（市政工程专业论文）污泥中铝在绿化中的迁移行为研究.pdf

摘要 污泥的森林及园林绿地利用是污泥处置的个有效方法，具有可回收污 泥中养分，避开人类食物链等优点；由于铝絮凝剂的广泛应用致污泥中含有 大量的铝，铝是植物生长重要的障碍因子之一。本文通过土柱淋洗试验和孔 洞根系生长试验，系统地研究了污泥中铝在绿化中的迁移行为、对地下水的 污染危险、土壤效应及对水杉树、草坪草的生物效应等。试验结果表明： 1 室内淋洗淋出液的p h 值与对照无显著差异。随含铝污泥施用量的增 加，淋出液的有机质、氮、磷含量增加，污泥施用初期对地下水有一定的影 响。淋出液的铝含量与d o c 含量显著正相关，说明淋出液中铝主要为腐殖质 铝，具有一定的移动性。随淋洗次数的增加，有机质、氮、磷、铝含量减少。 2 随含铝污泥旖用量的增加，土壤上层( o 2 0 c m ) 有机质、氮、磷含景 增加，且差异达到显著水平。1 ) h 值与对照无显著差异。含铝污泥对提高土壤 养分、培肥地力具有明显的作用，且污泥肥效具有缓释作用。 3 施用污泥土壤中铝处于动态的形态转化和迁移之中，具有潜在毒性。 污泥中各形态铝主要以酸溶胶态铝、腐殖酸铝形态存在。室内淋洗后，表层 单聚体羟基铝部分转化成了酸溶胶态铝；上层腐殖酸铝部分迁移至下层。一 个生长季后，土壤中各形态铝溶出总量相对稳定，说明铝主要滞留于土壤上 层，较难迁移。表层单聚体羟基铝减少，酸溶胶态铝减少，腐殖酸铝上升； 下层各形态铝均有所增加。这可能是污泥分解时产生的腐殖酸不断地将酸溶 胶态铝转化成腐殖酸铝，部分迁移至下层的腐殖酸铝向酸溶胶态铝转化，上 层一部分单聚体羟基铝随水迁移至下层时部分转化成了酸溶胶态铝。 4 含铝污泥施用量限制在林地4 8 k g m 2 、草地2 4k g m 2 的范围内，对水 杉、草坪草的生长具有良好的生物效应。随含铝污泥施用量的增加，草生物 量增加，树根及草根叶中的氮磷含量增加，根中的铝含量增加，草叶中的铝 含量与对照无显著差异，说明铝主要被根吸收。随施用量的增加，侧根和根 毛有所减少，但不明显。加入钙后，根系生长改善。 关键词：污泥，铝，土柱淋洗，孔洞根系生长，迁移行为 a b s t r a c t t h ef o r e s ta n dg a r d e na p p l i c a t i o no fs l u d g ei sa ne f f e c t i v em e t h o dw i m m a n ya d v a n t a g e ss u c ha sr e c y c l i n gn u t r i e n t s a v o i d i n gh u m a nf 0 0 dc h a i n , e t c 。 b c c a u s eo ft h eb r o a da p p l i c a t i o no fa l u m i n u mf l o c c u l a t i o na g e n t s ，t h e r ea r el a r g e q u a n t i t i e so f a l u m i n u mi ns l u d g e a 1i so n eo ft h ei m p o r t a n tr e s t r i c t i v ef a c t o r sf o r p l a n tg r o w t h b ys o l lc o l u m nl e a c h i n ga n dh o l er o o ts y s t e mg r o w t he x p e r i m e n t s ， t h i sp a p e rs t u d i e dt h et r a n s p l a n tc h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g ea l u m i n u mi nw o o d i a n d a n dl a w n ，t h ep o l l u t er i s k st o g r o u n d w a t e r , t h es o i le f f e c t sa n db i o - e f f e c t st