不同濃度亞硝態(tài)氮在弱堿性土壤中的轉(zhuǎn)化規(guī)律研究

竇妍,盧楷彬,鄧培杰,張風義,張修禹,羅文

(長安大學 環(huán)境科學與工程學院,陜西 西安 710054)

亞硝態(tài)氮是自然界中含氮化合物之一,當人體攝入亞硝態(tài)氮為0.3～0.5 g即可引起中毒[1-2]。世衛(wèi)組織國際癌癥研究機構(gòu)指明亞硝態(tài)氮在致癌物清單中[3]。一些研究結(jié)果顯示亞硝態(tài)氮在土壤、地下水、地表水中被大量檢出[4-6],含量也遠超過飲用水標準(20 μg/L)[7]。

早期研究認為亞硝態(tài)氮只是銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物[8]。近年來有研究表明,土壤中高濃度銨態(tài)氮(>300 μg/kg)在轉(zhuǎn)化過程中存在亞硝態(tài)氮滯留的現(xiàn)象[9]。另外,有研究表明pH值變化也能對轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生顯著影響[10]。

本研究圍繞亞硝態(tài)氮在弱堿性土壤環(huán)境中的轉(zhuǎn)化規(guī)律展開,為降低土壤和水中亞硝態(tài)氮危害人類健康的風險提供科學依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氯化鉀、亞硝酸鈉、硝酸鈉、氯化銨、納氏試劑、氫氧化鈉、對氨基苯磺酸、鹽酸萘乙二胺、酚二磺酸試劑均為分析純；蒸餾水,實驗室自制。

L6S雙光束紫外分光光度計；DHP9082B實驗室電熱恒溫培養(yǎng)箱；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；DDSJ-318型臺式電導率儀。

1.2 應試土壤

實驗土壤采集自陜西省華縣地表耕種土壤(0～20 m),土壤各項指標見表1。

表1 應試土壤的物理化學特征Table 1 Physical and chemical characteristics of soil

1.3 實驗方法

1.3.1 土樣本底值測定 稱取研磨混勻的自然風干土樣4組各10 g,于200 mL 0.01 mol/l 的KCl溶液中,分別攪拌溶解1,2,3,4 h編號1,2,3,4,將溶解液過濾取得清液,測定亞硝酸氮、硝態(tài)氮以及銨態(tài)氮含量。

1.3.2 不同濃度亞硝酸鹽土壤中的三氮濃度測定 稱取500 g研磨混勻的風干土樣12份,放入保鮮袋中,加入亞硝酸鹽溶液100 mL,混合均勻,使土壤持水量為60%[11],且每千克土壤中亞硝酸鹽氮質(zhì)量分別為0,11.2,56,112,280,560 mg(每個濃度兩個土樣),將其放入25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中。以天為單位,分別在每天固定時間從6份土壤試樣中稱取10 g土樣(每組編號取兩組平行樣),分別測量其中硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨態(tài)氮的含量,并測定每組提取液的pH值。

1.3.3 相同濃度亞硝酸鹽在不同pH值土壤中的變化情況 稱取500 g研磨混勻的土樣3份,放入保鮮袋中,取1 mol/L亞硝酸鈉溶液20 mL,分別加入到HCl、蒸餾水和NaOH溶液中配成100 mL混合溶液,加入到土壤中混合均勻,使土壤持水量為60%,且每kg土壤中亞硝態(tài)氮的質(zhì)量為560 mg,此時3組土樣的pH值大致分別為5.00,7.00和9.00。

1.3.4 三氮濃度的測定方法 對待測土樣用200 mL 0.1 mol/L的KCl溶液攪拌提取0.5 h,過濾,取清液進行三氮濃度測定,測定方法為納氏試劑比色法(氨氮測定)、鹽酸苯乙二胺比色法(亞硝酸鹽氮測定)以及二磺酸酚比色法(硝酸鹽氮測定)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度的亞硝態(tài)氮在土壤中的累積效應

對含有不同濃度的亞硝態(tài)氮的應試土壤中三氮的濃度進行研究工作,實驗數(shù)據(jù)見圖1～圖3。

圖1 亞硝態(tài)氮在堿性土壤中的濃度隨時間變化曲線Fig.1 The dynamic change of in soil amended with different rates of

