土壤中重金屬鎘污染及農(nóng)產(chǎn)品安全研究中土壤理化性質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)方案

1、土壤中重金屬鎘污染及農(nóng)產(chǎn)品安全研究中土壤理化性質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)方案一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簽榱搜芯挎k對(duì)作物農(nóng)藝性狀、生理指標(biāo)、礦質(zhì)元素的影響，需要對(duì)銅陵土壤的理化性狀（pH、Eh、CEC、Ec、OM等）進(jìn)行分析 ，從而了解對(duì)土壤中鎘的有效性的影響。二、實(shí)驗(yàn)背景：Cd在土壤中的存在形態(tài)有水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)及硅酸態(tài)等6種形態(tài)。水溶態(tài)和可交換態(tài)為植物有效態(tài)，易被植物吸收利用，其余的幾種形態(tài)均為難溶態(tài)，不易被植物吸收。土壤理化性質(zhì)是Cd在土壤一植物系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的幾個(gè)重要因素，下面就對(duì)其做出分析及其可能的作用機(jī)制進(jìn)行闡述。1土壤pH值土壤中重金屬的生物有效性及其對(duì)生物的毒性主要依賴于重

2、金屬自由離子的活性也就是土壤中可溶性或可交換的金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而非這種重金屬的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤pH值是土壤所有參數(shù)中影響Cd形態(tài)和有效性的最重要因素 。土壤中Cd的有效性即Cd在土壤中的化學(xué)形態(tài)和吸附解吸行為很大程度上受土壤pH 值的調(diào)節(jié)。提高土壤pH值，土壤中的粘土礦物、水合氧化物和有機(jī)質(zhì)表面的負(fù)電荷增加，對(duì)鎘離子的吸附力加強(qiáng)，同時(shí)Cd2+在氧化物表面的專(zhuān)性吸附、土壤有機(jī)質(zhì)-金屬絡(luò)合物的穩(wěn)定性隨pH升高而增強(qiáng)；隨著pH的升高，土壤溶液中H+、Fe2+、Al3+、Mg2+濃度減小，與Cd2+競(jìng)爭(zhēng)吸附減少，更利于土壤吸附鎘；pH升高則利于CdOH+生成，CdOH+在土壤吸附點(diǎn)位上親和力明顯高于C

3、d2+，同時(shí)也會(huì)生成碳酸鎘10, 22, 34, 36, 37。因此在許多受Cd污染的酸性土壤地區(qū)，撒施石灰石提高土壤pH值以降低Cd的有效性是治理Cd污染的一項(xiàng)有效措施。2土壤有機(jī)質(zhì)土壤中的有機(jī)物質(zhì)具有大量的功能團(tuán)，對(duì)Cd等重金屬離子的吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它任何礦質(zhì)膠體，更重要的是，有機(jī)質(zhì)分解形成的小分子有機(jī)酸、腐殖酸等可與重金屬結(jié)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而降低Cd的活動(dòng)性。研究表明，Cd污染的土壤中添加有機(jī)肥后，有機(jī)絡(luò)合態(tài)的Cd明顯增加，而水溶態(tài)和交換態(tài)Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則明顯降低，即土壤中有效態(tài)cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，有機(jī)肥對(duì)CdZn復(fù)合污染的土壤具有明顯的調(diào)控作用，CdZn復(fù)合污染的

4、土壤中施加豬廄肥顯著地降低了Cd、Zn對(duì)生長(zhǎng)的小麥的毒性，提高了小麥產(chǎn)量?？赡苁┘迂i廄肥一方面是形成有機(jī)絡(luò)合物，另一方面是提高了土壤的pH值，從而降低了Cd、Zn的有效性。3. 土壤水分條件與氧化還原電位在淹水條件下，鎘主要以CdS形式存在，抑制了Cd2+的遷移，難以被植物所吸收。當(dāng)排水時(shí)造成氧化淋溶環(huán)境，S2-氧化或SO42-，引起pH降低，鎘溶解在土壤中，易被植物吸收。土壤中PO43-等離子均能影響鎘的遷移轉(zhuǎn)化；如Cd2+和PO43-形成難溶的Cd3(PO4)2，不易被植物所吸收。因此，土壤的鎘污染，可施用石灰和磷肥，調(diào)節(jié)土壤pH至5.0以上，以抑制鎘害。在旱地土壤里，鎘以CdCO3、Cd