o m e t a s e q u o i a a n d l a w n y - g r a s s n l er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h e r ew a sl i t t l ee f f e c to np ho f l e a c h i n g t h ed o c n pc o n c e n t r a t i o no f l e a c h i n gw a s i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fa l u m i n u ms l u d g e t h e r ew e r es o m e n e g a t i v e e f f e c t st o g r o u n d w a t e ri n t h e i n i t i a l p e r i o d o fa l u m i n u m s l u d g e a p p l i c a t i o n 1 飞e a 1o f l e a c h i n gs i g n i f i c a n tr e l a t e d t o1 ) 0 3 i ti n d i c a t e st h a t 眦 lh a s s o m em o b i l i t y n eo o c ，n ，p ，a 1o fi e a c h i n gw a sd e c r e a s e dw i t ht i m e 2 w j t l lt h ei n c r e a s i n go fa l u m i n u ms l u d g e ，n et o c ，n ，pc o n c e n t r a t i o no f t o p s o i l 巾一2 0 c m ) i n c r e a s e d ，a n dh a d o b v i o n sd i f f e r e n c et oc o n t r a s t t h e r ew a sl i t t l e e f f e c to np ho fs o i l i ti n d i c a r e st h a ta l t u n l n u ms l u d g eh a so b v i o u se f f e c t sf o r i n c r e a s i n gs o l lf l u t r i e n t sa n d i t sf e r t i l i t y , t h ef e r t i l i t yo f s i n d g ec a ns l o w l ye m i t 3 s l u d g ea l u m i n u m i sd y n a m i co ft r a n s f o r m a t i o na n dt r a n s p l a n ti ns o i lw i t h p o t e n t i a lt o x i d t v 蛆u m i n u m a r e m a i n l y e x i s t e di na c i ds o l u b l ec o l l o i d a l a l u m i n u m ( a l ( 0 h ) 3 ) a n dh u m i ca l u m i n u m ( 1 l a - m ) a f t e rl e a c h i n g , t h el o w - h y d r o x y a l u m i n u l l l ( a 1 ( 0 h ) 2 + + a i ( 0 h ) 2 + ) i nt o p s o i lh a dp a r t l yt r a n s f o r m e dt oa 1 ( 伽) 3 ，a n d h a - a li nt o p s o i lh a d p a r t l yt r a n s p l a n t e dt os u b s o i l a f t e rag r o w t hs e a s o n ，t h et