土壤膠體和優(yōu)勢流對鎘環(huán)境行為的影響.pdf

1、通常認為,強吸附性污染物的遷移風險是很低的,但關(guān)于它們在土壤和沉積物中長距離遷移的報道卻屢見不鮮。這種現(xiàn)象激發(fā)了關(guān)于促進運輸(facilitated transport)和優(yōu)勢流(preferential flow)的研究,目前普遍認為這是提高污染物在地下環(huán)境中運移速度的兩種主要機制。膠體(包括礦質(zhì)膠體、有機膠體、生物膠體等)與優(yōu)勢流對污染物環(huán)境行為影響的研究起源于膠體促進的放射性核素的遷移,進而發(fā)現(xiàn)膠體亦能影響其它污染物的遷移。圍繞這

2、一命題國內(nèi)外已展開了大量對地下環(huán)境中膠體的來源、膠體對污染物的吸附、膠體促進的污染物遷移、膠體的固定的研究.然而,膠體對污染物在土壤中環(huán)境行為的影響是多方面的。關(guān)于膠體對土壤吸附污染物的貢獻、膠體對污染物生物有效性的影響的研究還不多見。另外,對于在生命活動旺盛的土壤中普遍存在的優(yōu)勢流研究也僅停留在室內(nèi)小型土柱或肉眼可見的幾種示蹤劑上,并且鮮有關(guān)于污染物在土壤剖面中究竟如何分布及優(yōu)勢流對污染物遷移的直接影響的報道。因此有必要開展對模擬大孔

3、隙和自然條件下優(yōu)勢流的研究。為此,本文選取Cd作為供試污染物,采用等溫吸附試驗、動力學(xué)試驗、生物盆栽試驗、模擬大孔隙土柱淋洗試驗、田間淋洗試驗等方法,系統(tǒng)研究了土壤膠體和優(yōu)勢流對鎘在土壤環(huán)境中的吸附、遷移和生物有效性等環(huán)境行為的影響及其可能機制。主要結(jié)果如下： 1、黑土、黃棕壤、水稻土、紅壤不同粒級組分(粘粒<2μm,粉粒2～20μm,細砂粒20～200μm,粗砂粒200～2000μm)對鎘的吸附均表現(xiàn)為：粘粒>粉粒>粗砂粒>細

4、砂粒,且粒級間的差異都達到顯著水平；各粒級組分對鎘的吸附均符合Langmiur方程和Frendlich方程,吸附量最大的粘粒組分對鎘的平均最大吸附量為202.8±64.6 mmol·kg-1,粉粒、細砂粒、粗砂粒對鎘的最大吸附量分別為135.0±39.2mmol·kg-1、47.0±9.4 mmol·kg-1、81.3±33.7 mmol·kg-1,粘粒分別平均是粉粒、細砂粒、粗砂粒的1.53±0.30倍、4.23±0.67倍、2.57

5、±0.55倍；各組分對鎘的吸附量之間的差異隨著鎘的濃度增大而增大。各組分對土壤吸附鎘的貢獻率為：粉粒(52.2±15.3)>粘粒(32.3±14.9)>細砂粒(13.8±3.4)>粗砂粒(1.7±1.4)(只有紅壤中粘粒>粉粒),土壤80％～90％的鎘吸附在<20±μm的組分上,粗砂粒的貢獻基本可以忽略不計。各因素對吸附的影響大小為：粒級>有機質(zhì)>平衡pH,而游離氧化鐵無顯著影響。建立了最大吸附量和分配系數(shù)與各影響因子的多元回歸方程：

6、 最大吸附量=-239.098±54.935×粒級賦值+34.261×平衡pH-2.844×游離氧化鐵含量+2.215×有機質(zhì)含量分配系數(shù)=-174.182+26.332×粒級賦值+29.795×平衡pH+1.675×游離氧化鐵含量+1.604×有機質(zhì)含量 2、黃棕壤不同粒級組分(粘粒、粉粒、細砂粒、粗砂粒)對鎘的吸附動力學(xué)與熱力學(xué)研究表明,兩種溫度下(25℃和45℃)各粒級組分對鎘的吸附均可分為快反應(yīng)和慢反應(yīng)兩個階段,0

