基于土壤环境基准的铅形态特征及其模型预测

Heavy metal pollution is one of the main environmental problems in China. It has been one of the hot issues that how to predict and evaluate the speciation, bioavailability and toxicity of heavy metals in soil. The Multi-surface model (MSM) can be a promising tool to elucidate the underlying mechanism that controls chemical speciation and reactivity of metals in soil. But the submodel for manganese oxides should be incorporated and the model parameters for manganese and iron oxides, should be updated in the further studies, or there will be a big gap that are applied in soil with the high manganese and iron contents. In this project, the soils containing different quantity of organic matters and paddy are used as the materials. Combined with modern chemical analysis and dose-effect method, the speciation and mobility of heavy metal lead on the interface of soil active solid phase-solution-plant will be studied. The binding mechanism and species distribution between lead and active components will be investigated and the parameters of lead bioactivity on different constituent will be proposed and optimized. Finally, the developed MSM model will be applied to simulate lead speciation and bioavailability in soil. This project will be useful to better understanding heavy metal behavior in soil.

重金属污染是我国主要的土壤环境问题，科学准确地预测土壤中重金属的形态分布与迁移转化，是研究重金属生物有效性与环境阈值的关键环节。多表面模型(multi-surface model, MSM)可准确计算和预测土壤界面重金属元素的环境行为，但现有模型框架中忽视了土壤活性氧化锰的贡献，也并未考虑不同氧化铁结构的差异，导致这些参数应用到高铁锰含量的土壤中存在较大差距。本项目拟以含不同有机质的红壤性水稻土为研究对象、以水稻为供试作物，结合现代化学分析和生物剂量-效应方法，研究重金属铅在土壤固相活性组分-土壤溶液-植物界面的形态分布与迁移，以及对铅植物有效性的作用机理及主控因素，构建铅的土壤-植物体系有效性分配模型，并将其应用于污染土壤中铅形态分布的计算与预测。研究结果可为深入理解土壤活性组分的环境行为、拓展机理量化模型提供理论支撑，为土壤重金属阈值、土壤修复、污染风险评估等提供重要参考。

重金属污染是我国主要的土壤环境问题，当前的土壤环境标准限值制定未考虑土壤类型差异、重金属及其化合物形态的影响，缺乏土壤反应过程及生态效应机理指导，因此，科学准确地预测土壤中重金属的形态分布与迁移转化，成为研究重金属生物有效性与阈值的重要环节。多表面模型(Multi-surface model, MSM)可准确计算和预测土壤活性组分表面重金属元素的环境行为，但现有模型框架中忽视了土壤活性氧化锰的贡献，也并未考虑不同氧化铁结构的差异，导致这些参数应用到高铁锰含量的土壤中存在较大差距。本项目以南方红壤为研究对象、以水稻为供试植物，结合Lab/Field-DMT、MSM和生物配体模型(Biotic ligand model, BLM)等技术和方法，研究重金属铅在土壤固相活性组分-土壤溶液-植物界面的形态分布与迁移，以及对铅植物有效性的作用机理及主控因素，构建铅的土壤-植物体系有效性分配模型，并将其应用于污染土壤中铅形态分布与预测。研究结果表明，结合Lab-DMT技术可明确污染土壤活性组分表面重金属形态分布特征，其中铅主要以有机结合态和氧化锰结合态为主；结合MSM模型和Field-DMT技术探明了氧化还原过程中铅的界面反应过程及竞争机制；水稻生长的氧化还原过程中自由态和溶解态Pb均随淹水时间延长而逐渐降低，低铅时95%以上吸附在Fe/MnOx表面，其次是SOM，少量Pb吸附于黏土矿物上或以溶解态存在；高Pb时吸附在Fe/MnOx表面占比下降，而在黏土矿物表面的比例增加；三种土地利用方式的污染土壤中重金属形态分布存在差异，但蔬菜地、水稻田中铅有效性高于自然林地；当稻田转变为菜地或林地可提高重金属有效性，增加其污染风险，而施入有机肥则降低铅自由态占比，从而降低其有效性；耦合MSM模型和土壤水稻体系Pb-BLM模型可预测土壤重金属铅的粮食安全阈值。上述研究结果可为深入理解重金属在土壤活性组分的环境行为、拓展机理量化模型提供理论支撑，为农田系统重金属的农产品安全风险和土壤生态风险的评估提供数据支持，从而达到有效地提高我国农产品质量安全保障能力，促进农业生态环境改善的目标。