不同浓度亚硝态氮在弱碱性土壤中的转化规律研究

窦妍,卢楷彬,邓培杰,张风义,张修禹,罗文

(长安大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 710054)

亚硝态氮是自然界中含氮化合物之一,当人体摄入亚硝态氮为0.3～0.5 g即可引起中毒[1-2]。世卫组织国际癌症研究机构指明亚硝态氮在致癌物清单中[3]。一些研究结果显示亚硝态氮在土壤、地下水、地表水中被大量检出[4-6],含量也远超过饮用水标准(20 μg/L)[7]。

早期研究认为亚硝态氮只是铵态氮向硝态氮转化的中间产物[8]。近年来有研究表明,土壤中高浓度铵态氮(>300 μg/kg)在转化过程中存在亚硝态氮滞留的现象[9]。另外,有研究表明pH值变化也能对转化过程产生显著影响[10]。

本研究围绕亚硝态氮在弱碱性土壤环境中的转化规律展开,为降低土壤和水中亚硝态氮危害人类健康的风险提供科学依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

氯化钾、亚硝酸钠、硝酸钠、氯化铵、纳氏试剂、氢氧化钠、对氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺、酚二磺酸试剂均为分析纯；蒸馏水,实验室自制。

L6S双光束紫外分光光度计；DHP9082B实验室电热恒温培养箱；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器；DDSJ-318型台式电导率仪。

1.2 应试土壤

实验土壤采集自陕西省华县地表耕种土壤(0～20 m),土壤各项指标见表1。

表1 应试土壤的物理化学特征Table 1 Physical and chemical characteristics of soil

1.3 实验方法

1.3.1 土样本底值测定 称取研磨混匀的自然风干土样4组各10 g,于200 mL 0.01 mol/l 的KCl溶液中,分别搅拌溶解1,2,3,4 h编号1,2,3,4,将溶解液过滤取得清液,测定亚硝酸氮、硝态氮以及铵态氮含量。

1.3.2 不同浓度亚硝酸盐土壤中的三氮浓度测定 称取500 g研磨混匀的风干土样12份,放入保鲜袋中,加入亚硝酸盐溶液100 mL,混合均匀,使土壤持水量为60%[11],且每千克土壤中亚硝酸盐氮质量分别为0,11.2,56,112,280,560 mg(每个浓度两个土样),将其放入25 ℃的恒温培养箱中。以天为单位,分别在每天固定时间从6份土壤试样中称取10 g土样(每组编号取两组平行样),分别测量其中硝酸盐、亚硝酸盐和铵态氮的含量,并测定每组提取液的pH值。

1.3.3 相同浓度亚硝酸盐在不同pH值土壤中的变化情况 称取500 g研磨混匀的土样3份,放入保鲜袋中,取1 mol/L亚硝酸钠溶液20 mL,分别加入到HCl、蒸馏水和NaOH溶液中配成100 mL混合溶液,加入到土壤中混合均匀,使土壤持水量为60%,且每kg土壤中亚硝态氮的质量为560 mg,此时3组土样的pH值大致分别为5.00,7.00和9.00。

1.3.4 三氮浓度的测定方法 对待测土样用200 mL 0.1 mol/L的KCl溶液搅拌提取0.5 h,过滤,取清液进行三氮浓度测定,测定方法为纳氏试剂比色法(氨氮测定)、盐酸苯乙二胺比色法(亚硝酸盐氮测定)以及二磺酸酚比色法(硝酸盐氮测定)。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度的亚硝态氮在土壤中的累积效应

对含有不同浓度的亚硝态氮的应试土壤中三氮的浓度进行研究工作,实验数据见图1～图3。

图1 亚硝态氮在碱性土壤中的浓度随时间变化曲线Fig.1 The dynamic change of in soil amended with different rates of

图2 硝态氮在碱性土壤中的浓度随时间变化曲线Fig.2 The dynamic change of in soil amended with different rates of

图3 铵态氮在碱性土壤中的浓度随时间变化曲线Fig.3 The dynamic change of in soil amended with different rates of

由图1可知,土壤中亚硝态氮的浓度随着时间的变化不断减少,这一变化与图2中硝态氮的含量变化一一对应,当亚硝态氮的含量趋近于0时,硝态氮的含量到达峰值。其中,低浓度11.2 mg/kg的亚硝态氮的土壤中,亚硝态氮的含量在第1 d就转化为零；而亚硝态氮含量在56 mg/kg的土壤中到第6 d 转化为零；112 mg/kg的土壤中到第8 d转化为零；280 mg/kg的土壤中到第11 d转化为零。但是,560 mg/kg的土壤从第5 d开始转化率仅为每天2%,对比图2可知,到第9 d时,280 mg/kg的土壤中硝态氮的含量开始超过560 mg/kg的土壤中硝态氮的含量,而560 mg/kg的土壤中向硝态氮的转化过程被抑制。

在这一系列过程中,铵态氮的变化幅度较小,尤其是280 mg/kg以下的土壤中变化幅度仅为5 mg/kg,当浓度为560 mg/kg时,铵态氮的浓度到达10 mg/kg以上,也就是说,在此过程中,除了大量转化为硝态氮外,有小部分亚硝态氮转化为铵态氮。

2.2 土壤中pH值在不同浓度的亚硝态氮作用下的变化

在上述实验过程中,对每天土壤中的pH值进行了测定,见图4,除560 mg/kg土壤外,其余土壤中的pH值都出现了从弱碱性向弱酸性转化的过程(7.5→6.8),当土壤变为弱酸性时,亚硝态氮也完成了全部转化。而560 mg/kg土壤的pH值在第12 d 时仍为弱碱性,亚硝态氮的转化过程也未结束,转化过程被抑制。

图4 不同浓度的亚硝态氮在土壤中pH值的变化Fig.4 The dynamic change of pH in soil amended with different rates of

2.3 不同pH值土壤中亚硝态氮的抑制效应

对浓度为560 mg/kg的亚硝态氮的供试土壤进行pH值调节(pH分别为5.00,7.00和9.00),然后对土壤进行三氮浓度的监测。监测结果见图5,土壤中初始pH值并未对转化浓度产生显著影响,亚硝态氮的转化过程依然受到了抑制作用。见图6,土壤中的pH值随着时间变化不断地向大于7的弱碱性靠拢,与供试土壤中的pH值保持一致。可以认为,当土壤中亚硝态氮的浓度较大时,土壤的初始pH值不能影响硝化作用的进程,抑制作用可能仅受到土壤中硝化细菌或氧化作用的影响。

图5 初始浓度为560 mg/kg的亚硝态氮 在pH值不同的土壤中的累积效应Fig.5 The dynamic change of in soil amended with different pH(initial concentration of is 560 mg/kg)

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

3 结论

不同浓度的亚硝态氮在土壤中的累积时间不同,随着亚硝态氮浓度的增加,累积效应的停留时间明显增加,同时,促使亚硝态氮转化成硝态氮的抑制作用会随着浓度的增加不断增强,当高浓度的亚硝态氮存在时,硝化作用的抑制现象更为强烈。另外,实验结果表明,土壤中的初始pH值不能影响亚硝态氮向硝态氮转化的反应进程。