东北黑土重金属污染发生机理及健康动力学研究

论文摘要

东北黑土高有机质含量和巨大而连续的耕作带使它成为中国重要的粮食生产基地。随着人类开发和利用程度的加剧,其直接后果是导致黑土健康质量逐渐下降。土壤重金属污染是导致黑土健康质量下降的重要因素之一。本研究通过对东北黑土重金属污染初步调查,确定黑土分布地区重金属污染的主要类型、来源、污染趋势和分布状况,分析污染黑土中重金属形态、迁移和生物有效性等特点。结果表明:黑土环境中,镉、铅、锌的含量呈明显上升趋势,镉是对土壤健康危害最大的重金属;污染较为严重的区域主要分布在城区和城乡结合部,重金属在这些区域中生物有效性高,工业排放和污水灌溉是其重要来源;而在农区耕作土壤中磷肥的长期施用是造成土壤中镉含量上升的主要原因。根据调查结果,选择黑土中主要重金属污染类型—镉,对其在土壤中导致污染发生的主要机理进行了深入研究。从形态、生物有效性和吸附-解吸过程等方面阐述了镉在土壤环境中的主要化学行为,以及这些行为对有机农药交互作用的响应。研究表明,外源镉离子进入土壤后能很快被吸附,由于这种吸附作用,使交换态镉容易向结合态和残渣态转化,被土壤吸附的镉离子有一部分被解吸下来,这也使形态转化呈一个互为可逆的过程。由于黑土特殊的土壤理化性质,镉离子在黑土中的吸附和转化趋势明显强于棕壤。乙草胺的加入能加强这种吸附作用和转化趋势,而敌敌畏的作用则增加了吸附态镉离子释放的风险。镉和乙草胺复合污染条件下对生物的毒性呈拮抗作用。最后,采用化学固定修复的方法,对镉污染黑土进行健康调控研究。通过重金属溶出、形态转化、生物毒性和微观构像等实验评估的结果表明,一种富含H2PO4-、HCO3-和CO32-等配位体的人工合成固定剂对镉污染黑土具有一定的修复潜力。对污染程度较低的重金属面源污染耕作土壤的调控,化学固定化修复在时间和成本等方面显示其修复的优越性。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 文献综述
• 1 土壤重金属污染的发生
• 1.1 土壤重金属污染主要类型与来源
• 1.2 土壤重金属污染的基本特性
• 1.3 土壤重金属污染发生的基本过程和方式
• 1.3.1 土壤重金属污染发生的基本过程
• 1.3.2 土壤环境中重金属的主要化学行为
• 1.3.3 土壤重金属污染发生与其形态
• 1.3.4 环境因素对土壤重金属污染的影响
• 1.4 生物对重金属污染的暴露方式与途径
• 1.5 土壤重金属污染国内外研究进展
• 1.5.1 重金属在生物体内的行为
• 1.5.2 土壤重金属污染诊断和表征
• 1.5.2.1 土壤重金属污染诊断
• 1.5.2.2 土壤重金属污染表征
• 1.5.3 土壤重金属污染治理技术
• 2 土壤健康及其动力学
• 2.1 土壤健康的概念
• 2.2 土壤健康的基本要素
• 2.3 土壤健康动力学的定义
• 2.4 土壤健康的时间效应
• 2.4.1 土壤健康的时间响应
• 2.4.2 土壤健康时间响应的定量描述
• 2.5 土壤健康的动力学过程
• 2.5.1 土壤中有益元素的淋失
• 2.5.2 土壤中有益元素的衰减
• 2.5.3 土壤中污染物的迁移转化
• 3 土壤重金属污染对土壤健康的胁迫
• 3.1 重金属污染对土壤健康的损害
• 3.2 重金属对植物吸收土壤有益元素的影响
• 3.3 土壤-植物系统复合污染对土壤健康的影响
• 3.3.1 土壤-植物系统复合污染定义
• 3.3.2 土壤-植物系统复合污染的类型
• 3.3.3 土壤-植物系统中复合污染作用机理
• 3.3.4 复合污染在土壤-植物系统中的生态效应
• 3.3.5 复合污染对重金属吸附-解吸行为的影响
• 3.3.5.1 土壤对重金属的吸附
• 3.3.5.2 有机物交互条件下影响重金属吸附-解吸的机理
• 4 重金属污染胁迫下土壤健康的化学固定调控
• 4.1 固定化调控的主要技术原理
• 4.2 固定调控物质的主要类型
• 4.3 固定化调控的评价
• 4.4 固定化调控土壤健康研究展望
• 5 东北黑土重金属污染与健康
• 5.1 东北黑土概况
• 5.2 东北黑土污染研究的现状
• 5.3 东北黑土土壤健康研究的重要意义
• 5.3.1 东北黑土的重要战略意义
• 5.3.2 东北黑土面临的现状
• 5.3.3 东北黑土重金属污染研究对土壤健康的意义
• 第二章 试验研究内容与技术路线
• 2.1 研究目的及意义
• 2.2 立题依据
• 2.3 研究内容
• 2.3.1 东北黑土重金属评价与污染趋势分析
• 2.3.2 污染黑土形态分布和生物有效性分析
• 2.3.3 镉在形态和生物学毒性上对有机污染物的响应
• 2.3.4 镉在土壤中吸附－解吸行为
• 2.3.5 镉在土壤中吸附-解吸行为对有机污染物的响应
• 2.3.6 镉污染胁迫下土壤健康化学固定化调控
• 2.4 技术路线
• 第三章 东北黑土重金属污染评价与趋势分析