o t a l e x t r a c t e da l u m i n u mi s o i lw a ss t a b i l i z e d r e l a t i v e l y , i n d i c a t e s a l u m i n u mi s s u s t a i n e dm a i n l yi nt o p s o i lh a sl i t t l em o b i l i t y t 1 l ea 1 ( o | i ) “+ a 1 ( o h ) 2 + a n da 1 ( o i ) 3 i n t o p s o i ld e c r e a s e d b u t a - a i n c r e a s e d t h ev a r i o u sf o r m so fa l u m i n u mi n s u b s o i lw e r ei n c r e a s e ds o m e w h a t 啦p o s s i b l yb e c a u s et h eh u m i ca c i dh a d c o n t i n u a l l yt r a n s f o r m e da 1 ( 0 h ) ，t o i a 咄l 。t h ep a r t l yh a a la n da 1 ( o h ) 2 * + a 1 ( 明) ，+ w h i c h t r a n s p l a n t e d t os u b s o i lh a dt r a n s f o r m e dt oa 1 ( o h ) 4 n l e s l u d g ea d p l i c a t i o n c o n s t r a i n e du n d e rt h er a t eo f4 8 k g m f o r w o o d l a n da n d 2 4 k g m f o r l a w n ，h a sg o o db i o e f f e c t sf o rt h eg r o w t ho f m e t a s e q u o i aa n dl a w n y g r a s s w i t ht h ei n c r e a s i n go fs l u d g e t h eb i o m a s so f 血e g r a s sr a i s e d ，t h en ，pc o n c e n t r a t i o ni nt r e er o o t sa n d 盯a s sr o o t sa n dl e a v e s i n c r e a s e d , a ii nr o o t si n c r e a s e d b u tt h e r ew a sn oo b v i o u sd i f f e r e n c ef o ra l 证g r a s s l e a v e s t h e s ei n d i c a t e dt h a ta li sa b s o r b e dm a i n l yb yr o o t s w j t l lt h ei n c r e a s i n go f s l u d g e ，l a t e r a l - r o o ta n d f i b r i ld e c r e a s e ds o m e w h a t , b u tn o to b v i o u s w h e nc a l c i u m w a sa d d e 也t h eg r o w t ho fr o o th a d i m p r o v e d k e yw o r d s ：s l u d g e ，a l u m i n u m ，s o i lc o l u m nl e a c h i n g , h o l er o o tg r o w t h ，t r a n s p l a n t c h a r a c t e d s t i c s 武汉理工大学硕士学位论文 月u吾 城市污水厂产生的大量的污泥，如果任意堆放和投弃，会对环境造成新 的污染。