土壤薄层色谱法研究土壤理化性质对镉迁移率的影响
阿尔乌德号1*M. H. EL-Saeid1和M.E.纳迪姆1
1沙特国王大学土壤科学系，沙特阿拉伯王国利雅得11451
http://dx.doi.org/10.12944/CWE.9.3.02
重金属污染对环境的威胁是一个大问题。预测土壤中镉等重金属的运动是一个重要的目标。本研究采用薄层色谱法研究了土壤理化性质对镉迁移率的影响。本研究中使用的土壤有机质(2.1-29 g/kg)、pH值(4.9-8.8)、CEC (4.1-99 cmol/kg)、碱饱和度、铁和铝氧化物对镉迁移率的影响范围很广。土壤薄层色谱法测得的(Rf)值在0.25 ~ 0.95之间，表明Cd在64%的土壤中为微流动性，29%的土壤为中等流动性，7%的土壤为极流动性。Rf表明，随着氧化铁组分的增加，Cd迁移率降低;淤泥%和可交换镁２＋在土壤中。Rcd值随着氧化铁组分(Feo、Fep和Fed)的增加而增加;淤泥%和可交换镁２＋在土壤中。最后，Rcd和Rf因子均表明，在含沙率高的土壤中，Cd的迁移率更高。
镉;流动性;土壤;薄层色谱;重金属
复制下面引用这篇文章:
王晓明，王晓明，王晓明，等。土壤理化性质对土壤镉迁移率的影响。当代世界环境，2014;9 (3). DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.9.3.02
复制以下内容引用此URL:
王晓明，王晓明，王晓明，等。土壤理化性质对土壤镉迁移率的影响。当代世界环境，2014;9(3)。可以从://www.a-i-l-s-a.com/?p=7838
研究
重金属污染是一个令人担忧的问题，因为工业活动和化肥、农药、杀菌剂和除草剂的使用等多种因素在环境中释放了金属，而农业土壤中也释放了金属(Roth等，2012)。镉(Cd)是最具流动性和生物可利用性的重金属之一，其生态毒性受到高度关注。这已在显示镉污染对土壤、地下水、生态系统和农业影响的各种研究中得到证实(Moradi等人，2005年;Keller et al.， 2002;Van der Grift and griffien,2008)。Cd对土壤相的吸附主要取决于pH、土壤有机质和粘土含量等土壤性质(Streck and Richter, 1997;Deurer and Bottcher, 2007)。Cd在固相和土壤溶液之间的分离影响着Cd的吸附和解吸过程，进而影响Cd在环境中的毒性、流动性、生物利用度和反应性。
土壤成分和金属氢氧化物被认为参与了土壤中Cd的吸附和解吸(Krishnamurti和Naidu, 2003;Calace et al.， 2009)。确定了控制土壤和溶质间镉分布的几个重要因素。竞争阳离子(如Ca或其他重金属)的浓度、pH和有机物含量显著影响Cd吸附平衡(Vega, et. al.，2010)。通过准确预测有害污染物的运动和循环，将土壤和地下水污染的威胁降至最低是最终目标。有人认为，土壤是大多数固体和液体废物的最终容器(Shaheen, 2009)。
在研究了包括Cd在内的一些微量元素在11种土壤中的迁移后，据报道，土壤质地、表面积、氧化铁百分比和pH值为估算元素的迁移提供了最有用的信息(Seguraet al.， 2006)。据报道，当pH值低于6时，Cd的迁移率比pH值高时增加。此外，他们还补充说，由于天然壤土中碳酸盐和磷酸盐的沉淀，重金属的有效性在天然壤土中低于砂质酸性土壤(Scokat etal .， 1983)。