• 引言
• 3.1 材料与方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 黑土重金属污染的评价
• 3.2.1.1 单污染指数评价
• 3.2.1.2 背景值比较法
• 3.2.1.3 表底土比较法
• 3.2.1.4 交换态含量对评价方法的校正
• 3.2.2 评价方法的比较
• 3.2.3 黑土中重金属污染的趋势与来源
• 3.2.3.1 土壤镉污染
• 3.2.3.2 土壤铅污染
• 3.2.3.3 土壤铜污染
• 3.2.3.4 土壤锌污染
• 3.2.4 不同作物类型和空间分布的重金属污染
• 3.3 小结
• 第四章 污染黑土镉的形态分布及生物有效性分析
• 引言
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 供试土壤
• 4.1.2 单一提取法
• 4.1.3 序列提取法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 黑土中不同污染来源重金属的形态分布和迁移性
• 4.2.1.1 黑土中镉的形态分布
• 4.2.1.2 黑土中铅的形态分布
• 4.2.1.3 黑土中锌的形态分布
• 4.2.1.4 黑土中铜的形态分布
• 4.2.2 污染黑土中重金属生物有效性及迁移能力评价
• 4.2.3 重金属在哈尔滨污染黑土土壤-植物系统中的生物活性
• 4.2.3.1 单一提取结果
• 4.2.3.2 植物体内重金属含量及生物活性评估
• 4.2.4 污染黑土中重金属形态分布的年际变化
• 4.3 小结
• 第五章 镉对乙草胺污染交互作用的形态响应
• 引言
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 供试土壤
• 5.1.2 分析方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 乙草胺交互作用下镉在黑土中的形态响应
• 5.2.2 乙草胺交互作用下污染棕壤中镉在形态上的响应
• 5.3 小结
• 第六章 镉对乙草胺交互作用的生物有效性响应
• 引言
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 材料
• 6.1.2 实验方法
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 单因子实验结果
• 6.2.2 镉和乙草胺交互作用对芽长的抑制
• 6.3 小结
• 第七章 镉在土壤中吸附-解吸行为：与棕壤的比较
• 引言
• 7.1 材料与方法
• 7.1.1 供试土壤
• 7.1.2 土壤吸附测定
• 7.1.3 土壤解吸测定
• 7.1.4 计算方法
• 7.2 结果与讨论
• 7.2.1 镉吸附热力学行为
• 7.2.2 吸附动力学行为
• 7.2.3 吸附速率的变化
• 7.2.4 镉解吸热力学过程及滞后效应
• 7.2.5 解吸动力学过程
• 7.2.6 解吸速率的变化
• 7.3 结论
• 第八章 有机污染物对镉吸附-解吸行为的影响
• 引言
• 8.1 材料与方法
• 8.1.1 供试土壤
• 8.1.2 供试化学品
• 8.1.3 实验方法
• 8.2 实验结果
• 2+吸附解吸行为相关的主要土壤理化性质'>8.2.1 与Cd²⁺吸附解吸行为相关的主要土壤理化性质
• 8.2.2 乙草胺和敌敌畏对镉在黑土和棕壤中等温吸附的影响
• 8.2.3 乙草胺和敌敌畏对镉在黑土和棕壤中等温解吸的影响
• 2+土壤中解吸滞后的影响'>8.2.4 有机污染物交互作用对在Cd²⁺土壤中解吸滞后的影响
• 8.2.5 乙草胺和敌敌畏对镉在黑土和棕壤中吸附动力学的影响
• 8.2.6 乙草胺和敌敌畏对镉在黑土和棕壤中解吸动力学的影响
• 8.3 小结与讨论
• 第九章 黑土土壤健康化学固定调控案例研究
• 引言
• 9.1 材料与方法
• 9.1.1 供试土壤
• 9.1.2 固定物质的筛选
• 9.1.3 固定化培养
• 9.1.4 重金属溶出测定
• 9.1.5 固定处理后的序列提取
• 9.1.6 生物毒性实验
• 9.1.7 固定化处理扫描电镜观察
• 9.2 结果与讨论
• 9.2.1 化学固定物质的初步筛选
• 9.2.2 固定处理后的毒性特性溶出（TCLP）实验和强化毒性特性溶出实验 （Aggressive TCLP）
• 9.2.3 固定处理后 Cd 的动态溶出过程
• 9.2.4 固定化处理后重金属镉的形态变化
• 9.2.5 固定处理后土柱淋溶过程
• 9.2.6 固定化处理后镉在土壤中生物毒性的变化
• 9.2.7 固定化处理后镉在土壤中构象的变化
• 9.3 小结
• 第十章 研究结论
• 参考文献
• 博士期间科研产出
• 致谢
• 个人简介