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《华东师范大学》 2009年
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痕量有毒金属元素在农田土壤—作物系统中的生物地球化学循环

史贵涛  
【摘要】: 随着城市化过程的加速和人类活动的干扰,有毒金属元素通过各种途径进入土壤环境。金属元素在土壤中不能被微生物分解,可逐步累积,并通过食物链在生物体中富集,或转化为毒性更大的有机化合物,导致土壤环境质量下降,农作物出现中毒,进而影响人类健康;同时还会造成水环境污染和生态环境的进一步恶化,二十世纪发生的十大环境公害事件中有两起直接是由金属元素污染引起的。因此土壤有毒金属元素污染已成为全球环境变化研究的重大问题之一,是近年来国内外环境领域研究的热点。 在国家自然科学基金项目“饮用水源地底泥重金属再悬浮释放与水源地水质安全研究”、上海市环保局招标项目“饮用水源地持久性毒害污染物调研及对策”、“上海市持久性毒害污染物溯源调查及对策研究”和上海市基础研究重点项目“上海市饮用水中内分泌干扰物的环境污染过程与控制技术”的资助下,本文对生物毒性较大的痕量金属元素Cd、Pb、As、Hg和Cr在上海土壤中的污染特征进行了详细研究,并对其大气干湿沉降过程、农田土壤-植被迁移过程、农田地表径流输移过程、土壤渗漏淋失过程等生物地球化学行为进行了系统探讨,较完整地估算了有毒金属元素在农田系统中的输入输出通量;此外,论文对pb~(2+)和Hg~(2+)的等温吸附过程进行了深入探讨。主要得到以下几个方面的结论: (1)上海农田土壤金属元素累积较轻,基本符合农业种植要求,地表灰尘金属元素累积较明显;绝大多数金属元素在农田表层土壤呈现一定的富集。表层土壤Cd以可还原态和弱酸提取态为主,Pb和As均以残渣态为主,Hg则以可还原态和残渣态为主,各元素形态分布在土壤不同深度无明显差异;Cd、Pb、As和Hg在表层土壤的迁移系数分别为36.43%、0.17%、1.08%和2.76%,生物有效态含量占总量的比例依次为Cd>Hg>Pb>As。施肥、工业或生活垃圾肥田等是农田土壤金属积累的主要原因,交通和工业污染是地表灰尘金属元素的主要来源。 (2)城市土壤各金属元素含量高于农田土壤,在地表灰尘中的累积更严重;在上海市区,金属元素污染的“热点”区域多分布于城市中心区、主要道路交叉口和工业区附近。溯源分析表明Pb、Zn和Cu主要来自交通污染,土壤Ni则主要来自土壤母质,Cd主要来自工业污染,地表灰尘中的Cr和Ni主要源于大气沉降。 (3)小麦植株金属元素含量在不同生长时期表现出明显差异;各器官有毒金属元素含量相比较,果实均较低,而根系普遍高于其它器官;虽然与小麦均为禾本科被子植物,狗尾草对有毒金属元素的累积存在较大差异,果实含量较高,而根的含量相对较低;不同种类的蔬菜对金属元素累积能力存在显著差异,金属元素在蔬菜根中更容易累积。总体来看植物对Cd的富集能力相对较强,对As的富集能力则普遍较弱。土壤中有毒金属元素有效态含量是影响植物体含量的最主要因素,二者符合三次函数关系。作物中有毒金属元素的健康风险评估结果表明,食用小麦和青菜存在一定的致癌风险,食用小麦和蔬菜引起的非致癌风险可以忽略。 (4)上海降水pH较低,表现出明显的酸性,Eh主要分布在120mV-200mV间,EC值在夏季相对较低,冬季相对较高。NO_3~-与SO_4~(2-)当量浓度比表明酸雨为H_2SO_4主导型,H_2SO_4对酸雨的贡献率表现为市区<郊区<远郊;TN含量范围为0.37 mg·L~(-1)-11.69 mg·L~(-1),空间上表现为市区>郊区>远郊;TC平均含量为19.48mg·L~(-1),与TN表现出相同的空间变化规律,降水中TOC占TC的90%以上。降水各金属元素含量表现为Pb>Cr~(6+)>As>Cd>Hg,空间上表现为市区较高,郊区和远郊较低;各金属元素在降雨中污染较严重,污染程度表现为Hg>Pb>Cd>As≈Cr~(6+);从时间变化看,降雨中Cd、Pb和As在12月含量相对较高,夏季月份含量相对较低。就降雨中形态分布而言,有毒金属元素主要以溶解态存在,各金属元素分配系数K值均大于1。降雨量大小和风向可直接影响各化学成分的含量;降雨中~(206)pb/~(207)pb变化范围为1.1620-1.1748,~(207)pb/~(208)pb在0.40878-0.41103间变化;降雨中N、Cd、Pb和As主要源于交通污染,Cr和TIC主要源于地表灰尘及建筑尘埃,TOC和Hg主要源于燃煤排放。 (5)市区金属元素湿沉降通量较高,郊区和远郊相对较低;Cd、Pb、As和Hg在上海地区的大气干湿沉降通量分别为404、1 5500、2934和283μg·m~(-2)·yr~(-1),湿沉降对干湿沉降总量的贡献相对较高;从大气干湿沉降通量的空间分布来看,市区最高,郊区其次,远郊最低,人类活动密集程度的不同导致了有毒金属元素大气沉降通量的差异;分析发现上海是全球大气环境有毒金属元素污染的重要输出地。 (6)农田地表径流溶解态金属元素的含量普遍低于降雨;无植被覆盖农田径流溶解态金属含量初始阶段相对较低,随着径流的进行逐渐增大,达到峰值后逐步减小;径流颗粒物粒径小于土壤,金属元素含量则明显高于土壤,其变化趋势同溶解态相似;径流过程颗粒态和总量有毒金属元素的流失表现出明显的初始冲刷效应。植被覆盖地径流中溶解态金属元素含量随径流过程无明显的变化规律;颗粒态金属元素含量随径流浊度的降低而增加;径流事件中溶解态金属元素的EMC值表现为Cr~(6+)As>Pb>Cd≈Hg,地表径流初始冲刷效应不明显。Cd、Pb和Hg在径流过程中以吸附为主,As和Cr~(6+)以解析为主;降雨中金属元素含量是吸附/解析过程发生的最主要影响因素,Cd、Pb、As和Hg发生吸附/解析过程的临界降雨含量分别为0.095、1.068、1.049和0.066μg·L~(-1);无植被覆盖农田径流中溶解态Cd、Pb和Hg含量及颗粒物含量明显高于植被覆盖地,As和Cr~(6+)则相反。农田地表径流中各元素的固-液分配系数LgK_d表现为As≈Pb>Hg≈Cd,均存在显著的“颗粒物浓度效应”;径流中颗粒态金属元素的含量主要取决于颗粒物粒径大小和物理性粘粒的含量。 (7)土壤渗漏液中各金属元素含量较低,表现为Cr~(6+)>Pb>As>Hg>Cd;各元素在不同土层渗漏液中含量变化不一致,Cd和Hg表现为20cm<40cm<60cm,Cr~(6+)含量变化表现出相反的规律,Pb和As则无明显的规律;植物根系分泌大量酸性物质使土壤中金属元素的活性增加,植被覆盖土壤渗漏液中金属元素含量普遍高于裸地土壤渗漏液;土壤颗粒对降雨中Cd、Pb、As和Hg起到明显的吸附作用,使得渗漏液含量明显低于降雨,而Cr~(6+)则相反。总体来看渗漏量主要受降雨量的影响,二者呈线性相关;生源要素C、N的年渗漏通量在不同深度土层中均表现为20cm<40cm<60cm;金属元素渗漏通量大小表现为Cr~(6+)Pb>As>Hg>Cd,在各土层渗漏液中的变化无明显规律。两种溶液相比较,Cd、As及Cr~(6+)在地表径流中含量更高,Pb和Hg则在渗漏液中含量较高,吸附作用的差异是造成径流和渗漏液含量不同的主要原因。 (8)随溶液中沉积物质量增大,Pb~(2+)达到吸附平衡所需时间变短,单位沉积物吸附量和达到吸附平衡后溶液中Pb~(2+)浓度变低;沉积物含量大于0.6g·L~(-1)时对溶液中Pb~(2+)的去除率超过95%;沉积物吸附pb~(2+)符合Langmuir和Redlich-Peterson等温吸附模型,表现出对Pb~(2+)较强的单层吸附能力;pb~(2+)在沉积物上吸附的动力学过程符合假二级动力学模型,该模型拟合的平衡吸附量也更接近真实值;Pb~(2+)初始吸附速率与初始溶液中沉积物质量无明显的相关性;随溶液中沉积物浓度的增加,吸附速率常数逐渐增大,化学吸附所起的作用也越显著;较高浓度沉积物吸附Pb~(2+)的动力学机制能较好符合Elovich方程,但较低浓度沉积物时则相对较差;从吸附速率来看,溶液中沉积物质量较高时,内扩散是整个吸附过程速率的控制步骤,沉积物含量较低时,吸附速率存在多级线性过程,初始阶段非均相扩散是主要控制步骤,但随着时间的延长,其吸附过程转变为沉积物内部的扩散过程。溶液pH值、沉积物粒径、沉积物HA含量、EDTA共存等均可对吸附过程产生影响,Pb~(2+)浓度较低情况下Zn~(2+)的共存不能对pb~(2+)的吸附产生显著影响。Hg~(2+)初始含量为10μg·L~(-1)时,沉积物以物理吸附为主,0.3min时沉积物对Hg~(2+)的吸附率均在97%以上;沉积物质量、pH、EDTA共存、沉积物HA含量对Hg~(2+)的吸附可产生明显影响,由于吸附质含量较低,Cd~(2+)共存和沉积物粒径对Hg~(2+)吸附无显著影响。 (9)静态柱状沉积物吸附Pb~(2+)相对较慢,初始含量越低,平衡浓度越低,从水相向沉积物相的扩散速率也越小;整个静态吸附过程中扩散速率和扩散通量与Pb~(2+)初始浓度呈显著的线性正相关关系。