文摘

我们调查动物区系的变化活动措施土壤生态功能的影响可能有毒金属(铝)在城市,工业、农业和自然的使用。锌的浓度和分布、Cd、铅、铜、锰、铁和估计连续化学拔牙、残遗时和现在的动物区系的活动由微形进行了研究分析。城市和自然土地污染的铅、Cd和锌。Microarthropods和真菌是观察在自然,活跃在垃圾分解农业和城市土地这表明总土壤中的铝浓度并不是一个好的指标来评估多功能天车动物活动的限制。金属固定碳酸盐、铁/锰氧化物和施降低的负面影响金属动物区系的活动。微形分析显示金属对土壤生态功能的影响在工业区,在土壤表面没有任何的证据动物区系的活动;可能由于高比例的铅和锌的有机组成部分。因此,金属在土壤动物活动的影响,因此土壤的生态功能,是最好的评估知识的金属分区固体阶段结合使用微形技术观察动物的活动。

1。介绍

主要的人为来源的潜在有毒金属(铝)的土壤是城市化1,2],工业化[3,4)和农业实践(5,6]。在城市地区,大气颗粒物的沉积导致表面土壤的污染扩散7]。大气口供工厂影响任何土壤不管土地利用(8,9]。各种液体的溢出和工业废物的主要来源是铝积累在土壤表层和次表层的工业区。在农业生态系统、金属达到液体和固体肥料的土壤从应用程序或无机肥料10,11]。

流动性的天车取决于土壤的保留能力和土壤化学性质的金属(12]。金属可以绑定到土壤有机质(SOM)、碳酸盐、锰的氧化物和氢氧化物、铁或留在可溶性和移动形式溶解在土壤溶液。连续的化学提取程序用于确定分区金属在土壤中的各种固体阶段13,14]。

虽然使用微形分析来评估土壤中生物成因的角色在过去十年里一直有效15,16),它的用途在理解天车和动物区系的活动之间的关系来确定土壤生态功能的变化系统尚未建立。微形研究非常有用的土壤结构的理解,聚合稳定性是影响土壤动物的活动(17,18]。高浓度的天车,不利于土壤动物活动,最终可能影响生态功能,从而导致土壤退化。我们假设,如果微形分析动物区系的活动的结合顺序化学萃取过程,金属污染土壤生态功能的后果可以有效地评估。

我们测试了上述假说在卡塔赫纳市的土壤(西班牙东南部),高需求的土地空间扩大住宅细分和工业园区创建快速改变现有土地用途。前在城市土地使用与监管的部分工业和农业工业过程导致高金属污染土壤的19]。铅、锌、Cd,和铜主要金属污染物从旧冶炼厂和锌生产植物除了农药、化肥、城市废弃物(20.]。《法兰克福汇报》等。21)表明,高浓度的铁和锰的研究区域是由于工业活动。扩张的欧洲城市卡塔赫纳等必须保持一个“干净”的环境区域按照欧盟(EU)的环保规定。城市绿地生态高品质是重要的目标在许多最近的城镇体系结构规划和发展。生态修复受污染地区的城市扩张必须基于知识(前)自然土壤系统和他们的应对金属污染等人为扰动。

这项工作提出了调查的结果在不同的土地用途(城市、工业、农业和自然网站)理解人为活动的影响土壤生态功能受到持续快速扩张和城市化。铝的主要目的是评价影响污染对土壤动物区系的活动通过微形分析加上连续的化学萃取过程天车分割成各种固体阶段土壤中理解土壤生态系统功能的变化。

2。材料和方法

2.1。研究区域

研究区位于卡塔赫纳,穆尔西亚西班牙(SE)和特点是温暖的温度较低的降雨量和蒸散率高的典型地中海气候(图的类型1)。大片的干扰和非生产性景观遗产的广泛的采矿活动超过2500年了。与农业相关的省一直是传统,但工业化和旅游活动大大增加了在过去几十年。我们使用以下土地利用方面的研究。

工业区
主要的工业发展在1960年代成立了一些农用化学品,石油化工和冶金安装在这个网站在当地称为“El Hondon”。直到二十年前,El Hondon工厂操作使用过时的设备和制造过程导致生成大量的工业废物。这些废物包含天车如铜、锌、镉、铅、汞、砷(19)和存储/处理超过10公里²研究土地的网站。许多这样的处理区域潜在土壤金属污染的主要来源19,21]。

