冻融过程对镉在土壤中赋存形态及迁移转化影响的研究

论文摘要

冻融交替是作用于土壤的非生物应力,前人关于冻融作用对土壤理化性质影响的研究已经取得许多成果,但关于冻融过程对土壤污染物行为的影响及其生态效应方面的研究相对较少,尤其是冻融条件下重金属镉在土壤中迁移转化微观机制的研究目前还鲜有报道。本文选择东北地区代表性土壤之一-棕壤作为试验材料,采用土壤添加外源重金属镉后在不同含水量、不同温度条件下室内冻融培养、测定冻融后土壤中各形态镉含量、土壤对镉的吸附量、解吸量及淋洗液中镉含量的方法,研究了冻融过程对镉在土壤中迁移转化的影响,探讨了冻融过程对土壤重金属镉行为作用的机理。冻融处理及其冻融条件为,冻结温度-30℃,融化温度30℃,冻结和融化各3天即6天为1个冻融周期（次）,冻融次数分别为0、1、3、6、9、12次。这一研究结果,有助于认识季节性冻融地区土壤重金属污染的特点,可为这一地区确定土壤重金属镉的环境容量、评价镉污染土壤的生态环境风险、预测土壤对外源镉污染的缓冲性能和进行镉污染土壤诊断治理提供理论依据。所得主要研究结果如下:1.冻融过程对土壤中重金属镉形态的影响。当添加外源重金属镉含量为10mg kg-1,对不同含水量(0.21kg kg-1～0.45kg kg-1)土壤中交换态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态镉含量的测定结果表明,冻融后土壤中各形态镉含量差异很大,但均以交换态为主,其次为残渣态,有机结合态、铁锰氧化物结合态含量相对较低。土壤含水量和冻融次数对交换态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态镉含量的影响均达到了极显著水平。利用逐步回归分析方法建立的土壤含水量(X1,kg kg-1)和冻融次数（X2,次）与交换态镉含量(Y交换,mg kg-1)的关系方程为Y交换=18.04-62.86X1-0.48X2+75.19X12+1.49X1X2;与铁锰氧化物结合态镉含量(Y铁锰-结合,mg kg-1)的关系方程为Y铁锰-结合=0.46+0.13X1X2;与有机结合态镉含量(Y有机-结合,mg kg-1)的关系方程为Y有机-结合=0.74+8.31×10-2X22;与残渣态镉含量(Y残渣,mg kg-1)的关系方程为Y残渣=2.91-0.45X1X2。说明土壤含水量和冻融次数对不同形态镉含量的影响并不相同,对交换态镉含量作用最显著的冻融条件是土壤含水量,对有机结合态镉含量作用最显著的冻融条件是冻融次数,对铁锰氧化物结合态和残渣态镉含量作用最显著的冻融条件是土壤含水量和冻融次数的共同作用。2.冻融过程对土壤重金属镉释放的影响。在田间持水量条件下,污染土壤中镉含量为10mg kg-1～50mg kg-1时,用NH4AC和EDTA作提取剂,冻融处理增加了土壤中镉的释放量。与未冻融处理（冻融次数为0次）相比,冻融交替使添加外源镉的土壤中离子态镉的释放率（释放量/添加量）增加,未知态镉的释放率减少,而络合态镉的释放率无显著变化。说明冻融过程具有促进土壤中结合牢固的未知态镉向不稳定的离子态镉转化的作用,即冻融过程有利于镉的释放。3.冻融过程对土壤重金属镉吸附—解吸的影响。当土壤含水量为田间持水量时,在相同的初始Cd2+添加浓度下,经过冻融处理的土壤对Cd2+的吸附量小于未冻融土壤,解吸率大于未冻融土壤,并且冻融次数越大,土壤对Cd2+的吸附量越小,解吸率越大。说明冻融作用降低了土壤对镉的固持能力。Langmuir方程可以很好地拟合冻融土壤与未冻融土壤对镉的吸附,Freundlich方程既可以很好地拟合该土壤对Cd2+的等温吸附,也能很好地拟合解吸过程。4.冻融过程对土壤中重金属镉移动性的影响。将镉污染土壤制成土柱,经过冻融作用后用相同数量的去离子水进行淋洗试验,结果表明,水分在经过冻融处理后的土柱中运移的速度明显快于未冻融土柱;Cd2+在冻融处理后的土柱中穿透时间较短,而在未冻融土柱中穿透时间较长;冻融处理后的土柱淋出液中Cd2+累积淋出量高于未冻融土柱,并且随着冻融次数的增加Cd2+累积淋出量也随之增加。用环刀采集原状土样,在不同冻融次数下对土壤孔隙度的测定结果表明,冻融作用使土壤孔隙度增加。说明土壤冻融过程可以通过增加土壤孔隙度提高镉在土壤中的移动性,加大镉对土-水系统的环境风险。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 冻融作用及重金属镉在土壤中迁移转化的研究进展
