CN104597107A - 一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，包括以下步骤：选取场地、样点布设、重金属称取、重金属添加及隔挡部件埋放、对照场地及实验场地作物种植、土壤和作物样品采集、样品制备与测定、得到实验数据。有益效果是保证整个实验过程在野外自然条件下进行，具有可控性高、不破坏原有土壤结构和作物根系、实际应用价值高的优势，能够揭示土壤-作物中重金属的分布特征和迁移机理，为解决土壤重金属污染修复问题和粮食安全问题提供数据支撑和理论依据。

Description

一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法
技术领域
本发明涉及一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，属于农业科学与环境科学技术领域，特别是土壤-作物对重金属迁移富集的研究领域。
背景技术
随着我国工业化和城市化的不断发展，矿业开采、工业和生活废水排放、污水灌溉、汽车尾气排放等造成的土壤重金属污染问题日益严重。重金属污染不仅会引起土壤组成、结构和功能的改变，还会抑制作物根系生长和光合作用，致使作物减产甚至绝收。更为严重的是，重金属还可能通过食物链迁移到动物、人类体内，对动物及人类健康构成危害。因此，探寻土壤-作物重金属迁移机理显得尤为重要。
目前，传统的土壤-作物重金属迁移模拟实验方法多以盆栽实验、箱体实验和玻璃柱体实验为主。盆栽实验、箱体实验和玻璃柱体实验虽然可以在一定程度上控制实验组和对照组的实验条件，并且可以通过结合实验室重金属测定方法，比较准确地测出土壤和作物中重金属的含量。但是，这几种传统的土壤-作物重金属迁移模拟实验在取土和移植作物时严重破坏了土壤的原有结构和作物的根系，移植后作物的生长环境与野外自然生长环境差异很大，并且不易根据实验的需要控制实验条件，如污染物扩散源点及范围、重金属添加深度、自然土壤性状和结构保持等，因此并不能很好地模拟野外自然条件下重金属在土壤中迁移和作物中富集的情况，实验得出的结果多数停留在理论层面上，实际应用价值有所欠缺，且玻璃柱体实验使用的玻璃柱体在搬运、实验过程中很容易损坏，造成实验人员划伤，并增加实验操作难度和成本。因此，传统的土壤-作物重金属迁移模拟实验可控性较低，且得出的数据结果实际应用价值不足够，亟需一种易操作的、可控性高的、能够理论与实际相结合的土壤-作物重金属迁移模拟的实验方法。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，模拟重金属在土壤中迁移和在作物中富集的情况。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，包括以下步骤：
A：选取场地：选取至少两块大小及环境相同的野外场地，一块作为对照场地，其他作为实验场地；
B：样点布设：采用野外样点布设方法，在实验场地布设隔挡部件埋放样点；
C：重金属称取：称取重金属化合物装入包裹袋中；
D：重金属添加及隔挡部件埋放：将样点周边的土壤松动，先后将包裹袋和隔挡部件埋放在样点处，在表层土壤实验中，将装有重金属化合物的包裹袋放置于隔挡部件底部；在进行土壤分层实验时，将装有重金属化合物的包裹袋放置在隔挡部件内部，隔挡部件上端口与表层土壤齐平；
E：对照场地及实验场地作物种植：播种季节，进行对照场地作物播种；于实验场地内，在隔挡部件周边播种作物，在每个隔挡部件内播种与隔挡部件外相同的作物；
F：土壤和作物样品采集：在作物生长的不同阶段，根据实验需要采集隔挡部件内的种植作物及不同深度的土壤，同时在对照场地，根据与实验场地相同的野外样点布设方法选取采样点，采集相同数量的作物及所对应的不同深度的土壤；
G：样品制备与测定：将采集到的土壤样品进行风干、研磨、消煮、定容处理，制成土壤测试样品；作物样品进行风干、去壳、粉碎、消煮、定容处理，制成作物测试样品；检测土壤测试样品、作物测试样品中的重金属含量，得到检测数据。
优选的，所述的隔挡部件形状为上下贯通的柱体。
优选的，所述的隔挡部件为有机玻璃柱体。
