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改良剂对中国两种典型土壤铜锌有效性的影响及机理

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改良剂对中国两种典型土壤铜锌有效性的影响及机理

生态环境2007,16411391143HTTP//WWWJEESCICOMECOLOGYANDENVIRONMENTEMAILEDITORJEESCICOM基金项目国家重点基础研究发展规划项目(2002CB410809)作者简介王宝奇(1981-),男,硕士研究生,主要从事土壤污染与食品安全研究。通讯作者,EMAILMGXUCAASACCN收稿日期20061122改良剂对中国两种典型土壤铜锌有效性的影响及机理王宝奇1,2,李淑芹1,徐明岗21东北农业大学资源与环境学院,黑龙江哈尔滨150030;2中国农业科学院土壤肥料研究所,北京100081摘要研究了改良剂对土壤铜锌有效性的影响,以期对重金属复合污染土壤的修复有一定的指导意义。在红壤与黄泥土中施用石灰、重钙和沸石,观测土壤有效态铜锌含量及PH,并测定了不同PH值下土壤有效态铜锌含量,以阐明改良剂影响土壤重金属有效性的机理。向供试土壤中外源加入一定量的铜锌溶液,制成铜、锌污染土壤,稳定平衡30D,采用CACL2浸提法测定土壤有效态铜锌的含量。结果表明,施用改良剂能显著降低土壤铜锌的有效性,其中石灰的效果最佳,沸石次之,重钙最差。两种土壤中,复合污染下铜锌有效态含量均高于单一污染,其中铜单一污染有效态含量与复合污染差异显著P005,而锌单一污染与复合污染差异不显著P005。可能是因为锌比铜竞争力更强,更易于被土壤吸附固定。随着土壤PH升高,两种土壤的有效态铜锌含量均显著下降,且复合污染高于单一污染;而在相同PH值下,两种土壤中有效态铜锌含量的差异不显著。可见,PH值是影响土壤重金属有效性的关键因素。改良剂影响土壤重金属有效性的主要机理在于其能显著提高土壤PH值,致使有效态重金属含量明显下降。关键词铜;锌;有效性;红壤;改良剂中图分类号X53文献标识码A文章编号16722175(2007)04113905铜锌是植物所必需的微量营养元素,以往的研究主要集中在铜锌的营养研究领域,而将其作为毒性元素的研究相对较少。石灰等改良剂能显著降低土壤重金属的有效性,减小重金属对作物的危害12。因此,研究改良剂对土壤铜锌有效性的影响对于利用改良剂调控重金属有效性具有重要的现实意义。已有研究表明,土壤对铜锌具有较强的吸附能力34。MINNICH5和ALEXANDER6通过试验得出,铜的有效性与土壤PH值、质地及内部各离子间的活动强度有关。LOCK7认为,与其它环境因素相比,PH是影响土壤锌有效性最为重要的因素。在改良剂方面,OKAMOTO8研究表明,施加石灰能够显著提高土壤对铜的固定能力。PAOLA9通过研究得出,施加沸石与堆肥可以明显降低土壤中锌的有效性。目前,改良剂用于土壤重金属修复的研究已有一些报道1011,但多限于单一污染情况下,致力于复合污染修复的研究很少。本研究以中国两种典型土壤红壤与黄泥土为例,着重研究不同改良剂对复合污染下土壤铜锌有效性的影响及机理,为重金属复合污染土壤的修复提供理论依据。1材料与方法11试验材料供试土壤为红壤和黄泥土水稻土亚类,分别采自中国湖南祁阳与浙江嘉兴。其中红壤为典型的酸性土,养分含量较低;而黄泥土为中性偏酸性土,养分含量相对较高。两种土壤的基本理化性质见表1。12试验设计土壤粉碎过2MM筛,外源加入CUNO323H2O和ZNNO326H2O均为分析纯,制成铜、锌污染土壤,污染水平采用国家土壤环境质量三级标准,即铜为200MGKG1、锌为400MGKG1,铜锌复合采用简单交互,用量不变;在田间持水量的70条件下稳定和平衡30D后进行培养试验。试验选用三种改良剂,石灰、重钙和沸石,施表1供试土壤的理化性质TAB1PHYSICALANDCHEMICALPROPERTIESOFTESTEDSOILS土壤PHW有机质/GKG1BCEC/CMOLKG1W全氮/GKG1W全磷/GKG1W速效磷/MGKG1W速效钾/MGKG1W有效铜/MGKG1W有效锌/MGKG1红壤47414959090460495022117黄泥土621456161232024337120201111140生态环境第16卷第4期(2007年7月)入量分别为250GKG1、400GKG1和900GKG1。