地球化学模型在土壤重金属形态研究中的应用进展

重金属在土壤中的固-液分配行为和形态分布对于其环境迁移过程和生物有效性有重要意义.基于热力学机制的地球化学平衡模型是重金属形态研究中一项重要手段.本文从形态模型的发展历史出发,对土壤环境中一些常见的地球化学形态模型进行了梳理;对形态模型的使用过程中模型输入值,包括吸附组分和活性态金属含量的确定方法进行了说明;对地球化学形态模型在各方面的应用进行了总结;最后对模型今后的发展方向和应用前景进行了展望.     

基于多表面形态模型的土壤镉在小白菜中的富集效应

基于土壤理化性质和热力学化学平衡的多表面形态模型(multi-surface speciation model,MSM)近年来已成功被应用于描述多种痕量元素在土壤固/液相间的分配,但在土壤-植物系统中的应用尚不多见.本文采用室内盆栽实验,调查了我国6种代表性土壤中Cd(Ⅱ)在小白菜中的生物富集情况,首先比较了5种化学提取方法(总Cd、CaCl_2、HNO_3、Mehlich-3和BCR)测定的有效态Cd与小白菜中Cd富集量之间的相关性,其次基于MSM预测土壤中溶解态Cd(Ⅱ)浓度并与Cd在白菜中富集量进行了相关性分析,同时考察了不同模型架构下模型对相关性的影响.结果表明,MSM预测的土壤中溶解态Cd浓度与小白菜中Cd富集量之间有较好的相关性,大部分模型架构下优于化学提取法,说明MSM一定程度上反映了土壤理化性质对Cd生物有效性的影响.由于MSM在计算过程中基于热力学参数,因此具有很好的外延性,说明其在土壤-植物系统中重金属生物有效性和风险评价方面具有较大的潜力.     

亚磷酸盐降解微生物的筛选、鉴定和降解特性

从太湖底泥中筛选出一株能够利用亚磷酸盐(+3价)的细菌P1.通过生理生化实验及16S rDNA基因序列分析鉴定,P1菌与所有已知菌的同源性都很低,属于未知的新菌株.P1菌的最适培养条件为:pH6.5~7.0、温度30℃.P1菌能以亚磷酸盐为唯一磷源生长,在60~100mg P/L的初始亚磷酸盐培养条件下,100mgP/L的亚磷酸盐培养基中亚磷酸盐减少量最大(11%),培养基中生成正磷酸盐的比例最高1.6%.初始亚磷酸盐浓度越低,碱性磷酸酶(BAP)活性越高,60mgP/L的亚磷酸盐培养基中BAP的最高活性为1.86mol PNP/(L菌液·h).P1菌可能通过BAP将亚磷酸盐转化成生物体内所需的磷源.     

钝化土壤根际pH值和O2精细变化特征研究

采用自主构建的平面光极技术(PO),以凹凸棒石黏土钝化土壤-根系微界面为研究对象,精细刻画土壤-根系微界面p H值和O₂的同步变化特征.研究结果首次直观和定量证实,不同钝化土壤剖面p H值和O₂在毫米尺度呈高度的空间异质性并具有显著的差异(P<0.01).添加凹凸棒石黏土使土壤p H值升高但对O₂微环境影响不显著,钝化土壤-根系2～5mm范围内p H值降低0.31～0.87个单位,而O₂含量增加至58.56～82.01μmol/L,靠近根基部位为根系分泌有机酸和O₂的热点区域,与CK相比,中、高Cd污染钝化土壤-根系微界面酸化和释氧能力较强,在一定程度上会促进钝化Cd的再活化和水稻根系的吸收.     

稀土在土壤-植物系统中的分馏效应及影响因素

以稀土背景较高的红壤为供试土壤,采用小麦盆栽实验,研究了稀土元素在土壤～小麦系统中的分馏模式,考察了外源稀土浓度、腐殖酸浓度和土壤酸度对稀土分馏模式的影响.结果发现,红壤中稀土的分馏模式与我国土壤的稀土分馏模式基本一致,为向右倾斜的轻稀土富集模式.小麦根部的稀土分布模式与土壤类似,小麦茎叶中稀土分布模式则有所不同.加入外源稀土后,小麦根部的稀土分馏模式随土壤中稀土丰度的改变而改变,而小麦茎叶中的稀土分馏模式却保持相对稳定,说明小麦地下部分与小麦地上部分对稀土的吸收方式存在差异.腐殖酸对稀土在土壤-小麦系统中的分馏效应影响不大土壤酸度对稀土在土壤-小麦系统中的分馏效应有一定的影响,在所试验条件下,观察到小麦中稀土元素的分馏系数随pH值降低而降低,高pH值(pH＝6.7)使稀土在小麦中的分馏系数加大.     

