孫瑞剛,李連香,宿立明
(1.中國水利水電科學(xué)研究院 水利研究所,北京 100048;2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心,北京 100048;3.山東省棗莊市臺兒莊區(qū)水務(wù)局,山東 棗莊 277400)
土壤中氟的形態(tài)一般可分為水溶態(tài)、可交換態(tài)、鐵錳氧化物態(tài)、有機(jī)束縛態(tài)和殘余固定態(tài)等[1]。其中,土壤中可溶性氟含量過高是導(dǎo)致地下水高氟的主要因素[2-4],長期飲用高氟地下水會導(dǎo)致人體攝入過量氟化物而導(dǎo)致氟中毒[5-6];此外土壤可溶性氟含量與生長植物的氟含量有密切關(guān)系,亦可通過食物鏈進(jìn)入人體[7]。因此準(zhǔn)確測定土壤可溶性氟含量,對于明確高氟水地區(qū)土壤中可溶性氟的分布以及防治地方性氟中毒有重要意義。
土壤可溶性氟含量影響因素較多,主要有土壤pH值[8-9]、有機(jī)質(zhì)、黏粒[10-11]、交換性鈣、空氣氟污染[12]等。因此需根據(jù)各種不同的影響因素選擇適宜的預(yù)處理條件,從而準(zhǔn)確測定土壤可溶性氟含量。適宜的預(yù)處理條件將促進(jìn)土壤可溶性氟浸提完全,反映出土壤可溶性氟含量的潛在威脅。本文以陜西渭南高氟地下水地區(qū)的土壤為例,探討預(yù)處理條件即土壤浸提土液比、土壤浸提時間、溫度和振蕩速度、以及土壤篩分粒徑等參數(shù)對測定結(jié)果的影響,為準(zhǔn)確測定土壤可溶性氟奠定基礎(chǔ),對分析土壤氟污染以及評估周邊區(qū)域氟中毒情況有著重要的實踐意義。
2.1 土壤樣品來源與質(zhì)地由于地質(zhì)因素,渭南北部地區(qū)淺層地下水氟化物超標(biāo),主要涉及縣區(qū)為大荔、合陽、澄城、蒲城以及富平等5個縣。陜西渭南的土壤樣品取自上述縣區(qū),由于淺層地下水埋深較淺,因此取土層均位于地表以下40cm處。為考慮土壤質(zhì)地在測試過程中的影響,本次測試選用的土壤主要有黏土、黏壤土、粉壤土以及砂壤土等4種,上述4種土壤各取一份,并一分為二進(jìn)行重復(fù)測定,消除測試誤差。其中黏土取自大荔縣安仁鎮(zhèn)皇都村;黏壤土取自蒲城縣甜水井鎮(zhèn)宣化村;粉壤土取自澄城縣孝前鎮(zhèn)西習(xí)村;砂壤土取自富平縣流曲鎮(zhèn)大崗村。
2.2 試驗儀器哈東聯(lián)HZQ-F型全溫振蕩培養(yǎng)箱,101型恒溫干燥箱,美國哈希DR890分光光度計,Mo element 1810c摩爾元素型超純水機(jī),上海安亭TGL-10B離心機(jī),賽多利斯startoriusCP225D型精密天平。
2.3 測試方法土壤樣品測試前,自然風(fēng)干。為方便快速測定土壤可溶性氟,本文采用水氟的測定方法即使用美國哈希DR890進(jìn)行浸提液中氟化物含量的測定,采用儀器配套SPADNS試劑進(jìn)行測定,并在測試前增加預(yù)處理措施。
3.1 浸提土液比試驗4種土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后,過1mm篩;設(shè)置土液比1∶5、1∶10、1∶15,將裝有土壤樣品和去離子水的錐形瓶放置在振蕩儀中,25℃,140rpm條件下避光振蕩。振蕩結(jié)束后,取出并先經(jīng)0.45μm過濾紙過濾,然后使用0.22μm過濾膜過濾,過濾完成后,進(jìn)行氟化物含量的測定。試驗結(jié)果如圖1所示。