农业面积
我们选择了Campo de卡塔赫纳,欧洲最大的农业地区覆盖~ 169800公顷,代表地区致力于农业活动。通过Tajo-Segura转移灌溉调水改变了这个地区变成一个高效区柑橘、果树和蔬菜(如花椰菜、洋蓟,甜瓜,生菜,芹菜,蚕豆,和土豆)。地质,它位于Betic区一个缓坡和被最近的大陆沉积物覆盖地表的淡色层和地下钙或petrocalcic视野。这个区域是欧洲大陆最干旱的地区之一,面临着许多问题与农业生产相关的包括缺水、盐度、水土流失和荒漠化。

市区
所选研究站点是一个城市公园,估计人口密度376居民/ km²在2008年。站点土壤在这项研究中人为添加的自然土壤支持草的生长了几十年。这些土壤受金属排放流量(如Cd和Pb),灌溉用水和广泛的无机肥料保持植被(例如,草和花)在公园。

自然区域
这个区域位于小山丘用于娱乐活动,如骑自行车,徒步旅行和散步。植物覆盖较低(< 20%),主要是由灌木等胸腺hyemalis和Rosmarius officinalis。没有特定的植物群落进行管理。的主要土壤母质是由第四纪塌积的存款。

2.2。土壤描述和抽样

从每个区域选择和macromorphologically土壤剖面描述后,粮农组织系统(22和分类使用词参考基本系统23)(表1)。每个单个土体的分类学分类和相关的土壤地平线(深度)在每一个研究地点如下:(我)工业领域:石灰性Fluvisol-A(0-20厘米),C1和C2(20 - 35厘米)(35 - 66厘米),(2)城市面积:urbic Antropic Regosol-A(0-20厘米)和C2(> 35厘米),(3)自然区域:普通Calcisol-A(0-20厘米)和C1(> 20厘米),(iv)农业面积:普通Calcisol-A(0-20厘米)和C1(> 20厘米)。

从每个地平线,摘要土壤微形态分析的原状样品收集使用Kubiena盒子。此外,大块样品化学分析包括顺序化学提取被分区分布的金属在土壤在不同固体阶段。等植物秸秆、树叶和树根从每个研究收集网站。土壤和植物样本用聚乙烯袋和运输为化学分析实验室。

2.3。分析方法

土壤样本空气干燥48小时45°C和已筛通过2毫米筛。每个样本的子样品细碎的玛瑙研钵和存储在了瓶子。植物材料de-ionized水清洗和分为根、茎、叶。样本烘箱干燥48小时在70°C和地面金属分析。

选择土壤属性相关的移动性和生物利用度天车在土壤测定。土壤pH值测量水和1 M CaCl₂使用1:2.5土壤/解决方案比(24)和电导率(EC)决定在饱和粘贴提取。碳酸钙是由Wesemael方法(25),而有机碳(OC)测量使用湿式氧化法(26]。粒度分析是由筛分(砂)和沉积和提取罗宾逊吸管(粘土和淤泥)。阳离子交换量(CEC)被提出的方法估计罗迪斯[27]。

Pseudototal重金属含量分析微波萃取用王水过程组成的土壤样品消化3:1 (HNO₃:盐酸)解决方案28]。提取土壤样品按顺序也根据Tessier et al。13)和Bettinelli et al。28]。简要描述每个部分的描述如下。

分数1 (F1)。MgCl₂可推断出的。
样品在室温下提取1 h和MgC1 8毫升的1米₂在pH值7.0连续搅拌。

分数2 (F2)。NaOAc可推断出的。
F1的残留物是在室温下淋溶与8毫升的1 M NaOAc调整pH值5.0与醋酸(有利)。连续搅拌维持5 h。

分数3 (F3)。可氧化的。
F2的残渣中提取了3毫升0.02 HNO₃和5毫升30%的H₂O₂与HNO (pH值调整到2₃)。这种混合物加热到85°C 2 h和缓慢连续的风潮。第二个3毫升整除30%的H₂O₂与HNO (pH值2₃)添加和混合物加热到85°C 3 h和缓慢连续的风潮。冷却后,5毫升HNO₃添加和样本不断搅拌30分钟。

