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土壤有机质对镉生物有效性的影响
土壤有机质会降低镉在土壤中的生物有效性。土壤有机质通过提高土壤有机碳含量等方式,既能促进微生物增长,减轻镉对土壤微生物危害,又能降低镉对蜗牛的生物毒害,降低外源镉在土壤中的可迁移性和生物有效性。土壤有机质会促进植物对镉吸收、输送、贮存能力,这是因为土壤有机质中含有大量官能团,能与镉离子发生配位、络合等作用,形成稳定含镉有机螯合物,被植物根系细胞吸收、转运输送,积累在茎叶部,降低镉对植物的生物毒害,还能提高高粱的生物量,促进高粱植物对镉的根部固定。泥炭土、鸡粪等含量较大的有机质分别能降低甜瓜对镉的吸附、有效地降低小麦组织50%的镉含量,促进小麦生长;油菜籽残渣会降低活性镉含量约5%~14%,滨藜叶部含镉量从1.4mgkg-1降低至0.6mgkg-1,促进了滨藜的生长;家禽粪便堆肥会缓解镉对小白菜的毒害,促进小白菜的生长;Wu等种植油菜-堆肥后,再种植水稻,降低了水稻的镉含量约46%~80%。
pH
镉在土壤中的释放能力随着pH值下降而增加,影响镉在土壤中的浓度。镉的生物毒性与pH密切相关,存在一定空间相关性。土壤酸化会加速镉在土壤中的可移动性,影响深层土壤。镉对pH值变化极为敏感,短期的土壤酸化会降低土壤有机质的含量,降低土壤对重金属的吸附能力。当pH<6时,会增大土壤对镉的释放能力,促进镉在土壤中的迁移能力。当pH≤5时,H与土壤有机质中的络合点位有较大的亲合力,促进重金属离子与土壤有机质形成稳定的重金属有机螯合物,降低重金属在土壤中的生物有效性;当pH≥4时,土壤有机质会活化镉离子,促进镉离子在土壤中的迁移。一般情况下,有机重金属螯合物的稳定性也随pH值的增加而增加。在今后添加土壤有机质时,可通过调节土壤的pH值大小来调控土壤对镉离子的吸附能力,影响土壤有机金属络合物的形成,调节重金属在土壤中的行为。
土壤粘粒质量分数
土壤自身性质如粘粒质量分数会影响土壤对镉离子的吸附,土壤粘粒质量分数越高,粘粒矿化组分越大,土壤对镉的吸附速率越低,相关研究表明,不同类型土壤对Cd2+的吸附能力大小为:黑龙江黑土>蒙古灌溉土>湖北新洲潮土>湖北咸宁红壤。
根际微生物
根系是微生物生长旺盛的区域,也是植物体直接接触土壤和吸收土壤重金属的主要器官,植物通过与植物共生的微生物自身代谢活动或分泌物来溶解或转化活性较低的赋存形态Cd,提高Cd在土壤中的生物有效性,促进根系对Cd的吸收、积累和转运。这是因为土壤微生物能通过分泌有机酸,降低土壤pH,与土壤重金属络合或螯合作用,能被植物吸收、转运,达到转移修复土壤镉污染的效果。
有机物粒径及含量
有机物粒径大小、含量会影响土壤对镉的富集程度。有机物粒径越小,对镉离子的富集程度就越大。探究有机质不同粒径对重金属富集程度表明,粒径较小的有机物对重金属的富集效果高于粒径较大的有机物,对镉富集系数分别为1.4~3.2、2.7~7.8。土壤有机物中有机质含量高低会影响对重金属在土壤中的赋存形态,有机结合态镉是可溶态镉的主要成分,有机质能产生很多有机结合位点与镉结合。有机物中有机质含量与有机结合态镉存在正相关关系,与碳酸盐结合态镉存在负相关关系,当有机物含量减少时,会促进水溶态镉含量的增加。
土壤有机质的溶解性
