تحقیق درباره بررسی نقش جریان ترجیحی و مواد آلی بر روند انتقال کادمیوم، سرب و روی در یک خاک لومی آهکی

اختصاصی از کوشا فایل تحقیق درباره بررسی نقش جریان ترجیحی و مواد آلی بر روند انتقال کادمیوم، سرب و روی در یک خاک لومی آهکی دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 13

چکیده

موضوع آلودگی خاک توسط مواد شیمیایی باعث افزایش نگرانی‌هایی در مورد محیط زیست شده است. آبشویی مواد شیمیایی به آب‌های زیرزمینی و حرکت این مواد در خاک، مشکلات زیادی را برای آلودگی ماتریکس خاک، محلول خاک و آب زیرزمینی زیر آن بوجود می‎آورد. ازاین رو، به منظور بررسی تاثیر جریان ترجیحی، ساختمان خاک و کمپلکسهای آلی بر تحرک و آبشویی فلزات کادمیوم، سرب و روی آزمایشی به صورت فاکتوریل با کرتهای خردشده در قالب طرح کاملا تصادفی با سه تکرار انجام شد. تیمارهای خاک دست‌نخورده (U)، دست‌خورده (D) و دست‌خورده حاوی 3 درصد ماده آلی (O) به مدت یک ماه با محلولهای حاوی غلظتهای 20 میلی‌‌گرم در لیتر عناصر کادمیوم، سرب و روی آبشویی شدند و غلظت کادمیوم، سرب و روی در فواصل زمانی مختلف در محلول خروجی اندازه‌گیری گردید. نتایج بدست آمده نشان داد که عناصر تفاوت معنی‌داری در سطح آماری یک درصد با یکدیگر در محلول خروجی داشتند و ترتیب تحرک آنها بصورت Zn>Pb>Cd بود. همچنین بین تیمارهای مختلف خاک نیز در سطح آماری یک درصد تفاوت معنی‌داری وجود داشت و غلظت هر سه عنصر کادمیوم، سرب و روی در تیمارهای U و O بیشتر از تیمار D بود.علاوه‌براین بین فواصل زمانی آبشویی (حجم منفذها) تفاوت معنی‌داری مشاهده شد (در سطح 1%) ، به طوری‌ که کادمیوم در تیمارهای U، O و D به ترتیب 3،3 و5 روز پس از آبشویی تفاوت معنی‌داری را در محلول خروجی نشان داد. اما سرب در هر سه تیمار خاک 11 روز پس از آبشویی تفاوت معنی‌داری در محلول خروجی داشت و غلظت روی فقط در تیمار O در زمانهای مختلف آبشویی روند مشخصی داشت و پس از 8 روز آبشویی تفاوت معنی‌داری در این تیمار مشاهده شد.

واژه‌های کلیدی: جریان ترجیحی، مواد آلی، خاک دست‌نخورده، خاک دست‌خورده، محلول خروجی

مقدمه

امروزه مشکل آلودگی خاک و آب با فلزات سنگین یکی از عوامل تهدیدکننده پایداری تولیدات کشاورزی و حیات انسان و سایر موجودات زنده است. اگرچه فرض می‎شود که عناصر کمیاب در خاک نگهداری می‎شوند، آبشویی تعدادی از فلزات کمیاب در خاک‌های تیمار شده با لجن مشاهده شده است (10). دودی و ولک (5)، علائمی از حرکت فلزات کمیاب در پایین‎تر از ناحیه ریشه مشاهده کردند. ون‎ارپ و ون‎لیون (27) پس از 14 سال بررسی روی خاک‌های تیمار شده با لجن نتیجه گرفتند که غلظت کادمیوم و روی در زهآب در طول زمان کاهش یافت، درحالی‌که غلظت های مس و سرب افزایش یافت. این امر به دلیل این واقعیت است که سرب و مس با مواد آلی پیوند قوی تشکیل می‌دهند و به خاطر سرعت کم تجزیه مواد آلی به کندی آزاد می‎شوند. کادمیوم و روی با مواد آلی پیوند ضعیف‌تری تشکیل می‌دهند و بنابراین تحت تاثیر تجزیه لجن قرار نمی‎گیرند (27).