优选的，所述的包裹袋采用尼龙网袋。
优选的，采用的样点布设方法为蛇形布点法、梅花布点法。
优选的，每100㎡依据梅花布点法布设11个有机玻璃柱体埋放样点，其中1个作为补充样点。
优选的，采用电感耦合等离子体质谱仪器检测土壤测试样品、作物测试样品中的重金属含量，得到检测数据。
优选的，在进行土壤分层实验时，装有重金属化合物的尼龙网袋位于表层土壤向下20-60㎝处。
优选的，所述有机玻璃柱体的口径为20㎝，有机玻璃柱体内播种13-15粒小麦种子或4-6粒黄豆种子。
优选的，所述重金属化合物含有Pb、Cr、Zn、As、Hg、Cd、Cu中的任一种元素。
本发明提供的实验方法，保证整个实验过程在野外自然条件下进行，具有可控性高、不破坏原有土壤结构和作物根系、实际应用价值高的优势。通过该实验方法，可以有效地、较为准确地模拟重金属在土壤中迁移和在作物中富集的情况，从而揭示土壤-作物中重金属的分布特征和迁移机理，为解决土壤重金属污染修复问题和粮食安全问题提供数据支撑和理论依据。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为进行表层土壤实验时，实验装置示意图；
图3为进行土壤分层实验时，实验装置示意图。
图中：1、隔挡部件，2、装有重金属化合物的包裹袋。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
本发明包括以下步骤：
A：选取场地：选取至少两块大小及环境相同的野外场地，一块作为对照场地，其他作为实验场地；
B：样点布设：采用野外样点布设方法，在实验场地布设隔挡部件1埋放样点；
C：重金属称取：称取重金属化合物装入包裹袋中；
D：重金属添加及隔挡部件1埋放：将样点周边的土壤松动，先后将装有重金属化合物的包裹袋2和隔挡部件1埋放在样点处，在表层土壤实验中，为了使实验结果更精确，将装有重金属化合物的包裹袋2放置于隔挡部件1底部中心；在进行土壤分层实验时，将装有重金属化合物的包裹袋2放置在隔挡部件1内部，隔挡部件1上端口与表层土壤齐平；
E：对照场地及实验场地作物种植：播种季节，进行对照场地作物播种；于实验场地内，在隔挡部件1周边播种作物，在每个隔挡部件1内播种与隔挡部件1外相同的作物；
F：土壤和作物样品采集：在作物生长的不同阶段，根据实验需要采集隔挡部件1内的种植作物及不同深度的土壤，同时在对照场地，根据与实验场地相同的野外样点布设方法选取采样点，采集相同数量的作物及所对应的不同深度的土壤；
G：样品制备与测定：将采集到的土壤样品进行风干、研磨、消煮、定容处理，制成土壤测试样品；作物样品进行风干、去壳、粉碎、消煮、定容处理，制成作物测试样品；检测土壤测试样品、作物测试样品中的重金属含量，得到检测数据。
本发明中，隔挡部件1形状最好为上下贯通的柱体，在实验过程中，最好选用有机玻璃柱体，有机玻璃柱体在搬运、埋放过程中不易碎裂，并且可以有效地控制重金属化合物的横向迁移，进而达到实验目的。
所述的包裹袋需要采用包裹重金属化合物后，重金属化合物能够在土壤中自由迁移的材质，本实验中最好采用尼龙网袋，更有利于达到实验目的。
本发明中，采用传统的野外样点布设方法即可，一般说来，可以采用蛇形布点法或梅花布点法，为了增加实验的可靠性，每100m2布设11个有机玻璃柱体埋放样点，其中1个作为补充样点。
本发明采用电感耦合等离子体质谱仪器检测土壤测试样品、作物测试样品中的重金属含量，得到检测数据。
根据实验需要，在进行土壤分层实验时，将装有重金属化合物的尼龙网袋放置在表层土壤向下20-60㎝处。
本发明中，选口径为20㎝的有机玻璃柱体，有机玻璃柱体内播种13-15粒小麦种子或4-6粒黄豆种子。
所述重金属化合物含有Pb、Cr、Zn、As、Hg、Cd、Cu中的任一种元素，这些化合物容易获得，并且这几种重金属在土壤中的存在范围广，研究这几种重金属在土壤-作物中的分布特征和迁移机理可以更有针对性地解决土壤重金属污染修复问题和粮食安全问题。
实施例一：
在进行表层土壤实验时，采用以下步骤：
A：选择三块大小及环境相同的野外场地，分别为一号场地、二号场地和三号场地；一号场地作为对照场地，二号场地作为Zn添加实验场地，三号场地作为Pb添加实验场地；
