全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
, , 一
模拟酸雨对污染土壤中 、 和 释放及
其形态转化的影响 关
郭朝晖‘ 黄昌勇‘ ” 廖柏寒 ,
‘ 浙江大学环境与资源学院 , 杭州 湖南农业大学资源环境学院 , 长沙
【摘要 研究了模拟酸雨连续浸泡下污染红壤和黄红壤中重金属释放及形态转化 结果表明 , 随着模拟酸
雨 值下降 , 污染土壤中重金属释放强度明显增大
、
释放量与酸雨 值呈线性极显著负相关
与酸雨 值呈线性显著负相关 模拟酸雨作用下 , 污染红壤和黄红壤中 均以交换态为主 则以有
机结合态和氧化锰结合态为主 在污染红壤中以残留态和交换态为主 在污染黄红壤中以残留态和有
机结合态为主 土壤有机质含量和阳离子交换量对 、
、
的释放产生一定的影响并影响 、 的形
态转化 , 但对 形态转化影响不明显 , 随着模拟酸雨酸度增大 , 污染红壤和黄红壤中重金属 、 的生
物可利用态明显增多 , 但难解吸态 向生物有效态转化效应不明显
关键词 模拟酸雨 重金属释放 重金属形态转化
文章编号 一 一 一 中图分类号 , , 文献标识码
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引 言
酸沉降的生态危害和重金属的环境污染是国内
外广为关注的环境问题川 世界酸雨 中心主要分布
在北美 、 欧洲和亚洲地区 我国南方酸雨地区是亚洲
酸性最强 、 面积最大的酸雨区中 ,口川 目前 , 降水酸
度仍在不断升高 , 酸性沉降物不断增加 , 酸雨面积继
续扩大并形成了以湖南 、 江西为中心的华中酸雨频
降区 , 其中长沙市降水平均 达到 我国南
方省份为我国有色及稀有金属矿藏之乡 , 也是我国
经济相对发展较快的地区 随矿藏开采 、 冶炼等工业
活动的迅速发展 , 以可变电荷为主的红壤受 、 、
等重金属污染 问题 日益严重 , 酸雨作用则进一
步加重了问题的严重性 因此 , 在湖南选取具有较强
代表性的红壤和黄红壤 , 探讨酸雨对污染红壤和黄
红壤中重金属释放及化学形态转化的影响 , 对深人
研究土壤圈中化学元素循环 、 酸沉降一重金属复合污
染的化学作用机制以及维护该地区红壤生态环境质
量具有重要意义
材料与方法
供试土壤
供试土壤为具有较强代表性的红壤和黄红壤 红壤由砂
页岩 、 砂岩发育而成 , 黄红壤由花岗岩 、 砂砾岩发育而成 , 均
为 。一 的表层森林土壤 , 其基本理化性质见表
模拟酸雨配制
根据湖南省长沙市等地区酸沉降水平及我国南方地区
, 教育部科学技术研究重点项 目 【 」 一 和科技部中法
先进研究计划资助项 目
一
, , 通讯联系人
一 一 收稿 , 一 一 接受
应 用 生 态 学 报 卷
表 供试土坡基本理化性质
采样点 土壤类型 有机质含量
川
重金属全量
· 一 ’
叮
有效性重金属含量
· 一
月卜和一唱厂洲
困
】
〔又
· 一
长沙 红壤 氏 。 一 一
郴州 黄红壤 卜〕
, , 一 一
一 未检出
酸沉 降发 展 趋 势 , ’
, ‘“ 〕, 主 要 考 虑 酸 雨 值 和 一 、
几 一 、
、
氏 种离子 , 以酸雨 值与离子浓度变化
设计成酸雨系列
、 、 、 , 相应模拟酸雨 值
为 、 、 、 其中 , 为模拟酸雨设计基础 ,
〔以几 一 〕与〔 一 〕摩尔比为 〔护 〕与〔风 〕摩尔比
为 犷十 、 十 和 仅作为溶液平衡离子 为临界
模拟酸雨溶液 对照
