Water incubation-induced fluctuating release of heavy metals in two smelter-contaminated soils

The soil moisture regime can affect the release of heavy metals in soil. In the previous studies, slightly polluted soils or artificially contaminated soil samples were considered to investigate the effect of soil moisture. We used highly smelter-contaminated and aged soils to study the release of typical heavy metals(Cu, Zn, Cd and Pb) induced by water incubation in batch experiments with characterization via speciation and X-ray diffraction analyses(XRD). The results show that the leachable concentrations of the heavy metals increased slightly in the first 30 days, decreased drastically between 30 and 90 days, and immobilized relatively constant thereafter. The fluctuation was ascribed to the changes of soil Eh and pH, the reductive dissolution of crystalline iron oxides, the formation of new amorphous iron oxides, the absorption of dissolved organic matter and the precipitation of metal sulfide. Speciation analysis indicated that a proportion of the soil heavy metals was transformed from an exchangeable fraction to a less labile fraction after water incubation. And the presence of a lead iron oxide phase and the peak increasing of zinc sulfide were observed via XRD analyses. Finally, water incubation restrained the release of heavy metals after 180 days of incubation, and reduced the leachability of Cu, Zn, Cd and Pb by as much as 1.61%–7.21% for soil A and 0.43%–3.36% for soil B, respectively. The study findings have implications for the formulation of risk control and management strategies for heavy metals in smelter-contaminated soils.     

典型肥料生产场地氨氮分布特征及风险控制目标确定

为探究肥料生产场地的NH₃-N（氨氮）分布特征及环境风险,以我国某肥料生产场地为研究对象,在场地调查基础上,对场地土壤和地下水NH₃-N的空间分布进行分析,并以人体健康和场地地下水为保护对象分别讨论了土壤NH₃-N风险控制目标值的计算方法.结果表明:①目标场地土壤中w（NH₃-N）为0.03~15 000 mg/kg,水平方向上高值区集中分布于核心生产区及原辅料堆场,垂向上总体表现为由上至下随深度增加呈先逐步升高后降低的趋势,并且富集于人工填土与原状粉质黏土交界处,粉质黏土阻碍NH₃-N向下迁移,并随地层结构变化其迁移深度不同.②场地上层滞水和潜水中ρ（NH₃-N）分别为19.10~3 320和0.03~219 mg/L,超标率分别为100%和57.89%,并且地下水与土壤的NH₃-N在水平空间分布上具有重叠特征.③因NH₃-N主要通过呼吸吸入挥发性气体产生暴露,并且仅有经呼吸暴露的毒性参数,故采用《污染场地风险评估技术导则》中经呼吸暴露途径的非致癌效应风险控制值计算模型来计算土壤NH₃-N的控制目标,通过代入场地实测土壤K_d（土-水分配系数）,得到居住用地下的土壤NH₃-N控制目标值为9 195 mg/kg;若考虑保护地下水水质安全,据三相或两相平衡模型耦合NH₃-N在包气带衰减和地下水稀释作用,当目标场地地表无积水的入渗条件下得到的控制目标值为6 203 mg/kg;当地层从上至下呈饱和含水条件时,土壤NH₃-N控制目标为811 mg/kg.计算值可用作不同场地进行土壤NH₃-N风险管控的参考目标,实际应用中可结合不同地块环境条件、不同受体和保护目标,选择相应的风险控制值对场地进行风险管控.此外,土壤和地下水的NH₃-N污染控制均可考虑采用工程措施和制度控制来进行.      

施用餐厨垃圾调理剂对果园土壤有机碳组分的影响

为研究施用餐厨垃圾调理剂对土壤有机碳组分的影响,以果园土壤为研究对象,从时间、空间维度解析长期施用餐厨垃圾调理剂对土壤有机碳积累、组成及其分布规律的影响,结合CPMI（碳库管理指数）和相关性分析,揭示施用餐厨垃圾调理剂对土壤碳汇的影响机制.结果表明,施用餐厨垃圾调理剂可显著提高土壤中w（TOC）（TOC为总有机碳）,并随施用时间的增加逐渐向深层土壤迁移,改善TOC分布状况.随着施用餐厨垃圾调理剂时间的增加,0~20 cm土壤层中w（NOC）（NOC为非活性有机碳）和30~40 cm土壤层中w（AOC）（AOC为活性有机碳）呈增加趋势,AOC分配比例低于NOC分配比例.随着施用时间的增长,0~30 cm土壤层中w（POC）（POC为颗粒有机碳）显著提高,最大值为42.94 mg/g,MOC（矿质结合态有机碳）分配比例与POC分配比例呈相反变化趋势,有利于提高土壤碳稳定性.各土壤层中CPMI均大于空白对照组,最大值为154.437,表明施用餐厨垃圾调理剂有利于提升土壤肥力.相关性分析表明,w（POC）与pH呈负相关,与含水率、EC（电导率）、w（OM）（OM为有机质）呈正相关,其中与含水率相关性最高（R=0.91）.可见,长期施用餐厨垃圾调理剂对提高果园土壤碳汇、改善土壤肥力具有重要意义,研究结果有助于进一步提升土壤碳汇的新型土壤调理剂的研发与应用.      

