降雨量及植被種植對(duì)土壤中重金屬淋失的影響

白 梅，鐵柏清，楊 洋，陳 喆

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410128)

土壤環(huán)境中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化過程分為物理遷移、化學(xué)遷移、物理化學(xué)遷移、生物遷移等，其遷移轉(zhuǎn)化形式復(fù)雜多樣，是多種形式的錯(cuò)綜結(jié)合[1-4]。土壤中是否種植植物、種植植物種類、種植密度大小以及在植物生長(zhǎng)過程中灌溉施肥、噴灑農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，都會(huì)影響土壤的理化性質(zhì)和土壤微環(huán)境，從而影響土壤中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化。筆者在室內(nèi)淋溶柱模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了不同降雨量和不同植被種植情況對(duì)土壤中重金屬淋失的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 土壤樣品采集及預(yù)處理 供試土壤于2010年4月采自株洲霞灣受重金屬污染的農(nóng)田，田間無(wú)水。土壤樣品采自耕作層，采樣深度為0～20 cm。采用梅花點(diǎn)法采集，每個(gè)混合樣均由5個(gè)以上分點(diǎn)樣品組成。土壤樣品自然風(fēng)干，除去草根、石塊等雜物，混勻。

1.1.2 土壤背景值測(cè)定 采用四分法取部分土壤樣品，磨細(xì)，過80目篩，用HCl-HNO3-HF-HClO4全消解法測(cè)定土壤中Pb、Zn、Cd含量，用王水水浴消解法測(cè)定土壤中As的含量。用電極法測(cè)定土壤pH值（25 g/L）。試驗(yàn)土壤中As含量為0.307 mg/g，Pb含量為 2.790 mg/g，Cd含量為 0.202 mg/g，Zn含量為0.586 mg/g，土壤pH值范圍為6.5～7.5。

1.1.3 其他試驗(yàn)材料 盆栽用桶、水稻（陸兩優(yōu)819）、人工模擬降雨裝置、雨量計(jì)、白色聚乙烯瓶、抽濾裝置及實(shí)驗(yàn)室常用儀器等

1.2 試驗(yàn)方法

將長(zhǎng)勢(shì)均勻的水稻幼苗移栽至填好土壤的桶中，并淹水2 cm。利用自然降雨，測(cè)量降水量和雨水pH值，收集淋溶水樣。當(dāng)各覆蓋度發(fā)生明顯變化時(shí)，需修整植株，以維持原覆蓋度。分別采集5.7 mm、20 mm自然降雨量條件下的淋溶水樣待測(cè)定。如不能及時(shí)測(cè)定，應(yīng)將水樣置于4℃條件下冷藏保存。

1.3 測(cè)定方法

用量筒測(cè)量淋溶液體積；濾液中Pb、Zn、Cd的濃度直接用原子吸收分光光度計(jì)法（美國(guó)瓦里安公司AA-240Z石墨爐原子吸收分光光度計(jì)）測(cè)定；濾液中As的濃度用原子熒光光譜分析法（北京吉天AFS920型雙道原子熒光光度計(jì)）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行整理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb的濃度和總量變化

從圖1可知，從不同降雨量來(lái)看，在各個(gè)種植情況下，20 mm降雨量下淋溶液中Pb的濃度都低于5.7 mm降雨量時(shí)淋溶液中Pb的濃度，與室內(nèi)淋溶柱試驗(yàn)結(jié)果相符合。從不同種植情況來(lái)看，在不種植時(shí)，淋溶液中Pb的濃度低于少量種植（10株水稻）、高于密集種植（18株水稻）淋溶液中Pb的濃度。這可能是因?yàn)樗镜姆N植，土壤中的根系改變了土壤中的溶液環(huán)境，在根系局部小環(huán)境中，可溶性或可交換態(tài)Pb增多，使得土壤中Pb的移動(dòng)性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致淋溶液中Pb的濃度增加。而在密集種植時(shí)，可能是因?yàn)樗靖祵?duì)土壤溶液中Pb的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的Pb，致使淋溶液中Pb的濃度不升反降。