圖1 浸提土液比試驗結(jié)果
由圖1可見,不同土液比,土壤可溶性氟的測定結(jié)果變化較大。黏壤土、粉壤土、砂壤土在進(jìn)行土壤可溶性氟的測定過程中,土液比1∶10較1∶5時的土壤可溶性氟有較大程度提高,繼續(xù)增加土液比至1∶15,土壤可溶性氟變化范圍則很小。而黏土在浸提時間小于60min情況下,無論浸提土液比為1∶5,還是1∶10以及1∶15,其土壤可溶性氟含量基本一致;隨著浸提時間的繼續(xù)延長,浸提土液比為1∶5與1∶15時的土壤可溶性氟仍然保持較高的一致性,但土液比為1∶10情況下,其土壤可溶性氟最大并保持持續(xù)增長的趨勢。為使得測定結(jié)果更反映實際,并且能反映出土壤可溶性氟含量的潛在威脅,通過對比,選擇土壤浸提土液比為1∶10。
3.2 浸提時間試驗浸提時間對于土壤可溶性氟的測定起著重要的作用,浸提時間是否適宜,將決定土壤可溶性氟是否完全溶出。在上節(jié)試驗的基礎(chǔ)上,土液比為1∶10的條件下,不同浸提時間的土壤可溶性氟含量如圖2所示。
圖2 浸提時間試驗結(jié)果
由圖2可見,浸提時間由20min增加至50min時,土壤可溶性氟含量逐漸增加;隨著浸提時間繼續(xù)增長,黏壤土、粉壤土和砂壤土的土壤可溶性氟含量基本保持不變,而黏土的土壤可溶性氟含量隨著浸提時間的增長繼續(xù)增大,可見黏土在浸提過程中比非黏土的浸提時間長。由試驗結(jié)果可見,針對陜西渭南地區(qū)的黏壤土、粉壤土和砂壤土,浸提時間可選擇50min;針對黏土可溶性氟含量的測定,其浸提時間應(yīng)長于50min。此外,黏土在浸提時間為30min情況下,其土壤可溶性氟較浸提時間為20min時有所降低,分析其主要原因可能是由于測量誤差引起。
3.3 浸提溫度及振蕩速度試驗土壤可溶性氟在測定過程中,浸提溫度和振蕩速度對土壤可溶性氟的溶出有很大影響。浸提土液比為1∶10,浸提時間為50min時,浸提溫度為25℃、35℃、45℃情況下,土壤可溶性氟變化情況如圖3所示。振蕩速度設(shè)置為100rpm、140rpm、180rpm時,測定的土壤可溶性氟變化情況如圖4所示。
圖3 浸提溫度試驗結(jié)果
圖4 振蕩速度試驗結(jié)果
由圖3可見,隨著浸提溫度的提高,黏土可溶性氟含量增加幅度較大,黏壤土和粉壤土略微增加,砂壤土的浸提溫度在25℃到35℃時,土壤可溶性氟緩慢增加,但在45℃的情況下,稍有降低,但差值較小。由于陜西渭南部分地區(qū)是以380巖溶水為飲用水源,其水源水溫較高,在41℃~53℃之間。為與實際情況更接近,并且能夠使得土壤可溶性氟浸提完全,因此土壤可溶性氟的浸提溫度宜選擇45℃。
由圖4可見,振蕩速度由100r/min增加至180r/min時,隨著振蕩速度的提高,測定的土壤可溶性氟含量逐漸增大,其中黏土可溶性氟含量增加幅度較大,主要由于黏土顆粒表層吸附了大量的氟化物,需要在較大的外力作用下,并且較長的浸提時間情況下,才能將氟逐漸釋放出來。為反映出土壤可溶性氟含量的潛在威脅,在測定土壤可溶性氟含量過程中,選擇振蕩速度為180r/min。
