磷、砷在不同场地土壤中的运移特征及风险预测

作     者：康润锋 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙慧敏

授予年度：2023年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 120405[管理学-土地资源管理] 

主      题：磷 砷 土壤 运移 累积 

摘      要：近些年来,由于人类农业与工业行为活动,土壤重金属污染问题越发严重,其中重金属砷(As)具有高移动性与高毒性的特点,因此As在土壤环境中的迁移与累积行为引起公众的广泛关注。由于重金属As会影响农作物的生长,也会对人体健康带来安全风险,同时在实际生产防治过程中,As的提取和测定存在技术难题,阻碍了对As在土壤中迁移行为的研究。磷(P)与As为同一主族的不同元素,具有低毒性、测定方法简单、成本低等优点,在以往研究中证明二者在很多方面具有相同的性质,但目前关于二者在土壤中迁移与累积行为是否具有相似性则缺乏有力论证。本研究选取了三个不同场地的土壤(水稻土、褐土、红壤),以同族元素P、As作为研究对象,探究了三种土壤对P、As的吸附,明确了P、As在不同类型土壤中的吸附行为;同时通过P、As在室内土柱中迁移试验,揭示了不同理化因素下P、As在不同土壤类型中的迁移与累积规律及同族元素P、As在土壤中的运移与累积行为的相似性,为同族元素P示踪As土壤迁移行为的方法提供依据,对快速估算土壤As污染的具体分布及其环境风险提供技术方法。主要研究结果如下:(1)通过SEM图可以得出,褐土表面最为粗糙,其次是水稻土与红壤;通过XRD谱图可以发现,褐土具有CaCO的结晶峰,同时褐土与红壤较水稻土还存在FeCl和AlCl结晶峰。三种土壤对P、As的等温吸附过程均与Freundlich模型拟合效果最好,它们对P、As的吸附过程为多分子层吸附;水稻土、褐土、红壤对P的最大吸附量分别为0.1846 mg g、0.2263 mg g、和0.1723 mg g;对As(V)的最大吸附量分别为0.1489mg g、0.2012 mg g和0.1212 mg g。动力学吸附试验结果表明拟二级动力学模型的拟合效果最好,三种土壤对P、As的吸附过程均以化学吸附为主,其中,褐土达到吸附平衡所需要的时间最长,其次是水稻土,红壤最短。(2)P、As在三种场地土壤中的运移均会受到pH与离子强度的影响。在酸性条件下,P在土壤中的迁移能力最弱,随着pH的增加,P在水稻土、褐土、红壤中的回收率均有不同幅度的增大,表明P的迁移能力在三种土壤中均随着pH增大而增强;同时根据试验结果可得,As在土壤中的迁移能力也随着pH的上升而增强,表明碱性环境更有利于As在土壤中的迁移。P、As在三种土壤中的回收率均随着离子强度的增大而减小,表明高离子强度会抑制P、As在土壤中的迁移,且抑制能力表现为水稻土褐土红壤。通过对比P和As在三种土壤中的迁移行为,可以发现P、As二者在不同因素下的迁移行为存在相似性,当理化因素发生变化时,P和As之间迁移行为的拟合结果均存在较高的相似性,其中使用非线性拟合能够更好的描述P、As在三种场地土壤中迁移行为的相似性。(3)pH和离子强度变化会对P和As在土壤中的累积行为产生影响。在pH=4时,P在土壤中的累积能力最强,随着pH的增加,P的累积量逐渐降低;此外,根据试验结果可以发现,P在褐土中的累积能力最强,其次是红壤和水稻土,且P和As的累积能力在三种土壤中均随着pH增大而降低,表明酸性条件下P和As在土壤中更容易发生累积行为。不同条件下P在三种土壤中的累积能力均大于As。通过分析P在三种土壤中的保留曲线,发现其总累积量随着离子强度的增大而提高,表明高离子强度促进了P在土壤中的累积能力。P和As在三种土壤中的累积行为具有较好的相似性,在不同理化因素条件下,通过对P和As在不同深度土壤中的累积量进行相关性热图分析,发现相关参数(R)在不同条件下均达到了0.7以上,表明P和As在土壤介质中的累积行为存在较好的正相关关系,并且随着环境因素的改变,P、As的累积行为也保持较好的相似性。