汞在水旱輪作系統(tǒng)的釋放特征及其影響因素.pdf

1、由于汞具有多種形態(tài)、易揮發(fā)和長距離傳輸?shù)泉毺氐奈锢硇再|(zhì)，因而被公認為“全球性污染物”而引起人們的高度重視。特別是近年來發(fā)現(xiàn)，隨著化石燃料燃燒、金屬冶煉等人為過程向大氣釋放的汞逐漸增加，全球大氣汞濃度逐年升高。大氣環(huán)境中汞的存在形式主要有單質(zhì)汞、二價汞及其化合物、甲基汞和顆粒態(tài)結(jié)合汞，其中元素汞(Hg<'0>)是主要形態(tài)，占總氣汞含量的90％以上。元素汞在大氣中停留時間約為0.5～2年，可進行長距離傳輸，參與全球的汞循環(huán)，造成全球范圍內(nèi)的

2、汞污染。為此，近年來對汞污染問題的研究熱點，已從對局部區(qū)域環(huán)境的污染與危害問題轉(zhuǎn)向全球大氣汞循環(huán)演化規(guī)律方面。而對這一問題認識的關(guān)鍵，首先必須正確地找出向大氣釋放汞的源頭并正確測算其釋放量。 近年對火山排氣作用、地熱活動、森林火災(zāi)、土壤表面釋放、自然水體的排放、植物表面蒸騰作用、城市地表等自然釋汞過程作了一些研究，為從宏觀尺度估算當今全球地表每年向大氣釋放汞的總量提供了借鑒。但從時間尺度與區(qū)域規(guī)模上看，還極其有限，從而造成目前對

3、全球地表向大氣釋放汞總量的估算還存在很大誤差和不確定性。因此，進一步開展具有代表性的地表自然體汞釋放通量的研究，對正確估算全球自然釋放源向大氣的排汞量和認識全球大氣汞循環(huán)演化規(guī)律具有重要意義。 水旱輪作是亞洲各國普遍采用的稻田耕作制度，也是我國南方主要的耕作制之一。我國有水旱輪作稻田超過1400萬hm<'2>，占稻田面積的30％～40％。水旱輪作系統(tǒng)由于水熱條件及氧化還原條件的強烈變化，直接影響到土壤中汞的轉(zhuǎn)化、遷移和積累。但對

4、這一過程的系統(tǒng)研究相對缺乏，為此，本項研究以我國最具特色的周期性干濕交替環(huán)境——水旱輪作稻田為研究對象，開展干濕交替環(huán)境條件下土壤汞的釋放通量及其遷移形態(tài)的研究，對正確認識區(qū)域及全球大氣汞的來源及強度無疑具有重要意義。 本研究采用野外實地監(jiān)測、采樣分析及模擬試驗的方法進行。實地監(jiān)測及采樣地點位于重慶北碚西南大學國家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測試驗基地的水旱輪作試驗地。試驗地土壤為侏羅紀沙溪廟組紫色泥、頁巖發(fā)育而成的紫色土(普通紫色常

5、濕雛形土，Purpli-Udic Cambosols)，試驗區(qū)面積共1200 m<'2>，共設(shè)12個不同施肥組合的稻一麥輪作小區(qū)處理(其中1個為稻-油輪作)和1個長期休閑處理。自2005年4月至2006年12月，按水稻生長期、休閑期和油/麥生長期劃分監(jiān)測周期，現(xiàn)場測定汞釋放通量，每月監(jiān)測次數(shù)不少于3次，每次連續(xù)測定0.5～8 h不等，同時測定光照強度、氣溫、大氣濕度、土溫和水溫等參數(shù)。每月進行一次采樣分析(包括土樣、水樣)，分析項目包括

6、土壤基本性質(zhì)(有機質(zhì)、機械組成、pH、COD)、汞含量、汞形態(tài)、土壤微生物類群等指標。土/水．氣界面汞交換通量采用動力通量箱與Lumex RA-915<'+>測汞儀聯(lián)用技術(shù)監(jiān)測，土壤汞形態(tài)參照Tessier(1979)的方法測定。同時，參照水旱輪作土壤干濕交替的環(huán)境條件進行室內(nèi)模擬試驗，以進一步研究其動態(tài)變化特征。通過數(shù)據(jù)分析整理，確定稻田土壤在干濕交替環(huán)境下向大氣釋放汞的通量。并研究不同施肥狀況、不同季節(jié)、輪作的不同時期及其作物(油菜

7、、小麥/水稻)條件下環(huán)境界面(水/土-氣)汞的釋放通量變化特征，研究了氣象因子、土壤性質(zhì)以及微生物類群對汞釋放通量的影響，在此基礎(chǔ)上對重慶市水一早輪作農(nóng)田汞的自然源釋放進行初步量化。研究結(jié)果如下：水旱輪作稻田土壤汞含量及汞的形態(tài)分布均隨輪作期水旱交替過程而呈現(xiàn)周期性變化，表現(xiàn)為早地土壤總汞含量高于水田土壤，汞形態(tài)以王水溶態(tài)為主，活性較低；水田土壤以可溶態(tài)汞為主，活性較高。這一變化過程的根本原因是由水旱輪作方式導(dǎo)致的農(nóng)田土壤氧化還原條件的