3.4 篩分粒徑試驗土壤篩分粒徑作為土壤可溶性氟測定的預(yù)處理參數(shù)之一,將對于簡便測試土壤可溶性氟有較大的貢獻(xiàn)。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后,分別過0.56、1、1.45和2.5mm篩,浸提土液比1∶10,浸提時間50min,浸提溫度45℃,振蕩速度180rpm時,土壤可溶性氟測定結(jié)果的變化情況如圖5。
由圖5可見,黏土隨著篩分粒徑的增加,可溶性氟含量逐漸增加。主要由于黏土對氟的截留能力強(qiáng),黏土顆粒大,其表層攜帶的氟含量高;顆粒越小,其可溶性氟含量越低。而黏壤土、粉壤土、砂壤土等隨著篩分粒徑的增加,其可溶性氟含量沒有較大的變化。因此,在測定土壤可溶性氟過程中,黏土的篩分粒徑盡量要大,而黏壤土、粉壤土、砂壤土等的篩分粒徑可在0.5到2.5mm范圍內(nèi)。
3.5 樣品測試預(yù)處理試驗土壤樣品經(jīng)過浸提后,為提高測試精度以及準(zhǔn)確度,浸提液在測試前需進(jìn)行預(yù)處理,樣品測試前預(yù)處理方法主要有以下2種:第一種方法是先經(jīng)0.45μm過濾紙過濾,然后使用0.22μm過濾膜過濾;第二種方法是使用離心機(jī)離心,轉(zhuǎn)速為8 500r/min,然后使用0.22μm過濾膜過濾;不同的預(yù)處理測試結(jié)果如表1所示。
圖5 篩分粒徑試驗結(jié)果
由表1可見,不同的樣品測試預(yù)處理方式,對土壤可溶性氟的測定有影響,特別是黏土和粉壤土。分析其主要原因可能由于離心過程中,由于轉(zhuǎn)速非常高,土壤黏性顆粒與溶出的氟再次結(jié)合,使得土壤可溶性氟測定結(jié)果偏小。不同的樣品測試預(yù)處理方式,對于黏壤土和砂壤土可溶性氟的測定結(jié)果影響較小。因此,針對黏土和粉壤土測試預(yù)處理建議采用先經(jīng)0.45μm過濾紙過濾,然后使用0.22μm過濾膜過濾;而黏壤土和砂壤土采用上述兩種方式均可。
表1 樣品測試預(yù)處理試驗結(jié)果
試驗結(jié)果表明,浸提土液比、時間、溫度和振蕩速度、以及土壤篩分粒徑等預(yù)處理參數(shù)均對土壤可溶性氟測定結(jié)果產(chǎn)生影響。通過綜合比較,針對陜西渭南地區(qū)土壤可溶性氟的測定方法,土壤質(zhì)地的不同,其測定方法有所差異,針對非黏土(黏壤土、粉壤土、砂壤土)而言,浸提土土水比選擇為1∶10;浸提時間選擇50min為宜,為與實際情況更為接近,浸提溫度選擇45℃,振蕩速度為180r/min,篩分粒徑可在0.5~2.5mm之間選擇,樣品測試前前處理方式宜選擇0.45μm過濾紙以及0.22μm水系過濾頭過濾;其中砂壤土樣品測試前處理方式可采用8 500r/min轉(zhuǎn)速離心,然后使用0.22μm水系過濾頭過濾。針對黏土而言,土水比選擇為1∶10,浸提時間要長于非黏土的浸提時間,浸提溫度選擇45℃,振蕩速度為180r/min,篩分粒徑可選擇2.5mm,樣品測試前前處理方式宜選擇0.45μm過濾紙以及0.22μm水系過濾頭過濾。
通過上述試驗可以看出,不同的土壤,其最佳測試方法不同。因此在實際開展工作時,需深入了解研究區(qū)域的土壤類型、成分以及周邊是否有環(huán)境污染等因素,通過綜合評定后,選擇科學(xué)的、適宜的土壤可溶性氟測定方法。
致謝:感謝楊彭衛(wèi)在試驗過程中的幫助!
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