研究发现,水葫芦茎粉末是一种高效的生物吸附剂,对溶液中pb~(2+)(含量范围0.1-40 mg·L~(-1))的吸附率在90%以上;初始Pb~(2+)浓度越高,吸附剂质量越低,水葫芦粉末的平衡吸附量越大,吸附过程中活化能增加也越大;假二级动力学模型能较准确的模拟水葫芦粉末对pb~(2+)的吸附过程,吸附过程中化学吸附是主要的速率控制步骤;水葫芦粉末吸附pb~(2+)的过程存在明显的“两级线性过程”。 (10)大气干湿沉降对农田土壤有毒金属元素的输入贡献率均在90%以上;农田系统中Cd、Pb、As和Hg的输入通量分别为0.4020、15.711、3.139和0.250mg·m~(-2)·yr~(-1),均大于输出通量,分别为0.3247、10.5033、1.4944和0.0960mg·m~(-2)·yr~(-1)。进入农田中的各金属元素,80%以上的Cd累积在植物体中,近50%的Pb以地表径流形式进入地表水环境,残留在土壤和进入地表水环境的As超过80%,近60%的Hg残留在土壤中。 本论文的主要特色: (1)从多学科交叉、宏观现象认识与微观机理实验模拟相结合的研究方法,围绕农田系统中金属元素的“输入”和“输出”过程,深入探讨了金属元素在农田土壤-植物系统中的环境行为。 (2)本论文强调“自然条件”与“野外定点观测”,不同与以往对金属元素生物地球化学循环过程(如地表径流、渗漏输移等)研究过多依赖于室内模拟的状况。 (3)自行设计了研究金属元素生物地球化学循环过程的若干装置和设备,建立了基于SINEO MDS系列密闭微波制样系统的环境样品处理方法。 (4)首次系统研究了上海市大气有毒金属元素的干湿沉降特征及通量,发现上海是全球大气环境中有毒金属的重要输出地。 (5)利用同位素示踪技术,对农田系统中金属元素的主要来源进行了分析。 (6)对金属离子在城郊小河流沉积物上吸附的动力学过程和影响机制进行了深入探讨,并对一种新型的生物吸附材料进行了探索。 (7)系统估算了常规种植条件下,农田系统中有毒金属元素的输入输出通量,计算了有毒金属元素在农田土壤中的累积速率。
【学位授予单位】:华东师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:X53

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9 刘宝存,孙明德,吴静;北京郊区粮田土壤养分与施肥[J];北京农业科学;1999年06期
10 马永红;饮水与运动后的疲劳恢复──碱性离子水对运动员训练后血HL的实验与分析[J];北京体育大学学报;2002年04期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 常静;刘敏;侯立军;许世远;欧冬妮;;上海城市降雨径流污染过程、效应与管理[A];《自然地理学与生态建设》论文集[C];2006年
2 刘敏;许世远;侯立军;欧冬妮;常静;;城市自然地理的实践与发展[A];《自然地理学与生态建设》论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 张岁岐;根冠关系对作物水分利用的调控[D];西北农林科技大学;2001年
2 张恩仁;长江口悬浮泥沙的吸附—解吸作用对元素固—液相态转化控制的研究[D];华东师范大学;2003年
3 郑晓阳;基于SDSS的感潮河口城市水灾减灾辅助决策研究[D];华东师范大学;2005年
4 樊曙先;南京市区与郊区气溶胶PM_(2.5)元素及多环芳烃污染特征的对比研究[D];南京信息工程大学;2006年
5 孟飞;上海土地利用覆被变化过程、机制与环境效应[D];华东师范大学;2006年
6 赵沁娜;城市土地置换过程中土壤污染风险评价与风险管理研究[D];华东师范大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 蒋益民;湖南省酸雨的成因、危害和防治措施的初步研究[D];湖南大学;2001年
2 张菊;上海城市街道灰尘重金属污染研究[D];华东师范大学;2005年
3 王和意;上海城市降雨径流污染过程及管理措施研究[D];华东师范大学;2005年
4 蒋海燕;上海城市土壤、地表灰尘环境特征分析及其管理体系研究[D];华东师范大学;2005年
5 梅自良;成都市区降雨化学组成及酸雨成因综合分析[D];四川大学;2005年
6 郑凤琴;南宁市酸雨时空分布特征分析与趋势预测方法研究[D];南京信息工程大学;2006年
7 张心怡;基于遥感和GIS的上海土地利用/覆盖变化及其热环境效应研究[D];华东师范大学;2006年
8 程书波;上海市地表灰尘PAHs累积、迁移过程及生态风险评价[D];华东师范大学;2006年
9 黄嫣旻;城市地面扬尘的估算与分布特征研究[D];华东师范大学;2006年