CO2倍增和施氮对水稻不同生长期土壤反硝化细菌丰度的影响

随着全球气候变化的不断加剧,大气CO₂浓度呈明显增加趋势,这将间接影响土壤-植物-微生物系统的氮循环过程.为研究典型水稻土壤反硝化细菌对CO₂浓度升高的响应规律和机制,借助水稻密闭培养箱,运用实时荧光定量聚合酶链式反应（Real-Time qPCR）分子技术,设置不施氮（0 mg/kg）和常规施氮（100 mg/kg）2个处理,研究CO₂倍增对水稻不同生长期土壤关键反硝化功能细菌（narG、nirK和nirS型）丰度的影响.结果表明:①在2种施氮水平,CO₂倍增显著促进了水稻分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期水稻根系生长（增幅为2.96%~28.4%）、地上部生物量增加（增幅为7.1%~107.3%）以及成熟期籽粒干质量的增加（增幅为19.5%和38.0%）,具有显著的增产效应.②反硝化细菌丰度对CO₂倍增的响应与生育期及施氮水平有关,CO₂倍增在2个施氮水平均抑制分蘖期反硝化细菌的繁殖,显著增加孕穗期反硝化细菌数量;在水稻扬花期,CO₂倍增促进了施氮处理narG和nirS型反硝化细菌数量的增加,在成熟期抑制未施氮处理下narG、nirK和nirS型反硝化细菌的生长.另外,narG、nirK、nirS型反硝化细菌丰度整体表现为narG > nirS > nirK,且随水稻的生长,其在成熟期的丰度均呈降低趋势.nirK和nirS基因同属亚硝酸还原酶,但nirS基因丰度高于nirK,且对CO₂倍增和施氮的响应有所差异.研究显示,CO₂倍增可显著增加水稻生长和产量,不同施氮水平对稻田土壤反硝化细菌丰度的影响存在差异.      

LED3A土柱淋洗Pb与Zn污染砂土的效果

为探究不同淋洗方式下螯合型表面活性剂LED3A（N-十二酰基乙二胺三乙酸钠盐）对重金属污染土壤的淋洗效果,采用室内土柱淋洗法研究了LED3A在不同流速条件下对Pb、Zn单一污染砂土的淋洗效果,并通过优化的BCR法分析了淋洗前、后土柱中不同深度处Pb、Zn的形态变化特征.结果表明:LED3A对Pb、Zn单一污染砂土的淋洗规律基本类似,淋出液中ρ（Pb）、ρ（Zn）随淋洗液累积孔隙体积数目的增加呈现急剧增大、达到峰值后逐渐降低的趋势;Pb、Zn的淋洗曲线中均存在不同程度的拖尾现象,且对称性较差;淋出液中ρ（Pb）、ρ（Zn）峰值和Pb、Zn最大累积去除率均随流速的增大而减小.随着淋洗深度和流速的增加,各形态Pb、Zn的去除率均呈现减小的趋势,LED3A对酸可提取态Pb、Zn的去除效果最为显著,去除率均大于50%;对氧化物结合态、有机结合态和残渣态Pb、Zn的去除率大小顺序与淋洗深度和流速有关;对比淋洗前、后土柱中重金属的形态分布可知,最易释放和被生物利用的酸可提取态的占比明显减少,不易或不能被生物利用的氧化物结合态、有机结合态和残渣态的占比明显增加.研究显示,LED3A低流速淋洗不仅能够去除一定量的土壤重金属,同时可有效降低残留重金属对环境的潜在风险.      

喷灌和沟灌方式对农田土壤NH3挥发的影响

研究了2016和2017年传统灌溉（沟灌）和节水灌溉（喷灌）方式氨（NH₃）挥发的季节年际动态变化特征及其影响因素.采用通气法进行原位监测,分析了土壤温度、体积含水量、铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）以及气温降水等因素对NH₃挥发的影响.结果表明,NH₃挥发速率的峰值出现在施用氮肥后1~2周,喷灌有效降低NH₃挥发峰值,喷灌和沟灌的NH₃挥发速率峰值在2016年分别为2.67kg/（hm²·d）和11.11kg/（hm²·d）,2017年分别为2.42kg/（hm²·d）和11.73kg/（hm²·d）;马铃薯生长季NH₃挥发存在明显的季节变化,挥发高峰主要发生在7~8月,追肥期高于基肥期.2016~2017年农田土壤NH₃累积挥发量均表现为喷灌<沟灌,与沟灌相比,喷灌分别减少58.15%和43.55%.NH₃挥发速率与土壤温度呈显著正相关（P<0.05）,与体积含水量、NH₄⁺-N、NO₃^--N浓度呈极显著正相关（P<0.01）.     