5、3(PO4)2及Cd(OH)2的形式存在，而其中又以CdCO3為主，可見(jiàn)旱地土壤中Cd2+濃度與pH成負(fù)相關(guān)。當(dāng)水田落干時(shí)，硫化鎘則會(huì)氧化成硫酸鎘，或通過(guò)其它氧化還原反應(yīng)，而增加其溶性。另一方面S2 氧化為硫酸，使pH降低，硫化鎘的溶解度增加在水分飽和的土壤環(huán)境中，土壤中的晶型氧化鐵表現(xiàn)出對(duì)鎘的專(zhuān)性吸附，F(xiàn)e3+、Mn4+、SO42-分別被還原成Fe2+、Mn2+、S2-，因而生成FeS、MnS等不溶性化合物而使CdS產(chǎn)生共沉淀。當(dāng)體系pH或Eh發(fā)生變化時(shí)，鎘又會(huì)返回土壤溶液中，特別是在水田排水后一段時(shí)間內(nèi)，Eh從低氧化還原電位向高氧化還原電位的變化過(guò)程中，土壤中鎘的有效態(tài)明顯提高，水溶態(tài)鎘的

6、含量增加，難溶態(tài)CdS等的含量則減少，土壤對(duì)鎘的吸附量明顯減少，氧化-還原電位（Eh）降為0時(shí)，則有利于形成難溶性的硫化鎘和其它難溶性水稻田是氧化還原電位很低的特殊土壤，當(dāng)水田灌滿水時(shí)，由于水的遮蔽效應(yīng)形成了還原性環(huán)境，有機(jī)物厭氧分解產(chǎn)生硫化氫；當(dāng)施用硫酸銨肥料時(shí)，硫還原細(xì)菌的作用使硫酸根還原產(chǎn)生大量的硫化氫。4.土壤陽(yáng)離子交換量土壤陽(yáng)離子交換量反映了膠體的負(fù)電荷量，CEC越高，負(fù)電荷量越高，通過(guò)靜電吸引而吸附的鎘離子也越多。酸性土壤鎘吸附與CEC正相關(guān)，鎘在硅酸鹽層面和鐵鋁氧化物上的吸附由CEC控制。土壤中的各種礦物成分具有吸附作用。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)一：測(cè)定土壤ph值1.原理：酸堿指示劑在不

7、同ph值的溶液中呈現(xiàn)不同顏色。把幾種指示劑按一定的量混合配成混合指示劑，其顏色隨ph的變化而變化，因此，可以根據(jù)指示劑的顏色來(lái)判斷ph值。 2.測(cè)定步驟：取黃豆大的土樣放于白瓷比色盤(pán)中，加蒸餾水一滴，再加混合指示劑3-4滴，以能濕潤(rùn)土樣而稍有多余為宜，輕輕搖動(dòng)，將比色盤(pán)略微傾斜，觀察顏色變化，與比色卡比較確定ph值，若無(wú)比色卡，可以查表測(cè)得。 3.試劑及儀器：試劑：普通混合指示劑（ph410），稱(chēng)取麝草蘭0.025g，甲基紅0.065g，酚酞0.250g，溶于400毫升化學(xué)純95%酒精中。加蒸餾水近1000毫升，再滴加氫氧化鈉調(diào)節(jié)ph至7.最后加蒸餾水至1000毫升。 儀器：角匙，白瓷比色板，