10 赵祥峰;济南市近郊大气颗粒物中重金属形态分析及污染特征研究[D];山东大学;2006年
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2 纪春艳;傅春玲;卞华慧;蔡鹏飞;王小平;;苏州水生蔬菜中铁、锌、硒、镉、铅、砷含量变化研究[J];食品科技;2011年03期
3 苏爱梅;小清河干流底质有毒金属形态分布[J];安全与环境工程;2003年04期
4 关汇川;;用过氧化氢处理含氰化物和有毒金属废水[J];化学推进剂与高分子材料;1991年03期
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6 史东丽;;水体中有毒金属毒性作用的规律性探讨[J];当代化工;2011年05期
7 仲;;从污中除去有毒无机物[J];污染防治技术;1993年02期
8 ;有毒金属[J];劳动保护;1973年04期
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10 何小娟;防止水土受有毒金属污染的技术[J];化工环保;2004年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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2 吴丰昌;刘丛强;傅平青;岳兰秀;黎文;白英臣;王立英;;天然溶解有机质生物地球化学与生态环境效应[A];中国矿物岩石地球化学学会第十届学术年会论文集[C];2005年
3 涂江平;;纳米改性动力型锌镍电池的产业化技术[A];第二届中国储能与动力电池及其关键材料学术研讨与技术交流会论文集[C];2007年
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5 王晓焕;王爱勤;;黏土基复合水凝胶对重金属吸附性能研究[A];第五届全国环境化学大会摘要集[C];2009年
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8 周启星;张倩茹;任丽萍;齐杰;;超积累花卉在污染土壤修复中的环境化学本质[A];第三届全国环境化学学术大会论文集[C];2005年
9 牛福生;张锦瑞;律文智;;采煤塌陷区水体重金属污染分析及植物修复技术探讨——以唐山市南湖公园为代表的采煤塌陷区为例[A];中国环境科学学会2006年学术年会优秀论文集(下卷)[C];2006年
10 金杰坤;;浅谈核电发展与环境保护[A];第四届中国核学会省市区“三核”论坛论文集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 杜华斌;美制成能清除有毒金属的纳米海绵[N];科技日报;2005年
2 记者 杜华斌;科学家发现能吃有毒金属的细菌[N];科技日报;2005年
3 国家粮食局无锡科学研究设计院 王永昌 教授;直击饲料污染与对策[N];中国畜牧兽医报;2005年
4 晓琴;经常疲倦的八个原因[N];中国消费者报;2003年
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6 健康时报驻加拿大特约记者 杨华京;食品安全知识小测试[N];健康时报;2008年
7 阿玲;经常疲倦的八个原因[N];中国水利报;2003年
8 贾建军;常感疲倦有八因[N];民族医药报;2003年
9 薛仕妹;赶走疲劳[N];医药经济报;2004年
10 本报记者 赵菲;别把重金属吃下肚[N];中国医药报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 王菊英;海洋沉积物的环境质量评价研究[D];中国海洋大学;2004年
2 李丽君;环境污染物对重要农业蝗虫的生态毒性效应[D];山西大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 郝炜;粉煤灰内金属浸溶特性的试验和模拟研究[D];华中科技大学;2007年
2 唐守渊;微型全化学分析芯片分析毒性重金属离子[D];重庆大学;2002年
3 吴杰;无金属参与的烯烃的催化双羟化反应研究[D];兰州理工大学;2011年
4 易飞鸿;从冶锌废渣中提取锗、铟的研究[D];广东工业大学;2003年
5 陈晓坡;萘酰亚胺衍生物的合成及性能研究[D];郑州大学;2013年
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