污泥中含有丰富的植物所需要的肥分及改善土壤所需的有机腐殖质， 污泥的农田绿地利用是目前较佳的最终处置方法，污泥用于绿化具有能耗低、 可回收污泥中养分、避开人类食物链等优点“1 ”。 森林、草坪绿化建设是一个国家现代化的重要标志，对绿化城市、保护 环境和生态平衡起着重要的作用，我国人均绿化面积与发达国家相比还有很 大差距川。 目前，在污水污泥处理领域，如化学一级强化、化学除p 、以及污泥调 节等工艺中，都广泛采用了投加絮凝剂的方法。铝盐絮凝剂由于其价格低廉、 絮凝效果好、市场供应充足等特点而倍受青睐。因此，污水处理厂的污泥中 常含有大量的铝盐n “1 “。 铝对植物的根系有明显的抑制作用“”3 ，与早老性痴呆等神经系统疾患 有明显的相关性。1 。铝的存在形态影响土壤的结构和性质，影响人类和生 物生存的生态环境，而生态环境的变化也制约着土壤中铝的形态。元素铝 在土壤环境中的行为和归宿，主要包括水溶液迁移及生物迁移。 在污泥土地利用时重金属的迁移。”、铝在酸性土壤中的迁移”“1 等方 面，国内外有大量的研究，尚未见对污泥中的铝用于绿化时如何迁移进行过 研究，难以对污水处理厂的含铝污泥用于绿化进行环境安全性评价。本研究 以江汉平原灰潮土及林木、草坪草为对象，采用土柱淋洗试验及孔洞根系生 长方法，研究污泥中铝在绿化中的各种化学形态、迁移行为，探讨污泥中铝 对地下水的潜在污染危险，土壤效应，对林木及草坪草根系生物量、营养元 素的影响，阐明影响上述行为的相关因素。以便对含铝污泥用于绿化进行安 全性评价，保护环境和合理使用含铝污泥，为制定污泥绿地利用的铝安全标 准提供科学依据，在污泥资源化的同时防止对环境造成二次污染。 武汉理工大学硕士学位论文 1 概述 1 1 污泥的森林及园林绿地利用 1 1 1 污泥最终处置的目的 大量污泥的任意堆放和投弃对环境造成了新的污染，随着对环境问题的 重视及相关环保法规的压力，些传统的污泥处霞方法正面临挑战，污水处 理厂约5 0 的费用用于污泥处理处置，因此，寻求安全、经济高效的污泥处 理处置方法已成为全球共同关注的课题“1 。 污泥是污水处理过程中产生的含水率很高的絮状泥粒，其数量约占处理 水量的0 3 0 5 左右( 以含水率为9 7 计) ，2 0 0 2 年，全国工业和城 镇生活废水排放总量为4 3 9 5 亿吨，比上年增加1 5 。其中工业废水排放量 2 0 7 2 亿吨，比上年增加2 3 ：城镇生活污水排放量为2 3 2 3 亿吨，比上年 增加0 9 。废水中化学需氧量( c o d ) 排放总量为1 3 6 6 9 万吨“。 污泥中含有大量的有毒有害物质，如病菌、寄生虫卵、难降解的有机物、 重金属等，处置不当会引起二次污染；污泥中含有丰富的n 、p 等植物所需的 肥分及改善土壤所需的有机鹰殖质，所含的有机物是有效的生物能源，干燥 污泥是一种低热值的燃料“。因此污泥需要及时处理和处置。 污泥的处置即污泥的最终出路，其目的主要有以下四个方面：减量化： 减少污泥最终处置前的体积，以降低污泥处理及最终处置的费用：稳定化： 通过处理使污泥稳定化，最终处置后不再产生污泥的进一步降解，从而避免产 生二次污染；无害化：达到污泥的无害化与卫生化，如去除重金属或灭菌等； 资源化：在处理污泥的同时达到变害为利、综合利用、保护环境的目的， 如产生沼气、生产建筑材料等。 目前，污泥的最终处置利用方法主要有农田绿地利用、工业利用、填埋 及投海等。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 污泥的森林及园林绿地等土地利用的优点 污泥农田绿地利用，在国外有6 0 多年的历史，在我国的京津沪等地已应 用二十几年”1 。污泥的土地利用h 即污泥经高温堆肥、碱性稳定化或热干化 等土地利用技术处理后，应用于农田、林地、菜地、果园、草地、市政绿化、 育苗基质以及严重扰动的土地复垦与重建等。这对迅速恢复植被、促进土壤 熟化和提高作物产量有巨大作用。美国、新西兰等国家较早开展了污泥用于 林地的研究，取得了令人满意的效果o 。我国污泥多用于农田土壤，近几年 来在森林与园林绿地、矿区植被恢复与高速公路绿化带。1 等方面的应用得到 了发展。 污泥的土地利用能耗低、并可回收污泥中养分。