發(fā)布時間：2020-05-21 16:10

【摘要】： 本研究是國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(編號：2002CB410804)“長江、珠江三角洲地區(qū)土壤和大氣環(huán)境質(zhì)量變化規(guī)律與調(diào)控原理”子課題“重金屬在土壤—植物系統(tǒng)中遷移、轉(zhuǎn)化、積累規(guī)律與農(nóng)產(chǎn)品安全”的組成部分。根據(jù)國家項目的特定研究內(nèi)容、目標(biāo)的要求，本研究選擇了長江三角洲的小粉土、黃紅壤和青紫泥三種代表性人為耕作土壤作為研究對象，通過實驗室模擬分析及網(wǎng)室盆栽試驗研究了土壤中主要污染物汞的吸附解吸行為，，生物有效性，土壤—水稻(蔬菜)系統(tǒng)中土壤微生物的汞生態(tài)效應(yīng)、群落結(jié)構(gòu)和酶活性等。取得了以下有一定特色和意義的研究結(jié)果： 1．土壤對汞離子的吸附-解吸行為與土壤性質(zhì)密切相關(guān)。有機質(zhì)和粘粒含量較高的黃紅壤對汞離子的吸附容量最大，其次是青紫泥，最小的是小粉土。小粉土、黃紅壤和青紫泥對汞離子的吸附可以用Langmuir和Freundlich吸附模型很好的擬合，Langmuir方程的相關(guān)系數(shù)更高一些，說明它更適用于描述汞的吸附。小粉土、黃紅壤與青紫泥對汞的最大吸附量(K_L)分別為111.11 mg kg~(-1)、212.77 mg kg~(-1)和188.68 mg kg~(-1)。三種供試土壤在吸附汞離子后平衡液的pH隨添加汞濃度的增加而顯著降低。隨汞濃度增加，三種土壤中汞的吸附分配系數(shù)呈指數(shù)下降。在汞加入濃度1000 mg kg~(-1)時，用0.1 M KCl連續(xù)解吸5次，小粉土吸附汞中有24.40％被解吸，而黃紅壤則有14.37％吸附汞被解吸，青紫泥有18.35％吸附汞被解吸。 pH對土壤吸附汞離子的解吸影響較大。小粉土、青紫泥和黃紅壤吸附Hg~(2+)的解吸率均隨pH值升高先降低，后變平緩，又升高，在pH為3.00-5.00范圍內(nèi)下降，pH為5.00-7.00曲線趨于平緩，pH為7.00-9.00曲線趨于升高，這說明酸性的環(huán)境(pH＜5.4)有利于Hg~(2+)解吸，并且對Hg~(2+)解吸率隨pH增加而減少，因而pH也是控制土壤中汞有效性一個重要因素。 在加入Cu~(2+)和Zn~(2+)后，三種供試土壤吸附汞的解吸量大大增加，在相同Cu~(2+)和Zn~(2+)離子濃度下，Cu~(2+)對Hg~(2+)解吸量增加的幅度較Zn~(2+)大。銅加入量從0 mM到15 mM，小粉土、青紫泥和黃紅壤吸附汞的解吸量分別從1.50 mg L~(-1)、1.64 mg L~(-1)和2.06 mg L~(-1)增加到5.45 mg L~(-1)、4.48 mg L~(-1)和2.68 mg L~(-1)；鋅加入量從0 mM到20 mM，小粉土、青紫泥和黃紅壤吸附汞的解吸量分別從1.50 mg L~(-1)、1.64 mg L~(-1)和2.06 mg L~(-1)增加到4.53mg L~(-1)、3.96 mg L~(-1)和2.56 mg L~(-1)。 研究表明有機酸對三種土壤中汞的解吸行為影響極大，隨加入的有機酸濃度增大，三種土壤吸附汞的解吸量增大。對小粉土而言，低濃度(＜10~(-4) M)的有機酸可抑制對Hg~(2+)的解吸，而高濃度(＞10~(-4) M)有機酸可促進(jìn)Hg~(2+)的解吸。不同有機酸對土壤吸附汞的解吸行為的影響也不同，本實驗研究的四種有機酸對三種土壤吸附汞的解吸行為的影響中，按對土壤吸附汞離子解吸的促進(jìn)作用強弱排序為：檸檬酸＞酒石酸＞蘋果酸＞草酸。 2．本文從土壤化學(xué)角度出發(fā)，對HCl、NH_4OAC、DTPA和CaCl_2四種提取劑對小粉土、黃紅壤和青紫泥中汞的化學(xué)提取條件及提取性作了初步研究。結(jié)果表明，隨著平衡時間延長增加，汞提取量有逐漸增加的趨勢。在三種土壤中各提取劑的提取率達(dá)到穩(wěn)定的提取時間分別為：小粉土(HCl 10分鐘；CaCl_2 10分鐘；DTPA 10分鐘；NH_4OAc 10分鐘)；黃紅壤(HCl 10分鐘；CaCl_2 30分鐘；DTPA 30分鐘；NH_4OAc 30分鐘)；青紫泥(HCl 10分鐘；CaCl_2 30分鐘；DTPA 30分鐘；NH_4OAc 30分鐘)。