• 1.1 引言
• 1.2 土壤重金属镉污染的现状及其危害性
• 1.3 土壤重金属镉赋存形态的研究
• 1.3.1 土壤重金属形态分级
• 1.3.2 影响土壤重金属镉形态分布的因素
• 1.4 重金属镉在土壤中的释放
• 1.5 重金属镉在土壤中的吸附.解吸
• 1.5.1 土壤对镉的吸附类型及影响土壤对镉吸附.解吸的环境因子
• 1.5.2 土壤对镉吸附.解吸性能的数学表达
• 1.6 重金属镉在土壤中的迁移
• 1.7 冻融过程对土壤性质的影响
• 1.7.1 土壤冻融作用的形成
• 1.7.2 冻融过程对土壤理化性质的影响
• 1.7.3 冻融过程对土壤重金属镉赋存形态的影响
• 1.8 本文的研究内容及目的、意义
• 1.8.1 研究的目的、意义
• 1.8.2 研究内容
• 第二章 冻融过程对镉在土壤中赋存形态的影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 供试土壤
• 2.2.2 培养方法与冻融交替试验
• 2.2.3 土壤中镉形态的提取与测定
• 2.2.4 统计分析
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 不同含水量和冻融次数下土壤中不同形态镉的含量
• 2.3.2 土壤含水量和冻融次数对不同形态镉含量影响的逐步回归分析
• 2.4 结论
• 第三章 冻融过程对污染土壤镉释放特征的影响
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 供试土壤
• 3.2.2 试验设计及培养方法
• 3.2.3 浸提液中镉含量的测定
• 3.2.4 统计分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 冻融过程对污染土壤镉释放量的影响
• 3.3.2 冻融过程对污染土壤镉释放的影响机制
• 3.3.3 冻融过程对平衡液pH的影响
• 3.4 结论
• 第四章 冻融过程对土壤镉吸附-解吸行为的影响
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 供试土壤
• 4.2.2 培养方法
• 4.2.3 测定项目及分析方法
• 4.2.4 统计分析
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 冻融交替条件下土壤对镉吸附特性的影响
• 4.3.2 冻融过程对吸附平衡液pH变化的影响
• 4.3.3 冻融交替条件下土壤对镉解吸特性的影响
• 4.3.4 冻融过程对土壤表面电荷特征的影响
• 4.3.5 冻融过程对土壤阳离子交换量的影响
• 4.4 结论
• 第五章 冻融过程对镉在土壤中迁移特征的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 供试土壤
• 5.2.2 试验设计与培养方法
• 5.2.3 淋洗液中镉含量的测定
• 5.2.4 统计分析
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 冻融过程对淋洗液出水量的影响
• 5.3.2 冻融过程对土壤孔隙度的影响
• 5.3.3 冻融过程对淋出液中镉含量的影响
• 5.4 结论
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位论文期间发表文章
• 论文图表统计