污染土壤水分散性胶体态重金属释放的主要影响因素研究

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由于采矿和冶炼活动、污水灌溉、以及过量肥料等农用化学品的施用等人为活动影响,农田土壤重(类)金属污染、土壤酸化问题日益突出。酸雨、水稻生长期间频繁的淹水与排水导致的土壤氧化还原状态变化、秸秆还田后有机质的变化都会强烈影响土壤重金属的赋存形态、迁移能力和生物有效性。土壤胶体尤其是水分散性胶体(WDC),具有其粒径小、多孔介质孔隙对其拦截作用小等特点,是一种非常重要的污染物载体,在重金属污染物释放、迁移转化的过程中起着重要作用。本论文通过模拟酸雨浸提试验、微宇宙培养试验和模拟溶解性有机质-铁胶体形成等试验,利用非对称流场流分馏仪-紫外可见分光光度计-电感耦合等离子质谱仪联用(AF4-UV-ICP-MS)、超滤、三维荧光等技术手段,对污染土壤水分散性胶体态重金属释放的主要影响因素进行了研究,以从胶体和纳米尺度揭示污染土壤重金属的迁移转化机制,为农用地重金属污染和土地资源保护提供理论基础。论文取得的主要研究结果如下:(1)通过模拟酸雨长期淋溶四种典型重金属复合污染土壤,考察了土壤浸提液重金属及水分散性胶体的变化趋势。结果表明,供试四个污染土壤的酸雨淋滤液中As、Cd浓度均超过我国地下水Ⅲ类标准质量标准限制,Fe、Mn、Pb在部分土壤淋滤液中有不同程度的超标现象,暗示长期酸雨作用下供试土壤重金属可能有污染地下水的风险。发现随酸雨浸提次数增加:Cu、Cd溶出总量减少,但胶体态比例增加;中性土壤Pb溶出升高且绝大部分为胶体态;水分散性胶体粒径变小,Pb和Fe向小颗粒转化。结果暗示受酸雨(降雨)影响,土壤Pb、Cu、Cd随胶体迁移的风险较高,而且Cu与DOC、Fe与Pb、Cd与Mn在溶出释放及在胶体颗粒上迁移可能存在协同作用。(2)选取典型重金属污染水稻土,通过微宇宙试验结合三维荧光光谱等手段,分析了土壤溶液化学性质、溶解性有机质(DOM)、土壤水分散性胶体、金属释放之间的动态关系。结果表明,添加秸秆增加了厌氧期Fe、Mn、As、Cd等金属的释放,同时影响了胶体和DOM的组成。土壤水分散性胶体颗粒主要分布在三个尺寸范围:0.3-3 k Da为无机黏土矿物和铁锰矿物,3-40 k Da以有机质和铁矿物为主,130 k Da-450 nm为有机-无机复合胶体。还原状态下胶体态As、Cu含量明显高于好氧,而胶体态Cd、Pb含量在氧化状态下明显高于还原状态;外源添加有机物料对污染元素的影响与元素种类有关。土壤DOM中类蛋白(C3)含量在培养期显著降低(p<0.05);类腐殖质含量呈现厌氧期上升、好氧期下降的趋势。结构方程模型(SEM)分析显示,氧化还原电位(Eh)的变化与Mn和As的溶出显著负相关(路径系数-0.662和-0.528,p<0.01);同时,Eh还通过影响土壤类腐殖酸C2(路径系数-0.816,p<0.01)显著影响As的释放(路径系数0.244,p<0.05)。因此,水稻土干湿交替造成的Eh变化和秸秆还田措施不仅直接影响重金属的溶出,也通过胶体和DOM含量与组成进一步影响其释放。(3)通过模拟溶解性有机质-铁(DOM-Fe)胶体形成试验,研究p H、碳(C)/Fe摩尔比等对DOM-Fe胶体形成及粒径的影响,以及胶体对Cd、As的吸附与稳定性的影响。研究发现,有机质含量(C/Fe摩尔比)、p H、重金属类型都会显著影响重金属与胶体的共迁移行为;Cd更易以胶体态形式发生共迁移行为,As则更多以真溶态形式被释放,进一步验证了有机质和铁矿物组成的水分散性胶体对重金属释放迁移的重要性。综述所述,水分散性胶体在土壤重金属释放迁移方面起着重要作用,而不同元素在水分散性胶体上分布特征存在较大差异;土壤性质、降水、Eh、外源有机质等因素,影响水分散性胶体的粒径、组分及其上的重金属分布,进而影响到土壤重金属的释放迁移与有效性。
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