بررسیهای متعددی نشان داده‎اند که آب و املاح در نیمرخ خاک از طریق مسیرهای ترجیحی منتقل می‎شوند (4). این مسیرهای ترجیحی راهی را برای حرکت سریع املاح به زیر ناحیه فعالیت ریشه فراهم می‎کنند در نتیجه امکان وجود مواد شیمیایی و در نهایت آلوده شدن آب زیرزمینی وجود دارد. بر اساس نتایج کامبرکو و همکاران (3) ، جریان ترجیحی نقش مهمی در انتقال فلزات از نیمرخ خاک دارد. نتایج این تحقیق نشان داد که ستونهای خاک دست خورده، همة فلزاتی را که به آنها اضافه شده جذب کردند، در حالی‌که در ستونهای خاک دست نخورده، بخشی از فلزات از خاک عبور کردند، در هر دو نوع خاک دست‌خورده و دست‌نخورده ارتفاع ستونها 35 سانتی‌متر بود.

نتایج بررسی تیلر و مک‌براید (24) نیز مشخص نمود که همه فلزاتی که به ستون خاک معدنی اضافه شدند خیلی سریعتر از ستون خاک پیت خارج شدند. علاوه‌براین، فلزات در خاک معدنی که کاتیونهای بازی تبادلی نسبتا″ کمتر، پ.هاش پایین و مقدار مواد آلی کمتری داشت با سهولت بیشتری حرکت کردند. ولی در خاک پیت که حتی پ.هاش کمتری نسبت به خاک معدنی داشت فلزات با میل کمتری در آن حرکت نمودند که احتمالاً به دلیل مقدار مواد آلی زیاد، ظرفیت تبادل کاتیونی و مجموع کاتیونهای بازی تبادلی در واحد حجم آن است. همچنین همبستگی بین مقدار مواد آلی محلول و غلظتهای جیوه، آرسنیک، مس، کادمیوم، روی و کروم در زهآب مشاهده شده است (18). مطالعات امریچ و همکاران (9) نشان داد که غلظت فلزات کادمیوم، مس و روی در زهآب ستونها کمتر از مقدار استاندارد آمریکا در آب شرب بود. معیار کیفیت آب شرب برای عناصر فوق به ترتیب 01/0 ، 0/1 و 0/5 میلی‌گرم در لیتر است (25). طبق نظر هیگنز و همکاران (12)، هدایت الکتریکی آب زیرزمینی ممکن است به‌طور معنی‌داری تحت تاثیر کاربرد طولانی‌مدت لجن در خاک قرار گیرد. نتایج بررسی آنها، افزایش هدایت الکتریکی را در آب زیرزمینی چاه‌هایی که لجن به کرت‌های مجاور (5/30 متری) آنها اضافه شده بود، نشان داد. آب زیرزمینی در کرت‌هایی که بیشترین لجن (8/44 تن در هکتار) را دریافت می‎کردند، علائم آلودگی را سه ماه پس از استفاده از لجن نشان دادند. آلودگی در کرت‌هایی که کمترین مقدار لجن را دریافت می‌کردند (4/22 تن در هکتار)، نه ماه پس از استفاده از لجن ظاهر شد. با این وجود، هنگامی که آلودگی شروع شد حرکت نمکها به داخل آب زیرزمینی در هر دو مورد تسریع شد. کیو و همکاران (17) مشاهده کردند که نگهداشت کادمیوم در خاک‌های ریزبافت، که ظرفیت تبادل کاتیونی بیشتری نسبت به خاک‌های درشت‎بافت دارند، بیشتر است.

این تحقیق به منظور بررسی نقش جریان ترجیحی و مواد آلی در حرکت کادمیوم، سرب و روی در یک خاک لومی آهکی(Xeric Haplocambids, fine loamy, mixed, swmiactive, thermic) منطقه کرج انجام شد.

مواد و روشها

به منظور بررسی نقش جریان ترجیحی در انتقال فلزات در خاک، از خاک دست‌نخورده (تیمارU) نمونه‌برداری شد. بدین منظور نه عدد لوله پلی‌اتیلن با قطر و ارتفاع به ترتیب 20 و 35 سانتی‌متر برش داده شدند. سپس در محل نمونه‌برداری کرتی با ابعاد 2*2 متر تهیه شد. جهت سهولت نفوذ لوله‌ها در خاک، دیواره خارجیشان تیز شد و کرت مورد نظر هر روز سه نوبت، به مدت یک هفته آبیاری گردید. سپس لوله‌ها تا عمق 30 سانتی متری به آرامی و با فشار دست وارد خاک گردیدند. سپس خاک محیط خارجی لوله‌ها تا عمق 35 سانتی‌متری به آرامی حفر شد و لوله‌ها همراه با خاک درونشان خارج شدند. زیر آنها با کاغذ صافی (واتمن 42) و توری پوشیده شد و حاشیه توریها توسط چسب به دیواره لوله‌ها چسبانیده شد و جهت انجام آزمایش به آزمایشگاه منتقل شدند.