8、ph比色板，臺(tái)秤，玻棒、洗瓶，50毫升燒杯三只。 實(shí)驗(yàn)二：測(cè)定土壤陽(yáng)離子交換量（CEC） 1原理：用中性乙酸銨溶液反復(fù)處理土壤，使土壤成為銨飽和的土，再用95%乙醇洗去多余的乙酸銨后，用水將土樣洗入凱氏瓶中，加固體氧化鎂蒸餾，蒸餾出的氨用硼酸溶液吸收，然后用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，根據(jù)銨的量計(jì)算土壤陽(yáng)離子交換量。 2.實(shí)驗(yàn)步驟：2.1 稱(chēng)取通過(guò)2mm篩孔的風(fēng)干土樣2.00g（精確至0.01g）置于100mL離心管中（質(zhì)地輕的土樣稱(chēng)取5.00g，精確至0.01g），沿離心管壁加入少量1mol/L乙酸銨溶認(rèn)，用橡皮頭玻璃棒攪拌土樣，使其成為均勻的泥漿狀態(tài)。再加入1mol/L乙酸銨溶液至總體積約60mL，

9、并充分?jǐn)嚢杈鶆?，然后?mol/L乙酸銨溶液洗凈橡皮頭玻璃棒，洗液收入離心管內(nèi)。 2.2 將離心管成對(duì)放在架盤(pán)天平的兩盤(pán)上，用1mol/L乙酸銨溶液使之質(zhì)量平衡。平衡好的離心管對(duì)稱(chēng)地放入離心機(jī)中，離心3min5min，轉(zhuǎn)速3000r/min-4000r/min。如不測(cè)定交換性鹽基時(shí)，每次離心后的清液即可棄去；如需測(cè)定交換性鹽基時(shí)，每次離心后的清液收集在250mL容量瓶中，如此用1mol/L乙酸銨溶液處理3次5次，直到最后浸出液中無(wú)鈣離子反應(yīng)為止。收集的浸出液最后用1mol/L乙酸銨溶液定容，作測(cè)定交換性鹽基用。 23向盛土的離心管中加入少量乙醇（950mL/L），用橡皮頭玻璃棒攪拌土樣，使其成

10、為泥漿狀態(tài)。再加入乙醇（950mL/L）至總體積約60mL，并充分?jǐn)嚢杈鶆?，以便洗去土粒表面多余的乙酸銨溶液，切不可有小土團(tuán)存在。然后將離心管成對(duì)放在架盤(pán)天平的兩盤(pán)上，用乙醇（950mL/L）使之質(zhì)量平衡。平衡好的離心管對(duì)稱(chēng)地放入離心機(jī)中，離心3min5min，轉(zhuǎn)速3000r/min4000r/min，棄去乙醇溶液。如此反復(fù)用乙醇（950mL/L）洗滌3次-4次，直至最后一次乙醇溶液中無(wú)銨離子為止（用納氏試劑檢查無(wú)黃色反應(yīng)）。 2.4 洗凈多余的銨離子后，用水沖洗離心管的外壁，向離心管內(nèi)加入少量水，并攪拌成糊狀，用水將泥漿洗入150mL凱氏瓶中，并用橡皮頭玻璃棒擦洗離心管的內(nèi)壁，使全部土樣轉(zhuǎn)入

11、凱氏瓶?jī)?nèi)，洗滌水的體積應(yīng)控制在50mL80mL。蒸餾前向凱氏瓶?jī)?nèi)加2mL液體石蠟和1g氧化鎂，立即將凱氏瓶安放在蒸餾裝置上。 2.5 將盛有25mL硼酸指示劑溶液的250mL錐形瓶，用緩沖管連接在冷凝管的下端。打開(kāi)螺絲夾，通入蒸氣（蒸氣發(fā)生器內(nèi)的水要先加熱至沸），隨后搖動(dòng)凱氏瓶?jī)?nèi)的溶液使其混合均勻。開(kāi)啟凱氏瓶下的電爐，接通冷凝系統(tǒng)的流水。用螺絲夾調(diào)節(jié)蒸氣流速，使流速保持一致，蒸餾約20min，待餾出液約達(dá)到80mL后，用納氏試劑檢查蒸餾是否完全（納氏試劑無(wú)黃色反應(yīng)）。 2.6 將緩沖管連同錐形瓶?jī)?nèi)的吸收液一起取下，用水沖洗緩沖管的內(nèi)外壁（洗液洗入錐形瓶?jī)?nèi)）。然后加入2滴甲基紅-溴甲酚綠混合指示