圖1 淋溶液中Pb的濃度

由圖2可見，不種植時(shí)，5.7 mm降雨量時(shí)和20 mm降雨量時(shí)土壤中淋出Pb的總量沒有變化。但是，在5.7 mm降雨量下，少量種植和密集種植時(shí)土壤中Pb的淋出量均比不種植時(shí)少，密集種植減少了45%；而在20 mm降雨量下，土壤中Pb的淋出量猛然增大，密集種植時(shí)達(dá)到不種植時(shí)的21倍。這可能是因?yàn)椋诮涤炅枯^少時(shí)，土壤中溶液環(huán)境變化較小，土壤中淋出Pb的總量隨著淋失液中Pb濃度的降低而變小；而在20 mm降雨量時(shí)，因密集種植時(shí)淋失液的體積大于不種植和少量種植時(shí)淋失液的體積，使得密集種植時(shí)土壤中淋失Pb的總量最大。

圖2 土壤中淋出Pb的總量

2.2 Zn的濃度和總量變化

從圖3可以看出，淋溶液中Zn的濃度在20 mm降雨量時(shí)高于5.7 mm降雨量時(shí)，這與室內(nèi)淋溶柱模擬試驗(yàn)結(jié)果不符，可能是因?yàn)樵?0 mm降雨量時(shí)，降雨強(qiáng)度較大，對(duì)土壤沖洗較厲害，一部分原先被土壤吸附的Zn被解吸，致使淋出液中Zn的濃度增大。從不同種植量來(lái)看，少量種植時(shí)淋溶液中Zn的濃度大于不種植時(shí)淋溶液中Zn的濃度，可能是因?yàn)樗镜姆N植，土壤中的根系改變了土壤中的溶液環(huán)境，在根系局部小環(huán)境中，可溶性或可交換態(tài)Zn增多，使得土壤中Zn的移動(dòng)性增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致淋溶液中Zn的濃度增加；在5.7 mm降雨量時(shí)，密集種植時(shí)淋出液中Zn的濃度低于少量種植時(shí)淋溶液中Zn的濃度，可能是因?yàn)樗靖祵?duì)土壤溶液中Zn的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的Zn，致使淋溶液中Zn的濃度降低；而在20 mm降雨量時(shí)，密集種植時(shí)淋溶液中Zn的濃度高于少量種植淋溶液中Zn的濃度，可能是因?yàn)樵?0 mm降雨量時(shí)，降雨強(qiáng)度較大，對(duì)土壤沖洗較厲害，影響了土壤中根系對(duì)Zn的吸附，使得淋出液中Zn的濃度增大。

圖3 淋溶液中Zn的濃度

由圖4可見，土壤中淋出Zn的總量，20 mm降雨量時(shí)高于5.7 mm降雨量時(shí)，一方面是由于淋溶液中Zn的濃度在20 mm降雨量時(shí)高于5.7 mm降雨量時(shí)，另一方面是因?yàn)?0 mm降雨量時(shí)淋溶液的體積大于5.7 mm降雨量時(shí)林溶液的體積。從不同種植量來(lái)看，在5.7 mm降雨量條件下，土壤中淋出Zn的總量隨種植密度的增加變化不大，甚至略有減小，這可能是因?yàn)榻涤炅枯^小，土壤環(huán)境幾乎沒有變化，導(dǎo)致土壤中淋出Zn的總量變化較小。而在20 mm降雨量時(shí)，土壤中淋出Zn的總量在少量種植和密集種植時(shí)都明顯低于不種植時(shí)，因?yàn)閆n是植物生長(zhǎng)必需的元素，水稻在生長(zhǎng)過程中不斷地吸收土壤中的Zn，致使土壤中淋失的Zn的總量下降。

圖4 土壤中淋出Zn的總量

2.3 Cd的濃度和總量變化

從圖5可以看出，淋溶液中Cd的濃度在20 mm降雨量時(shí)高于5.7 mm降雨量時(shí)，這與室內(nèi)淋溶柱模擬試驗(yàn)結(jié)果不符，可能是因?yàn)樵?0 mm降雨量時(shí)，降雨強(qiáng)度較大，對(duì)土壤沖洗較厲害，一部分原先被土壤吸附的Cd被解吸，致使淋出液中Cd的濃度增大。從不同種植量來(lái)看，少量種植時(shí)淋溶液中Cd的濃度大于不種植時(shí)淋溶液中Cd的濃度，可能是因?yàn)樗镜姆N植，植物根系改變了土壤中的溶液環(huán)境，在根系局部小環(huán)境中，可溶性或可交換態(tài)Cd增多，使得土壤中Cd的移動(dòng)性增強(qiáng)，導(dǎo)致淋溶液中Cd的濃度增加；而在密集種植時(shí)，可能是因?yàn)樗靖祵?duì)土壤溶液中Cd的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的Cd，從而使淋溶液中Cd的濃度降低。