污泥用于绿化除具有避 开人类食物链的优点外，还有下列特点”1 ： ( 1 ) 供给植物养分：污泥中含有相当于厩肥的氮和磷，也含有钾、钙、铁、 硫、镁及锌、铜、锰、硼、钼等微量元素。其氮、磷均为有机态，可以缓陧 释放而具有长效性。 ( 2 ) 提高土壤有机质含量，改善土壤化学性质；污泥一般含2 0 9 6 4 0 的 有机物质，而且是经过了生物降解的有机腐殖质。它可提高土壤的阳离子代 换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性点，从而提 高对化肥的利用率。 ( 3 ) 改善土壤的物理性质：污泥堆肥因本身密度小及能增加土壤的孔隙度 而显著减少土壤的容重，它可增加土壤总的孔隙容积并改善孔隙大小的分布。 它可减少土壤地面冲刷，减少因径流引起的植物养分损失。它可增加土壤的 持水能力从而提高土壤水分含量，还可增加土壤的透水性及防止土壤表面板 结。它可改良土壤结构，使土壤疏松，给土壤水分和空气以快速进出的通道。 粘重的土壤施用污泥堆肥后，可有利于团粒的形成及提高团粒的水稳性。 ( 4 ) 改善土壤的生物学性质：污泥可增加土壤根际微生物的群落，从而增 加其生物活性，有利于养分的释放。有不少研究认为，施用污泥堆肥可控制 根的腐烂及抑制些病原菌。 ( 5 ) 园林花卉草地对污泥中有毒有害物质有一定的吸收净化功能，能减少 污染物对土壤、地下水等的负面效应。 武汉理工大学硕士学位论文 森林、草坪绿化建设是个国家现代化的重要标志，对绿化城市、固土 防沙、防止水土流失、保护环境和生态平衡起着重要的作用“。污泥中含有 丰富的营养成分，可促进苗木花卉草地的生长，是城市、荒山、荒坡绿化以 及防护林体系的肥力资源，是城市污水厂污泥无害化、资源化的重要措施。 全国水土流失总面积3 5 6 万平方公里，占国土总面积的3 7 1 ，其中水 蚀面积1 6 5 万平方公里，占匡i 土总面积的1 7 2 9 6 ；风蚀1 9 1 万平方公里，占 国土总面积的1 9 9 。根据第五次全国森林资源清查资料，全国现有林业用 地面积2 6 3 2 9 4 7 万公顷，森林面积1 5 8 9 4 0 9 万公顷，森林覆盖率为1 6 5 5 ， 相当于世界平均水平的6 1 ，比世界平均水平低1 0 4 8 个百分点；全国人均 占有森林面积为0 1 3 公顷，相当于世界人均面积的l 5 。全国各类天然草 原3 9 3 亿公顷，约占国土面积的4 1 7 ，仅次于澳大利亚，居世界第二位。 但人均占有草地仅0 3 3 公顷，为世界人均面积的一半。中国9 0 的可利用天 然草原有不同程度的退化，并以每年2 0 0 万公顷的速度递增。草原生态环境 局部改善，整体恶化的趋势尚未得到扭转“。 因此，在我国这样一个发展中的农业大国，污泥的农田绿地利用是较佳 的最终处置办法之一，对于农林业、草坪业的发展必将起到一定的推动作用。 1 1 3 污泥的森林及园林绿地利用的实例 国内外许多学者曾开展污泥用于森林及园林绿地的研究，以评价旌用污 泥对植物生物量、对土壤的理化状况、对土壤和植物中的重金属积累、以及 对地下水等的影响。 张天红。“1 于1 9 9 0 1 9 9 1 年在长安县南五台林场，进行了西安市污泥对 树木生长的研究，发现施用不同量污泥1 年后，供试树木在树高和胸径的生 长上均随用量而增加。 张天红用西安市污泥在西安市污水厂试验地对花卉、草皮及杨树的生 长进行研究，发现施用污泥后试验植物在株高、分支数和地径生长等方面比 化肥和空白处理组有明显的差异。 张增强。7 + 1 9 9 3 年进行的污泥堆肥化及园林绿地应用技术的研究，发现 4 武汉理丁大学硕士学位论文 施用污泥明显促进树木、花卉及草坪草的生长，使树木的树高、地径、根茎 比增加，使花卉的生长量增加，开花量增多，花期延长。对于供试树种及花 卉，污泥堆肥以基肥施入土壤，用量以3 0 9 0 t 1 0 4 r n 2 为宜。污泥堆肥还可使 草坪草生物量增加，绿色期延长，堆肥也以基肥或追肥施入，用量为3 0 - - 1 2 0 t 1 0 4 m 2 为宜。 李艳霞”1 于1 9 9 4 年在污泥堆肥化及将其用作容器育苗基质的研究中，发 现施用污泥明显促进苗木生长。生长4 个月后，刺槐、国槐、侧柏的苗高、 地径、干重、以及形态质量指数一苗木总干重( 苗高与地径之比+ 茎根鲜 重之比) 与对照相比，差异显著。