12、劑，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液呈酒紅色為終點(diǎn)。同時(shí)做空白試驗(yàn)。 3 試劑：3.1 乙酸銨溶液：1mol/L，稱(chēng)取77.09g乙酸銨，用水溶解，加水稀釋至近1000mL，用氫氧化銨（1+1）或稀乙酸調(diào)節(jié)至pH7.0，然后加水稀釋至1000mL。 3.2 乙醇（950mL/L）。 3.3 液體石蠟。 3.4 甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑：稱(chēng)取0.099g溴甲酚綠和0.066g甲基紅置于瑪瑙研缽中，加少量乙醇（950mL/L），研磨至指示劑完全溶解為止，最后加乙醇（950mL/L）至100mL。 3.5 硼酸指示劑溶液：稱(chēng)取20g硼酸，溶于1000mL水中。每1000mL硼酸溶液中加入20mL甲基紅-溴

13、甲酚綠混合指示劑，并用稀酸或稀堿溶液調(diào)節(jié)至紫紅色（葡萄酒色），此時(shí)溶液的pH為4.5。 3.6 鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液：0.05mol/L，每1000mL水中加入4.5mL鹽酸（ 1.19g/mL），混勻。 3.7 緩沖溶液：稱(chēng)取67.5g氯化銨，溶于無(wú)二氧化碳水中，加入新開(kāi)瓶的氫氧化銨（ 0.90g/mL）570mL，用無(wú)二氧化碳水稀釋至1000mL，貯于塑料瓶中，并注意防止吸入空氣中的二氧化碳，緩沖溶液pH10。3.8 酸性鉻藍(lán)K-萘酚綠B混合指示劑：稱(chēng)取0.5g酸性鉻藍(lán)K和1.0g萘酚綠B，與100g于105烘過(guò)的氯化鈉相互研細(xì)磨勻，貯于棕色瓶中。 3.9 氧化鎂：將固體氧化鎂在500600高溫爐

14、中灼燒30min，冷卻后貯存在密閉的玻璃瓶中。 3.10 納氏試劑：稱(chēng)取134g氫氧化鉀，溶于460mL水中。稱(chēng)取20g碘化鉀，溶于50mL水中，加入3g碘化汞，使其溶解至飽和狀態(tài)。然后將兩溶液合并即成。4 儀器 4.1 電動(dòng)離心機(jī)，轉(zhuǎn)速3000r/min4000r/min。 4.2 離心管，100mL。 4.3 凱氏瓶，150mL。 4.4 蒸餾裝置5 結(jié)果計(jì)算 按下式計(jì)算土壤陽(yáng)離子交換量： CEC=【C×(VV0)/m× k× 10】×1000式中： CEC陽(yáng)離子交換量，c mol/kg； C鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L； V鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液用量，mL；

15、 V0空白試驗(yàn)鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液用量，mL； m風(fēng)干土樣質(zhì)量，g； K風(fēng)干土樣換算成烘干土樣的水分換算系數(shù)； 10m mol換算成c mol倍數(shù) 。 實(shí)驗(yàn)三 土壤氧化還原電位(Eh)的測(cè)定 1原理：測(cè)定氧化還原電位的常用方法是鉑電極直接測(cè)定法，方法是基于鉑電極本身難以腐蝕、溶解，可作為一種電子傳導(dǎo)體。當(dāng)鉑電極與介質(zhì)（土壤、水）接觸時(shí)，土壤或水中的可溶性氧化劑或還原劑，將從鉑電極上接受電子或給于電子，直至在鉑電極上建立起一個(gè)平衡電位，即該體系的氧化還原電位。由于單個(gè)電極電位是無(wú)法測(cè)得的，故須與另一個(gè)電極電位固定的參比電極（飽和甘汞電極）構(gòu)成電池，用電位計(jì)測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)，然后計(jì)算出鉑電極上建立的平衡電位