分数4 (F4)。可约和残余。
用王水残留物fromF3was消化。

镉、铜、铁、锰、铅和锌在土壤中消化和分析了植物提取物ICP-OES(珀金埃尔默最适条件3000 XL, 90)。这些金属被选中,因为它们与工业、城市和农业活动共同的研究领域。

参考土壤(3和4)从加拿大认证项目参考资料29日)和试剂空白被用作质量控制样品的分析。我们获得了复苏pseudototal潜在有毒金属提取95% - -115%的Cd,为铜81% - -98%,90% - -99%的锰、铁91% - -99%,93% - -97%的铅和锌101% - -115%。当我们连续提取技术是用于参考土壤,复苏的百分比,计算比较证书浓度和为每一个固相浓度的总和,包括:Cd, 109% -117% 98% -110%,铜、锰97% - -104%,-99年89%的铁、102% - -108%的铅和锌99% - -111%。

土壤中土壤基质结构和组成观察使用岩石薄片的放大倍数下60x。功能利益如节肢动物的排泄物是计入网格形成的毫米的区域。微生物活动和面料的详细信息的总量是160年获得使用放大的因素x和400年x(30.,31日]。我们相关的以下微形特性,土壤动物的活动。(我)略分解土壤有机质(SOM)材料的结构成分,这OM来辨认。(2)适度分解SOM材料的结构是部分可观测的部分分解。(3)深入分解SOM有机仍然在原始结构由于强烈的分解是不明显的。(iv)昆虫等仍然是土壤动物的任何可识别的部分身体,腿,和天线的昆虫。(v)真菌仍以真菌菌丝,菌丝。(vi)最近的排泄物被原来的形状,没有重大的改变,动物区系的粪便droppingd。(七)古老的排泄物是改变粪便由最初的形态和结构的损失。(八)空洞区域没有任何可辨认的组件的存在。(第九)免费的矿物颗粒矿物与其他组件没有任何联系。(x)当然矿物组件内粗骨料中矿物质总量。(十一)细矿物总量中细矿物骨料中的组件。

2.4。评估潜在的有毒金属积累的程度

我们比较了多功能天车内容与当地土壤样本背景浓度Martinez-Sanchez和Perez-Sirvent[提出的32评估任何积累金属研究领域。这些作者(32)收集的215个样本~1公里远离许多工业、矿业、和城市地区在整个穆尔西亚省评估人为影响最小的地区。的pseudototal天车和矿物成分分为五类基于母体材料来确定背景金属在每个研究内容的网站。当地的背景为每个元素相当于为每个母质中值计算。

2.5。统计分析

相关矩阵(CM)和聚类分析(CA)被用来识别潜在的金属来源丰富功能(33]。皮尔森相关系数()是用来衡量两个定量变量(金属)之间的关系,而CA被用来阐明金属之间的潜在关系,并根据平均进行链接的方法。结果显示在一个步骤的系统树图的分层集群解决方案和价值观集群(皮尔森相关距离)之间的距离。使用SPSS 15.0统计计算是由Windows (34]。

3所示。结果与讨论

3.1。土壤属性和特征

土壤pH值是碱性的农业土壤和适度的碱性工业领域。这些高pH值是由于存在碳酸盐(表C视野研究的网站2)。土壤中碳酸钙积累档案是一个常见的土壤的过程在干旱和半干旱地区类似的研究领域(35]。

农业和自然的使用不会下的土壤盐碱土壤在城市和在工业领域,在人为影响高轻或中度盐碱。OC内容非常高的表面视野的城市和自然区域和非常低的工业场所。的N水平介于0.24%和0.02之间和与SOM内容高度相关36]。的C / N比率的范围从10到15表明温和的腐殖化程度,有利于考虑腐殖质的发展形式。土壤CEC适度低的视野(37];然而,城市土壤和农业土壤CEC明显高于工业。绝大多数研究的视野中细纹理,从石灰性壤土石灰性粉质粘土。粘土和淤泥内容> 60%高于粘土和淤泥内容。

