋溶柱模擬試驗的基礎(chǔ)上,研究了不同降雨量和不同植被種植情況對土壤中重金屬淋失的影響。
1.1.1 土壤樣品采集及預(yù)處理 供試土壤于2010年4月采自株洲霞灣受重金屬污染的農(nóng)田,田間無水。土壤樣品采自耕作層,采樣深度為0~20 cm。采用梅花點法采集,每個混合樣均由5個以上分點樣品組成。土壤樣品自然風(fēng)干,除去草根、石塊等雜物,混勻。
1.1.2 土壤背景值測定 采用四分法取部分土壤樣品,磨細,過80目篩,用HCl-HNO3-HF-HClO4全消解法測定土壤中Pb、Zn、Cd含量,用王水水浴消解法測定土壤中As的含量。用電極法測定土壤pH值(25 g/L)。試驗土壤中As含量為0.307 mg/g,Pb含量為 2.790 mg/g,Cd含量為 0.202 mg/g,Zn含量為0.586 mg/g,土壤pH值范圍為6.5~7.5。
1.1.3 其他試驗材料 盆栽用桶、水稻(陸兩優(yōu)819)、人工模擬降雨裝置、雨量計、白色聚乙烯瓶、抽濾裝置及實驗室常用儀器等
將長勢均勻的水稻幼苗移栽至填好土壤的桶中,并淹水2 cm。利用自然降雨,測量降水量和雨水pH值,收集淋溶水樣。當(dāng)各覆蓋度發(fā)生明顯變化時,需修整植株,以維持原覆蓋度。分別采集5.7 mm、20 mm自然降雨量條件下的淋溶水樣待測定。如不能及時測定,應(yīng)將水樣置于4℃條件下冷藏保存。
用量筒測量淋溶液體積;濾液中Pb、Zn、Cd的濃度直接用原子吸收分光光度計法(美國瓦里安公司AA-240Z石墨爐原子吸收分光光度計)測定;濾液中As的濃度用原子熒光光譜分析法(北京吉天AFS920型雙道原子熒光光度計)測定。
數(shù)據(jù)采用Excel軟件進行整理分析。
從圖1可知,從不同降雨量來看,在各個種植情況下,20 mm降雨量下淋溶液中Pb的濃度都低于5.7 mm降雨量時淋溶液中Pb的濃度,與室內(nèi)淋溶柱試驗結(jié)果相符合。從不同種植情況來看,在不種植時,淋溶液中Pb的濃度低于少量種植(10株水稻)、高于密集種植(18株水稻)淋溶液中Pb的濃度。這可能是因為水稻的種植,土壤中的根系改變了土壤中的溶液環(huán)境,在根系局部小環(huán)境中,可溶性或可交換態(tài)Pb增多,使得土壤中Pb的移動性增強,從而導(dǎo)致淋溶液中Pb的濃度增加。而在密集種植時,可能是因為水稻根系對土壤溶液中Pb的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的Pb,致使淋溶液中Pb的濃度不升反降。
圖1 淋溶液中Pb的濃度
由圖2可見,不種植時,5.7 mm降雨量時和20 mm降雨量時土壤中淋出Pb的總量沒有變化。但是,在5.7 mm降雨量下,少量種植和密集種植時土壤中Pb的淋出量均比不種植時少,密集種植減少了45%;而在20 mm降雨量下,土壤中Pb的淋出量猛然增大,密集種植時達到不種植時的21倍。這可能是因為,在降雨量較少時,土壤中溶液環(huán)境變化較小,土壤中淋出Pb的總量隨著淋失液中Pb濃度的降低而變??;而在20 mm降雨量時,因密集種植時淋失液的體積大于不種植和少量種植時淋失液的體積,使得密集種植時土壤中淋失Pb的總量最大。
圖2 土壤中淋出Pb的總量
從圖3可以看出,淋溶液中Zn的濃度在20 mm降雨量時高于5.7 mm降雨量時,這與室內(nèi)淋溶柱模擬試驗結(jié)果不符,可能是因為在20 mm降雨量時,降雨強度較大,對土壤沖洗較厲害,一部分原先被土壤吸附的Zn被解吸,致使淋出液中Zn的濃度增大。從不同種植量來看,少量種植時淋溶液中Zn的濃度大于不種植時淋溶液中Zn的濃度,可能是因為水稻的種植,土壤中的根系改變了土壤中的溶液環(huán)境,在根系局部小環(huán)境中,可溶性或可交換態(tài)Zn增多,使得土壤中Zn的移動性增強,進而導(dǎo)致淋溶液中Zn的濃度增加;在5.7 mm降雨量時,密集種植時淋出液中Zn的濃度低于少量種植時淋溶液中Zn的濃度,可能是因為水稻根系對土壤溶液中Zn的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的Zn,致使淋溶液中Zn的濃度降低;而在20 mm降雨量時,密集種植時淋溶液中Zn的濃度高于少量種植淋溶液中Zn的濃度,可能是因為在20 mm降雨量時,降雨強度較大,對土壤沖洗較厲害,影響了土壤中根系對Zn的吸附,使得淋出液中Zn的濃度增大。
圖3 淋溶液中Zn的濃度
由圖4可見,土壤中淋出Zn的總量,20 mm降雨量時高于5.7 mm降雨量時,一方面是由于淋溶液中Zn的濃度在20 mm降雨量時高于5.7 mm降雨量時,另一方面是因為20 mm降雨量時淋溶液的體積大于5.7 mm降雨量時林溶液的體積。從不同種植量來看,在5.7 mm降雨量條件下,土壤中淋出Zn的總量隨種植密度的增加變化不大,甚至略有減小,這可能是因為降雨量較小,土壤環(huán)境幾乎沒有變化,導(dǎo)致土壤中淋出Zn的總量變化較小。而在20 mm降雨量時,土壤中淋出Zn的總量在少量種植和密集種植時都明顯低于不種植時,因為Zn是植物生長必需的元素,水稻在生長過程中不斷地吸收土壤中的Zn,致使土壤中淋失的Zn的總量下降。