B：根据梅花布点法在三个场地各选取十个样点，另外，三个场地各增加一个补充样点，即每块场地各布设十一个样点；
C：分别称取11份16.5g的ZnSO4·7H2O，11份8.3g的Pb(CH3COO)2·3H2O，将这些重金属化合物分别装入尼龙网袋中；这一步骤中，称取的重金属含量是根据土壤环境质量二级标准确定的；
D：将样点周边的土壤松动，在二号场地布设的11个样点处埋放有机玻璃玻璃柱体，每个有机玻璃柱体底部中心放置一份装有16.5g的ZnSO4·7H2O的尼龙袋；在三号场地布设的11个样点处埋放有机玻璃玻璃柱体，每个有机玻璃柱体底部中心放置一份装有8.3g的Pb(CH3COO)2·3H2O的尼龙袋；每个场地的有机玻璃柱体上端口与表层土壤齐平；
E：播种季节，在三块场地内播种冬小麦，在每个有机玻璃柱体内播种13-15粒与有机玻璃柱体外相同型号的冬小麦种子；
F：在小麦成熟后，采集三块场地中样点处的小麦以及相应的表层土壤；
G：将采集到的土壤样品进行风干、研磨、消煮、定容处理，制成土壤测试样品；小麦样品进行风干、去壳、粉碎、消煮、定容处理，制成小麦测试样品；采用电感耦合等离子体质谱仪器检测土壤测试样品、小麦测试样品中的重金属含量，得到检测数据如下：
表1对照场地和Pb添加场地表层土壤中Pb含量
表2对照场地和Pb添加场地小麦中Pb含量
表3对照场地和Zn添加场地表层土壤中Zn含量
表4对照场地和Zn添加场地小麦中Zn含量
本实施例中，为了使得实验数据更可靠，选择高度为20cm的有机玻璃柱体，由上述四组数据可以看出，在二、三号场地中添加重金属的表层土壤和小麦中重金属含量均高于对照场地，说明有机玻璃柱体底部添加的重金属在土壤和小麦中有迁移和富集现象。
实施例二：
在进行土壤分层实验时，采用以下步骤：
A：选取两块大小及环境相同的野外场地，分别为一号场地和四号场地，一号场地作为对照场地，四号场地作为Cr添加实验场地；
B：根据梅花布点法在两个场地各选取十个样点，另外，两个场地各增加一个补充样点，即每块场地各布设十一个样点；
C：称取11份30.8g的CrCl3·6H2O，并将这些重金属化合物分别装入尼龙网袋中；这一步骤中，称取的重金属含量是根据土壤环境质量二级标准确定的；
D：将样点周边的土壤松动，在四号场地布设的11个样点处埋放有机玻璃玻璃柱体，每个有机玻璃柱体内部、表层土壤下方20cm处放置一份装有30.8g的CrCl3·6H2O的尼龙网袋；每个场地的有机玻璃柱体上端口与表层土壤齐平；
E：播种季节，在两块场地内播种冬小麦，在每个有机玻璃柱体内播种13-15粒与有机玻璃柱体外相同型号的冬小麦种子；
F：在小麦成熟后，采集两块场地中样点处的小麦及相应的表层土壤；
G：将采集到的土壤样品进行风干、研磨、消煮、定容处理，制成土壤测试样品；小麦样品进行风干、去壳、粉碎、消煮、定容处理，制成小麦测试样品；采用电感耦合等离子体质谱仪器检测土壤测试样品、小麦测试样品中的重金属含量，得到检测数据如下：
表5对照场地和Cr添加场地表层土壤中Cr含量
表6对照场地和Cr添加场地小麦中Cr含量
实施例二中，为了使得实验数据更可靠，选择高度为40cm的有机玻璃柱体，由上述两组数据可以看出，在四号场地中添加重金属的表层土壤和小麦中重金属含量均高于对照场地，说明有机玻璃柱体底部添加的重金属在土壤和小麦中有迁移和富集现象。
在实施例二的土壤分层实验中，只进行了表层土壤样品采集，也可根据实验需要采集不同深度的土壤样品，检测土壤样品中重金属含量，分析检测数据；进行的土壤分层实验，通过对不同深度的土壤中重金属含量的测定，所得实验数据可以用于探索重金属在土壤-作物系统中的分布特征与迁移机理。
本发明中，可以根据实验需要选择不同高度的有机玻璃柱体，在同一实施例中，如实施例一中，为保证实验设计的科学性以及获得实验数据的可靠性，需选用相同高度的有机玻璃柱体；而在实施例二中，为了探索重金属化合物添加在不同土层深度时，重金属在土壤-作物系统中的分布特征与迁移机理，可选择不同高度的有机玻璃柱体，如20-60cm。