国槐叶片中的叶绿素含量、全氮、全磷含量 均明显高于对照。 李贵宝“2 0 0 0 年在城市污泥对退化森林生态系统土壤的人工熟化研究 中，发现林地旌用污泥能促进树木的生长和发育，增加树高和地径；并对林 地灌、草层植被也有促进作用。 陈涛3 于2 0 0 0 年在污泥草地利用的初步研究中，发现结缕草生物量比对 照区高1 倍。 李艳霞、赵莉”1 在城市污泥堆肥用作草皮基质对草坪草生长的影响的研 究中，发现施用1 4 7 0t 1 0 m 2 的污泥堆肥，能够提高黑麦草生物量及促进 其根系生长，草坪的密度和盖度明显提高。黑麦草对n 的吸收显著增加，生 长后期，叶片n 和叶绿素的台量明显高于化肥对照处理，草坪草的品质达到 一级水平。 s k o u s e n “在西弗吉尼亚的污泥土地利用项目的研究中，以两块酸性矿 土、一块中性未扰动土为对象。1 9 8 6 年3 月在w e s t o v e r 的一块矿区复垦土地 上施用污泥，干污泥旌用量为0 、1 5 、3 1 、6 4 t h a ，每年监测一直到1 9 8 9 年。 这些施用量是用来作对照的同一地点的中性牧草土地上的3 1 2 倍。研究发 现随污泥施用量增加，草单位面积的生物量增长，而豆荚生物量减少，杂草 生物量仅于1 9 8 6 年为增长。1 9 8 9 、1 9 9 0 年，在d e l l s l o w ( 复垦矿土) 和p e n t r e s s ( 未扰动土) 施用污泥，施用量为2 7 6 t h a 。污泥处理与对照相比，植物生 物量增加1 5 - - 2 8 倍，草体组织分析显示有更多的原蛋白。 以上研究结果表明施用污泥可供给植物养分、促进植物生长。 武议理工大学硕士学位论文 张天红。“发现施污泥1 年后，土壤中氮、磷、有机质、c e c 均随污泥用 量而增加，土壤的容重下降，土壤的持水量、孔隙度和l o o m l 土的膨胀体积 均增大；另外张天红口6 1 、张增强m 、李贵宝6 1 等也有相似结论；陈涛嘲研 究表明土壤中有机质、速效n 、总n 、总p 分别比对照增加1 6 、7 8 、6 1 和 1 4 0 ；李艳霞、赵莉”1 研究表明土壤速效n 和速效p 含量提高，但壤中速 效k 的含量无显著性的变化；s k o u s e n “”发现矿土p h 值未受影响，在西弗 吉尼皿的研究中还发现土壤有机质处理四年后由1 5 9 k g 增至2 2 9 k g 。以上 研究结果表明施用污泥可提高土壤有机质含量、改善土壤物理化学性质，这 也是促进树木生长发育的原因。 张天红”。发现施污泥1 年后2 0 4 0 c m 和5 0 7 0 c m 土层中的e d 、c u 、 z n 、p b 与空白比均未增加，说明未向下层迁移；张天红“1 施污泥7 个月后， 小区土壤中的重金属仍存留在土壤表层；张增强“发现盐分随施用量增加 而增大，但施用量小于1 2 0 r 1 0 4 m 2 时对植物不会造成危害；李艳霞哺3 发现刺 槐苗木对基质中重金属的吸收率为7 2 2 2 9 ，地下部分c u 、c d 、n i 的吸 收大于地上部分，z n 、p b 则棚反；李贵宝“1 发现土壤中p b 含量随污泥用量 的增加而增加，土壤重金属残留主要为p b ，其它重金属含量影响不显著；陈 涛”1 则认为，应以c d 为施污泥量的限制因子，在施污泥有机肥4 5t 1 0 4 m 2 ( 干 重) 以下时，在微酸性土壤( p h ，。) 和溶胶态h a l ( o h ) ，。水处理絮凝齐! 卜一预制的聚合铝中，有效成 份大多是a k 即 a 1 。a i o , ( 0 ) 。( h 2 0 ) 。2 7 + ，它是最佳凝聚絮凝成份。当溶液 中a 1 总活性升高，而溶液呈部分中性并含有很强的碱基时，a l 以a 1 a 为主。 当 a r ) r ) 3 1 0 “8 时，溶液中的单体态铝可以长期存在；而当该比值 1 0 8 8 时，a 1 则主要以a l ，。的形态存在或发生沉淀作用。 土壤溶液中的铝，可经过水解、聚合、配合、沉淀和结晶等反应相互转 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 化，这些不同结构、性质和形态的铝对土壤表面电荷、酸碱特t 洼、离子交换 性能、腐殖物质的形成和转化、土壤微团聚体的形成和性质等方面起着重要 的作用。