8、周期性變化，汞的形態(tài)及活性的變化，必然影響到其在體系內(nèi)的循環(huán)與轉(zhuǎn)化過程。模擬試驗顯示，土壤汞含量越高，上覆水的汞濃度越大。淹水期間上覆水的汞濃度有兩個較高點，第一個峰值出現(xiàn)在第3天，第二個峰值出現(xiàn)在第12天左右。土壤經(jīng)過淹水—落干交替過程后，部分汞被散發(fā)到大氣中，這部分汞主要是酸溶態(tài)和堿溶態(tài)汞經(jīng)生物或非生物還原過程，以H擴的形式釋放。淹水期間上覆水DGM和Hg。+含量的變化趨勢相反，說明它們之間在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。模擬試驗中對汞通

9、量的監(jiān)測表明，二價汞(Hg<'2+>)比其它價態(tài)的汞更容易在土壤-水體-大氣界面中轉(zhuǎn)化和交換。 試驗區(qū)汞釋放通量數(shù)據(jù)高于世界背景區(qū)域1個數(shù)量級，表明水旱輪作系統(tǒng)也是大氣汞的一個重要的自然釋放源。在水旱輪作期內(nèi)，水稻生長期稻田水一氣界面汞交換通量最大(82.9±73.3 ng m<'-2>h<'-1>)，休閑期土．氣界面汞交換通量次之(24.0±7.1 ng m<'-2>h<'-1>)，油/麥生長期土-氣界面汞交換通量最小(11.

10、0±3.5 ng m<'-2>h<'-1>)。年平均汞通量為39.3±53.2 ng m<'-2.h<'-1>。 紫色土農(nóng)田水/土-氣界面間的汞通量表現(xiàn)出明顯的日變化、期間變化和季節(jié)性變化。不同輪作期不同界面間的汞揮發(fā)通量存在較大差異，其大小順序為，暖季稻田>暖季空地>暖季油麥田>冷季油麥田。白天水/土-氣界面汞通量都呈現(xiàn)早晚低，午間高的趨勢，沉降多出現(xiàn)在傍晚和早晨。水旱輪作稻田基質(zhì)總汞含量與其釋放量之間存在正相關(guān)關(guān)系(水體，r

11、=0.463<'*>，p<0.05；土壤，r=0.322<'*>， p<0.05)。土壤有機質(zhì)含量與汞通量之間存在極顯著的負相關(guān)關(guān)系(r=-0.688<'**>，p<0.01)。氣象因子對界面汞交換的影響極其顯著，水-旱輪作期間旱地土壤和稻田水體表面的汞揮發(fā)通量與太陽輻射量表現(xiàn)出相同的變化趨勢，兩者之間呈極顯著的正相關(guān)(r=0.730料，p<0.01)。旱地土壤表面(2～5 em)溫度、水體表層溫度與汞通量呈極顯著(r=0.514<'*

12、*>，p<0.01)和顯著(r=0.171<'*>，P<0.05)正相關(guān)。經(jīng)Arrhenius方程計算得出，農(nóng)田旱地土壤產(chǎn)生氣態(tài)單質(zhì)汞的化學反應(yīng)活化能為21.5 kcal mol<'-1>(19.5～33.4℃)，水田土壤為27.7 kcal mol<'-1>(4.5～34.3℃)。其化學反應(yīng)活化能高于單質(zhì)汞的蒸發(fā)焓，說明汞在水/土表面釋放不是單質(zhì)汞的直接蒸發(fā)。相對于土-氣界面來說水．氣界面汞交換更為復(fù)雜，水面汞釋放應(yīng)該看作是水體和大氣

13、亞表層發(fā)生的各種物理化學反應(yīng)由此產(chǎn)生的拮抗或協(xié)同作用下的最終結(jié)果?？諝庀鄬穸仍谒旧L期與汞通量的關(guān)系不明顯，而在油/麥生長期和休閑期，相對濕度與汞通量存在極顯著的負相關(guān)關(guān)系(r=0.748<'**>，-0.730<'**>，p<0.01)。土壤濕度與汞通量在一定程度上有一致的變化趨勢，但在監(jiān)測期內(nèi)對水旱輪作條件下紫色土汞的釋放影響甚微。耕作方式對汞釋放的影響也較顯著。不同試驗小區(qū)的汞通量受施肥條件和地表覆蓋物的影響很大，施肥狀況影響

14、作物生長量和作物密度，也影響到土壤性質(zhì)、性狀和土壤中汞形態(tài)及其相互轉(zhuǎn)化，從而影響汞的固定和釋放。但施肥條件對水體汞揮發(fā)的影響并不明顯。 在水稻生長期，稻田土壤中的厭氧細菌群落數(shù)量與汞釋放通量呈相反趨勢(r=-0.580<'*>，p<0.05)，其中硫酸鹽還原菌(SRB)和厭氧纖維素分解菌(ACDB)與汞通量有顯著負相關(guān)關(guān)系(r=-0.630<'*>，-0.558<'*>，p<0.05)，是影響汞形態(tài)轉(zhuǎn)化和釋放的主要類群。而在休閑