重金属铜锌活性的影响范文

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《农业资源与环境学报》2015年第三期

1材料与方法

1.1土壤和猪粪中Cu、Zn全量和活性态含量的测定采用浓硝酸-高氯酸消化法：精确称取过0.25mm筛的土壤样品0.500g于50mL小烧杯中，加入5.0mL浓硝酸，静置过夜，于电热板上慢慢加热至样品分解完全，再加2.0mL高氯酸，高温加热至白烟冒尽，稍冷后用0.5%的稀硝酸分若干次洗入50mL容量瓶中，定容，过滤，上清液保存于塑料瓶中，原子吸收光谱法测定Cu、Zn含量。采用Tessier等提出的对土壤中重金属可交换态和碳酸盐结合态的提取方法[14]，并参照畜禽粪便中Zn的活性判断方法[11]，将土壤中Cu、Zn可交换态和碳酸盐结合态作为模拟施肥土壤中Cu、Zn的活性态，土壤中Cu、Zn的活性态含量即为Cu、Zn的可交换态和碳酸盐结合态之和，其余形态为非活性态。提取后的溶液保存于塑料瓶中，用原子吸收光谱法测定Cu、Zn含量。

1.2数据处理方法不同施肥及冻融处理土壤中重金属含量均为三个重复处理样品测定结果的平均值；采用t检验确定不同施肥处理及不同温度冻融处理的两组数据（两个样本平均数）之间的差异显著性关系，采用MicrosoftOfficeExcel2007进行t检验的数据统计计算。

2结果与分析

2.1猪粪施肥对土壤Cu和Zn活性的影响表3是模拟猪粪施肥土壤中Cu、Zn的可交换态和碳酸盐结合态含量及活性态含量在总量中所占比例。由表3可见，同未施肥的对照比，猪粪施肥初期（1周），Cu和Zn的可交换态含量均显著增加，而Cu和Zn的碳酸盐结合态含量则略有下降；同低施肥量比，高施肥量下，Cu和Zn的可交换态含量显著增加，而Cu和Zn的碳酸盐结合态含量变化不显著；同施肥初期比（1周），随施肥时间延长（1个月），土壤中可交换态Cu和Zn含量显著下降，而碳酸盐结合态Cu和Zn含量呈增加趋势；同低施肥量比，在高施肥量下可交换态Cu和Zn含量显著高于低施肥量，而碳酸盐结合态Cu和Zn含量变化不显著。由表3可见，模拟猪粪施肥后，土壤中Cu、Zn活性态比例随施肥量增加而增加，非活性态所占比例相应下降，但随施肥时间延长，土壤中Cu、Zn活性态比例下降，且Zn的活性态比例下降幅度更大。由此说明，猪粪施肥可以增加土壤重金属Cu和Zn的活性，且随施肥量的增加活性也相应增加，但随施肥时间延长，土壤Cu和Zn的活性降低。张学政等研究发现猪粪经过堆肥处理对Cu和Zn的活性影响有差异，对Cu稳定化具有明显作用，但是对猪粪中Zn则有活化作用[7]，这说明猪粪堆肥和施肥处理对重金属的活性影响是有差异的。徐秋桐研究表明，猪粪施肥后茶园土壤中积累的Cu主要向有机质结合态和交换态转化，而Zn主要向交换态、有机质结合态和氧化铁结合态转化[8]，这可能是猪粪施肥对土壤中Cu和Zn活性影响有差异的原因之一。

2.2冻融对猪粪施肥条件下土壤Cu和Zn活性的影响表4a为模拟猪粪施肥土壤经不同温度冻融作用后Cu的可交换态和碳酸盐结合态含量及活性态含量在总量中所占比例。由表4a可见，随冻融温度的下降，土壤中可交换态Cu和碳酸盐结合态Cu含量均显著增加，且在高施肥量条件下均显著高于低施肥量。同时，土壤中Cu的活性态比例亦随冻融温度下降和施肥量增加而增加。表4b模拟猪粪施肥土壤经不同温度冻融作用后Zn的可交换态和碳酸盐结合态含量及活性态含量在总量中所占比例。由表4b可见，与Cu相似，随冻融温度的下降，土壤中可交换态Zn和碳酸盐结合态Zn含量均显著增加，且在高施肥量条件下一般都显著高于低施肥量，同时，土壤中Zn的活性态比例亦随冻融温度下降和施肥量增加而增加。根据活性态Cu、Zn在总量中所占比例，随冻融温度下降，Zn的活性增加比例明显高于Cu。由此可见，随冻融温度下降，猪粪施肥后的土壤中可交换态Cu和Zn含量、碳酸盐结合态Cu和Zn含量均显著增加，土壤中的Cu和Zn被活化，且在高施肥量下Cu和Zn的活性大于低施肥量。郭平等研究结果表明，冻融作用降低了土壤对Pb和Cd的固持能力，增加了土壤中Pb和Cd的生态风险[12]；李悦铭等也发现在外源可溶性有机质条件下冻融作用使土壤中Pb的溶出释放量增加；党秀丽的研究结果也表明冻融过程具有促进土壤中结合牢固态镉向不稳定的离子态镉转化的作用,冻融过程有利于镉的释放。