试验处理分别为CK1加铜、不施改良剂;CK2加锌、不施改良剂;CK3加铜锌、不施改良剂;CUL施用石灰;CUS施用重钙;CUZ施用沸石;ZNL;ZNS;ZNZ;CUZNL;CUZNS;CUZNZ。重复三次。在常温条件下密封保存,每隔10D用去离子水调整一次土样湿度调至土壤田间持水量的70,30D后取样分析重金属有效态含量和PH。PH对土壤铜锌有效性的影响试验中,两种土壤用氢氧化钠与硝酸溶液调整PH到4、5、6或7,铜锌设单一与复合污染,污染水平同上,重复三次。在常温下密封保存,每隔10D用去离子水调整土样湿度到田间持水量的70,培养30D后进行取样分析。13分析方法土壤有效态铜锌含量采用SP3520AAPC型原子吸收分光光度计测定,其主要方法如下将土样研磨,过1MM筛,称取1000G置于50ML塑料离心管中,加入10L01MOLL1的CACL2溶液,加盖后于251℃条件下震荡2H,离心15MIN,用滤纸过滤上清液,测定滤液中的CU2和ZN2即为土壤有效态铜锌含量。土壤PH值测定采用水土比25∶1。数据采用SPSS115统计软件进行分析。2结果与讨论21不同改良剂对土壤铜锌有效性的影响在相同处理下,红壤有效态铜锌的含量高于黄泥土表2。两种土壤无论是单一污染还是复合污染,在施用的三种改良剂中,均为石灰的效果最佳、重钙最差,其大小顺序依次为石灰,沸石,重钙。施用石灰时,黄泥土铜单一污染的有效态铜含量最低,为602MGKG1,占添加量的30;黄泥土锌单一污染的有效态锌含量最低,为1302MGKG1,占添加量的33。可见,石灰是最佳的土壤改良剂,这与前人的研究结果相一致1213。对两种土壤单一与复合污染的有效态重金属含量分析表明,铜锌复合污染有效态含量要高于单一污染,无论是红壤还是黄泥土,铜单一与复合污染处理间均差异显著,而对于锌单一与复合污染处理,差异不显著。因此,在本试验条件下,与铜相比锌在土壤中更加稳定,更容易被土壤吸附而固定;而从重金属复合作用来看,锌受彼此间竞争作用的影响较小。无论是红壤还是黄泥土,施用改良剂后,土壤PH值均显著提高图1、图2,其中红壤PH值的增幅较大。红壤施用石灰,PH平均提高21个单位,施用重钙和沸石PH平均提高1718个单位。黄泥土施用石灰、重钙和沸石,PH平均提高08、05表2不同改良剂下两种土壤有效态铜锌含量TAB2THEAVAILABLECUANDZNCONTENTSINTWOSOILSWITHDIFFERENTAMENDMENTSMGKG1处理CU处理ZN红壤黄泥土红壤黄泥土CK13200A1530ACK25434A2342ACUL992B602BZNL1905B1302BCUS1639C1018CZNS2633C1851CDCUZ1311D809DZNZ2269DE1787CDCK33582E1647ACK35692A2409ACUZNL1273D861DCUZNL2068BD1396BCUZNS1685C1318ECUZNS2666C2023CCUZNZ1603C1055CCUZNZ2398E1753D同列相同字母表示在P=005水平下不显著。L石灰;S重钙;Z沸石。35445555665775ZNCUCUZN铜锌单一与复合处理PHCK石灰重钙沸石图1施用不同改良剂后的红壤PHFIG1THEPHOFREDSOILWITHDIFFERENTAMENDMENTS55665775ZNCUZNCU铜锌单一与复合处理PHCK石灰重钙沸石图2施用不同改良剂后的黄泥土PHFIG2THEPHOFPADDYSOILWITHDIFFERENTAMENDMENTS王宝奇等改良剂对中国两种典型土壤铜锌有效性的影响及机理1141和06个单位。三种改良剂,石灰对土壤PH的增幅作用最大、沸石次之、重钙最小。22改良剂影响土壤铜锌有效性的主要机理改良剂影响土壤重金属有效性的机理有多方面811,包括改变土壤对重金属的吸附固定能力、改变土壤表面性质、改变土壤PH等。本文重点研究了改变PH对土壤重金属有效性的影响。两种土壤中有效态铜锌含量均随着土壤PH值的升高而降低图3、图4,这与先前的研究结果一致1415。以红壤单一污染为例,当土壤PH值分别为4、5、6和7时,土壤中有效态铜含量分别为3722MGKG1、2265MGKG1、1260MGKG1和1174MGKG1,占添加量的186、113、63和59;有效态锌含量分别为7043MGKG1、3620MGKG1、2837MGKG1和2014MGKG1,占添加量的176、91、71和50。土壤铜锌有效性随PH升高而降低的主要原因可能是,随着土壤PH升高,铜锌发生了一定的沉淀作用16;随着PH的不断升高,土壤对铜锌的吸附能力显著增强17。