铅污染不同粒径土壤重金属地球化学行为及其植物转运

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土壤是人类生态圈的支撑系统,随着工业化进程的加快,污染物的排放日益增多,重金属成为排放污染物中重要的成分。这些排放的污染物会随着大气干湿沉降进入土壤环境,植物作为生态系统的生产者和生物蓄积的起点,吸收和利用土壤环境中的的重金属污染物,在体内积累和传递,威胁生态环境安全,也可以通过食物链富集威胁人类健康。不同粒级土壤重金属赋存的地球化学行为与植物效应不同,这也是目前重金属生物地球化学研究和关注的焦点。本研究选取陕西某涉铅污染区域土壤为研究样本,通过湿法提取土壤不同粒径的微团聚体(50-250μm、5-50μm、1-5μm、<1μm)组分,表征各组分物理化学特征及重金属元素的地球化学特性与行为,展开土壤细颗粒(<1μm)组分重金属暴露的植物迁移水培试验,研究不同粒级土壤重金属生态地球化学行为等特征规律,为西部干旱半干旱地区涉铅污染土壤生态环境健康评估与污染物治理等提供理论与技术支持。主要的研究结果如下:(1)铅污染土壤中,随着土壤粒径的减小,土壤pH、比表面积、有机质和重金属含量显著升高,石英、长石、云母等原生矿物减少,方解石、绿泥石等次生矿物增多,晶型物质减少,非晶型物质增多,铅元素主要以单质铅的形式存在且多存在于小粒径土壤中,与蓄电池生产工业有关。(2)修正的BCR法连续提取铅污染土壤各粒级组分重金属形态结果表明,各元素在环境中的活性按照从大到小排列:Pb>Mn>Cu>Zn>Ni>Co>Cr。随着粒径的减小各形态的元素含量明显升高,其中,超过95%的重金属铅都属于前三态,随着土壤粒径的减小,可氧化态铅含量显著升高,说明研究区土壤铅活性很强,容易在环境中迁移,且重金属铅在环境中的存在形态与其土壤粒径密切有关。各粒级组分综合潜在生态风险指数按照从大到小的顺序排列:1μm(401.42,极强风险)>1-5μm(357.84,极强风险)>原土(327.49,极强风险)>50-250μm(262.17,极强风险)>5-50μm(183.61,极强风险),随着土壤粒径尺寸的减小,各粒级组分的活性和环境风险明显升高,尤其通过综合潜在生态风险可以知道,1μm土壤组分中污染元素Pb和Cu具有更大的迁移系数和极强的潜在生态风险,必须引起相关职能部门的重视。(3)不同浓度电解质下的土壤细颗粒溶液实验发现,土壤细颗粒水合粒径随时间增加,细颗粒的有效粒径都是先快速增长然后缓慢增长进入一个平台,最终达到平衡状态。通过比较不同温度下土壤细颗粒对金属离子的吸附量(pH=6.5),模拟热力学吸附模型,发现土壤细颗粒对Pb2+、Cu2+、Zn2+的吸附属于吸热反应,对Sb3+的吸附属于放热反应,Pb2+,Zn2+,Sb3+趋向于Freundlich等温吸附模型,Cu2+趋向于Langmuir等温吸附模型,Cu2+、Zn2+、Sb3+三种金属离子的存在促进了土壤细颗粒对铅离子的吸附。此外,根据解吸率可以知道土壤细颗粒对四种金属离子的解吸程度不同,Sb3+容易从土壤细颗粒中解吸进入环境中,解吸率最高可达71.13%,Pb2+,Cu2+,Zn2+解吸率最高不到10%,不易从土壤细颗粒解吸进入水环境。(4)不同浓度铅污染土壤细颗粒溶液培养下,玉米幼苗的生物量随暴露液浓度的增加先增加再减少,幼苗含水率没有显著变化,没有表现出显著的生态毒性效应;玉米幼苗的各根系形态总体上随暴露液浓度的增加先增加后减少,且最高浓度土壤细颗粒溶液各根系形态数据小于空白对照组,说明高浓度铅污染土壤细颗粒溶液已经开始对玉米幼苗生长产生胁迫作用。玉米幼苗地下部随着铅污染土壤细颗粒溶液浓度的升高,钾离子渗漏速率增加,说明不同处理条件会引起玉米幼苗根系细胞膜完整性受损。实验暴露7d的玉米幼苗体内铅含量随着暴露梯度中铅浓度的升高而逐渐升高,迁移系数呈降低趋势,说明铅更容易在玉米幼苗根系积累而不是向地上部传递。另外,玉米幼苗实验中,重金属Mn、Zn地上部含量高于地下部,说明它们容易被植物根系吸收并向上传递;重金属Cu、Ni、Co、Cr地上部含量低于地下部,说明这些元素容易被根系吸收后累积在地下部而不容易向地上部分转运。
摘要第3-5页
Abstract第5-6页
第一章 引言第10-22页
    1.1 重金属环境地球化学第10-13页
        1.1.1 重金属第10页
        1.1.2 环境中的铅第10-11页
        1.1.3 铅的地球化学行为和风险第11-13页
        1.1.4 土壤中铅的化学形态第13页
    1.2 不同粒径的土壤第13-16页
        1.2.1 不同粒径土壤的研究意义第13-14页
        1.2.2 不同粒径土壤的表征技术手段第14-16页
    1.3 细颗粒的生态环境效应第16-19页
        1.3.1 细颗粒及其环境效应第16-18页
        1.3.2 细颗粒的生态效应第18-19页
    1.4 研究目的和内容第19-22页
