重金属的土水分配行为研究——根际土壤溶液采样器的应用
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1738次重金属的土水分配行为研究——根际土壤溶液采样器的应用①
郝汉舟1, 靳孟贵2, 李瑞敏3, 王支农3, 刘成武1, 陈 志1, 钟学斌1
(1 咸宁学院资源与环境科学学院,湖北咸宁 437100; 2 中国地质大学(武汉)环境学院,武汉 430074; 3 中国地质环境监测院,北京 100081)
摘 要: 采用根际土壤溶液采样器(Rhizon-SMS)原位采集河南平原耕地土壤溶液。用土壤溶液中重金属浓度对数作为 因变量、土壤溶液理化性质作为自变量,进行多元线性逐步回归,结果表明:只有有机碳进入Cu的相关方程,pH进入Cd的相关 方程。土壤溶液pH和土壤中的Zn都作为自变量进入Zn的相关方程。土壤溶液中的Cu与pH没有线性关系,而Cd和Zn与土壤溶液 pH有显著的线性关系(p<0.01)。计算了土壤中Cu、Cd、Zn在土壤与土壤溶液中的分配系数Kd 。本研究中,3 种重金属的Kd 大小顺序为:Cu>Zn>Cd。根据Freeze 和Cherry模型,联合log(Kd -Cd)、log(Kd -Zn)与pH的线性关系,估计了Cd和Zn在土壤中 的迁移速度。
关键词: 根际土壤溶液采样器;分配系数;重金属;土壤;河南
中图分类号: S153.6;F595
土壤溶液不仅是土壤化学反应发生的场所,也是 植物根系获取养分的源泉。重金属在土壤和土壤溶液 之间的分配行为是评价重金属在耕地中环境效应的一 个重要方面。研究原位土壤固-液相的相互作用,对评 价重金属的移动性和有效性具有十分重要的意义。
根际土壤溶液采样器(Rhizon-SMS)(衢州新芝生物科技有限公司大量现货订购: 王女士)是美国 EPA 规定的表征危险废物点的标准方法,并得到广泛应用。 根际土壤溶液采样器采样系统通常由 3 部分组成:多 孔材料制成的吸杯(suction cup)、采样瓶和抽气容器。
重金属吸附平衡通常用分配系数Kd 来表示。Kd
(L/kg)表示溶液中某种物质对固体基质的相对亲和 附着能力[1],为土壤中重金属含量Mtotal(mg/kg)及土 壤水中重金属浓度Msolution (mg/L)之比,即:
液pH值可以解析方程变异的 50%,但把土壤有机C引 入方程中时可以显著提高方程的决定系数(R2 = 0.61) [4]。研究证实pH [5-7]、土壤有机C [8]、CEC是决定土壤 Kd 的重要因素[9]。
Cd 属于生物非必需元素,对植物毒性很强。当其 进人植物体后能引起一系列不利于植物生长的反应。 1988 年 FAO/WHO 专家委员会提出了 Cd 的暂定每周
可耐受摄入量(provisional tolerated weekly intake,
PTWI)为 7 μg/kg(体重)。Cu 和 Zn 是人体健康和植物 不可缺少的微量营养素,但过量对生物则产生危害。 河南省黄淮平原经济区是我国的农业生产基 地,其土壤质量状况直接影响到农业的可持续发展以 及人体健康。然而,对河南省黄淮平原经济区重金属
K = M total
(1)
在原位条件下固-液两相分配研究少见报道。本研究采
Msolution
已经有报道称土壤Cd的Kd 值与土壤的理化性质 有一定关系。Anderson等[2]发现土壤pH是控制Cd的Kd zui重要的因子。Christensen[3]用土壤理化参数如pH、土 壤黏粒含量、腐殖质和阳离子交换总量(CEC)以及 土壤中活性组分如活性氧化铁、活性Mn、活性Al,通 过逐步回归方法发现平衡时土壤溶液中pH可以解释 72% 的方差变异。多元线性回归模型发现,土壤溶
用自制的根际土壤溶液采样器原位采取土壤溶液,旨
在:①探讨 Cu、Cd、Zn 在固-液两相的分配行为;② 通过重金属分配系数估计重金属的迁移速度。
1 材料与方法
在研究区选择 24 个剖面,每个剖面的规格是长 2 m,宽 0.8 m,深 2.2 m 的梯形。在剖面的 20、40、60、 80、130、160、210 cm 深度处各采集土壤样品 1 kg。
①基金项目:国家自然科学基金项目(40772155)、咸宁学院重点项目(BK0704)和生物地质与环境地质教育部重点实验室开放基金项目(BGEG0809) 资助。
作者简介:郝汉舟(1970-),男,湖北英山人,博士,主要从事生态修复的教学与科研工作。E-mail: haohz110@163.com
在开挖的土壤剖面上采用负压式土壤溶液采样器采 集土壤溶液。在剖面深度 20、40、60、80、130、 160 cm 处埋置陶瓷头。土壤溶液采集有以下步骤:
①清洗。第一次使用的新仪器,在安装前用稀酸洗 干净并用蒸馏水浸泡陶瓷头 24 h 以上。②埋置。用 直径略大于陶瓷头的土钻在预定的剖面深度处打
孔,打孔时略向下倾斜,将土钻中的土壤取出,过
筛去掉粗砂和石砾,加水搅和成泥浆倒回孔中,把 陶瓷头放入孔中央,使泥浆没过陶瓷头,加土压实 密封防止大气进入。③连接。把陶瓷头通气支管用 金属杆堵塞,确保密闭。④润洗。按压真空泵抽气, 使瓶内气压为 -0.7 个标准大气压。zui初抽取的溶液 并不取样,只用于润洗陶瓷头、导管和采样瓶。⑤ 采样。在负压达到要求时,经过润洗后即可进行采 样。