3.2。金属污染及其可能来源

Pseudototal金属内容显示高浓度的镉、铅和锌在土壤在大多数研究的A和C的视野网站(表2)相比,当地的背景。这些升高值的天车表明金属积累不限于表层土,也影响了地下土壤的一些配置文件。我们也相信广泛的人为活动是一种重要的金属在土壤来源收集在不同土地用途的研究领域。

图2显示三个主要群体的分层dendogram通过聚类分析获得。第一组是由锰和铁,而第二个包括铅和铜,最后,第三个集群是由锌和Cd。每组的高金属之间的关系可能表明类似的出处。换句话说,这表明至少有三种可能的不同来源的天车在研究区域。这种说法是支持的重要()相关性系数(这些金属(表)计算3):Mn-Fe ();Cu-Pb ();Cd-Zn ()。

从工业现场收集的土壤(石灰性冲积土)显示最高的锌浓度和Cd地平线(1002和4.1毫克公斤⁻¹土壤、职责)。我们测量值最低的铅和铜在相同的单个土体。从锌生产排放的工业过程,旧bicalcic磷肥工厂也许负责锌浓度升高和Cd在研究地区(20.,38]。

城市站点(技术粗骨土)高浓度的铁和锌的积累,Pb, Cd。这些观察加上突然减少Cd和锌含量C地平线可能反映了表层土壤的污染磨损的轮胎、刹车片强烈的交通(39,40]。最高浓度的铅的存在在这个土地使用表明,交通的主要来源是多功能天车在研究地区。

自然网站(普通calcisol)最低浓度的铁和锰相似背景水平。然而,A和C的视野是含有锌、铅、和Cd相比与当地的背景。一项研究[20.)透露,主导风的方向在该地区的方向(41)和山的位置相对于城市公园的位置导致了显著的风与铝电解沉积的粒子。

我们观察到下土壤农业使用(普通calcisol)的金属浓度高于当地的背景。磷酸盐等添加肥料和杀虫剂或除草剂在农业实践(42)和污水污泥的掺入可能负责农业土壤中金属的积累研究网站。

3.3。Patitioning潜在的有毒金属

相关分析的结果表明,碳酸盐与可氧化的负相关,可约/残余阶段对大多数金属可能表明,增加在碳酸盐含量减少大量金属绑定到可氧化的和可约/剩余固体阶段(表4)。很可能碳酸盐作为有效的金属水槽因此,减少可用金属的浓度将与其他固体阶段。

3.4。微形特点,潜在的有毒金属的土壤生态系统功能及其意义

一个运转正常的一个主要指标土壤生态系统是SOM的不同分解阶段。与中性土壤碱性pH值,微生物有机体、节肢动物和蚯蚓参与垃圾分解和SOM的生产。然而,高浓度的微生物和有毒金属可能减少土壤微生物群落的多样性(43]。王等人。44)发现土壤微生物活性之间的负相关,社区的多样性,可抽出的pseudototal天车。

有机和无机成分的分布在四个单个土体表所示5。在土壤在自然和农业土地利用,孔隙度明显高于城市和工业领域。蚯蚓和microarthropods增加土壤孔隙空间,特别大的空洞,特别是当动物的活动受到的刺激肥料(45]。的使用化肥在农业土地支持动物区系的活动,从而增加土壤孔隙度(表5)。此外,深入分解SOM和最近的功能在这个土壤微生物活动的观察表明,高金属含量不防止真菌和microarthropods(图的活动3)。这可能是由于络合铅、铜、锌和一些土壤成分(例如,碳酸盐),让他们少用于微生物的活动。不可用螯合金属也可以解释较低数量的金属(铁除外)在植物材料在本研究网站相比其他领域(如工业)(表6)。此外,我们认为无机和有机肥料在农业领域的应用提高微生物活动和防止金属的毒性作用维持土壤生态功能。

在自然区域,尽管pseudototal铅和锌浓度很高,集中观察SOM的分解(图A和C的视野,> 5%3(一个)薄切片显示,微生物活动)的地区正在积极进行(图3 (b))。这可能是由于大多数金属碳酸盐的固定,可约和残余阶段,只有少量的铅和锌被绑定到可氧化的阶段,和,因此,不显著影响土壤动物的活动(图4和表7)。金属浓度在植物材料在这个概要文件除铁(表是最低的6)表明动物活动的金属可以分解SOM没有任何毒性作用。

