冻融作用对长春市城郊菜地土壤镉迁移转化行为的影响

来源 :中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:akiro
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城郊菜地作为城市主要蔬菜供应基地之一,其土壤质量状况与居民的身体健康水平紧密相关。由于所处位置的特殊性,城郊菜地土壤中存在重金属污染现象。在中高纬度地区的田间,土壤因气温等环境条件的周期性变化具有季节性冻融的过程。当外源重金属进入土壤后,主要累积于土壤表层,而冻融过程也主要发生在此层。冻融作用通过土壤水热变化改变土壤理化性质,从而影响到重金属在土壤中的含量、赋存形态及迁移性。为了更好地了解冻融作用对我国东北地区城郊菜地中镉迁移转化行为的影响,本文以吉林省长春市城郊菜地土壤为研究对象,通过室内模拟实验探讨了不同冻融条件(冻融幅度、冻融速率、冻结时长和冻融次数)对土壤的镉吸附-解吸特征以及污染土壤团聚体中镉分布的影响;并基于田间不同冻融时期土壤镉含量和化学形态的动态变化以及微生物过程的研究,探究冻融作用对城郊菜地土壤中镉的迁移转化行为的影响及相关机理。主要研究结果如下:(1)土壤经不同速率、时长和次数冻融处理后对镉的吸附能力高于未冻融对照。在冻融幅度的研究中,-2℃冻结温度处理的土壤对镉的吸附量最大,其次是-15℃和-5℃处理的土壤。土壤镉吸附量随着冻结时长的增加而增加,而随冻融次数的增加而降低。Langmuir模型中,镉的吸附容量随冻融次数、冻结时长和冻融速率的增大而增大,而在Freundlich模型中,土壤镉吸附容量随冻结温度的降低而减小。土壤中的专性吸附比例随着冻融速率、冻融次数和冻结时长的增加而增加,而在冻融幅度试验中,土壤专性吸附比例顺序为:-2℃>-15℃>-5℃。(2)土壤>2 000μm团聚体镉负载量经冻融处理后减少,随冻融次数的增加、冻融幅度和冻结时长的降低而减少,在冻融速率研究中,20℃h-1处理减少量最大,其次是1℃h-1和3℃h-1处理。土壤<250μm团聚体镉负载量经冻融处理后减少,随冻融幅度、冻结时长和冻融次数的增加而减小。在全土中,弱酸可提取态镉含量经冻融处理后减少,随冻融速率和冻融次数的增加而减少,而在冻融幅度和冻结时长实验中,-10℃处理、12 h降低作用显著;可还原态镉含量随冻融幅度、冻结时长和冻融速率的增加而增大,随冻融次数的增加有下降的趋势;残渣态镉含量对冻融幅度和冻结时长的增加而增大。在各粒径团聚体中,土壤>2 000μm团聚体弱酸可提取态镉含量随冻结时长的增加而减小;土壤2000-1 000μm团聚体弱酸可提取态随冻融幅度、冻融速率和冻结时长的增加而减小,残渣态随冻融幅度的增大而增大;土壤1 000-500μm团聚体弱酸可提取态镉含量随冻结时长的增加而减小;土壤<250μm团聚体弱酸可提取态镉含量随冻融速率、冻结时长的增大而减小,可还原态镉含量随冻融速率的增大而增大,残渣态随冻融幅度的增大而增大。不同冻融处理土壤各团聚体镉负载量与有机碳负载量间的相关性达到极显著水平(相关系数r=0.927-0.985,p<0.01),其相关系数随团聚体粒径的减小而减小。(3)田间土壤表层镉在冻融期发生向下迁移:5-10 cm层镉含量在2018年秋季冻融期、2019年春季冻融期和2019年秋季冻融期分别增加0.31 mg kg-1、0.18mg kg-1和0.08 mg kg-1;10-15 cm层镉含量在2019年春季冻融期和2019年秋季冻融期分别增加0.05 mg kg-1和0.13 mg kg-1。室内土壤镉随老化时间增加逐渐由0-5 cm层向下层迁移,镉含量在5-10 cm层和10-15 cm层分别增加0.20 mg kg-1和0.18 mg kg-1。土壤0-5 cm层弱酸可提取态镉的老化速率不同:田间土壤弱酸可提取态镉在0-17天快速老化阶段由初始值减少至0.91 mg kg-1,在老化375天后缓慢下降至0.85 mg kg-1;室内土壤的弱酸可提取态镉在0-60天快速老化阶段由初始值减少至0.75 mg kg-1,在老化375天后缓慢下降至0.73 mg kg-1。土壤5-10cm层各形态镉含量经过400天老化时间均增加,其中弱酸可提取态镉含量分别增加0.14 mg kg-1(田间)和0.01 mg kg-1(室内),可还原态镉含量分别增加0.47mg kg-1(田间)和0.19 mg kg-1(室内),可氧化态镉含量分别增加0.12 mg kg-1(田间)和0.16 mg kg-1(室内)。土壤脲酶活性与弱酸可提取态镉含量随老化时间延长逐渐由正相关变为负相关(p<0.05),而土壤酸性磷酸酶活性与可还原态镉含量具有正相关性(p<0.05);土壤两种酶活性之间正相关性(p<0.05),其相关程度随土壤深度和老化时间的增加而增加。
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