3讨论

虽然规模化养殖场猪粪中Cu、Zn含量较高，但主要以活性较低的形态存在,猪粪施肥不但能增加土壤有机质含量，也能增加土壤重金属含量，猪粪施肥后可在物理化学与微生物作用下完成一个复杂的动态好氧发酵过程，有机物分解，逐步形成腐殖质类物质，芳构化程度不断增强，这些物质能够与重金属元素发生螯合反应，使土壤中的活性重金属被有效地结合和固定。猪粪施肥腐解后，与猪粪中大分子有机物结合的Cu、Zn被释放，并可重新与土壤组份结合或与猪粪的腐解产物结合；同时，猪粪腐解可使土壤理化性状如pH和有机质组成结构发生变化，因此，猪粪施肥后土壤中Cu和Zn含量和形态也相应发生改变。猪粪施肥量增加，猪粪的腐解矿化作用使土壤可交换态和碳酸盐结合态Cu、Zn含量相应增加，而随施肥时间延长猪粪的腐解作用产生的腐殖质与Cu、Zn发生螯合作用又对Cu、Zn有固定作用而使非活性态Cu、Zn含量有所增加。冻融作用可通过改变土壤的颗粒物结构、生物活性和矿化作用以及土壤理化性质而影响重金属的活性。土壤被冻结时土壤颗粒孔隙中冰晶的膨胀可以打破颗粒之间的联结而释放出易于分解矿化的物质，随冻融温度下降和猪粪施肥量的增加这种作用可能更强烈；冻融作用可以杀死土壤中的一些微生物而刺激残余微生物的活动，增加土壤有机质中的有效养分，导致土壤中由猪粪腐解产生的腐殖物质的矿化作用增强[24]。因此，经过冻融作用后，畜禽粪便施肥的土壤中难以分解矿化的有机质可转变为易分解矿化的有机质，在微生物的作用下有机质进一步分解矿化，使有机结合态Zn和Cu释放而变为游离态Zn和Cu，而增加了土壤中Zn和Cu的活性；同时，有机质的分解和矿化可以产生如疏水性酸和亲水性酸等可溶性有机质，使畜禽粪便施肥后的土壤pH经冻融作用后有不同程度的下降（见表2），进一步使残渣态Zn和Cu溶解而增加了畜禽粪便中Zn和Cu的活性。根据表3和表4非活性态在总量中所占比例，施肥和冻融条件下Zn的活性均大于Cu，这可能主要与Cu比Zn更易于与有机质结合形成有机结合态的Cu有关。

4结论

本文通过实验室模拟，研究了猪粪土壤施肥和模拟冻融作用对东北黑土中重金属Cu、Zn活性的影响，初步得到如下结论：猪粪施肥可以增加土壤重金属Cu和Zn的活性，且随施肥量的增加活性也相应增加，但同施肥初期比（1周），施肥1个月后，土壤Cu和Zn的活性降低。冻融作用可以使猪粪施肥的黑土中Cu和Zn的活性增加，随冻融温度下降，黑土中可交换态Cu和Zn含量、碳酸盐结合态Cu和Zn含量均显著增加，且在高施肥量下的Cu、Zn活性态含量均大于低施肥量。虽然冻融作用使模拟猪粪施肥黑土中Cu、Zn活性态含量增加，但活性态中的大部分是以碳酸盐结合态存在的，而碳酸盐结合态Cu、Zn只有在土壤酸化时才可能溶出，产生环境效应。因此，猪粪施肥的东北黑土经冻融作用后对Cu、Zn环境效应的影响只是一种潜在的，而东北黑土一旦酸化则可能增加猪粪施肥土壤中重金属的环境污染风险。同时，有必要进一步研究冻融作用对模拟猪粪施肥的东北黑中重金属活性的影响机制。

作者：徐聪珑 贾丽 张璐 刘秋萌 谢忠雷 单位：吉林大学环境与资源学院