由于土壤有机质对重金属的作用方式极为复杂,可通过物化分组、生物稳定性等方式分组,本文主要探讨以土壤有机质极性类型将土壤有机质分为疏水有机质和可溶解有机质两部分。土壤有机质溶解会促进有机重金属螯合物的产生。水溶性有机质是有机质最活跃组分,有中性水溶、酸溶、碱溶有机质,可通过动植物残体、排泄物等提取出来,备受环境科学及土壤科学家关注。溶解性有机质主要通过增加土壤有机碳,促进镉在土壤中的可迁移性],增加水溶性镉。如藤菜对镉的吸收量会随水溶性有机质体积、含量的增加而增加,提高镉的活性。在稻秆和底泥中水溶性有机质对镉吸附-解析作用研究中得出,稻秆和底泥中的水溶性有机质会降低土壤对镉的最大吸附量和吸附效率,降低范围为17.3%~93.9%,这与Wong等探究污泥溶解性有机质对镉的吸附量影响效果基本一致。生物残体、排泄物的腐殖化程度高,对镉的吸附能力较强。马羊粪、家粪中的可溶性有机质在低剂量的情况下会降低镉对地下水的危害,降低镉浸出风险。在紫色土和黄壤土分别添加由稻草、猪粪提取的水溶性有机质试验中发现,在紫色土、黄壤中,稻草水溶性有机质明显地抑制了镉的吸附;而猪粪水溶性有机质对镉的吸附有促进作用。
3土壤有机质工程性应用存在的问题
不同来源的有机质对镉的吸附行为影响各不相同,一是可溶性或颗粒性有机质会增强镉在土壤中的活性,降低土壤对镉吸附,促进镉在土壤中的生物有效性,具有一定的活化效应;另一种现象是有机质本身含有或可分解产生胡敏酸和胡敏素,通过络合反应与镉离子生成稳定络合物,将镉固定在土壤中,降低镉在土壤中的生物有效性,达到钝化效果。大多数镉污染土壤类型为复合重金属污染,往往会添加生石灰等碱性物质或者含磷物质来钝化修复复合重金属污染土壤,当该以镉为主的重金属污染土壤含有机质较时,就要考虑生石灰等碱性物质的用量,这是因为添加石灰石等碱性物质后,会导致土壤溶液中可溶性有机碳含量升高,增大可溶性的重金属有机质络合物,促进镉在土壤中的淋溶作用;复合使用含磷材料时应当注意土壤pH值情况,当pH<4时,土壤有机质含量较高会严重阻碍氯磷铅石的形成,这是因为土壤有机质会富集在氯磷铅石种晶的表面,削弱晶体的生长,降低了含磷材料对铅、锌、镉等重金属的修复效果。
土壤有机质是N、P等营养元素向水体迁移的重要载体,是水体藻类、微生物生长的重要生物能源物质。沉积物中的有机质与磷的生物地球化学循环密切相关,土壤对镉的解析量随着磷含量的增加而增加;可溶性有机质作为分散剂能影响水中悬浮物絮凝沉降过程,改变水体颜色和降低水质,根据自身及分解产物以不同途径方式影响土壤对N、P等营养元素的吸附能力,引发湖泊富营养化问题。
4结论
土壤有机质因对镉污染土壤修复影响效果较好而被广泛应用,对镉污染土壤修复作用影响机制主要包括其对土壤理化性质、对镉在土壤中的稳定化过程和生物有效性等方面的影响。在土壤有机质的工程应用过程中要考虑pH、有机物料颗粒粒径、用量、溶解性等影响因子,避免土壤自身对有机质的影响,对地下水富营养化及其它重金属生物有效性的影响,复合使用含碱物质和含磷材料时还要注意土壤有机质含量。土壤有机质对土壤重金属有效性的研究结果仍存在较大的分歧,在今后探究有机质对镉污染土壤作用影响机制可通过配合同位素技术,更系统地了解土壤有机质对镉在土壤-植物系统的变化规律和影响机制,为提高镉污染土壤修复效率等方面研究提供新的指导和方向。
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