养猪粪污土地利用中土壤重金属累积迁移转化规律研究

发布时间：2020-05-21 07:25

【摘要】：规模化猪场的发展产生了大量的粪便、污水等猪场粪污,而污水肥料化利用模式——将养殖污水经过适当处理后,在农田需肥或灌溉期间进行水肥一体化土地利用的方式是养猪粪污的主要处理模式之一。已处理达标的猪场废水也属粪污范畴,将其作为灌溉的替代性水源,已经成为缓解农业水资源短缺的重要途径。早期的猪场粪污大都处理不当,在土地利用历史较长的土壤中或许已存在重金属污染。而运用已处理达标的养猪废水也可能给土壤带来重金属污染风险,这种风险在一定程度上限制了养猪废水的农用。吸附是养猪废水中重金属进入土壤后发生的主要物化行为,大多数重金属会被土壤吸附而累积在土壤中。然而废水土地利用使土壤环境错综复杂,重金属在土壤中的累积迁移转化可能受吸附、淋溶带来的水动力等综合作用的影响。而重金属在土壤中的累积迁移转化过程与养猪废水以及土壤性质息息相关。本研究依托重庆市某种猪场,调查研究了实际猪场粪污灌溉区土壤重金属的污染现状,科学地评价了养猪粪污土地利用对土壤重金属的污染风险。同时,选取猪场粪污灌区主要存在的黄棕壤、水田土以及西南地区农耕面积最广泛的紫色土为研究对象,通过序批式吸附—解吸试验,探讨了土壤对重金属的吸附、解吸等特征及影响因素,并利用土柱模拟试验研究了已处理达标的养猪废水淋溶模式下,重金属在土壤中迁移转化规律及其作用机制,以动静结合的方式全面了解重金属在不同土壤中的环境行为,为猪场废水的农业生态可持续发展奠定理论基础。本文得到了以下主要结论:(1)采集了猪场粪污灌区不同土地利用类型的表层(0~20cm)土壤样品,测定了土壤的pH以及Cu、Zn、Cd、Pb的全量,并用BCR连续提取法测定了重金属的分形态含量,运用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法、地累积指数法对土壤重金属进行污染评价,并评价了土壤重金属的生物有效性和潜在生态风险。结果表明:猪场灌区土壤呈弱碱性,Cu、Zn、Cd、Pb的平均含量分别为30.80 mg/kg、91.33 mg/kg、0.55 mg/kg、29.34 mg/kg,四种重金属的含量均超过了土壤区域背景值,但不超过土壤环境质量二级标准。变异系数Cd(1.06)Cu(0.31)Zn(0.23)Pb(0.14)。土壤中Cu、Zn、Pb主要以残渣态存在,Cd主要以可还原态存在。养猪场周边个别采样点存在中度Cd污染,但几乎不存在Cu、Zn、Pb污染。土壤重金属生物有效性由大到小为CdZnPbCu。研究区重金属的综合潜在生态风险属轻微级,且Cd的贡献率最高。(2)探索了土壤对重金属的吸附作用机制,针对性地为预防和治理土壤重金属污染提供理论依据,采用批试验研究了黄棕壤、水田土、紫色土对Cu、Zn、Cd、Pb的吸附动力学过程、等温吸附过程以及土壤有机质、溶液pH对吸附过程的影响。研究结果表明:土壤吸附四种重金属离子均能在12h内达到平衡,土壤对Cu、Pb平衡吸附量远大于Zn、Cd,且准二级动力学模型最适合表征其动力学过程(R~2≥0.99)。吸附等温线可用Langmuir和Freundlich方程拟合,土壤对四种金属均有较大的吸附容量,但土壤对Cu、Pb的吸附能力和缓冲能力较Zn、Cd更大,吸附是自发进行的物理化学作用并存的过程。Cu和Cd在黄棕壤、水田土、紫色土中的吸附,Zn在黄棕壤和水田土中的吸附,Pb在紫色土中的吸附均为吸热反应。Zn在紫色土中、Pb在黄棕壤和水田土中的吸附为放热反应。去除有机质的土壤对重金属的吸附量降低,土壤对金属离子的吸附量随溶液初始pH的增加而增加。(3)采用土柱模拟试验研究了已处理达标的养猪废水淋溶模式下,重金属在土壤中的累积迁移和形态转化特征。结果表明:养猪废水可改善土壤pH,淋溶后土壤pH介于废水和土壤本底酸碱度之间。养猪废水淋溶增加了土壤的有机质含量。已处理达标的养猪废水淋溶不会造成土壤中Cu、Zn、Cd、Pb的累积。但水中若含有高浓度重金属,Cu主要积累在0~35cm,Zn、Cd、Pb主要积累在0~45cm,重金属在三种土壤中的累积比例从小到大依次为CdZnCuPb。尽管土壤对重金属的理论吸附能力和吸附量大,但淋溶作用下,重金属的迁移能力增强。养猪废水淋溶时,土壤中Cu、Zn、Cd主要以残渣态存在,Pb在淋溶量增大时,主要形态残渣态会转化为可氧化态和可还原态。人工污水淋溶时,Cu和Zn在三种土壤中主要以残渣态存在;Cd在黄棕壤中主要以可氧化态,在水田土和紫色土中主要以残渣态存在;低淋溶量,Pb主要以残渣态存在,淋溶量的增加使黄棕壤和紫色土中残渣态Pb显著下降,在水田土中比例增大。养猪废水短期灌溉使浅层地下水中受重金属污染的风险较小。
【图文】：

养猪场

图 2.1 养猪场周边地形情况Fig. 2.1 The terrain surrounding the pig farm2.3 材料与方法2.3.1 土壤样品的采集与处理土壤样品于 2017 年 3 月采集，采样点均以猪场粪污为主要肥料来源，遍及猪场内及周边的灌溉区。根据代表性、随机性和典型性的原则，本次研究共设置 16个典型的采样点，分别编号为 S1~S16。根据具体情况，各采样点所用采样方法不尽相同，如对污灌水田采用对角线法，对种植面积小、土壤均匀的地块采用梅花点法，，对面积中等、土壤质地不均匀的地块采用棋盘式法，对地势不平坦的坡地采用蛇形法，采集 3~5 个点的表层（0~20cm）土壤混合为一个代表样。现场混合土壤样品，以四分法取约 1kg 装入聚乙烯自封袋后带回实验室，剔除沙砾、植物残体等，风干，磨碎，过 18 目（1mm）和 100 目（0.149mm）尼龙筛后，于聚乙烯袋中密封保存，备用。2.3.2 样品分析指标与方法

紫色土,黄棕壤,水田,表观

重庆大学硕士学位论文猪场附近，采样区的具体概况详见 2.2 部分。紫色土某一蔬菜种植地。其中黄棕壤和紫色土根据采样地地式进行土壤样品采集，水田土采用对角线法采集。采匀后经四分法取足量带回实验室。风干、去杂、磨，备用。三种土壤的表观颜色如图 3.1 所示。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53;X713

【参考文献】