金属可能以不同的形式出现在土壤溶液中，每种形式都具有不同的流动性和毒性。在酸性土壤中，Cd的水解种类不构成总Cd (Lindsay, 1979)。对瑞典南部森林土壤中金属的化学性质所做的研究表明，土壤溶液pH值与总镉之间有很强的相关性(Berggren,1992年)。镉在pH值为4.6至6.6的土壤中具有相当的流动性，在pH值为6.7至7.8的土壤中具有中等的流动性(Fuller, 1977)。用土壤薄层色谱法研究了Cd在各种天然土壤中的迁移率，发现镉与显影剂Rf的迁移距离之比在0.14 ~ 1.0之间，平均值为0.64。结论是，在研究的土壤中，27%的土壤镉具有轻微的流动性，14%的土壤镉具有中等流动性，41%的土壤镉具有流动性，18%的土壤镉具有高度流动性(Sanchez-Cmazano et al.， 1993)。pH值、可交换碱的总和、可交换钙和镁、CEC和粘土含量对镉在土壤中的迁移性有显著影响(Sanchez-Cmazano et al.， 1993)。据报道，复杂的微量金属(Cd和Zn)与土壤组分相互作用的结果表明，壤土比沙土具有更高的积累能力，尽管它们具有相似的CEC (Scokart etal .， 1983)。城市污泥和工业残留物等富含有机物的废物的加入可以为土壤提供足够的有机物质，以结合其他有毒重金属，如Cd, Zn和Pb。有人认为，污水处理场下面的重金属可以作为可溶性金属-有机络合物通过土壤柱向下移动(mccarthy和Perdue, 1991, Harrison等，1999)。
据观察，土地利用废水或污泥中的金属结合有机物质可能影响有毒金属的命运。在可溶性有机配体乙酸铵(Ac)、草酸(Ox)、三乙酸硝基(NTA)和EDTA存在的情况下，镉在土壤金属结合位点与添加的可溶性有机材料之间的金属离子竞争，从而对镉的吸附进行了改进。此外，当配体与金属-土壤(如Ox-Cd)的结合较弱时，吸附不受影响。然而，对于能够强结合Cd (NTA和EDTA)的配体，由于形成非吸附复合物而减少了吸附(Elliott和Denney 1982)。因此，有人建议避免使用含有螯合剂的废水进行灌溉(Kirkham, 1977)。对于酸性溶液和弱络合配体，有机配体对土壤环境中金属迁移的重要性应该是最小的。(Elliott and Denney, 1982)。已经有许多研究涉及对土壤特性对Cd吸收和迁移性的集体调查，各种回归技术已经实施，以研究哪些特性最能描述土壤Cd吸收过程的影响(Shaheen, 2009, Vega等，2010和Cerqueira等，2011)。
本研究的目的是利用土壤薄层色谱(TLC)研究不同土壤特性对Cd迁移率的影响，解释与Cd吸附过程相关的土壤不同组分之间的关系，并可能了解这些土壤特性在Cd吸附过程中的综合作用。
材料与方法
去除胶结剂，用焦磷酸钠分散后，用移液管法测定粒径分布。采用位移法测定阳离子交换容量(CEC)，以NaOAc为指标阳离子，pH为8.2进行缓冲。此外,NH4OAc可萃取碱，即Ca, Mg, K和Na，采用IL Video12原子吸收分光光度计和火焰发射分析进行测量。所研究土壤的可提取铁和铝含量是根据Blakemore等人(1987年)测定的。结晶性差的铁o和艾尔o利用酸性草酸铵在黑暗中提取含铁和含铝矿物。铁的总氧化物、氢氧化物和氧氢氧化物和Al (Fe)d和艾尔d)，采用二硫代盐-柠檬酸盐-碳酸氢盐(DCB)缓冲液提取土壤。用焦磷酸钠萃取有机结合的铁、铝、铁p和艾尔p)。无机铁的浓度差结晶部分，Fep- - - - - -菲p,是根据低结晶氧化物和有机结合氧化物之间的差异计算出来的(Evans和Wilson, 1985)。土壤pH值在1:1的水与土壤悬浮液中通过使用组合pH电极电位测量。
土板的准备
采用土壤薄层色谱法研究了土壤中镉的迁移率。土样在砂浆中研磨，通过160 μm尼龙筛网筛分，得到粒径小且接近均匀的样品。然后制备固液比1:2 (7.5 g土壤和15ml蒸馏水)的土水浆料。然后在普通薄层色谱涂布器的帮助下，在每个20 x 5 cm的板上涂上0.5 mm厚度的土壤水浆。选取土壤厚度分布均匀的板材，在室温、相对湿度为70%的干燥室内进行风干。
土壤TLC程序
在离底座不同距离(3 cm和13 cm)的地方用两条水平线做标记，所有的板都使用10 cm的标准显影距离。取5 μl硝酸镉溶液(Cd (NO)3.）20.1 M)，用微移液器一次性涂抹在三张TLC板的基线上。液滴被放置在距离盘子底部3厘米的地方。