实验设计
为便于连续平衡浸泡试验中重金属的分析测试和进行
各重金属释放水平 比较 , 在供试土 壤 中加人一定量 的 、
、 氯化物溶液 , 配成含各外源重 金属浓度为 ’
一 ‘土水平的污染土壤 平衡培养 后 自然风干 , 过
筛后进行浸泡平衡实验 浸泡土壤用量均为 , 每次用
模拟酸雨溶液 液土 比为 , 振荡 , 后
离心 , 收集浸提液并全部过 。
,
拜 滤膜 , 滴加几滴硝酸酸
化并保存在 ℃条件下备用 实验重复 次 连续浸泡时间
为 , 共取样 次
测试项 目与方法
供试土壤有机质采用外加热 一 容量法【 〕
值采用 计测定〔 阳离子交换量采用
一 ‘中性醋酸钱浸提一碱解蒸馏法 “ 连续浸泡后土样重
金属形态分析以 “ 连续提取分级体系为基础 , 结合
与 阮 形态分析法并作改进 , 具体为 ①交换
态 包括水溶态 , 一 用
· 一 提取 ,
液土比为 , 在 ℃连续振荡 , 离心 ②
氧化锰结合态 一 用
‘ · 一 ‘
·
提取 , 液土比为 , 在 ℃连续振荡 , 离心 ③
有机结合态 一 加人 一 ’ 几 和
, 在 士 ℃水浴中间歇振荡 , 再加
人 , 温度不变 , 继续间歇振荡 , 冷
却后 , 加入
· 一 ‘ 在 的硝酸溶液
中 , 连续振荡 , 离心 ④无定形铁结合态 一 用
· 一 ‘ 一 · 一 执 为
提取剂 , 液土 比为 , 避光 , 连续振荡 , 离心 ⑤晶形铁
结合态 一 采用 一 ‘ 氏 一 。
,
一 一 · 一 氏 抗坏血酸 为
提取剂 , 液土 比为 , 在 ℃水浴 中间歇振荡 , 离
心 ⑥残留态或铝硅酸盐 矿物 结合态 一 将上述残留
物转移到聚四氟乙烯柑涡中 , 控温于 一 ℃的电热板 ,
用 和 消解 , 直到样品呈灰白色 , 蒸发至近干 , 用
浓 溶解 , 去离子水定容到 同时 , 供试土壤有效
性重金属含量采用 。
· 一 ‘ 溶液提取 液土 比为
’ 全量采用 全量消解法 , 全量和各形态重金属
均采用 一 型原子吸收分光光度计测定 测定样品经提
取后各种提取液中重金属含量之和与消化所得该金属总量
之间的相对误差在 士 之内
结果与讨论
模拟酸雨对污染红壤和黄红壤中重金属释放
的影响
由图 可 以看 出 , 随模拟 酸雨连续浸泡 , 不 同
值酸雨溶液对污染红壤和黄红壤 中各重金属的
释放影响明显 在相同 值酸雨作用下 , 重金属释
放量次序为 随 值降低 , 污染红壤
和黄红壤中 、 、 释放量明显提高 , 特别是
释放量受 酸雨 影 响更加 明显 , 在酸雨 值达
时 , 红壤 和黄红壤 中 释放量分别为 值
、 、 模拟酸雨下释放量的 、 、
和 、 、 倍 在污染红壤和黄红壤中
的释放曲线基本类似 , 而 和 则明显不 同
在红壤上 , 浸泡下 释放量 比 高 ,
浸出液 中 释放量 比 、 高 当模拟酸雨
簇 时 , 释放量高于 和 而在黄
红壤上 、 几乎呈直线形式释放出来
,
污染红壤
中 、 的释放量明显高于黄红壤 , 而黄红壤中
释放量明显高于红壤 由上述结果可以看出 , 酸沉降
下污染土壤 中重金属离子 的释放受酸雨 值 、 重
金属离子种类和土壤性质特别是土壤有机质和阳离
子交换量的影响 其中 , 酸雨 值是影响 、 、
释放 、 迁移诸多因子中最重要的因子 对酸雨
值与各重金属释放量进行相关分析 , 和 释放
量与酸雨 值成极显著线性负相关 , 释放量与
酸雨 值成显著线性负相关
酸雨作用下 , 污染土壤释放到土壤水溶液中重