16、，即氧化還原電位E值。2 操作步驟 2.1 測(cè)定前，先將電位計(jì)（毫伏計(jì)）或pH計(jì)（離子計(jì)）選擇開(kāi)關(guān)撥向“mV”檔，將鉑電極接在正極位上，飽和甘汞電極接在負(fù)極位上，接通電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)調(diào)零鈕至零位，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。 2.2 將兩電極插入土壤中，開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，平衡2min或10min后，記錄正或負(fù)的電位值（mV），關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。 2.3 為了換算和pH校正的需要，還需同時(shí)測(cè)定溫度和pH值。注1：在室內(nèi)測(cè)定時(shí)，應(yīng)將平衡時(shí)間延長(zhǎng)至10min，使之充分平衡，5min的電位值變動(dòng)不超過(guò)1mV。 注2： 測(cè)點(diǎn)的重復(fù)次數(shù)要根據(jù)所要代表的范圍和土壤均勻的程度而定，一般重復(fù)測(cè)定5次。在進(jìn)行重復(fù)測(cè)定時(shí)，取出的鉑電極要用

17、水洗凈，再用濾紙吸干，然后再作測(cè)定3 試劑3.1 酸性重鉻酸鉀洗液：稱(chēng)取50g重鉻酸鉀，加入100mL水，加熱溶解，冷卻后在攪拌下慢慢加入900 mL硫酸（1.84g/mL）。 3.2 脫膜溶液：量取8.5mL鹽酸（1.19g/mL）置于400mL水中，再加入2.92g氯化鈉，溶解后加水稀釋至500mL。 3.3 氧化還原標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液：在30mL pH 4.01緩沖溶液中，加入少量氫醌固體粉末，使溶液中有不溶的固體存在。 3.4 緩沖溶液（pH 4.01）：稱(chēng)取10.21g在105烘過(guò)的苯二甲酸氫鉀（KHC8H4O4），精確至0.01g，用水溶解后，加水稀釋至1000mL。 3.5 飽和氯化鉀

18、溶液：稱(chēng)取35g氯化鉀，溶于100mL水中。 3.6 亞硫酸鈉。 4 儀器 4.1 電位計(jì)（毫伏計(jì)）或pH計(jì)（離子計(jì)）。 4.2 電極架，可將電極固定在架子上，并可上下移動(dòng)。 4.3 鉑電極，將直徑為0.5mm1mm、長(zhǎng)為10mm13mm的鉑絲，封接在一根內(nèi)徑為3mm4mm、長(zhǎng)為10cm15cm、熱膨脹系數(shù)接近于鉑的玻璃管的一端，并露出5mm10mm。鉑電極用前要檢查鉑絲與玻璃管封接處有無(wú)裂縫，并用脫膜溶液作表面處理。 4.4 飽和甘汞電極。 4.5 溫度計(jì)5 結(jié)果計(jì)算 5.1 當(dāng)mV值為正值時(shí)按式（1）計(jì)算氧化還原電位，當(dāng)mV值為負(fù)值時(shí)按式（2）計(jì)算氧化還原電位： Eh=Ee+Ed（1） E

19、h=Ee-Ed（2） 式中： Eh土壤氧化還原電位，mV； Ee不同溫度時(shí)飽和甘汞電極的標(biāo)準(zhǔn)電位值（由表1查得），mV； Ed測(cè)得的電位值，mV。5.2 由于在很多氧化還原反應(yīng)中，有H+參與，因此一定的氧化還原體系的Eh值與pH值之間，具有特定的相應(yīng)變化關(guān)系。當(dāng)在不同pH值時(shí)測(cè)得的土壤Eh值，要換算成同一pH值時(shí)的Eh值作比較時(shí)，必須根據(jù)因pH值改變而引起Eh值相應(yīng)的變化進(jìn)行校正，通常用Eh/pH值作為校正因素。雖然此校正因素的實(shí)際數(shù)值，因體系種類(lèi)和體系間相互作用的不同而有較大變化，但在一般的土壤肥力和水分條件下，土壤又不處于強(qiáng)烈的還原狀況時(shí)，習(xí)慣以pH值每升高一個(gè)單位，Eh值則降低60mV(