然后用以蒸馏水为溶剂的上升色谱池对负载板进行显影。根据土壤样品的质地，开发时间为1-3小时。然后，从基线水洗13厘米，并在室温下晾干。在CCl中喷洒0.05%双硫腙4以Cd-双硫腙的橙色斑点检测Cd。
镉迁移率目测为正面Rf (cm)值(迁移率)，关系式如下:
其中Fm为金属移动的正面距离，Fd为显影液移动的正面距离。
|
表1:土壤性质 |
|
表2:土壤性质 |
结果与讨论
土壤特性
本研究中所研究的14种土壤的特征参数如表1和表2所示。土壤的粒度分布和质地从砂土到粉质粘土不等。
它们的pH值范围从强酸性(pH值为4.9)到强碱性(pH值为8.8)，CEC范围从非常低的4.1 cmol/kg到非常高的99.0 cmol/kg。
流动性与土壤性质的关系
表3显示了镉迁移率Rf值，这是从不同土壤的色谱仪中获得的，这被认为是薄层色谱(TLC)中迁移率的度量。额
使用下列关系估计Rf值
F米正面距离是由金属和Fd是由开发人员解决方案移动的。
所得Rf值在0.25 ~ 0.95 (cm)之间。结果表明，这些土壤中的镉迁移率变化很大。由于土壤TLC技术最近才开始用于估计土壤中镉等金属的迁移率，而且在这一领域缺乏足够的公开数据，因此除了Helling和Turner(1968)提出的土壤中农药迁移率分类外，没有根据Rf的迁移率分类。根据Hellingand Turner(1968)的研究，镉在土壤中的迁移分类见表4。根据这一分类，在调查的土壤中，镉的流动性为64%，中度流动性为29%，非常流动性为7%。在含砂率高的土壤(土壤16)中，镉移动的距离最大(图1)，在含粉土和/或粘土比例高的土壤(土壤1)中，镉移动的距离最小。一般来说，含砂率高的土壤(土壤10、12和15)属于中等移动类型。
|
图1:移动距离(cm) |
Rf值与沙粒率在0.05概率水平上呈显著相关。粉土%、粘土%、交换性土壤(Ca、K)含量与Rf值呈显著负相关(p < 0.05)。其他土壤性质包括pH、CEC和有机碳含量，均不显著(p < 0.05)。
土壤中镉迁移率的变异主要由砂(r = 0.63)引起，其次是粉土%;(r = -0.59);交换态Ca(r = -0.55);粘土% (r = -0.55)和可交换K (r = -0.49)。与其他土壤相比，粘土和粉土比例相对较高的土壤测得的Rf值通常低于0.35。粘土和粉土百分比均与实测Rf值呈显著相关。Rf> 0.35的土壤或在镉运动方面被归类为中等流动性的土壤，要么具有较高的砂%(土壤12和15)，要么具有较低的pH值(土壤19)。只有一种土壤，土壤16，在镉运动方面被归类为非常流动，沙子含量最高(94%)，粘土含量最低(1%)。土壤的Rf值被绘制为土壤中含沙百分比的函数，如图2所示。图中显示，含沙百分比越高，土壤中Cd的迁移率越高。二价阳离子Ca２＋，与Rf呈负相关(p < 0.05)，这可能是Cd之间竞争的结果２＋可交换钙２＋对于吸收点。McBride等人(1981)发现，土壤的镉保留能力在很大程度上取决于交换性钙２＋土壤含量。结果表明，镉与可交换阳离子的竞争程度由Al < Ca < K < Na依次递减。本研究还发现，Cd与这些阳离子的竞争以Ca < K < Na < Mg的顺序递减，这与Rf的相关系数随土壤中这些元素含量的变化是一致的(Matos et al.， 2001; Benaissa and Benguella, 2004)。Rf值与土壤pH值的相关性不显著，呈负相关，至少表明土壤pH值的增加会降低土壤中Rf和镉的迁移率。土壤有机碳含量和CEC与Rf呈显著负相关且不显著，说明这些因子对土壤有机碳含量和CEC的影响是显著的
|
图2:针对沙子绘制的Rf值 |
|
表3:流动性的Rf值 |
表4:土壤中的镉含量。
一个类 |
射频 |
流动性 |
土壤没有。 |