统计分析表明,在相同PH条件下,铜锌复合污染有效态含量均高于单一污染,其中红壤铜单一与复合污染差异显著。这可能是因为,复合污染土05101520253035404550345678PHW有效态铜/MGKG1CUCUZN01020304050607080345678PHW有效态锌/MGKG1ZNCUZN图3单一与复合污染土壤中不同PH值下红壤有效态铜锌含量FIG3THEAVAILABLECUANDZNCONTENTSINSINGLEANDCOMBINEDCONTAMINATIONREDSOILSWITHDIFFERENTPH010203040345678PHW有效态铜/MGKG1CUCUZN0102030405060708090345678PHW有效态锌/MGKG1ZNCUZN图4单一与复合污染土壤中不同PH值下黄泥土有效态铜锌含量FIG4THEAVAILABLECUANDZNCONTENTSINSINGLEANDCOMBINEDCONTAMINATIONPADDYSOILSWITHDIFFERENTPH1142生态环境第16卷第4期(2007年7月)壤中的铜锌在土壤中存在着一定的离子竞争关系,而这种竞争作用导致铜锌复合污染的有效性要比单一污染条件下有所增强。单一污染不同PH值下红壤与黄泥土中有效态铜锌含量的结果对比(图5),红壤与黄泥土在PH、质地和有机质含量等方面均存在差异,这些是制约土壤重金属有效性的主要原因。试验结果表明,经过酸碱调节后红壤与黄泥土具有相同PH值,则土壤有效态铜锌的含量无显著差异。因此,与其它因素相比,PH值是影响土壤重金属有效性的关键因素。3结语石灰、沸石和重钙三种改良剂均能显著提高土壤PH值,降低土壤铜锌的有效性,其影响土壤重金属有效性的效果由大到小依次为石灰,沸石,重钙。随着土壤PH升高,红壤与黄泥土中有效态铜锌含量均显著下降;在相同PH条件下,两种土壤铜锌有效性的差异不显著。因此,与土壤质地、CEC以及有机质含量等因素相比,PH是影响土壤铜锌有效性的关键因素。改良剂的修复作用在于通过提高土壤PH值这一关键因素来降低铜锌的有效性。本试验的铜锌用量仅仅是依据国家规定的土壤环境质量三级标准进行设定,铜锌用量不同,且采用简单复合的形式,而对于不同浓度铜锌的复杂交互作用还有待做进一步的研究和探讨。参考文献1DEROMEJDETOXIFICATIONANDAMELIORATIONOFHEAVYMETALCONTAMINATEDFORESTSOILSBYMEANSOFLIMINGANDFERTILISATIONJENVIRONMENTALPOLLUTION,2000,107179882LEETSEMING,LAIHUNGYU,CHENZUENGSANGEFFECTOFCHEMICALSAMENDMENTSONTHECONCENTRATIONOFCADMIUMANDLEADINLONGTERMCONTAMINATEDSOILSJCHEMOSPHERE,2004,5710145914713KURDIF,DONERHEZINCANDCOPPERSORPTIONANDINTERACTIONINSOILSJSOILSCIENCESOCIETYOFAMERICAJOURNAL,1983,4768738764DIAZBARRIENTOSE,MADRIDL,MAQUEDAC,ETALCOPPERANDZINCRETENTIONBYANORGANICALLYAMENDEDSOILJCHEMOSPHERE,2003,507911–9175MINNICHMM,MCBRIDEMBCOPPERACTIVITYINSOILSOLUTIONIMEASUREMENTBYIONSELECTIVEELECTRODEANDDONNANDIALYSISJSOILSCIENCESOCIETYOFAMERICAJOURNAL,1987,5145685726ALEXANDERAP,HERBERTEA,AMANDAJACOPPERACTIVITYINSOILSOLUTIONSOFCALCAREOUSSOILSJENVIRONMENTALPOLLUTION,2006,1451167LOCKK,JANSSENCRINFLUENCEOFAGEINGONZINCBIOAVAILABILITYINSOILSJENVIRONMENTALPOLLUTION,2003,12633713748OKAMOTOTFORMANDBEHAVIOROFSOMEHEAVYMETALSINASOILWITHLONGTERMAPPLICATIONSOFLIMEDSEWAGESLUDGEJJAPANESEJOURNALOFSOILSCIENCEANDPLANTNUTRITION,2000,7122312429PAOLAC,LAURAS,PIETROMHEAVYMETALIMMOBILIZATIONBYCHEMICALAMENDMENTSINAPOLLUTEDSOILANDINFLUENCEONWHITELUPINGROWTHJCHEMOSPHERE,2005,60336537110陈宏,陈玉成,杨学春化学添加剂对土壤和莴笋中重金属残留量的影响试验J农业工程学报,2005,217120123CHENHONG,CHENYUCHENG,YANGXUECHUNEFFECTSOFCHEMICALADDITIVESONTHERESIDUALAMOUNTOFHEAVYMETALSINSOILANDASPARAGUSLETTUCEJTRANSACTIONSOFTHECSAE,2005,21712012311孙健,铁柏清,周浩,等不同改良剂对铅锌尾矿污染土壤中灯心草生长及重金属积累特性的影响J农业环境科学学报,2006,253637643SUNJIAN,TIEBAIQING,ZHOUHAO,ETALEFFECTOFDIFFERENTAMEND010203040504567PHW有效态铜/MGKG1红壤黄泥土010203040506070804567PHW有效态锌/MGKG1红壤黄泥土图5单一污染土壤中不同PH值下两种土壤中有效态铜锌含量FIG5THEAVAILABLECUANDZNCONTENTSINTWOSOILSOFSINGLECONTAMINATIONWITHDIFFERENTPH王宝奇等改良剂对中国两种典型土壤铜锌有效性的影响及机理1143MENTSONTHEGROWTHANDHEAVYMETALSACCUMULATIONOFJUNCUSEFFUSESGROWNONTHESOILPOLLUTEDBYLEAD/ZINCMINETAILINGSJJOURNALOFAGROENVIRONMENTSCIENCE,2006,25363764312陈晓婷,王果,张亭旗,等石灰与泥炭配施对重金属污染土壤上小白菜生长和营养元素吸收的影响J农业环境保护,2002,215453455CHENXIAOTING,WANGGUO,ZHANGTINGQI,ETALINCORPORATIONOFLIMEWITHPEATONGROWTHANDNUTRIENTELEMENTSUPTAKEOFPAKCHOIGROWNINHEAVYMETALCONTAMINATEDSOILJAGROENVIRONMENTALPROTECTION,2002,21545345513张青,李菊梅,徐明岗,等改良剂对复合污染红壤中镉锌有效性的影响及机理J农业环境科学学报,2006,254861865ZHANGQING,LIJUMEI,XUMINGGANG,ETALEFFECTSOFAMENDMENTSONBIOAVAILABILITYOFCADMIUMANDZINCINCOMPOUNDCONTAMINATEDREDSOILJJOURNALOFAGROENVIRONMENTSCIENCE,2006,25486186514JEFFERYJJ,URENNCCOPPERANDZINCSPECIESINTHESOILSOLUTIONANDTHEEFFECTSOFSOILPHAUSTRALIANJOURNALOFSOILRESEARCHJ,1983,21447948815OUHADIVR,YONGRN,SEDIGHIMINFLUENCEOFHEAVYMETALCONTAMINANTSATVARIABLEPHREGIMESONRHEOLOGICALBEHAVIOUROFBENTONITEJAPPLIEDCLAYSCIENCE,2006,323/421723116MARTINEZCE,MCBRIDEMBAGINGOFCOPRECIPITATEDCUINALUMINACHANGESINSTRUCTURALLOCATION,CHEMICALFORM,ANDSOLUBILITYJGEOCHIMICAETCOSMOCHIMICAACTA,2000,64101729173617MESQUITAME,CARRANCAC,MENINOMRINFLUENCEOFPHONCOPPERZINCCOMPETITIVEADSORPTIONBYASANDYSOILJENVIRONMENTALTECHNOLOGY,2002,23910431050EFFECTSOFAMENDMENTSONAVAILABILITYOFCUANDZNINTWOTYPESOFSOILSINCHINAWANGBAOQI1,2,LISHUQIN1,XUMINGGANG21COLLEGEOFRESOURCEENVIRONMENT,NORTHEASTAGRICULTUREUNIVERSITY,HARBIN150030,CHINA;2SOILANDFERTILIZERINSTITUTE,CHINESEACADEMYOFAGRICULTURALSCIENCES,BEIJING100081,CHINAABSTRACTTHEEFFECTSOFAMENDMENTSONAVAILABILITYOFCUANDZNINSOILSWERERESEARCHED,WHICHINORDERTOPROVIDECERTAINSIGNIFICANCEFORAMENDINGCOMBINEDCONTAMINATIONSOILSTHEAVAILABLECUANDZNCONTENTSANDPHOFREDANDPADDYSOILSWEREOBSERVEDWITHAPPLYINGDIFFERENTAMENDMENTSLIME、SUPERPHOSPHATEANDZEOLITETHEARTICLEALSODISCUSSEDTHEEFFECTSOFAMENDMENTSONAVAILABILITYOFHEAVYMETALTHROUGHMENSURATINGAVAILABLECUANDZNCONTENTSWITHDIFFERENTPHVALUEITCOULDBEMADECOMBINEDCONTAMINATIONSOILSBYADDINGCUANDZNSOLUTIONTHEAVAILABLECUANDZNCONTENTSWEREMENSURATEDBYCACL2LEACHINGAFTER30DAYSTHERESULTSSHOWEDTHATAPPLICATIONOFAMENDMENTSCOULDSIGNIFICANTLYREDUCETHEAVAILABILITYOFCUANDZNTHEEFFECTSOFTHREEAMENDMENTSDECREASEDINANORDERLIMEZEOLITESUPERPHOSPHATETHEAVAILABLECUANDZNCONTENTSINCOMBINEDCONTAMINATIONSOILSWEREHIGHERTHANTHATINSINGLECONTAMINATIONSOILSANDTHEDIFFERENTOFAVAILABLECUINSINGLEANDCOMBINEDCONTAMINATIONWASSIGNIFICANTAT5,BUTTHEDIFFERENTOFAVAILABLEZNWASREVERSEITWASAPOTENTIALREASONTHATCOMPAREDWITHCOPPER,ZINCWASMORECOMPETITIVEANDEASIERADSORBEDBYSOILSWITHPHOFSOILSINCREASING,AVAILABLECUANDZNCONTENTSINTWOSOILSDECREASEDSIGNIFICANTLYTHEAVAILABILITYOFCUANDZNINCOMBINEDCONTAMINATIONSOILSWERESTRONGERTHANTHATINSINGLECONTAMINATIONSOILSBUTTHEDIFFERENTOFAVAILABILITYOFCUANDZNINTWOSOILSWERENOTSIGNIFICANTAT5INTHESAMEPHCONDITIONSOITWASCONCLUDEDTHATPHVALUEWASTHEMOSTCRUCIALFACTORWHICHEFFECTEDTHEAVAILABILITYOFHEAVYMETALINSOILSTHEEFFECTSOFAMENDMENTSONAVAILABILITYOFHEAVYMETALINSOILSWASTHATAMENDMENTSCOULDIMPROVETHEPHVALUEOFSOILSSIGNIFICANTLY,LEADINGTOTHEDECREASEOFAVAILABLECUANDZNCONTENTSKEYWORDSCOPPER;ZINC;AVAILABILITY;REDSOIL;AMENDMENT

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