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堆肥溶解性有机质组成与重金属变化研究

时间:2024-09-03

佟影影,武修远,高 越,曹 森,黄界颍,徐启荣

(安徽农业大学 资源与环境学院,安徽 合肥 230036)

溶解性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM)指能够用水、酸从土壤和有机肥中提取的有机质,是环境中重要的物质之一[1]。DOM含有能与重金属发生反应的基团,从而影响重金属含量及存在形态。

堆肥溶液是微生物进行活动的主要场所,在堆肥过程中产生大量水溶性有机物(DOM),DOM作为堆体内微生物繁殖生长过程中唯一可供吸收利用的成分,与堆肥固相物质相比,更能直接反映堆肥性质及组成的变化,因此经常用来研究堆肥转化过程中的变化规律[2]。

DOM的组成较为复杂,含有多种化学性质不同的有机化合物,在堆肥过程中发生一系列变化。唐朱睿等[3]研究发现堆肥DOM的性质十分复杂,含有多种复杂的大分子物质。堆肥溶解性有机质的研究结果发现:堆肥过程中类腐殖质物质转化为腐殖质物质,蛋白类物质分解成其他物质含量降低,在物质总体所占比例中腐殖质的含量较高[4-5]。庞妍等[6]研究了畜禽粪肥中 Cr、Cu、Pb、Zn 等的重金属含量,以评估由畜禽粪便造成的土壤重金属累积影响。本文通过将DOM分组的方法,研究DOM及组分在堆肥过程中物质含量及重金属含量变化,以期为堆肥后的土地利用提供技术支撑。

1 实验材料

将采集的新鲜牛粪和鸡粪放置通风阴凉处至含水率60%,通过室内模拟堆肥的方法在堆肥开始后0 d、7 d、24 d、44 d、和70 d ,翻堆搅拌均匀后,按五采样法采样,堆肥样品置于冰箱存放待分析测定,畜禽粪便的基本性质如表1所示。

表1 畜禽粪便的基本性质

DOM的提取:取处理后的堆肥样品按固液比1∶10(质量浓度),加入超纯水,室温下500 r·min-1水平震荡5 h,悬浊液于3 000 r·min-1下离心30 min,将上清液过0.45 μm纤维滤膜,滤液中的有机质即为DOM。

DOM的分组方法:将Leeheer[7]的分组方法进行修改,保留亲水性这个组分,利用XAD-8树脂将DOM分成疏水酸性组分HOA、疏水碱性组分HOB、疏水中性组分HON、酸不溶组分AIM及亲水性组分HIM。

2 实验方法

总有机碳的测定:将提取的DOM及分离各组分(HOA、HOB、HON、AIM、HIM)TOC采用德国Multi N/C 3100 TOC分析仪进行测定。

重金属标准贮备液的配置:分别配置0 mol/L、1 mol/L、2 mol/L、3 mol/L、4 mol/L、5 mol/L的Zn标准液,同时配置0 mol/L、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L的Cu、Fe、Cd、As贮备液,待用。重金属的检测:采用ICP-MS测定堆肥DOM及各组分重金属含量。

3 结果讨论

3.1 两种堆肥DOM及各组分含量变化

两种堆肥DOM及其组分变化如图1-图2所示。由图1可知,在牛粪堆肥刚开始,HOA组分略有增加,至70 d结束后DOM及HOA组分均有所上升,且HOA组分在DOM分组总量中的含量高于其他组分的含量。因此在DOM组分中HOA组分的含量是最高的。其他组分HOB、HON、AIM和HIM在经过70 d的堆肥后含量都有所减少,所占含量较低。由图2可知,在鸡粪堆肥样品中,DOM所占比重最大且高于牛粪DOM,经过70 d的堆肥后含量略微减少,这说明鸡粪DOM与牛粪DOM在性质和官能团数量方面有所不同。组分HOB、HON在70 d的堆肥之后均有所上升,HON、AIM和HIM组分含量在整个堆肥过程中含量变化较小。