土壤(%) |
2 |
0.10点 |
轻微的移动 |
1,2,4,6,11,13,14,17,18 |
64 |
3. |
0.35 - -0.64 |
适度的移动 |
10,12,15,19 |
29 |
4 |
0.65 - -0.89 |
移动 |
0 |
0 |
5 |
0.90 - -1.0 |
移动 |
16 |
7 |
一个根据Helling和Turner(1968)的分类。对镉迁移率的限制比二价阳离子，特别是钙要小得多２＋或粘土和淤泥含量。Rf值与铁、铝的相关性不显著。土壤中氧化铁和铝的含量对镉迁移率的影响不显著。
地下水污染潜力评估
用镉阻滞因子Rcd评价了镉的迁移率。
延迟因子Rcd表示地下水平均线速度(Ï´)与溶解Cd平均线速度(Ï´s)之比。
式中pb为土壤容重，n为土壤孔隙度，kd为Cd吸附的经验分布系数，即Cd固相浓度除以溶解Cd浓度。同样，Rcd值可以由，fw计算，它是化合物在含有固体和水的体积中的水溶液形式，如下所示
其中Ms为所用土壤的质量(0.5 g)， VM为所用溶液的体积(25 ml)。Rcd等于1/fw。kd因子通常以ml/g为单位表示，推导如下:
在固定总镉负荷为12.8 ppm的条件下，通过间歇式吸附实验获得了土壤的Kd值，以计算Cd的延迟因子值。在固定总Cd负荷为12.8 ppm时，土壤的Rcd值在2.9 ~ 33.42之间变化。所研究土壤的Rcd值随pH值的增加而增加，并且不同土壤之间存在差异。为了确定土壤性质对镉运动的影响，采用了镉阻滞因子Rcd与土壤性质的简单相关系数。Rcd值与Feo、Fe0-Fep、淤泥呈极显著相关(p < 0.01);和饲料含量(p< 0.05);Fep和可交换的Mg２＋p < 0.1)。Rcd与沙%呈显著负相关(p < 0.05)。Rcd值随着氧化铁组分(Feo、Fep和Fed)的增加而增加;淤泥%和可交换镁２＋(图3和图4)。
|
图3:FeO(%)与log的关系图 |
|
图4:FeO-FeP(%)与log的关系图 |
土壤中可提取氧化铝组分的数量与实测Rcd呈负相关，但不显著相关。砂含量高的土壤似乎更有利于镉的迁移，而不是滞留或低Rcd值和高Rf值(图2)。Rcd和Rf因子均与沙粒和粉粒百分比呈显著相关(p < 0.05)。Rcd随pH值的增加而迅速增加，铁含量越高，Rcd越高。Rcd随土壤中结晶度较差的无机铁或有机结合铁的增加而增加。
结论
所得的Rf值在0.25 ~ 0.95之间，表明Cd在这些土壤中的迁移率变化很大。调查发现，64%的土壤镉迁移率为轻度迁移，29%为中度迁移，7%为非常迁移。土壤中镉迁移率的变异性主要由砂% (r = 0.63)决定，其次是粉土%;(r = -0.59);交换态Ca(r = -0.55);粘土% (r = -0.55)和可交换K (r = -0.49)。Rcd值随着氧化铁组分(Feo、Fep和Fed)的增加而增加;淤泥%和可交换镁２＋在土壤中。最后，Rcd和Rf因子均表明，在含沙率高的土壤中，Cd的迁移率更高。
鸣谢
本项目由沙特国王大学食品与农业科学学院科研学院研究中心资助。
参考文献
1.罗思，E.， Mancier, V.， Fabre, B.不同粒度土壤对镉的吸附:有机质和温度的影响，土壤学报，189-190,133-143。(2012)。
2.Moradi, A, Abbaspour, k.c.， Afyuni, M.模拟伊朗中部干旱地区污水污泥改良土壤根区以下的田间镉运输。污染水文学报79,187-206(2005)。
3.Keller, A, Abbaspour, k.c.， Schulin, R.农业土壤重金属积累模型的不确定性和风险评估。环境质量学报，31,175-187 .(2002)
4.范德格里夫，B, griffien, J.由于历史冶炼排放重金属的区域地下水污染的建模评估。环境科学学报(自然科学版)，2006,32(1)。