本发明提供的实验方法，保证整个实验过程在野外自然条件下进行，具有可控性高、不破坏原有土壤结构和作物根系、实际应用价值高的优势。通过该实验方法，可以有效地、较为准确地模拟重金属在土壤中迁移和在作物中富集的情况，从而进一步揭示土壤-作物中重金属的分布特征和迁移机理，为解决土壤重金属污染修复问题和粮食安全问题提供数据支撑和理论依据。

Claims (10)

1.一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：选取场地：选取至少两块大小及环境相同的野外场地，一块作为对照场地，其他作为实验场地；
B：样点布设：采用野外样点布设方法，在实验场地布设隔挡部件(1)埋放样点；
C：重金属称取：称取重金属化合物装入包裹袋中；
D：重金属添加及隔挡部件(1)埋放：将样点周边的土壤松动，先后将装有重金属化合物的包裹袋(2)和隔挡部件(1)埋放在样点处，在表层土壤实验中，将装有重金属化合物的包裹袋(2)放置于隔挡部件(1)底部；在进行土壤分层实验时，将装有重金属化合物的包裹袋(2)放置在隔挡部件(1)内部，隔挡部件(1)上端口与表层土壤齐平；
E：对照场地及实验场地作物种植：播种季节，进行对照场地作物播种；于实验场地内，在隔挡部件(1)周边播种作物，在每个隔挡部件(1)内播种与隔挡部件(1)外相同的作物；
F：土壤和作物样品采集：在作物生长的不同阶段，根据实验需要采集隔挡部件(1)内的种植作物及不同深度的土壤，同时在对照场地，根据与实验场地相同的野外样点布设方法选取采样点，采集相同数量的作物及所对应的不同深度的土壤；
G：样品制备与测定：将采集到的土壤样品进行风干、研磨、消煮、定容处理，制成土壤测试样品；作物样品进行风干、去壳、粉碎、消煮、定容处理，制成作物测试样品；检测土壤测试样品、作物测试样品中的重金属含量，得到检测数据。
2.根据权利要求1所述的一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，其特征在于，所述的隔挡部件(1)形状为上下贯通的柱体。
3.根据权利要求2所述的一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，其特征在于，所述的隔挡部件(1)为有机玻璃柱体。
4.根据权利要求3所述的一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，其特征在于，所述的包裹袋采用尼龙网袋。
5.根据权利要求3或4所述的一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，其特征在于，采用的野外样点布设方法为蛇形布点法、梅花布点法。
6.根据权利要求5所述的一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，其特征在于，每100㎡依据梅花布点法布设11个有机玻璃柱体埋放样点，其中1个作为补充样点。
7.根据权利要求5所述的一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，其特征在于，采用电感耦合等离子体质谱仪器检测土壤测试样品、作物测试样品中的重金属含量，得到检测数据。
8.根据权利要求4所述的一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，其特征在于，在进行土壤分层实验时，装有重金属化合物的尼龙网袋位于表层土壤向下20-60㎝处。
9.根据权利要求3所述的一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，其特征在于，所述有机玻璃柱体的口径为20㎝，有机玻璃柱体内播种13-15粒小麦种子或4-6粒黄豆种子。
10.根据权利要求1所述的一种模拟土壤-作物重金属迁移的野外可控实验方法，其特征在于，所述重金属化合物含有Pb、Cr、Zn、As、Hg、Cd、Cu中的任一种元素。
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