富里酸对小麦植株积累稀土元素的影响

从我国东北黑土中提取和纯化富里酸。采用水培方法研究了富里酸对小麦植株生物积累稀土元素（La^3 ，Ce^3 ,Sm^3 ,Gd^3 ,Y^3 )的影响。结果表明，在所试验的多种浓度中，当富里酸浓度低于0.26mg(C)/L时，小麦积累稀土元素受到促进；而当富里酸浓度大于0.65mg(C)/L时，稀土元素在小麦植株中的积累受到抑制；富里酸对小麦积累稀土“高抑低促”的分界浓度介于0.26——0.65mg(C)/L之间。生长动态实验表明，小麦在含有2.0mg/L稀土和两种浓度（0.13和1.30mg(C)/L)的富里酸的营养液中生长，根部对稀土的积累呈线性增长规律（相关系数大于0.86)，茎叶部对稀土的积累无线性增长规律，小麦根部对稀土的积累远高于茎叶部，同样观察到富里酸对小麦积累稀土存在“高抑低促”的生物效应。     

开放式空气CO2增高条件下稻田磷化氢气体的释放研究

磷化氢(PH3)已被证实是大气中普遍存在的痕量气体.采用FACE(free air carbon dioxide enrichment)平台,研究了不同氮施肥水平(常氮250 kg/hm2和低氮125 kg/hm2)下,CO2浓度升高对水稻田磷化氢释放通量的影响.结果表明,水稻生长旺盛期(分蘖,拔节)磷化氢通量和浓度高于生长缓慢期,FACE圈常氮区分蘖期磷化氢释放通量最大,为(155.2±22.71)ng/(m2.h).整个水稻生长期磷化氢平均释放通量最大值在FACE圈常氮区观察到,为(41.72±7.06)ng/(m2.h),最小值(-1.485±6.229)ng/(m2.h)出现在对照圈低氮区.FACE处理显著促进磷化氢的排放,不同氮素水平对磷化氢释放影响差异不显著.磷化氢的净通量和浓度与温度均呈显著正相关.对水稻成熟期全天释放通量及浓度测试表明,光照是影响白天磷化氢浓度的主要因素.     

区域农田土壤镉风险的机理式定量预测模型研究——以江苏省为例

大面积区域土壤风险的精准定量评价和预测一直是研究的热点和难点,以往经验式为主的模型在普适性上存在较大局限.基于土壤理化性质和热力学化学平衡的机理式多表面形态模型(Multi-surface Speciation Model,MSM)已在实验室和小区域尺度成功预测土壤Cd的溶出,但能否应用于更大区域的环境风险评价还未可知.基于此,本研究收集了3354个江苏省表层土壤Cd样品和155个含有理化性质的表层土壤剖面,利用图斑赋值方法得到3354个具有完整理化性质和全量Cd含量的土壤样品数据,在此基础上利用MSM预测各样品的有效态Cd含量,并根据江苏省典型区域MSM-Cd阈值开发了基于MSM的江苏省土壤Cd污染生态风险评价预警模型和敏感性模型,并绘制了江苏省土壤Cd污染风险现状图和土壤Cd敏感地图.结果表明,MSM-Cd比总Cd可更准确预测高污染地区和非污染区域,同时发现增加土壤pH是降低Cd生态风险的最有效途径,而pH是影响土壤Cd敏感度的最重要原因.研究表明,基于MSM的土壤Cd风险预测模型可实现区域土壤风险的精准定量化评估与预测,为土地质量管理和风险管理提供决策依据的实用技术支持.     

重金属-柠檬酸-针铁矿三元体系的表面络合模型研究

根际环境产生的柠檬酸等小分子有机酸可能影响重金属的溶出效应.本文研究了4种重金属Cd、Pb、Cu、Ni及柠檬酸在针铁矿表面的三元体系吸附行为,结果发现柠檬酸促进了4种重金属酸性条件下在针铁矿表面的吸附量,而Cu、Ni促进了柠檬酸碱性条件下的吸附.结合红外光谱图发现,重金属-柠檬酸-针铁矿主要存在以下2种三元体系形态,即以柠檬酸为"桥键"的≡Fe2CitMe形态和以重金属为"桥键"的(≡FeOH)2MeCit形态.采用电荷分配-多位点表面配合(CD-MUSIC)模型成功预测了的三元体系重金属及柠檬酸在针铁矿表面的吸附行为,模型结果发现柠檬酸的存在显著改变了重金属的吸附形态,其中≡Fe2CitMe为Cd、Pb、Ni三元体系中酸性条件下的主要形态,(≡FeOH)2CuCit为Cu的主要形态.研究补充完善了根际环境的土壤形态模型数据库,为预测重金属的溶出及生物有效性的模型研究提供了基础数据.     

重金属离子与典型离子型有机污染物的络合效应研究

采用自动电位滴定法,研究了水环境中4种常见的重金属离子Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+与环丙沙星、磺胺甲基嘧啶和全氟辛酸的络合效应.测定了3种有机物与4种金属离子的络合常数logK值,计算了各种络合物在不同pH值下的形态分布. 结果表明,Cu2+与环丙沙星能形成较为稳定的络合物Cu(cip±)2+、Cu(cip±)22+、Cu(cip-·cip±)+,其络合能力要远强于Pb2+、Zn2+、Cd2+,前者形成的络合常数要比后三者高出3个数量级.4种金属离子与磺胺甲基嘧啶均有一定的络合能力,但稳定常数差别不大.全氟辛酸分子中由于带有较多的电负性强的F,表现出强酸的性质,与4种金属离子未见明显的络合作用.