金属量计算成污染土壤重金属 的解吸率 图 可
见 , 时污染红壤和黄红壤的 、 、 解吸
率均以 模拟酸雨浸泡最低 随酸雨 值下降
而明显升高 其中
, 的解吸率明显高于 , 解
吸率又明显低于 随连续浸泡 , 红壤中重金属含
期 郭朝晖等 模拟酸雨对污染土壤中
、 和 释放及其形态转化的影响
, 熟一产
一。
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取样时间
图 模拟酸雨下红壤 和黄红壤 水溶液中重金属浓度
, 、 。
。 、
量不断降低 , 但 、 和 解吸率仍进一步 明显
增加 解吸率达 一 , 达
一 , 达 一 而黄红壤 中
、 解吸率随酸雨 值下降基本不变 , 解吸
率达到 一 , 达
,
一
解 吸率则随 值下降 明显增大 , 解 吸率达 到
一
和交换态存在 , 其含量分别为 一 和
一 ’ 一 ’ 在黄红壤中 , 主要为残 留
态和有机结合态 , 其含量分别为 一 和
一 · 一 ’ 尽管绝大部分含 化合物
有较强的水溶性 , 但土壤中粘土矿物等对 的吸附
固定能力较强 , 残 留态 化学形态 比例较大 酸雨
对污染土壤中重金属化学形态分布影 响 明显 但在
系列不同酸度模拟酸雨作用下 , 污染红壤和黄红壤
中重金属的形态分布产生 了一定的变化 对连续浸
泡的污 染 红 壤 和 黄红 壤 进 行 土壤 值测 定 , 在
、 、 、 作 用 下 , 污 染红 壤和 黄 红 壤
值分别为 、 、 、 和 、 、
、
和 , 由此说明污染土壤中重金属形态分布
的差异主要是由于不同酸性强度的酸雨引起污染土
壤的酸化程度不一 , 加剧 了土壤 中重金属形态 向活
性形态转化 , 活性形态重金属向土体外迁移量增加 ,
重金属对生态环境的污染 能力加强 但 由于不 同重
金属 自身化学性质的影响 , 污染土壤酸化对不 同重
金属的激活程度不一 , 从而导致重金属对周 围环境
的污染能力不同
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万硒 亏 石。 — 石。
︵岁︶。衬口二日。
并彭眺
图 不同 值酸雨对红壤 和黄红壤 中重金属解吸率影响
拌
、 、
履鬓乌鬓 履星鬓囊 乌鬓鬓鬓
模拟酸雨对污染红壤和黄红壤 中重金属化学
形态及转化的影响
图 结果表明 , 酸雨作用下等量外源重金属污
染红壤和黄红壤中 , 重金属 化学形态主要以交换
态存在 , 其含量分别为 一 和 一
· 一 ’ 主要以有机结合态和氧化锰结合态 为
主 , 其含量在红壤上分别为 一 和
一 · 一 ‘ , 在黄红壤上为 一 和
一 · 一 ‘ 在红壤中 主要以残留态
图 模拟酸雨下红壤 和黄红壤 中重金属化学形态分布
, , 。、 、 ,
,
交换态 龟 氧化锰结合态 , 。 有机结合态
无定形铁结合态 。 加 晶形铁结
合态 , 肠 残留态 ,
一般认为 , 重金属的可交换态在中性条件下 即
可释放出来 , 最易为生物所利用 有机结合态则由于
我国红壤主要分布在高温多湿的南方地 区 , 常常是
氧化 、 还原条件交替影响 , 能释放 出来供生物利用
铁 、锰氧化物结合态只有在还原条件下才释放出来 ,
因此能迅速为生物所利用的可能性不大 残 留结合
应 用 生 态 学 报 卷
态只有在风化过程中才能释放 出来 , 而风化过程是
以地质年代计算的 , 相对于生物小循环来说 , 残 留结
合态基本上不能为生物所利用 鉴此 , 根据重金属化
