水稻土中重金屬形態(tài)分布的多表面模型預測.pdf

1、工業(yè)的快速發(fā)展使得稻田土壤污染嚴重，土壤中重金屬的生物有效性和毒性不僅取決于土壤中重金屬的總含量，更取決于土壤中重金屬的形態(tài)。水稻土在發(fā)育過程中理化性質發(fā)生的變化，會引起重金屬在土壤活性組分中吸附配比的變化，進而影響重金屬的形態(tài)及其分布。因此，本研究以南方水稻土為材料，分析其中重金屬的形態(tài)分布與同母質發(fā)育自然土壤的差異，利用多表面模型(Multi-surface Model)預測并比較水稻土發(fā)生發(fā)育過程中重金屬形態(tài)分布及其變化，并利用道

2、南膜技術(Donnon Membrane Technique，DMT)檢驗和校正模型預測的結果。主要研究結果如下:
　　1.所采集自然土壤和水稻土均呈酸性、有機質含量相當，粘土礦物以高嶺石和水云母為主，自然土壤CEC值高于水稻土，兩者鐵錳氧化物含量差別較大。
　　自然土壤、水稻土的pH皆呈酸性，但水稻土pH值高于同母質發(fā)育的自然土壤。自然土壤的粘粒含量高于水稻土含量，自然土壤以粘土為主，而水稻土以壤土為主。自然土壤的CEC值

3、為11.2cmol/kg-15.7cmol/kg，而水稻土僅為5.0cmol/kg-8.6cmol/kg。有機質含量相差不大，含量范圍則為1.3％-3.6％。土壤樣品中無定型鐵含量為0.47g/kg-3.11g/kg，晶型鐵含量范圍為18.7g/kg-111.6g/kg，而氧化錳含量差別較大，涼橋自然土壤氧化錳含量最高為1.93g/kg，其余土樣的氧化錳含量范圍則為0.10g/kg-0.56g/kg。土壤粘土礦物中高嶺石含量為23.9％

4、-76.3％、水云母為15.1％-69.6％、1.4nm過渡礦物為5.2％-30.9％，其中涼橋水稻土粘土礦物的主要類型為水云母，其它土樣則均以高嶺石為主。
　　2.除涼橋水稻土外，供試土壤鉛、鋅、銅、鎘總量均超標;供試土壤A層土四種重金屬總量、非穩(wěn)態(tài)含量均高于相應B層土;而溶解態(tài)重金屬含量均較相應非穩(wěn)態(tài)含量低一個數量級以上。
　　供試土壤中鉛、鋅、銅、鎘的總含量分別為23.4mg/kg-1692.5mg/kg、186.9m

5、g/kg-1393.7mg/kg、19.4mg/kg-515.6mg/kg和0.69mg/kg-2.33mg/kg，而非穩(wěn)態(tài)含量依次為14.8mg/kg-85.2mg/kg、2.0mg/kg-85.2mg/kg、1.1mg/kg-144.9mg/kg和0.09mg/kg-0.72mg/kg，溶解態(tài)重金屬含量則分別為0.02mg/kg-0.56mg/kg、0.22mg/kg-41.66mg/kg、0.02mg/kg-1.5mg/kg和0.

6、01mg/kg-0.25mg/kg。供試土壤均受到不同程度的重金屬污染，其中鐵屎嶺自然土壤污染最為嚴重，四種重金屬鉛、鋅、銅、鎘總量均超標;非穩(wěn)態(tài)鉛及鋅含量最高的均為鐵屎嶺自然土壤，僅有涼橋自然土壤非穩(wěn)態(tài)銅的含量較高，其A、B兩層分別為144.9mg/kg和33.2mg/kg，其他土樣含量較低，均小于5.4mg/kg，供試土壤非穩(wěn)態(tài)鎘含量均較低;涼橋水稻土四種溶解態(tài)重金屬在非穩(wěn)態(tài)中的占比較其它幾種供試土壤高，總體而言，四種重金屬中鋅、鎘

7、的遷移性較強，而鉛、銅的遷移性較弱。
　　3.DMT測定結果表明除涼橋水稻土外，其它土壤A、B層自由態(tài)重金屬離子濃度差異較小;多表面模型經典參數預測自由態(tài)鋅、銅及鎘結果較重金屬鉛的好，優(yōu)化參數后得到較好的預測結果。
　　DMT技術分離并測定自由態(tài)鉛含量處于0.01μg/kg-204.67μg/kg之間，鋅的含量為2.16μg/kg-1935.3μg/kg，銅的含量則為0.01μg/kg-876.5μg/kg，而鎘的自由態(tài)含量

8、為0.12μg/kg-101.58μg/kg。多表面模型預測土壤中自由態(tài)鋅、銅及鎘的結果良好，但對鉛的預測稍有偏差;對模型進行優(yōu)化，優(yōu)化多表面模型吸附鉛的參數，結果表明對鉛離子的預測準確性有改善，但仍需進一步優(yōu)化;模型體系中加入氧化錳參數，考慮氧化錳對鉛的吸附作用，結果表明預測準確性進一步改善，因此，優(yōu)化校正后的模型對土壤中自由態(tài)重金屬的預測較好。
　　4.多表面模型預測結果表明土壤中吸附鉛的主要活性組分為有機質及氧化錳;土壤中對

9、鋅的吸附主要活性組分為晶型氧化鐵，其次則為有機質;土壤中吸附銅及鎘的主要活性組分均為有機質。
　　參數優(yōu)化后的多表面模型預測土壤固相活性組分中鉛形態(tài)分布發(fā)現(xiàn)，LQPA、TSNA、TSNB、TSPA四個土壤吸附形態(tài)含量為有機質結合態(tài)＞氧化錳結合態(tài)＞無定型鐵氧化物結合態(tài)＞粘土礦物結合態(tài)＞晶型鐵氧化物結合態(tài)，其余土壤樣品則為氧化錳結合態(tài)＞有機質結合態(tài)＞無定型鐵氧化物結合態(tài)＞粘土礦物結合態(tài)＞晶型鐵氧化物結合態(tài);涼橋土壤中吸附鋅的主要活性組

10、分為晶型鐵氧化物，其次為有機質，而鐵屎嶺土壤中吸附鋅的主要活性組分為有機質，其次為晶型鐵氧化物和粘土礦物;除涼橋水稻土外，其它土樣中銅與有機質結合態(tài)占比均超過90％，其次為晶型鐵氧化物結合態(tài)，涼橋土壤中活性組分對鎘的吸附能力的大小為有機質＞粘土礦物＞晶型鐵氧化物，而鐵屎嶺土壤則為有機質＞晶型鐵氧化物＞粘土礦物。
　　5.水稻土層隨淹水時間延長Eh逐漸降低、pH逐漸升高，并達到穩(wěn)定，土壤溶液中鐵錳離子、DOC和重金屬離子含量均呈先升

11、高后減小趨勢，重金屬在活性組分表面分配在淹水初期和排水期變化較明顯。
　　水稻土淹水培養(yǎng)實驗結果表明底層土壤和上層土壤的Eh隨淹水時間延長而降低，在13d左右達到最低而后維持穩(wěn)定，水層基本維持氧化態(tài)，因而Eh變化小;三層土壤溶液中pH均隨淹水時間而升高，升至8左右后保持穩(wěn)定;土壤溶液中的鐵錳離子及DOC的濃度隨時間變化有先升高后降低的趨勢;而溶解態(tài)重金屬及自由態(tài)重金屬均隨著時間的變化而降低，13d左右時降至最低值，而后保持穩(wěn)定。當