而且不同形态铝能缓解h + ，改善了土壤的缓冲性能，有些形态的铝 能专性吸附重盒属离子，对植物营养元素、有毒污染物的转化归宿以及森林、 农作物和鱼类有重要影响“。 许多人研究了酸性土壤溶液中铝的分布( d a v i d 和d r i s c o l l ，1 9 8 4 ：d d s c o l l 等，1 9 8 5 ；c r o n a n 等，1 9 8 6 ) ，总的说来，有机质层排淋的溶液的铝浓度较 高，但这些铝离子大部分却能与土壤中的有机溶质形成络合物。当溶液流经 矿质土壤时，溶液的有机碳和有机铝减少，而无机形态的水合铝则增加。大 部分无机铝来自矿质土壤，其浓度和形态随土壤p h 和无机络合配位体( f 一、 8 0 4 2 。) 的变化而发生变化。d r i s c o l l 和s c h e c h e r ( 1 9 8 8 ) 研究表明：随着p h 值的升高，无机铝的浓度下降，富含氟化物和硫酸根的无机络合体的相对含 量增加州。 1 2 2 土壤中铝形态及其转化 土壤中的铝根据其性质可分为交换态铝、吸附态羟基铝、有机配合态铝 等。 交换态铝是指土壤粘粒表面以静电引力吸附又能被中性盐提取的铝。交 换态铝是酸性土壤中常见的交换性阳离子，也是土壤各类形态铝转化的重要 环节，能够通过氢铝交换从土嚷上释放出来，进入土壤溶液或天然水体中。 吸附态羟基铝主要是指以无机胶膜吸附于矿物表面和边缘的羟基铝和氢 氧化铝，通常由交换态铝聚合或矿物中铝在氢离子作用下转化而来，是铝形 态转化的产物。在氢离子的作用下，吸附态羟基铝发生溶解，转化为交换态 铝或进入土壤溶液中。 有机配合态铝：交换态铝和羟基铝都能与有机配体配合形成有机配合念 铝，是铝形态转化中不可缺少的一种形态。有机配合态铝量与土壤有机质呈 显著正相关，且有表土大于底上的趋势。 交换态铝、羟基铝、有机配合态铝虽在量上不大，不到全铝量的2 ，却 是各级铝形态中较活跃的部分，尤其在生态环境和铝形态转化上具有重要意 1 1 武汉理工人学硕士学位论文 义。 根据理论推导，土壤中a l ”浓度与p h 值有下列关系。： p a 1 “ ：- 5 7 + 3 p h p a 1 ” 为铝离子浓度的负对数，一5 7 为通常情况下的常数，此关系说明 a 1 ”的浓度受h + 浓度的影响。当土壤h 浓度增大，溶出的a l 再转化形成 a 1 ( 0 h ) 。和不溶性的偏铝酸盐( a i o 。) 一胶体等。 由于土壤中铝形态十分复杂，目前，对于土壤铝形态的区分还有不同认 识，其和植物生长的关系还有待于进一步研究。 1 3 铝对植物的毒害 自从1 9 1 8 年h a r t w e l 和p e m b e r 首次发现铝对植物的毒害作用以来，对 植物铝毒的研究已有8 0 多年的历史“。 铝毒是酸性土壤( p h 5 0 ) 限制作物生长的主要障碍因子之一。目前，酸 性土壤占全世界耕地土壤的4 0 ，主要分布在热带及亚热带地区”，尤其是 发展中国家。我国酸性土壤遍及南方1 5 个省区，总面积为2 0 3 0 万h i i l 2 。在酸 性土壤中，由于铝的交换量占上壤阳离子交换总量的2 0 8 0 ，导致土壤中 阳离子易于淋失，致使钾、钙、镁、硼、钼等营养元素缺乏，因此作物耐酸 性与耐铝毒性具有一致性w 。 近来，污泥用于农田施肥同渐增加，由于污水处理广泛采用投加铝盐等 絮凝剂的方法“”，致使土壤中铝含量升高。加上酸雾酸雨的频繁及酸性化 肥的施用，造成土壤过度酸化，从而使大量的a 1 ”释放出来”“。 铝毒最明显的外在表现是根系生长受阻。具体为根主轴伸长受到抑制， 根尖、侧根粗短而脆，呈褐色，根毛减少。 1 3 1 植物铝元素营养概述 在生物体内铝的含量很少，被称为微量元素。在陆生植物中铝的平均值 为2 0 p p m ，并非植物的必需元素“。茶叶含铝较高，为4 0 0 2 5 0 0m g k g 。未 加工的蔬菜、水果、粮谷等一般含铝量小于5 m g k g 。“。 武汉理工大学硕上学位论文 1 3 2 不同铝形态对植物的毒性大小 通常认为a 1 3 + 对植物根系的毒害作用最大，对小麦根的实验证实了这一 点。