5.李建军，李建军，李建军，等。重金属在沙质土壤中的吸附:1 .吸附的测量和参数化。环境质量学报，49-56 .(1997)。
6.Deurer, M.， Bottcher, J.在一个案例研究中对模型进行评估，以提高Cd吸附的小尺度变异性。植物学报137,269-278。(2007)。
7.Krishnamurti, G.， Naidu, R.土壤中镉的固溶平衡。Geoderma 113, 17-30。(2003)。
8.Calace, N.， Deriu, D.， Petronio, b.m.， Pietroletti, M.研究腐植酸如何影响重金属-土壤相互作用的吸附等温线和突破曲线。环境科学与技术，2004,23(3):444 - 444。(2009)。
9.维加，f.a.，安德拉德，M.L.科维洛，e.f.。土壤性质对镉、铜和铅分别和一起在20个土壤层上的吸附和滞留的影响:线性回归和树木回归分析的比较。环境工程学报，2004,22(4):522-533。(2010)。
10.夏新,S, M。埃及和希腊不同土壤中镉和铅的吸附和稳定性。植物学报，153,61-68 .(2009)。
11.seguura, R.，Arancibia, V.，Zú ~ niga, M. C.， past
12.scott, P. O.， Meeus-Verdinne, K.和De Borger, R.。锌冶炼厂附近污染土壤中重金属的迁移性。水、空气、土壤污染。中文信息学报，20,451-63。(1983)。
13.林赛,柔若土壤中的化学平衡。约翰·威利，纽约。(1979)。
14.南瑞典podools和Cambisols中铝和镉的形态和迁移。环境科学学报，28(2):444 - 444。(1992)。
15.Fuller,诗人选定金属的运动。土壤中的石棉和氰化物:应用于废物处理问题。epa - 600/2 - 77 - 020。固体和危险废物研究辛辛那提，俄亥俄州。(1977)。
16.Sanchez-Camazano。M Sanchez-Martin, M. J. 1993。镉在自然和未开垦土壤中的吸附和迁移。j .包围。结果22:737-742。(1991)
17.李建平，李建平。金属离子与腐殖质络合作用的研究。8 .张建军，张建军，张建军，土壤溶胶与土壤溶液界面的相互作用，土壤学报，第1卷第1期。Kluwer学术出版社，多德雷赫特。(1991)。
18.马立德，李建平，李建平。污水污泥的土地利用:对美国法规的评价。Int。[j] .环境科学与技术，2011(1):1 - 6。(1999)。
19.艾略特，a.h.和丹尼，c.m.土壤对镉从含有有机配体的溶液中的吸附。环境科学学报，11,658-662。(1982)。
20.污泥施肥菊花的元素组成。美国园艺学会学报102:352-354。(1977)。
21.陈建军，陈建军，陈建军，陈建军。土壤性质对铜和镉的个体和竞争吸附和解吸的影响。土壤学报，2004,19(2):20-26。(2011)。
22.布莱克莫尔，s.c.， P.S.塞尔和B.K.戴利。土壤化学分析方法。N.Z.但是，科学。Rp.80。新西兰土壤局，播种赫特，新西兰(1987年)。
23.埃文斯，L. J.和W.G.威尔逊。安大略省灰土和褐土B层可提取铁、铝、硅和碳。可以。土壤学报，35(5):489-496。(1985)。
24.农药流动性:土壤薄层色谱法测定。科学，32(2):562-563。(1968)。
25.马托斯a.t.， M.P.F.丰特斯，L.M.达科斯塔和M.A.马丁内斯。重金属的流动性与巴西土壤的化学和矿物学特征有关。环境污染与防治，21(1):429-435。(2001)。
26.Benaissa, H.和Benguella, B.阴离子和阳离子对甲壳素水溶液中镉吸附动力学的影响:实验研究和模型。环境污染与防治，2003,19(3):557 - 563。(2004)。