土壤及土壤溶液中 Cu 和 Zn 用 IRIS Intrepid 全谱 仪测定(检测方法依据 DZ/T0064-93),Cd 用 M6 石 墨炉原子吸 收分光光度 计测定(检 测方法依据 GB5750-85 )。土壤溶 液 pH 用美 国哈希 HACH sensION4 便携式 pH 计测定。土壤有机 C 用用重铬酸 钾氧化-外加热法测定。
2 分析与讨论
2.1 土壤溶液重金属浓度
不同深度土壤溶液中的重金属浓度见表 1,zui大值 和zui小值相差 2 个数量级。其中,在 20 cm 深度上,
溶液中的 Cu 浓度范围为 0.001 ~ 0.404 mg/L,平均值 为 0.018 mg/L;Cd 浓度范围为 0.01 ~ 0.08 μg/L,平均
值为 0.06 μg/L;Zn 浓度范围为 0.034 ~ 0.343 mg/L,平
均值为 0.095 mg/L。
表 1 不同深度土壤溶液中 Cu、Cd、Zn 浓度描述统计(n = 24)(mg/L)
Table 1 Cu, Cd and Zn concentrations in soil solution at different depths
深度 |
平均值
0.018
0.026
0.021
0.023
0.022
0.008 | Cu (mg/L) zui小值 zui大值
0.001 0.404
0.001 0.126
0.001 0.059
0.005 0.064
0.002 0.051
0.001 0.019 |
CV 0.004 0.009
0.005
0.005
0.004
0.002 |
|
平均值
0.06
0.10
0.10
0.12
0.08
0.06 | Cd (μg/L) zui小值 zui大值
0.01 0.08
0.06 0.14
0.05 0.09
0.04 0.08 |
CV 0.002 0.003
0.001
0.004
0.002
0.003 |
|
平均值
0.095
0.080
0.092
0.100
0.076
0.059 | Zn (mg/L) zui小值 zui大值
0.034 0.343
0.004 0.260
0.007 0.211
0.031 0.260
0.008 0.189
0.018 0.110 |
CV 0.024 0.019
0.017
0.018
0.016
0.008 | |||
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20 |
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40 |
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60 |
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80 |
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130 |
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160 |
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在对溶液中重金属进行对数转换后作为因变量, 用土壤溶液中理化性质作为自变量,进行多元线性回 归。自变量进入方程选择逐步回归方法(stepwise),
是土壤溶液pH、土壤中重金属浓度(Mtotal )、土壤有 机碳(Corg )的函数:
( ) ( )
有log(Corg )、pH、log(Zntotal) 进入方程。
log M solution
= a +
b ′ pH + c ′
log M total
从表 2 可知,对于土壤溶液中Cu来讲,只有土壤
+ d ′
log (Corg )
(2)
溶液中有机C(Corg )进入了方程,其他土壤理化性质 没有作为自变量进入方程。对于土壤溶液中Cd来讲, 只有土壤溶液pH进入了方程。对于土壤溶液中的Zn, 土壤溶液pH和土壤中的Zn浓度都作为自变量进入方 程。已有资料报道[10],土壤溶液中的重金属(Msolution )
该模型中a、b、c、d为常数。该模型前提假设是土壤
溶液中的离子和H+ 竞争土壤的吸附位。该模型对来自 与田间和认为污染的土壤进行回归预测,对土壤溶液 中的Cu、Cd、Zn,方程的决定系数分别为 0.611、0.884、 0.618[10]。
表 2 土壤溶液中重金属预测方程
Table 2 Prediction equations for heavy metal in soil solution
在本研究中,Cd、Zn的线性回归方程中,pH能解
释方差变异的 42.3% 和 64.5%。无论是土壤溶液中的 有机C还是土壤黏粒含量,作为自变量进入方程后不能 进一步提高决定系数R2的大小。对于Cd和Zn,pH是zui 重要的预测土壤溶液中重金属的因子,土壤溶液中的 土壤有机质没有相同的预测效果。从回归方程可以看 出,土壤溶液中的Cu和Cd、Zn*不一样,土壤溶液 中的有机质能够解释方程变异的 32.2%,土壤溶液pH