在对双子叶植物的实验中a 1 ( 0 h ) “、a l ( o h ) 2 是对植物的主要毒害形态， a 1 ”则次之“。有机或无机铝复合物的毒性较小嘲。 p a r k e r 等“”则认为不仅a 1 。( 如a 1 ”) 具有生物毒性，a 1 。( 如a 1 ，) 等 多聚物也对植物造成毒害并认为聚合形态的铝比水合铝的毒害更强。 c o m i n ”等( 1 9 9 9 ) 的试验也证实了单核a 1 和多核a l 毒理机制的不同。 土壤溶液中铝的形态与植物毒性的关系仍无定论，这可能是目前铝的形 态分析方法还不成熟的缘故。 1 3 3 铝对植物的营养和健康的阈值。1 土壤溶液中铝对植物的营养和健康的阈值更难以确定，在这一问题上有 待进行更多的工作。 溶液的培养研究检验了铝浓度对根系和植物生长的效果。例如s y r a c u s e 纽约州立大学的研究者检验了几个树种对培养液中不同浓度范围铝的敏感程 度( t h o r n t o n 等，1 9 8 6 a 、1 9 8 6 b 、1 9 8 7 ) 。他们发现，当铝浓度为2 0 9 m o l 1 时，皂英树生产变缓，当铝浓度为1 0 0 - 2 0 0 1 a m o l 1 时，红杉幼苗的生长减弱， 这与j o s l i n ( 1 9 8 7 ) 和h u t c h i n s o n 等( 1 9 8 6 ) 所观测到的红杉、黑杉和白杉的 生长下降是一致的。火炬松的抵抗力较强，在铝浓度为3 0 0 1 0 0 0 p m o l 1 时并 未显出生长的下降( 归于基因型) 。与此相反，p a g a n e l l i 等( 1 9 8 7 ) 发现， 当铝浓度超过1 8 5 9 m o l 1 时，火炬松幼苗的新根数量减少，长度变短。北方 红橡仅在铝浓度高于5 0 0 m o l 1 时才有生长变缓现象。h u t c h i n s o n 等( 1 9 8 6 ) 发现，加拿大松和自松的幼苗仅当铝浓度高于7 0 0 m 0 1 1 时才有生长变缓的 症状。这些研究者还注意到，当铝浓度低于使生长下降的阂值时，土壤中营 养离子的吸收就有一定程度的下降。b r o w n ( 1 9 8 3 ) 和h u a g ( 1 9 8 4 ) 认为c a a l 和m g a 1 的比值可能比铝浓度更为重要。例如，r o s t s i e b e r t ( 1 9 8 3 ) 得出结论 认为挪威云杉的根系在c a a 1 ( 克分子比) 下降到1 ：l 以下时就会受到损伤。 武汉理工大学硕士学位论文 m e y e r 等( 1 9 8 5 ) 发现，当m g a i 下降到0 9 1 i g 1 0 a i 以下时，成年挪威云 杉林中的根尖数量减少。 把溶液培养研究的结果推广到森林土壤是非常困难的。例如，m a t z n e r 等，1 9 8 6 考察了埋于网袋中芯土植物根系所占的空间，检验了下述假说：较 低的土壤p h 值和较高的铝浓度抑制了挪威云杉根系的生长。石灰性土芯根系 所占的空间大于一般的土芯。 k e l l y 等( 1 9 8 7 ) 在用铝改造过的森林土壤上种植红松幼苗。他们发现， 土壤溶液的铝浓度与生物产量之间的相关性较好( r 毡0 7 8 ) ，铝阈值似乎在 i 0 0 3 0 0 t 目n o l 1 之间，这与用溶液培养的研究结果相类似。 由于植物对铝的反应还不很明显，所以铝浓度或铝与养分阳离子的比值 可能不是铝对森林植被毒害的良好指标。综合考虑这些限制条件，可认为土 壤溶液中铝阈值浓度的最佳估计值为： 6 0 的情况下，污泥中重金属迁移至地 下水或植物中的量很少，可以忽略不计。 图4 施用污泥土壤淋出液的a 1 含量与d o c 含量的关系 3 1 3 2 室内淋洗对施用污泥土壤中铝形态的影响 污泥施入土壤后重金属的去向主要由重金属在土壤溶液和土壤固相之间 的分布，以及土壤固相各种化合物之间的分布所决定。在对污泥施入土壤后 重金属的研究中，不仅要考察其存在总量，更应重视其存在形态，这对于了 解它在土壤中的流动性以及对生态系统的有效性具有重要的意义。 污泥中含有大量的铝，且活性铝所占比例较高，进入土壤后必将使土壤 中的活性