圖2 硝態(tài)氮在堿性土壤中的濃度隨時間變化曲線Fig.2 The dynamic change of in soil amended with different rates of

圖3 銨態(tài)氮在堿性土壤中的濃度隨時間變化曲線Fig.3 The dynamic change of in soil amended with different rates of

由圖1可知,土壤中亞硝態(tài)氮的濃度隨著時間的變化不斷減少,這一變化與圖2中硝態(tài)氮的含量變化一一對應,當亞硝態(tài)氮的含量趨近于0時,硝態(tài)氮的含量到達峰值。其中,低濃度11.2 mg/kg的亞硝態(tài)氮的土壤中,亞硝態(tài)氮的含量在第1 d就轉(zhuǎn)化為零；而亞硝態(tài)氮含量在56 mg/kg的土壤中到第6 d 轉(zhuǎn)化為零；112 mg/kg的土壤中到第8 d轉(zhuǎn)化為零；280 mg/kg的土壤中到第11 d轉(zhuǎn)化為零。但是,560 mg/kg的土壤從第5 d開始轉(zhuǎn)化率僅為每天2%,對比圖2可知,到第9 d時,280 mg/kg的土壤中硝態(tài)氮的含量開始超過560 mg/kg的土壤中硝態(tài)氮的含量,而560 mg/kg的土壤中向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過程被抑制。

在這一系列過程中,銨態(tài)氮的變化幅度較小,尤其是280 mg/kg以下的土壤中變化幅度僅為5 mg/kg,當濃度為560 mg/kg時,銨態(tài)氮的濃度到達10 mg/kg以上,也就是說,在此過程中,除了大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮外,有小部分亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮。

2.2 土壤中pH值在不同濃度的亞硝態(tài)氮作用下的變化

在上述實驗過程中,對每天土壤中的pH值進行了測定,見圖4,除560 mg/kg土壤外,其余土壤中的pH值都出現(xiàn)了從弱堿性向弱酸性轉(zhuǎn)化的過程(7.5→6.8),當土壤變?yōu)槿跛嵝詴r,亞硝態(tài)氮也完成了全部轉(zhuǎn)化。而560 mg/kg土壤的pH值在第12 d 時仍為弱堿性,亞硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過程也未結(jié)束,轉(zhuǎn)化過程被抑制。

圖4 不同濃度的亞硝態(tài)氮在土壤中pH值的變化Fig.4 The dynamic change of pH in soil amended with different rates of

2.3 不同pH值土壤中亞硝態(tài)氮的抑制效應

對濃度為560 mg/kg的亞硝態(tài)氮的供試土壤進行pH值調(diào)節(jié)(pH分別為5.00,7.00和9.00),然后對土壤進行三氮濃度的監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果見圖5,土壤中初始pH值并未對轉(zhuǎn)化濃度產(chǎn)生顯著影響,亞硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過程依然受到了抑制作用。見圖6,土壤中的pH值隨著時間變化不斷地向大于7的弱堿性靠攏,與供試土壤中的pH值保持一致。可以認為,當土壤中亞硝態(tài)氮的濃度較大時,土壤的初始pH值不能影響硝化作用的進程,抑制作用可能僅受到土壤中硝化細菌或氧化作用的影響。

圖5 初始濃度為560 mg/kg的亞硝態(tài)氮 在pH值不同的土壤中的累積效應Fig.5 The dynamic change of in soil amended with different pH(initial concentration of is 560 mg/kg)

圖6 土壤中pH值的變化Fig.6 The dynamic change of pH in soil amended with different pH (initial concentration of is 560 mg/kg)

3 結(jié)論

不同濃度的亞硝態(tài)氮在土壤中的累積時間不同,隨著亞硝態(tài)氮濃度的增加,累積效應的停留時間明顯增加,同時,促使亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮的抑制作用會隨著濃度的增加不斷增強,當高濃度的亞硝態(tài)氮存在時,硝化作用的抑制現(xiàn)象更為強烈。另外,實驗結(jié)果表明,土壤中的初始pH值不能影響亞硝態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的反應進程。