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由于局部的环境地球化学行为或人为活动,我国黑土区土壤受到不同程度的重金属Cd、Zn污染,同时在季节转化过程中土壤经历着反复的冻融交替作用,促进或抑制重金属的溶解/沉淀、络合/吸附作用,进而改变重金属的赋存形态。本论文通过野外监测、室内模拟实验,初步确定了冻融作用、土壤理化性质对重金属Cd、Zn形态转化的影响趋势和内在联系,并探讨了冻融作用对重金属有效态的影响,结果表明:
通过冻融期土壤温度月变化、同变化状况的监测,得到黑土区0~10cm土壤在秋冬、冬春季节转换过程中经历着反复的冻融交替过程。季节性冻融对土壤有机质含量影响不显著,但可促进活性有机质和水溶性有机质的增加,季节性冻融期间土壤微生物量碳呈先降低后逐渐增加的趋势。各层水分经历了复杂的运移过程,春季冻融作用使得上层土壤水分累积,并向下层迁移。黑土经历了季节性冻融作用后,交换态Zn含量是逐渐增加的;秋冬冻融作用使得铁锰氧化物结合态Zn含量增加,冬春冻融作用使得铁锰氧化物结合态Zn含量大幅度降低;有机结合态Zn含量呈波动式增加;冬春冻融作用使得残渣态Zn含量略有减小。
以24 h为一个冻融交替周期,相对含水量80%时,冻融交替作用对土壤有机质含量没有显著影响,但随着冻融频次的增加,土壤活性有机质含量表现为先降低后增加的趋势,而水溶性有机质含量逐渐增加。冻结温度降低和含水量增加促进冻融上壤活性有机质含量逐渐降低,水溶性有机质含量逐渐增加,冻结温度降低影响作用减弱。土壤微生物量碳含量随着冻融次数增加和冻结温度降低而逐渐降低。土壤Cd含量为5 mg·kg-1,冻融作用促进交换态和有机结合态Cd含量降低,促进铁锰氧化物结合态和残渣态Cd含量增加。交换态和有机结合态Cd含量均与冻融次数呈显著负相关(P<0.01),铁锰氧化物结合态和残渣念Cd含量均与冻融次数呈显著正相关(P<0.01),随着冻融次数的增加,有机结合态Cd既可向残渣态转化,也可向铁锰氧化物结合态转化。Zn含量为150 mg·kg-1,随着冻融次数的增加,交换态和铁锰氧化物结合态Zn含量降低,有机结合态Zn含量先增高后降低,残渣态Zn含量明显增加。各赋存形念Zn含量与冻融次数之间呈二次多项式的函数关系。冻融土壤各形态Cd、Zn含量均与土壤水溶性有机质、微生物量碳、活性有机质、土壤粘粒含量表现出极显著或显著相关。
土壤含水量为40~120%,冻融作用促进交换态Cd、Zn含量降低,铁锰氧化物结合念Cd含量增加、而该形态Zn含量降低;促进有机结合态Cd含量降低,而该形态Zn含量增加;使得残渣态Cd、Zn含量增加。
土壤pH值4.5~6.0,冻融作用促进交换态和有机结合态Cd含量增加,铁锰氧化物结合态和残渣态Cd含量降低;土壤pH值6.0~9.5,冻融作用促进交换态和有机结合态Cd含量降低,铁锰氧化物结合态和残渣态Cd含量增加。土壤pH值4.5~5.8,冻融作用促进交换态Zn含量略有增加,pH值5.8~9.5,交换态Zn含量降低;土壤pH值5.0~9.5,冻融作用使得有机结合态Zn含量增加,pH值4.5~5.0时变化不显著;土壤pH值4.5~9.5,冻融作用促进铁锰氧化物结合态Zn含量降低,残渣态Zn含量显著增加。
有机质含量增加1.6~9.6%时,冻融作用促进交换态和铁锰氧化物结合态Cd、Zn含量降低,有机结合态和残渣态Cd、Zn含量增加。Zn含量逐渐增加时,冻融作用可使交换态Cd含量减小;铁锰氧化物结合态Cd含量增加的幅度逐渐减小;有机结合态Cd含量降低的幅度逐渐减小;残渣态Cd含量逐渐增加。
随着冻融频次的增加,有效态Cd、Zn含量逐渐降低,冻融次数与有效念Cd、Zn含量呈线性负相关。随着冻结温度的降低和冻结时间的延长,有效态Cd、Zn含量逐渐降低,并趋于稳定。随着冻融频次的增加和冻结强度的增强,土壤重金属迁移性逐渐减弱。随着含水量的增加,冻融作用使得有效态Cd、Zn含量降低的趋势逐渐减弱。pH值不同,冻融作用对重金属有效性、迁移性的促进作用不同,低pH值时,冻融作用促进重金属有效性、迁移性增强,高pH值时,促进重金属有效性、迁移性降低。土壤有机质含量增加时冻融作用可促进重金属Cd、Zn有效态含量及其迁移性降低。