جهت تهیه ستونهای خاک دست‌خورده (تیمار D) از عمق 0 تا 30 سانتی‌متری همان ناحیه نمونه‌برداری شد. نمونه‌ها هوا خشک شده و پس از کوبیدن از الک دو میلی‌متری عبور داده شدند. بر اساس جرم مخصوص ظاهری خاک دست‌نخورده (35/1 گرم بر سانتی‌متر مکعب) که به روش کلوخه تعیین شد و حجم ستون خاک دست‌خورده تا ارتفاع 30 سانتی‌متری محاسبه گردید و بر طبق آن ستونها از خاک پر شدند (3).

برای تهیه تیمارهای حاوی ماده آلی (تیمار O)، ابتدا درصد ماده آلی خاک به روش والکلی و بلک (14) اندازه‌گیری شد که برابر 7/0 درصد بود و از آنجا که برای این تیمار سه درصد ماده آلی در نظر گرفته شده بود، بقیه ماده آلی از بقایای بستره قارچ خوراکی که ماده اولیه آن کلش گندم بود تامین شد. لذا، درصد ماده آلی بقایا به دو روش احتراق خشک و والکلی و بلک اندازه‌گیری شد ( به ترتیب 55 و 9/53 درصد) و میانگین این دو روش لحاظ شد(45/54). همانند ستونهای خاک دست‌خورده، خاک پس از هوا خشک شدن از الک دو میلی متری عبور داده شد و با بقایای بستره قارچ خوراکی که آسیاب شده بود کاملا مخلوط شد و بر اساس جرم مخصوص ظاهری و حجم ستون که در مرحله قبل محاسبه شده بود، وزن مخلوط خاک-ماده آلی محاسبه شد و ستونها تا ارتفاع 30 سانتی‌متری از این مخلوط پر شدند. در ضمن تعداد ستونها برای هر سه تیمار ذکر شده 9 عدد بود. پس از آماده نمودن ستونها، دیواره داخلی لوله ها در محل تماس با خاک توسط پارافین مذاب پر شد تا از خروج احتمالی محلولهای آزمایشی از دیواره لوله‌ها جلوگیری شود(3). سپس ستونها از پایین به بالا از آب اشباع شده و پس از اشباع شدن، ضریب آبگذری آنها به روش بار ثابت (13) اندازه‌گیری شد.

در طول دوره آزمایش از محلولهای 20 میلی‌گرم در لیتر کادمیوم، سرب و روی برای آبشویی ستونهای خاک استفاده گردید. بدین منظور از نمکهای Cd(NO3)2.2H2O ، ‍Pb(NO3)2 و ZnCl2 و آب مقطر استفاده شد. ستونها با سرعت ثابتی بر اساس ضریب آبگذری آبشویی شدند، به گونه‌ای که نه بار آبی در سطح خاک ایجاد شود و نه خاک از حالت اشباع خارج شود. پس از تنظیم میزان محلول ورودی به ستونها، آبشویی با محلول حاوی عناصر مورد نظر به مدت یک ماه انجام شد و زهآب خروجی ستونها در فواصل زمانی،دو روز اول هر سه ساعت یک‌بار، دو هفته بعدی هر روز یک‌بار و دو هفته آخر هر دو روز یک‌بار جمع‌آوری و غلظت عناصر توسط دستگاه جذب اتمی اندازه‌گیری شد ( حد تشخیص دستگاه جذب اتمی برای کادمیوم ، سرب و روی به ترتیب 3-03/0 ، 25-3/0 و 5/1-01/0 میلی گرم در لیتر بود.

علاوه بر این برخی از ویژگیهای خاک از جمله بافت به روش پیپت (13)، جرم مخصوص ظاهری به روش کلوخه و پوشش دادن با پارافین (13)، آهک به روش کلسیمتری یا کربنات کلسیم معادل (19)، pH در گل اشباع (14)، EC توسط دستگاه هدایت سنج در عصاره اشباع (14)، ظرفیت تبادل کاتیونی به روش باور (14) و منحنی رطوبتی خاک و توزیع خلل و فرج با دستگاه صفحات فشاری اندازه‌گیری و محاسبه شدند. که نتایج تجزیه‌های فیزیکی و شیمیایی خاکدر جدول 1 نشان داده شده است.