圖4 土壤中淋出Zn的總量
從圖5可以看出,淋溶液中Cd的濃度在20 mm降雨量時高于5.7 mm降雨量時,這與室內(nèi)淋溶柱模擬試驗結(jié)果不符,可能是因為在20 mm降雨量時,降雨強度較大,對土壤沖洗較厲害,一部分原先被土壤吸附的Cd被解吸,致使淋出液中Cd的濃度增大。從不同種植量來看,少量種植時淋溶液中Cd的濃度大于不種植時淋溶液中Cd的濃度,可能是因為水稻的種植,植物根系改變了土壤中的溶液環(huán)境,在根系局部小環(huán)境中,可溶性或可交換態(tài)Cd增多,使得土壤中Cd的移動性增強,導(dǎo)致淋溶液中Cd的濃度增加;而在密集種植時,可能是因為水稻根系對土壤溶液中Cd的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的Cd,從而使淋溶液中Cd的濃度降低。
圖5 淋溶液中Cd的濃度
由圖6可見,土壤中淋出Cd的總量,在20 mm降雨量時高于5.7 mm降雨量時,這一方面是因為淋溶液中Cd的濃度在20 mm降雨量時高于5.7 mm降雨量時,另一方面是因為20 mm降雨量下淋溶液的體積大于5.7 mm降雨量時淋溶液的體積。從不同種植量來看,土壤中淋出Cd的總量都隨著水稻種植量的增大而稍微減小,可能是因為土壤中水稻根系對土壤中Cd的吸收和吸附較強,從而使土壤中淋失的Cd的總量減少。
圖6 土壤中淋出Cd的總量
從圖7可以看出,在不種植的情況下,在5.7 mm降雨量和20 mm降雨量下淋溶液中As的濃度一樣。而在5.7 mm降雨量時,少量種植時淋溶液中As的濃度遠遠高于不種植和密集種植時淋溶液中As的濃度。這可能是因為水稻的種植,植物根系改變了土壤中的溶液環(huán)境,在根系局部小環(huán)境中,可溶性或可交換態(tài)As增多,使得土壤中As的移動性增強,導(dǎo)致淋溶液中As的濃度增加;而在密集種植時,可能是因為水稻根系對土壤溶液中As的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的As,致使淋溶液中As的濃度不升反降。在20 mm降雨量下,淋溶液中As的濃度隨著水稻種植量的增加而減少。可能是因為水稻根系對土壤溶液中As的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的As,致使淋溶液中As的濃度降低。
圖7 淋溶液中As的濃度
從圖8可以看出,土壤中淋出As的總量,在20 mm降雨量時高于5.7 mm降雨量時,主要是因為在20 mm降雨量下淋溶液的體積大于5.7 mm降雨量時淋溶液的體積。從不同種植量來看,在5.7 mm降雨量時,土壤中淋出As的總量隨種植量的增加呈現(xiàn)下降趨勢;而在20 mm降雨量時,土壤中淋出As的總量隨種植量的增加迅速減少,這主要是因為水稻根系對土壤溶液中As的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的As,致使土壤中淋出As的總量減少。
圖8 土壤中淋出As的總量
(1)從不同降雨量來看,淋溶液中Pb、As的濃度,在20 mm降雨量時低于(或不大于)5.7 mm降雨量時,而淋溶液中Zn、Cd的濃度,在20 mm降雨量時高于5.7 mm降雨量時;在20 mm降雨量時土壤中淋出 Pb、Zn、Cd、As的總量高于(或不低于)5.7 mm降雨量時土壤中淋出Pb、Zn、Cd、As的總量。
(2)從不同種植量來看,少量種植時淋溶液中Pb、Zn、Cd 的濃度都大于不種植時林溶液 Pb、Zn、Cd的濃度;密集種植時,淋溶液中Pb的濃度低于不種植時淋溶液中Pb的濃度,Cd的濃度比少量種植時低;在5.7 mm降雨量時,密集種植時淋出液中Zn的濃度低于少量種植時淋出液中Zn的濃度,而在20 mm降雨量時,密集種植時淋溶液中Zn的濃度高于少量種植時淋出液中Zn的濃度。土壤中淋出Cd、As的總量都隨著水稻種植量的增大而減??;在5.7 mm降雨量條件下,土壤中淋出Zn的總量隨種植密度的增加變化不大,而土壤中Pb的淋出量減少;在20 mm降雨量時,土壤中淋出Zn的總量在少量種植和密集種植時都小于不種植時,而土壤中Pb的淋出量猛然增大。
(3)在5.7 mm降雨量時,少量種植時淋溶液中As的濃度遠遠高于不種植和密集種植時淋溶液中As的濃度。在20 mm降雨量下,淋溶液中As的濃度隨著水稻種植量的增加而減少。
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