【摘 要】
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农业是一国之本,农业的健康发展对社会和经济的进步起到决定性作用。土壤作为农业生产的基本要素,是农业生产过程中必不可少的一环。但是,随着人口数量急剧增加和现代化工农业的发展,农药的大量使用和水资源的短缺,以及对矿产资源的开采,致使土地资源受到严重破坏,多种有机和无机污染物进入农田土壤中。其中,重金属对农田土壤的污染严重并且其修复难度大,赋存时间长,可通过迁移转化对人类健康和动植物造成危害。因此,开展
【基金项目】
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陕西省土地整治重点实验室开放基金(2018-ZD04);
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农业是一国之本,农业的健康发展对社会和经济的进步起到决定性作用。土壤作为农业生产的基本要素,是农业生产过程中必不可少的一环。但是,随着人口数量急剧增加和现代化工农业的发展,农药的大量使用和水资源的短缺,以及对矿产资源的开采,致使土地资源受到严重破坏,多种有机和无机污染物进入农田土壤中。其中,重金属对农田土壤的污染严重并且其修复难度大,赋存时间长,可通过迁移转化对人类健康和动植物造成危害。因此,开展重金属在土壤中的迁移转化过程研究对于土壤污染防治和地下水污染防治具有重要的科学意义。本文选取西安市种植小麦的表层土壤作为供试土壤,以典型重金属Zn、Pb作为代表性元素,将温度、p H、有机质和盐度作为主要影响因素进行吸附实验,探究在单因素和多因素耦合条件下重金属Zn、Pb在土壤中的吸附机理。通过添加不同浓度水平的外源重金属Zn、Pb,探究Zn、Pb的赋存形态随时间的动态变化过程以及重金属不同添加浓度水平对其形态转化的影响。借助对供试土壤的粒径分析、Cl-穿透实验和等温吸附实验获得溶质运移参数和水分运移参数,应用HYDRUS软件构建数学模型,对重金属Zn、Pb在土壤中迁移过程进行模拟;对污水灌溉条件下重金属Zn、Pb在土壤中的迁移深度进行预测分析。最后,采用Morris、EFAST和Sobol三种方法对模型中溶质运移参数和吸附参数进行敏感性分析。得到的主要结论如下:(1)在吸附实验中,单因素作用下,土壤对重金属Zn、Pb的吸附率随p H和温度的增大而增大;随着盐度的增加土壤对Zn、Pb的吸附率呈现先增加后降低的趋势;去除有机质后土壤对重金属的吸附效果明显下降,最大差值分别达到16%和25%。土壤在温度、p H和盐度三种因素交互作用下,对Zn、Pb的吸附表现为:在p H与温度和盐度的耦合作用下对其的吸附效果影响显著,温度与盐度交互作用下对其吸附效果影响较小;通过方差分析,p H、温度和盐度对土壤吸附Zn、Pb的影响顺序为:p H>温度>盐度。(2)在外源重金属培养实验中,随着培养时间的增加,重金属Zn、Pb的可交换态和碳酸盐结合态逐渐减少,但有机态呈现递增趋势;Zn的铁锰氧化态保持稳定,Pb的铁锰氧化态逐渐增加;残渣态占比变化不明显。随着重金属添加水平的提升,重金属Zn、Pb的可交换态和碳酸盐结合态逐渐增加,Zn和Pb的交换态最大增量为3.7%和8.5%,碳酸盐结合态最大增量为9.4%和7.6%。残渣态随着重金属添加水平的增加呈下降趋势。(3)土柱实验结果表明,确定性模型(CDE)对Cl-的穿透曲线拟合效果较好,R~2=0.9950。Cl-穿透曲线未发生拖尾曲折现象,表明Cl-是非平衡反应示踪剂。单点吸附模型(OSM)对Zn、Pb穿透曲线拟合的效果较差,决定系数R~2分别为0.8168和0.9180;两点吸附模型(TSM)对Zn、Pb穿透曲线拟合的效果更好,决定系数R~2分别为0.9330和0.9599。(4)污水灌溉条件下,采用数学模型对重金属Zn、Pb迁移的预测结果表明,在污水灌溉时间为10年,预测Zn在液相中的浓度最大为29.07mg/L,最大迁移深度为42.69cm;Pb在液相中最大浓度为5.22mg/L,最大迁移深度为24.59cm,可见农田土壤对Pb的吸附效果更强。(5)采用Morris、EFAST和Sobol三种方法对模型吸附参数和溶质运移参数进行敏感性分析结果表明,Langmuir平衡常数Kd和η对模型输出结果的影响较大。随着观测点位深度的增加参数对模型输出结果的影响也逐渐增大,对模型输出结果的敏感性最高的参数为η,并且其与其他参数的交互作用也最强。EFAST和Sobol敏感性分析方法的结果具有一致性,能对模型参数进行准确定量分析。
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