图1 牛粪堆肥前后DOM各组分含量占比

图2 鸡粪堆肥前后DOM各组分含量占比

3.2 牛粪堆肥DOM及各组分重金属含量变化

环境中重金属污染问题越来越严重,若过量重金属被吸入人体,则会使人患上一些疾病。这些重金属元素大都通过食物进入人体,追溯其来源发现,人们所食用的肉类以及蔬菜是主要原因。

对牛粪堆肥DOM及组分重金属Cu、Fe、As、Cd、Zn含量进行了检测,其各组分含量变化如表2所示。从表2可以看出,堆肥结束后牛粪DOM及组分中Cu、Fe、Zn含量均有所提高,As含量较平稳,Cd浓度最低。Cu在牛粪堆肥DOM及HOB、AIM及HIM组分中出现富集,在DOM、HOB中,Cu浓度依次从堆肥前的0.007 mg/kg和0.001 mg/kg增加至堆肥结束时的0.112 mg/kg和0.027 mg/kg。在AIM、HIM中,Cu浓度依次从堆肥前的0.005 mg/kg和0.004 mg/kg增加至堆肥结束时的0.023 mg/kg和0.114 mg/kg。Singh利用水葫芦堆肥时也发现,Cu浓度增加了5%。Fe在HOA、HON、AIM中出现累积,在DOM、HOB及HIM组分中浓度下降。Zn是一种比较常见的重金属元素,在牛粪堆肥DOM及各组分中,Zn比其他几种重金属的含量都大,浓度最高。其中DOM、HOA和HOB组分在堆肥过程中浓度都有所上升。理论上来说,同一堆体中重金属浓度增减的差异应该相同,但由于堆肥的进行导致DOM发生分解使不同重金属浓度发生变化。Cu、Zn在牛粪DOM中浓度增加,Fe含量降低。

表2 牛粪堆肥DOM及各组分含量变化

3.3 鸡粪堆肥DOM及各组分重金属含量变化

鸡粪堆肥DOM及组分重金属的含量变化与牛粪堆肥在不同堆肥时期表现不同,导致二者重金属含量差异的原因可能与堆肥材料的理化性质变化有关,同时也会受到堆肥过程中pH变化、周围环境温度等影响。鸡粪堆肥DOM及组分的重金属含量变化具体如表3所示。

表3 鸡粪堆肥DOM及各组分含量变化

从表3可以看出,鸡粪堆肥DOM以及所有组分中Cu的变化异于牛粪堆肥,其Cu的含量在所有组分及DOM的浓度在70 d的堆肥过程中比较稳定,没有出现富集效应;Fe的含量在DOM与HOB、AIM、HIM组分中经70 d的堆肥后浓度上升,DOM从堆肥初期的0.047 mg/kg的增加到0.133 mg/kg,HOA、HON组分在整个堆肥过程中Fe含量变化较小。Zn在所有组分及DOM中的含量比牛粪堆肥小。DOM、HOB与HON、HIM中Zn的含量在堆肥结束时均增加,HOA组分Zn浓度明显下降,AIM组分Zn含量在整个过程中基本保持不变。

4 结 语

(1)经过70 d的堆肥后,两种堆肥DOM的含量有所增加,堆肥DOM中疏水性物质(HOA、HOB、HON)相对含量增加,而亲水性物质的相对含量下降,即DOM的疏水性增强。随着堆肥进行,在两种堆肥中,疏水酸性组分HOA的含量(质量分数)先降低后增加,至堆肥结束时HOA的含量最高。

(2)在堆肥腐熟过程中,牛粪、鸡粪堆肥DOM及各组分重金属含量变化情况各不相同。整体而言,Zn在3种堆肥DOM及HOA、HOB、HON、AIM等组分的含量最高,Cu、Fe含量居中,三者含量随堆肥时间变化而变化,而As、Cd的含量最低,且As、Cd的含量在堆肥过程中几乎无明显变化。

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