学结合形式可将其划分为交换态 、 氧化锰结合态 、 有
机结合态 、 无定形铁结合态 、 晶形铁结合态 和残留
态 根据其对生物的有效性进行划分 , 可将重金属化
学形态划分为不稳定结合态 —交换态 包括水溶态 比较不稳定结合态 —有机结合态
、 氧化锰结
合态和无定形铁结合态 比较稳定结合态 —晶形铁结合态 稳定结合态 —残留结合态 按照这种划分 , 短期污染情况下污染土壤 中重金属特别是 、
绝大部分以不稳定结合态和 比较不稳定结合态
存在 , 而 以稳定结合态百分率较高 在模拟酸雨
作用下 , 随模拟酸雨 值降低 , 交换态 百分率
渐次降低 , 而氧化锰结合态和有机结合态 在不同
形态中百分比逐渐增高 , 强酸性酸雨激活 了更多 的
向活性形态转化 , 使交换态 从土壤 中解 吸出
来 , 土壤 交换态百分率迅速下降 , 与水溶液中
含量迅速增加相一致 污染红壤中交换态 、 氧化锰结
合态和有机结合态 百分率明显增高 , 而污染黄红
壤中交换态和氧化锰结合态 百分率基本不变 , 有
机结合态和无定形铁结合态 百分率随酸雨
值下降而稍有下降 , 晶形铁结合态和残 留态 百分
率随酸雨 值下降而略有增加 图 从污染土壤
中 的释放 强度及解 吸率可知 , 随酸雨 值下
降 , 向交换态等易活化的化学形态转化 , 交换态
被解 吸出来 , 对生态环境质量的毒害效应增
强 污染红壤和黄红壤中重金属随土壤环境的酸化 ,
重金属 、 化学形态分布中比较不稳定形态 向
交换态等不稳定形态转化 , 向生物能有效利用的活
性形态转化 而随模拟酸雨 值下降 , 污染红壤和
黄红壤中交换态 百分率急剧下降 , 交换态等活性
形态转化受酸雨影响较大 , 生物有效态 之间
转化非常活跃并向周围环境大量溶出 然而 , 随酸雨
值下降 , 晶形铁结合态和残 留态 百分率明显
增多 , 稳定态 向生物有效性 形态转化不 明显
而不稳定态和 比较不稳定态 活性形态之间转化
较大 , 可能与土壤中粘土矿物对 有较强吸附能力
有关
进行连续浸泡平衡实验 结果表明 , 模拟酸雨增强了
污染土壤中重金属 的释放 模拟酸雨溶液 值越
低 , 重金属解吸率越高 其中 , 在污染红壤和黄红
壤上解吸率分别为 一 和 一
, 解 吸率分别为 一 和
一 对酸雨也 比较敏感 , 当模拟
酸雨 值达到 时 , 解吸率有较大提高 , 在
污染红 壤 和 黄红 壤上 解 吸率分 别 为 和
模拟酸雨作用下等量外源重金属污染红壤
和黄红壤中 , 主要 以交换态存在 以有机结合
态和氧化锰结合态为主 在污染红壤中主要 以残
留态和交换态存在 , 在污染黄红壤中 主要为残留
态和有机结合态 随模拟酸雨 值下降 , 污染红壤
和黄红壤 中 、 、 化学 活性形 态之 间转 化 明
显 、 活性形态明显增多而难解吸态 向生物
可利用活性形态转化不明显
参考文献
曹 磊
反 ’ 环境科学学报 , 一
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一 丁国 安 ,
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力记旅 土壤科学
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结 论
在系列模拟酸雨作用下 , 对污染红壤和黄红壤
作者简介 郭朝晖 , 男 , 年生 , 博士 , 讲师 , 主要从事土
壤环境化学方面的研究 , 发表论文 篇
一
,