        1.4.1 研究目的第19-20页
        1.4.2 研究内容第20-21页
        1.4.3 研究技术路线第21-22页
第二章 样品采集和预处理第22-26页
    2.1 引言第22页
    2.2 材料与方法第22-23页
        2.2.1 样品采集第22页
        2.2.2 不同粒径铅污染土壤组分的提取第22-23页
    2.3 试剂和仪器第23-26页
        2.3.1 试剂第24-25页
        2.3.2 仪器第25-26页
第三章 不同粒径铅污染土壤结构和重金属分布特征第26-42页
    3.1 引言第26页
    3.2 材料与方法第26-27页
        3.2.1 尺寸第26-27页
        3.2.2 结构第27页
        3.2.3 化学组成第27页
    3.3 结果与讨论第27-39页
        3.3.1 不同粒径铅污染土壤的理化特征第27-29页
        3.3.2 不同粒径铅污染土壤的粒度特征第29-32页
        3.3.3 不同粒径铅污染土壤的结构与物相特征第32-35页
        3.3.4 不同粒径铅污染土壤重金属赋存特征第35-39页
    3.4 小结第39-42页
第四章 不同粒径铅污染土壤重金属形态与风险第42-52页
    4.1 引言第42页
    4.2 材料与方法第42-45页
        4.2.1 不同粒径土壤重金属地球化学形态提取方法第42-43页
        4.2.2 不同粒径铅污染土壤生态环境风险评价方法第43-45页
    4.3 结果与讨论第45-51页
        4.3.1 不同粒径铅污染土壤的重金属化学形态第45-48页
        4.3.2 不同粒径铅污染土壤重金属环境风险第48-51页
    4.4 小结第51-52页
第五章 土壤细颗粒稳定性及其对重金属的吸附和解吸第52-60页
    5.1 引言第52页
    5.2 材料与方法第52-54页
        5.2.1 土壤细颗粒稳定性试验第52-53页
        5.2.2 土壤细颗粒对金属离子的吸附实验第53页
        5.2.3 吸附热力学模型第53-54页
    5.3 结果与讨论第54-59页
        5.3.1 土壤细颗粒稳定性研究第54-55页
        5.3.2 土壤细颗粒对金属离子的吸附和解吸第55-59页
    5.4 小结第59-60页
第六章 土壤细颗粒组分对玉米幼苗生长的影响第60-68页
    6.1 引言第60页
    6.2 材料与方法第60-62页
        6.2.1 供试材料与幼苗培养第60-61页
        6.2.2 测定方法第61-62页
        6.2.3 分析方法第62页
    6.3 结果与讨论第62-67页
        6.3.1 铅污染土壤细颗粒溶液对玉米幼苗生物量的影响第62-64页
        6.3.2 铅污染土壤细颗粒溶液对玉米幼苗根系形态的影响第64-66页
        6.3.3 铅污染土壤细颗粒溶液对玉米幼苗细胞膜稳定性的影响第66-67页
    6.4 小结第67-68页
第七章 土壤细颗粒组分重金属在玉米幼苗体内的吸收和转运第68-78页
    7.1 引言第68页
    7.2 材料与方法第68-69页
        7.2.1 供试材料与幼苗培养第68页
        7.2.2 测定方法第68-69页
        7.2.3 分析方法第69页
    7.3 结果与讨论第69-76页
        7.3.1 重金属铅在玉米幼苗体内的吸收和转运第69-71页
        7.3.2 重金属Mn、Cu、Zn、Ni、Co、Cr在玉米幼苗体内的吸收和转运第71-76页
    7.4 小结第76-78页
第八章 总结与展望第78-82页
    8.1 结论第78-80页
        8.1.1 铅污染不同粒径土壤的形态和结构组成第78页
        8.1.2 铅污染不同粒径土壤重金属形态和风险评价第78-79页
        8.1.3 土壤细颗粒稳定性及其对重金属的吸附和解吸第79页
        8.1.4 土壤细颗粒组分重金属对玉米幼苗生长及体内迁移特征第79-80页
    8.2 创新与特色第80-81页
    8.3 不足与展望第81-82页
参考文献第82-90页
致谢第90-92页
攻读硕士学位期间科研成果第92-93页
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论文编号ABS4290748,这篇论文共93页
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