可見，提取時間30分鐘時，有效汞含量基本達(dá)到平衡，因此，對四種提取劑來說，30分鐘可作為提取三種供試土壤汞有效態(tài)的最佳提取時間。 研究表明，隨著土液比的不斷減小，三種土壤四種提取劑Hg的提取量明顯提高。為減少試驗誤差，確定1：5為較適宜的土液比。 四種提取劑在三種供試土壤中的提取能力有顯著的差異。對于小粉土，其順序為：NH_4OAc＜CaCl_2＜DTPA＜HCl；對于黃紅壤，其順序為：NH_4OAc＜CaCl_2≈DTPA＜HCl；對于青紫泥，其順序為：DTPA＜NH_4OAc＜HCl＜CaCl_2。這表明HCl和DTPA，特別是HCl提取效率較高。 用水稻籽粒、小白菜葉、蘿卜根含汞量與提取劑提取汞量進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：對土壤—水稻系統(tǒng)來說，小粉土和黃紅壤用DTPA作提取劑，青紫泥用CaCl_2作提取劑，在振蕩平衡時間30min，土液比1：5條件下，測定土壤中有效態(tài)Hg是較為適宜的方法； 對土壤—小白菜系統(tǒng)來說，在振蕩平衡時間30min，土液比1：5條件下，由于三種供試土壤上小白菜葉Hg含量與4種提取劑提取Hg量相關(guān)不顯著，因此，需要選擇其它的提取劑來提取； 對土壤—蘿卜系統(tǒng)來說，在振蕩平衡時間30min，土液比1：5條件下，小粉土和黃紅壤上蘿卜根Hg含量與提取劑HCl提取Hg量相關(guān)系數(shù)最大，而青紫泥上蘿卜根Hg含量與提取劑CaCl_2提取Hg量相關(guān)系數(shù)最大。因此，小粉土和黃紅壤用HCl作提取劑，青紫泥用CaCl_2作提取劑，在振蕩平衡時間30min，土液比1：5條件下，測定土壤中有效態(tài)Hg是較為適宜的方法。 通過綜合分析4種提取劑的提取能力、提取結(jié)果與植物汞含量的關(guān)系，確定HCl為評價本研究三種供試土壤中汞元素有效性的最佳化學(xué)提取劑。 3．土壤—水稻作物系統(tǒng)中，本實驗條件下，汞污染對土壤環(huán)境質(zhì)量微生物學(xué)和酶學(xué)指標(biāo)有較大的影響。水稻收獲后，除部分土壤的呼吸強度和代謝商隨汞處理濃度的增加而持續(xù)增加外，不同Hg處理后土壤微生物量碳、呼吸強度，土壤脲酶、酸性磷酸酶和脫氫酶均表現(xiàn)為在低濃度Hg處理時有促進(jìn)作用，在高濃度時則表現(xiàn)出抑制作用。不同指標(biāo)出現(xiàn)峰值時的Hg濃度分別是0.5、1、1.5、2mg kg~(-1)不等。綜合來看，土壤微生物商是Hg處理后比較敏感的微生物學(xué)指標(biāo)。Hg不同處理的土壤酶活性強弱依次為：黃紅壤＞青紫泥＞小粉土。通過對重金屬生態(tài)劑量ED50的分析，表明Hg對小粉土脲酶活性的生態(tài)毒性比相應(yīng)的青紫泥和黃紅壤強；對黃紅壤磷酸酶活性的生態(tài)毒性比相應(yīng)的青紫泥和小粉土強；對青紫泥脫氫酶活性的生態(tài)毒性比相應(yīng)的小粉土和黃紅壤強。 本文也證實了BIOLOG系統(tǒng)是反映土壤微生物生理輪廓和微生物群落結(jié)構(gòu)的有效手段。微生物群落代謝剖面AWCD值和McIntosh指數(shù)可以較好的反應(yīng)本實驗三種土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和汞污染之間的劑量關(guān)系。汞污染嚴(yán)重的土壤AWCD值、McIntosh指數(shù)均顯著低于無污染和輕度污染的土壤，表明汞污染引起了紅砂土和黃筋泥微生物群落結(jié)構(gòu)功能多樣性的下降，減少了能利用有關(guān)碳源底物的微生物的數(shù)量，最終導(dǎo)致土壤微生物群落功能結(jié)構(gòu)多樣性發(fā)生變化。 4．土壤—(小白菜)作物系統(tǒng)中分析測定的大部分土壤微生物學(xué)和酶學(xué)等生態(tài)指標(biāo)，均與土壤—水稻系統(tǒng)表現(xiàn)出相似的規(guī)律。