این تحقیق بصورت آزمایش کرتهای خردشده در قالب طرح کاملا تصادفی در سه تکرار انجام شد. تیمارهای اصلی شامل سه تیمار خاک دست‌نخورده، دست‌خورده و دست‌خورده حاوی سه درصد ماده آلی و تیمارهای فرعی شامل محلولهایی با غلظتهای 20 میلی گرم در لیتر سه عنصر کادمیوم، سرب و روی بودند. برای تجزیه و تحلیل آماری داده‌ها از نرم‌افزارهای MSTATC، SPSS و SAS و برای رسم گرافها از نرم‌افزار EXCEl استفاده شد. -1

جدول 1. نتایج تجزیه های فیزیکی و شیمیایی خاک

بافت خاک

درصد اجزاء معدنی

جرم مخصوص ظاهری(g.Cm-3)

آهک

(%)

pH

EC

(dS.m-1)

CEC

(Cmol.kg-1)

درصد ماده آلی

شن

سیلت

رس

لوم

2/32

42

2/28

35/1

6/5

2/8

1/1

6/32

7/0

نتایج و بحث

مقایسه تحرک و مقادیر فلزات کادمیوم، سرب و روی در محلول خروجی خاک

نمودار 1 میانگین غلظت سه فلز کادمیوم، سرب و روی را در محلول خروجی خاکها بدون توجه به نوع تیمارهای خاک نشان می‌دهد که سه فلز تفاوت معنی‌داری در سطح یک درصد با یکدیگر داشتند. به‌طوری‌که در بین این سه عنصر، کادمیوم کمترین مقدار و روی بیشترین مقدار را در محلول خروجی داشت. بر این اساس الگوی تحرک فلزات در این بررسی بصورت Zn > Pb > Cd بود. ترتیب بدست آمده در مورد تحرک این فلزات در خاک متناقض با نتایج الیوت و همکاران (8) است. آنها ترتیب جذب اختصاصی فلزات سنگین بر اساس شعاع هیدراته را بصورت Pb>Cd>Zn>Cu عنوان کرده‌اند. لذا ترتیب تحرک که معکوس روند جذب می‌باشد در مورد کادمیوم و سرب با این نتایج همخوانی ندارد. این تناقض احتمالا به علت مقادیر زیاد روی و سرب قبل از آبشویی ستونها (به ترتیب 3/50 و 6/32 میلی‌گرم در کیلوگرم خاک) و سایر اجزاء خاک از جمله بافت می‌باشد. بطوریکه محققین فوق در بررسیهایشان نتیجه گرفتند که با تغییر بافت خاک از لوم رسی شنی به رسی شنی روند جذب از Pb>Cu>Zn>Cd به Pb>Cu>Cd>Zn تغییر یافت.

با در نظر گرفتن تیمارهای مختلف خاک همانگونه که در نمودار 2 مشخص است، غالبا غلظت عناصر در محلول خروجی تیمار U بیشترین مقدار است، که با نظریات دودی و همکاران (6) مطابقت دارد. آنها اظهار کردند امکان دارد فلزات به اعماق پایین‌تر از شکافها و ماکروپورها از طریق فرآیندهایی که جریان آب غیرماتریکسی نامیدند و به جریان ترجیحی معروف است، انتقال یابند و کمترین مقدار آنها در محلول خروجی تیمار D مشاهده شد که مشابه نتایج کامبرکو و همکاران(3)، استین‌هویس و همکاران (22) و امریچ و همکاران (9) است. با توجه به نوع عنصر و نوع خاک مشاهده گردید که غلظت عنصر کادمیوم و روی در محلول خروجی تیمار خاک U بیشترین مقدار بود که با تیمار O در سطح آماری یک درصد تفاوت معنی‌داری نداشتند اما با تیمار D تفاوت معنی‌داری در سطح یک درصد داشتند. برخلاف کادمیوم غلظت سرب در محلول خروجی تیمار O بیشترین مقدار بود که با هر دو تیمار U و D در سطح یک درصد افزایش معنی‌داری را نشان داد. نتایج بدست آمده در مورد تحرک سرب در تیمار O با نتایج سایر محققین مطابقت دارد. به عنوان مثال اسکوکارت و همکاران (21) همبستگی بالایی بین تحرک سرب و مقدار مواد آلی پیدا کردند. برون و همکاران (2) ترتیب Cu>Pb>Zn>Cd را برای کمپلکسهای آلی ذکر و عنوان کرده‌اند که در پ.هاش بالا حلالیت اسیدهای فولویک و درنتیجه کمپلکسهای آلای افزایش می‌یابد و چون پ.هاش خاک در این بررسی بالا بود(2/8)، احتمالا باعث حلالیت بیشتر کمپلکسهای آلی در این تیمار گشته و حرکت سرب را به علت تشکیل کمپلکسهای آلی افزایش داده است. همچنین غلظت سرب در محلول خروجی تیمار U بطور معنی‌داری بیشتر از تیمار D بود.