最近的排泄物和真菌仍然观察到在城市土壤A层表明蚯蚓的活跃人群,microarthropods和真菌在这种土地利用(数字3 (c)和3 (d))。我们认为支持的动物区系的活动添加肥料、灌溉用水的使用和草的存在。尽管如此,适度分解SOM的地平线表明SOM分解的速度低于农业和自然在城市土地用途。这个观察可能是由于两个因素的结合:全年覆盖植被的存在和实际管理的城市公园,灌溉土壤的日常预防腐殖化和矿化率高,并存在高浓度的锌和铅在植物材料(表6)。

高pseudototal Pb、Cd和锌含量土壤可以轻度降低动物区系的活动(46,47]。研究领域,然而,在大比例的pseudototal天车在用时形式,强烈束缚碳酸盐和可约/剩余固体阶段(图4)。预计真菌和节肢动物的活动并不严重影响这个概要文件中观察到微形考试(数字3 (e)和3 (f))。在干旱区域,高数量的碳酸盐的存在有利于金属固定在矿物表面吸附或成核。众所周知,高pH值导致降水的金属氢氧化物(12]。

古老的排泄物和缺乏当代工业土地利用蚯蚓活动特性可以解释蚯蚓的消失的地平线由于金属污染(表2)[48,49]。蚯蚓可能受到镉和锌的存在主要和SOM(图复合物4)。众所周知,蚯蚓摄取SOM与无机材料导致减少生物多样性和土壤的功能在这些环境条件。大浓度的锌oxidisable阶段有机矿质复合体和矿物等硫化物(12]。

略和适度分解SOM的视界工业区(表5和图3 (e))显示了低实际动物区系的活动,支持先前的假设。此外,高浓度的锌和Cd在植物组织(表6)可能产生毒性土壤微动物区系和防止SOM分解。分解SOM的骨料在地平线可能残遗功能继承前土壤系统丰富的蚯蚓人口。这些特性是最有可能的聚合与排泄物的织物组成的有机颗粒和等离子体粒子和矿物粘土和淤泥。

丰富和深入分解垃圾碎片(12%)中观察到的C2地平线的工业区,可能从土壤前残余系统与蚯蚓活动由于粗和细矿物成分的发生在这些聚合的织物。然而,少而可见当代真菌识别活动视界(图3 (f))可能由于这些微生物的迁移这地平线,因为其低pseudototal金属浓度。

4所示。结论

城市和自然的概要文件含有铅、Cd,和锌、可能的主要来源在哪里排放强烈的交通,磨损的轮胎和刹车在城市站点,并与铝电解沉积的粒子经由自然土地使用的风。Cd的污染和农业地区的高水平的锌可能是因为公司的污泥和大气口供从附近的锌生产行业。虽然工业概要文件没有被污染,最高的锌和Cd浓度观察到这个网站可能源自老化肥厂和锌生产行业。

分布的土壤中有机和无机成分的视野从四个土地使用变量表示不同土壤性质和微生物活动。然而,土壤动物区系的活动中观察到所有的视野,除了表面土层下工业土地利用在古代SOM仍然只承认由于铅和锌的浓度升高和高SOM的积累。高金属生物多样性减少和降低土壤系统的工业场所的功能。相反,活跃的动物自然的存在,城市,和农业土地使用证明pseudototal土壤中的铝浓度并不是一个好的指标预测动物活动分区的金属相比各种固体阶段。例如,碳酸盐和铁/锰氧化物是一种重要的水槽或存储金属在该研究领域的基础上减少毒性。此外,外部输入土壤有机、无机肥料等可以减少金属的毒性作用和增强动物区系的活动。

我们建议铝的毒性作用在土壤动物区系的活动可以有效地评估金属分离获得的顺序化学提取程序结合使用微形技术直接观察的动物区系的活动。

确认

作者要感谢“Fundacion塞内加”“德穆尔西亚自治Comunidad”和自然科学和工程研究委员会和加拿大研究主席项目(加拿大)对金融支持进行这项研究。