本試驗中，就平均而言，青紫泥中的土壤微生物量碳最高，其次是黃紅壤，最小的是小粉土。同時，小粉土中對汞污染的敏感性最強，其次是青紫泥，最弱的是黃紅壤。不同濃度汞處理后，土壤微生物活性的變化與土壤微生物量的變化規(guī)律相似。即，隨汞處理濃度增大土壤微生物活性而增強，到一定濃度后轉(zhuǎn)為減弱。三種供試土壤的微生物商差異顯著，黃紅壤的微生物商最大，其次是青紫泥，最小的是小粉土。比較而言，微生物商是對土壤微生物比較敏感的指標(biāo)。 平均而言，黃紅壤和青紫泥中的土壤酶活性高于小粉土。除磷酸酶外，Hg多數(shù)處理濃度對土壤酶活性表現(xiàn)出抑制作用，與種植水稻時多數(shù)處理濃度起促進(jìn)作用正好相反。Hg污染條件下小粉土脲酶活性受抑制的幅度最大，黃紅壤的受抑制最小。種植小白菜后，除磷酸酶和小粉土中的脫氫酶外，其它土壤中脲酶和脫氫酶活性與重金屬處理間均達(dá)負(fù)相關(guān)水平，但未達(dá)到顯著水平。研究表明Hg對小粉土脲酶活性的生態(tài)毒性比相應(yīng)的青紫泥和黃紅壤強；Hg對黃紅壤磷酸酶活性的生態(tài)毒性比相應(yīng)的青紫泥和小粉土強；Hg對小粉土脫氫酶活性的生態(tài)毒性比相應(yīng)的青紫泥和黃紅壤強。 此外，在小白菜收獲后，采用碳素利用法(BIOLOG測試系統(tǒng))對土壤微生物功能和群落結(jié)構(gòu)多樣性分析，結(jié)果表明：隨Hg各處理濃度增加，BIOLOG ECO盤平均吸光值(AWCD)降低，群落代謝剖面值與培養(yǎng)時間間呈非線性關(guān)系，其變化過程符合微生物種群生長動態(tài)模型，呈“S”形增長模式(logistic模型)。 5．土壤—(蘿卜)作物系統(tǒng)中Hg的生態(tài)效應(yīng)與土壤—水稻或蔬菜系統(tǒng)有相似之處。就平均而言，青紫泥和黃紅壤中平均Cmic高于小粉土。從土壤看，青紫泥和黃紅壤中土壤呼吸強度要高于小粉土。黃紅壤和青紫泥的土壤代謝商除了峰值外差異不大，但小粉土的最高，其次是黃紅壤，最低的是青紫泥。與栽培小白菜后的變化不同，青紫泥的微生物商最大，其次是小粉土，最小的是黃紅壤。 不同濃度汞處理后，土壤酶活性在供試的三種土壤中都表現(xiàn)出一定的差異性。起初，隨著汞處理濃度的增高，三種土壤中酶的活性增強，小粉土到1 mg kg~(-1)處理時出現(xiàn)峰值，黃紅壤和青紫泥到1.5 mg kg~(-1)處理時出現(xiàn)峰值，然后隨汞濃度增高而下降。 種植蘿卜后，Biolog生態(tài)盤的AWCD隨培養(yǎng)時間的增加而增強，呈“S”型指數(shù)增長模式。三種土壤的平均吸光值依次為：青紫泥＞黃紅壤＞小粉土，表明青紫泥和黃紅壤中微生物活性超過小粉土。 本研究闡明了在長江、珠江三角洲地區(qū)主要土壤類型中汞的物理化學(xué)行為、生物有效性及生物學(xué)特征；揭示汞在土壤—作物系統(tǒng)中遷移、積累、平衡規(guī)律及其主控因子；明確土壤—作物系統(tǒng)中汞污染的生態(tài)毒理、預(yù)測方法及其調(diào)控機制。在土壤-植物系統(tǒng)中汞的遷移、轉(zhuǎn)化和積累規(guī)律及其健康效應(yīng)方面的基礎(chǔ)理論研究方面取得較大突破，為國家制定該地區(qū)土壤汞污染控制、削減、修復(fù)行動計劃提供科學(xué)依據(jù)。
【圖文】：

吸附量adsorpti。n。 fHgZ‘ (mgkg一’)今SLS一YRS么PCS圖4一2三種供試土壤中汞吸附量與解吸量的關(guān)系Fig.4一 2There一 ationshipbetweenHgZ+adsorptionanddesorptionorthreetested50115表4一3三種土壤中汞的吸附率與解吸率Tab一e4一 3Theadsorp“onanddesorptionorRgZ+inthreepaddysoihHgaddedSLS5011 YRS5011PCS5011 (mgkg一，)汞加入量Adsorption(%)吸附率Desorption(%)解吸率Adsorption(%)吸附率100.00100.00100.00100.0097.7097.6295.9978.4168.1037.43Desorption(%)解吸率Adsorption(%)吸附率 nUnll

本文編號：2674559