20、30)作為校正因素，即Eh/pH=-60mV，反之亦然。例如土壤pH=5時(shí)，測(cè)得Ed=300mV，換算成pH=7時(shí)，土壤的Eh為300mV-(7-5) ×60mV=180mV。如不校正，必須注明測(cè)定時(shí)土壤的pH值。5.3允許差試樣進(jìn)行多份平行測(cè)定，取其算術(shù)平均值，取整數(shù)。多份平行測(cè)定結(jié)果允許差為1mV。表1 飽和甘汞電極在不同溫度時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電位值溫度（） 電位（mV） 溫度（） 電位（mV） 0 260 24 244 5 257 26 243 10 254 28 242 12 252 30 240 14 251 35 237 16 250 40 234 18 248 45 231 20

21、 247 50 227 22246實(shí)驗(yàn)四 土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定(外加熱法)一、方法原理:在恒加熱條件下(175180，5分鐘)，用定量K2Cr2O7H2S04溶液氧化有機(jī)質(zhì)，剩余的K2Cr207用標(biāo)準(zhǔn)FeS04滴定，由氧化有機(jī)質(zhì)消耗的K2Cr2O7的量計(jì)算有機(jī)質(zhì)含量。反應(yīng)式為：2K2Cr2O7+3C+8H2S0 2K2S04 + 2Cr2(S04)3+3C02+8H2OK2Cr207+6FeS04+7H2S04 K2S04 + Cr2(S04)3+ 3Fe2(S04)3 + 7H20此法氧化率只有90，所以測(cè)得結(jié)果乘上校正系數(shù)1.1，計(jì)算有機(jī)碳含量。 二、試劑：10.4000MOL.L-1（1/6K

22、2Cr207H2S04）：40gK2Cr2O7溶于1000mL水中，冷卻后，將1000mL濃硫酸慢慢加人，攪勻。20.2 MOL.L-1 FeS04：224gFeS04·7H20，溶于3000mL水，慢慢加入濃H2S04 20mL(或6mol.l-1(1/2H2S04)120mL)，加水至4000ml。3鄰菲鑼啉指示劑：2.970g鄰菲鑼啉和1.390gFeS04·7H20溶解于200mL水中。40.1000 MOL.L-1（1/6K2Cr2O7）：分析純K2Cr2O7在130烘3小時(shí)后，冷卻。準(zhǔn)確稱(chēng)取2.4517g，少量水溶解，加濃H2S04 35ml，冷卻后移人500m

23、l容量瓶，用水定容。5FeS04溶液的標(biāo)定：取0.1000 MOL.L-1。K2Cr207溶液10ml(分別取三份)放人三角瓶中，加鄰菲鑼啉3滴，用配制的FeS04溶液滴定至磚紅色，計(jì)算FeS04溶液的濃度，該溶液每天使用前應(yīng)重新標(biāo)定。 C(FeSO4)=(O.1000 * lOml)/V = 1/V 式中：V為滴定所用FeS04溶液的體積FeS04濃度取三份測(cè)定結(jié)果的平均值。三、儀器油浴鍋、溫度計(jì)、硬質(zhì)試管、滴定管、天平。四、操作步驟1稱(chēng)取100目土樣0.5g左右(用1萬(wàn)天平)放人干的硬質(zhì)試管內(nèi)。2準(zhǔn)確加人0.4MOL.L-1(1/6 K2Cr2O7H2S04)溶液10ml，搖勻。 3蓋上小漏斗，放人鐵絲籠中。4。油浴加熱至185190，將鐵絲籠放人，控制溫度在170180，從冒氣泡開(kāi)始計(jì)時(shí)，加熱5分鐘。5取出鐵絲籠，待試管冷卻后