圖5 淋溶液中Cd的濃度

由圖6可見，土壤中淋出Cd的總量，在20 mm降雨量時(shí)高于5.7 mm降雨量時(shí)，這一方面是因?yàn)榱苋芤褐蠧d的濃度在20 mm降雨量時(shí)高于5.7 mm降雨量時(shí)，另一方面是因?yàn)?0 mm降雨量下淋溶液的體積大于5.7 mm降雨量時(shí)淋溶液的體積。從不同種植量來(lái)看，土壤中淋出Cd的總量都隨著水稻種植量的增大而稍微減小，可能是因?yàn)橥寥乐兴靖祵?duì)土壤中Cd的吸收和吸附較強(qiáng)，從而使土壤中淋失的Cd的總量減少。

圖6 土壤中淋出Cd的總量

2.4 As的濃度和總量變化

從圖7可以看出，在不種植的情況下，在5.7 mm降雨量和20 mm降雨量下淋溶液中As的濃度一樣。而在5.7 mm降雨量時(shí)，少量種植時(shí)淋溶液中As的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不種植和密集種植時(shí)淋溶液中As的濃度。這可能是因?yàn)樗镜姆N植，植物根系改變了土壤中的溶液環(huán)境，在根系局部小環(huán)境中，可溶性或可交換態(tài)As增多，使得土壤中As的移動(dòng)性增強(qiáng)，導(dǎo)致淋溶液中As的濃度增加；而在密集種植時(shí)，可能是因?yàn)樗靖祵?duì)土壤溶液中As的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的As，致使淋溶液中As的濃度不升反降。在20 mm降雨量下，淋溶液中As的濃度隨著水稻種植量的增加而減少。可能是因?yàn)樗靖祵?duì)土壤溶液中As的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的As，致使淋溶液中As的濃度降低。

圖7 淋溶液中As的濃度

從圖8可以看出，土壤中淋出As的總量，在20 mm降雨量時(shí)高于5.7 mm降雨量時(shí)，主要是因?yàn)樵?0 mm降雨量下淋溶液的體積大于5.7 mm降雨量時(shí)淋溶液的體積。從不同種植量來(lái)看，在5.7 mm降雨量時(shí)，土壤中淋出As的總量隨種植量的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；而在20 mm降雨量時(shí)，土壤中淋出As的總量隨種植量的增加迅速減少，這主要是因?yàn)樗靖祵?duì)土壤溶液中As的吸收和吸附超過了土壤溶液環(huán)境中增加的As，致使土壤中淋出As的總量減少。

圖8 土壤中淋出As的總量

3 小結(jié)

（1）從不同降雨量來(lái)看，淋溶液中Pb、As的濃度，在20 mm降雨量時(shí)低于（或不大于）5.7 mm降雨量時(shí)，而淋溶液中Zn、Cd的濃度，在20 mm降雨量時(shí)高于5.7 mm降雨量時(shí)；在20 mm降雨量時(shí)土壤中淋出 Pb、Zn、Cd、As的總量高于（或不低于）5.7 mm降雨量時(shí)土壤中淋出Pb、Zn、Cd、As的總量。

（2）從不同種植量來(lái)看，少量種植時(shí)淋溶液中Pb、Zn、Cd 的濃度都大于不種植時(shí)林溶液 Pb、Zn、Cd的濃度；密集種植時(shí)，淋溶液中Pb的濃度低于不種植時(shí)淋溶液中Pb的濃度，Cd的濃度比少量種植時(shí)低；在5.7 mm降雨量時(shí)，密集種植時(shí)淋出液中Zn的濃度低于少量種植時(shí)淋出液中Zn的濃度，而在20 mm降雨量時(shí)，密集種植時(shí)淋溶液中Zn的濃度高于少量種植時(shí)淋出液中Zn的濃度。土壤中淋出Cd、As的總量都隨著水稻種植量的增大而減小；在5.7 mm降雨量條件下，土壤中淋出Zn的總量隨種植密度的增加變化不大，而土壤中Pb的淋出量減少；在20 mm降雨量時(shí)，土壤中淋出Zn的總量在少量種植和密集種植時(shí)都小于不種植時(shí)，而土壤中Pb的淋出量猛然增大。

（3）在5.7 mm降雨量時(shí)，少量種植時(shí)淋溶液中As的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不種植和密集種植時(shí)淋溶液中As的濃度。在20 mm降雨量下，淋溶液中As的濃度隨著水稻種植量的增加而減少。

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