基于多源遥感数据的锡尔河中下游农田土壤水分反演

机器学习结合多源遥感数据反演土壤水分含量（SMC）是目前SMC研究的热点,因较少考虑温度、蒸散等重要SMC影响因子,反演结果存在一定的不确定性。利用Sentinel-1影像、MODIS产品和SRTM数据,提取雷达后向散射系数等32个SMC影响因子,经相关分析选择27个显著的SMC影响因子（P<0.05）作为反演因子,并设计三组因子组合。这三组因子组合分别与随机森林、支持向量回归、BP神经网络三种机器学习方法结合,发现基于随机森林结合所有因子的方案,其SMC反演精度最高,该组合均方根误差RMSE为0.039 m³/m³,将该方案被用于反演2017年生长季锡尔河流域中下游平原区农田SMC。结果表明：从上部至下部SMC总体呈逐渐增加的态势,但存在显著时空差异,春季和秋季SMC较高而夏季较低。SMC差异主要由土壤质地、热量条件和地表植被状况差异引起。春季平原区下部农田SMC要高于上部,SMC的主控因子是土壤质地和地表植被状况;在夏季,土壤水分的主控因子是热量条件,农田灌溉弥补了热量条件差异对土壤水分的影响,导致空间上平原上部和下部土壤SMC空间差异不显著;秋季SMC的主控因子植被状况抵消地表温度和土壤质地差异对SMC的影响,使得秋季SMC空间差异不显著。本文采用的研究方法在一定程度上克服了因考虑SMC影响因子不足而获取更高SMC精度的限制。     

基于PMF模型的土壤重金属源解析中变量敏感性研究

为探究应用受体模型对土壤污染物进行源解析,输入变量对模型运行及其结果的影响,以乐安河中上游地区土壤重金属调查数据作为典型受体模型（PMF模型）的输入数据集,并在PMF模型基础方案运行结果的基础上,采用局部敏感性分析法来探讨输入变量变化对模型诊断及源识别结果的影响.结果表明：6因子数情景是研究区土壤重金属源解析PMF模型最佳运行结果;土壤中Cu、Mo、Na₂O、As、Mn和Cd等参数属于敏感变量,这些变量均为每个因子中的主要载荷元素,即每个源的特征污染物;不同变量的敏感性有较大差异,Cu、Mo的总敏感性最大,分别为12.1,8.2,大于其他输入变量的敏感性.因此,在应用PMF模型进行源解析时,特征污染物是敏感性较强的变量,其数据质量的优劣是影响源解析结果可靠性的重要因素.     

典型平原地区生活垃圾焚烧厂周边土壤重金属赋存形态分布特征及生物有效性评价

为考察并掌握典型平原地区生活垃圾焚烧厂周边土壤中重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn的污染现状,以上海市某生活垃圾焚烧厂为例,研究其周边土壤中重金属赋存形态分布特征及生物有效性,采用Tessier连续提取法结合电感耦合等离子体发射光谱检测分析表层土壤中目标重金属总量及形态分布,并利用风险评估编码法（RAC）评价其生态风险水平.结果表明:研究区域土壤中Pb和Zn主要以Fe-Mn氧化物结合态和残渣态为主（>80%）;Cr、Cu和Ni则以残渣态为主（>60%）;Cd虽以残渣态为主（>50%）,但与其他重金属相比,其碳酸盐结合态占比相对较高.生物有效性分析结果显示,Cr、Cu和Ni以惰性态为主,生物有效性低,而潜在可利用态Cd、Pb和Zn占比较高,存在较高的释放风险.土壤中各重金属潜在生态风险水平由高到低依次为Cd > Zn > Pb > Cu > Ni > Cr,其中,Cu、Pb和Zn处于低风险水平,Cr和Ni处于无风险水平,而Cd处于中等风险水平.研究显示,该垃圾焚烧厂周边土壤中重金属已存在不同程度的污染累积,其中,潜在可利用态Cd的占比较高,已达中等风险水平,应引起重视.      

EK∕PRB修复砷污染土壤影响因素及机理

为明确EK/PRB（电动联合渗透反应格栅）修复As污染土壤过程中各因素的影响机理、提高As的去除效率,以As污染高岭土为研究对象,考察PRB加入、PRB位置、pH调控及腐殖酸强化影响下,EK/PRB系统中电流密度、土壤pH分布和土壤中As残余量、电渗透系数及电渗流的变化规律;探讨EK/PRB修复后土壤中As形态的迁移转化规律.结果表明:①单独EK修复对土壤中As的去除效率较低,加入PRB后去除率为由42%增至57%,并且EK/PRB修复可以将土壤中的As由不容易去除的可还原态转变成较容易去除的酸溶态.②采用盐酸调节阴极pH,可以将土壤中As的去除率由57%增至63%,但同时能耗也明显升高,由5.22 kW·h/g升至39.38 kW·h/g.③添加腐殖酸会促进土壤中As的迁移、提高As的去除效率,但也会增加土壤中难处理的可氧化态和残渣态As的占比.研究显示,EK/PRB除As过程中以PRB的去除作用为主,阴极pH调控及腐殖酸强化均可以提高土壤中As的去除率.