7、～15min內(nèi)為快反應(yīng)階段,吸附量達到飽和吸附量的95％以上,此后為慢反應(yīng)階段；隨著溫度由25℃升高到45℃,各組分對鎘的飽和吸附量增加了4.86％～25.3％；各組分對鎘的吸附動力學(xué)符合拉格朗日假二級動力學(xué)方程,吸附過程以化學(xué)吸附為主；二級動力學(xué)吸附速率常數(shù)表明,隨著各組分粒級增大,吸附速率降低；在試驗溫度范圍內(nèi)隨著溫度升高,吸附速率加快；吸附過程的限速步驟為顆粒間擴散；各粒級組分對鎘的吸附為吸熱反應(yīng),反應(yīng)能自發(fā)進行。 3、盆

8、栽試驗結(jié)果表明：(1)各處理黑麥草株高、地上部干重、根干重、總生物量都表現(xiàn)為膠體>原土>去膠組分,膠體上總生物量分別平均是原土和去膠組分的1.31±0.02倍和1.82±0.21倍。(2)黑麥草地上部與根中Cd濃度、地上部與根對Cd的富集系數(shù)都表現(xiàn)為膠體<原土<去膠組分,表明cd的生物有效性膠體<原土<去膠組分,這主要是各組分的表面性質(zhì)、有機質(zhì)含量、pH等的差異引起的。(3)加入EDTA增加了Cd的解吸,導(dǎo)致黑麥草地上部與根中Cd濃度顯

9、著增加,黑麥草地上部干重、根干重、總生物量降低,但植株Cd總量與CK相比還是有所上升。EDTA對Cd的活化作用受到各處理pH的強烈影響,表現(xiàn)為去膠組分>原土>膠體,黃棕壤>紅壤,EDTA對各處理植株Cd總量的影響與此吻合。至于地上部與根部Cd濃度對EDTA的響應(yīng)與上述順序不完全一致則反映了EDTA對不同組分上黑麥草Cd的遷移系數(shù)的影響差異:EDTA使黃棕壤膠體和原土Cd的遷移系數(shù)顯著增加,而對黃棕壤去膠組分和紅壤三種基質(zhì)Cd的遷移系數(shù)無

10、顯著影響。(4)兩種土壤在各方面差異顯著,一次平衡試驗表明,EDTA濃度為0時,黃棕壤各組分Cd的解吸率分別表現(xiàn)為膠體和原土約為0,去膠組分組分為10.5±3.5％,紅壤各組分平均為20.8±1.9％?？梢酝茰y這是各處理黑麥草長勢及體內(nèi)Cd濃度差異的直接原因。 4、室內(nèi)人工大孔隙土柱試驗結(jié)果表明,大孔隙的存在使Cd的遷移量增加了75％,在10個孔隙體積內(nèi)大孔隙.對照處理淋濾液中鎘的濃度平均是對照處理的106倍。淋洗液中加入膠體和

11、DOM使大孔隙土柱Cd的遷移量分別增加了16％和50％。膠體和DOM對Cd遷移的促進作用在3個孔隙體積內(nèi)表現(xiàn)得特別明顯,淋出液中鎘的濃度平均分別是不加膠體或DOM的大孔隙處理的2.47(膠體)和2.66倍(DOM)。 5、田間試驗結(jié)果表明：土壤剖面具有很大空間變異性,優(yōu)勢流對Cd的遷移起主導(dǎo)作用；Cd在土壤基質(zhì)中的擴散被限制在幾厘米范圍內(nèi),大孔隙的存在使亮藍和Cd的遷移距離增加了數(shù)十倍；膠體通過在土壤基質(zhì)毛細管中的堵塞效應(yīng)和在優(yōu)

12、勢流區(qū)域大孔隙壁上的沉積抑制了Cd在土壤中的遷移(約10 cm),而DOM與對照相比使Cd的向下遷移增加了約10-20 cm;三個剖面中亮藍濃度與交換性鎘和全鎘濃度間有強烈正相關(guān)關(guān)系,表明亮藍與Cd在剖面中遷移的優(yōu)勢流路徑非常相似?？傊?膠體對Cd的強烈吸附作用能在一定程度上控制Cd的生物有效性,進而制約Cd進入生物圈,從而降低Cd的環(huán)境風險。優(yōu)勢流對Cd的遷移起主導(dǎo)作用,而膠體的不穩(wěn)定性使得其在真實環(huán)境中對Cd的促進遷移作用具有很大的