污染土壤中镍形态转变的长期动态过程及机理研究

It is essential to take into account the speciation distribution and transformation in the risk assessment and remediation of trace metal contaminated soil. However, environmental behavior of nickel (Ni) in soil, especially in field soil, during long-term ageing process was seldom studied. In this project, the lability and bioavailability of Ni in three representative soils (acidic red soil in Qiyang, neutral paddy soil in Jiaxing and alkaline calcareous soil in Dezhou) will be studied using isotopic dilution technique and toxicity bioassay. The speciation distribution of Ni in the three soils will be studied by sequential extraction procedure with modified Tessier method. The coordination environment of Ni at microscale and its molecular chemical speciation will be probed with X-ray absorption fine structure spectroscopy (XAFS). The objectives are to elucidate the long-term dynamic process of speciation transforming for Ni during aging in field. The key factors controlling the process and the corresponding mechanisms will be also determined. The project will enrich the research about Ni environmental behavior in soil and provide supportive information for the risk assessment and management of Ni contaminated soil.

科学认识金属污染物在土壤中的形态分布及转变，有助于准确评价土壤污染的风险水平及合理选择污染修复控制技术。目前有关土壤镍形态转变的研究多数基于短期室内实验进行，对其在土壤长期老化过程中的形态转变尚缺乏系统认识。本项目选取祁阳红壤、嘉兴水稻土、德州潮土3种代表性土壤，外源添加镍盐后置于室外进行短期老化，同时利用经田间长期老化的对应类型镍污染土壤，借助同位素稀释技术和生物毒性测试，研究长期老化过程中镍生物有效性／毒性的变化及影响因素；联合化学分级提取和X射线吸收精细结构光谱技术，研究镍的赋存形态和微观化学形态的变化及其影响因素。通过以上研究探明污染土壤中镍形态转变的长期动态过程，明确镍形态转变的控制过程并从分子尺度上阐明其机理，深入认识镍在土壤中的分配、迁移、转化等环境行为，为土壤镍污染的风险评价及控制管理提供科学依据。

目前有关土壤镍形态转变的研究多数基于短期室内实验进行，对其在土壤长期老化过程中的形态转变尚缺乏系统认识。本项目分别选取嘉兴水稻土和德州潮土两种代表性土壤，外源添加NiCl2并置于室内进行人工老化，同时利用经田间长期老化的对应土壤类型镍污染土壤，以经过不同老化方式、老化时间的Ni污染土壤为研究对象，分析了不同处理土壤中水溶态、外层表面络合态等8个赋存形态的Ni含量，结果表明添加浓度较低时，嘉兴水稻土和德州潮土中外源镍以残渣态和可交换态为主，中高外源添加浓度时，嘉兴水稻土以残渣态和 EDTA 可提取态主，且残渣态所占比例大于50%，各形态镍含量及其占总量比例在不同处理中未呈现明显变化，处于波动变化中，但各形态所占总量都不高 (<10%)；在德州潮土中以残渣态和铁铝氧化态为主，但其残渣态所占比例在不同处理中无显著变化。分利用DTPA化学提取法和浓度梯度薄膜扩散（DGT）技术分析了土壤中Ni的生物有效性，研究了田间作作物的毒性阈值及植株内Ni累积量，结果表明嘉兴水稻土、德州潮土中两种土壤中不同外源镍添加浓度的土壤中DTPA可提取态镍含量的浓度顺序均为未老化>实验室内老化>田间老化， 而NiDGT浓度则在两种代表性土壤中均为实验室老化处理<田间老化处理，表明实验室干湿交替处理的人工老化过程中镍的有效性降低迅速。从生态阈值来看，随着老化时间的延长嘉兴水稻土中镍对水稻的生态毒害逐渐降低，但水稻和油菜不同部位中的镍累积量随着外源添加量的增加而增大，进入德州潮土中的外源镍玉米、小麦的毒害效应较小，且其毒害在其进入土壤后较短时间内即迅速降低。本项目结合化学分级提取及生物有效态提取技术、浓度梯度薄膜扩散技术及生物毒性阈值研究了土壤中镍生物有效性/毒性的变化；探讨了土壤中镍的生物有效性/毒性、赋存形态之间的关系，明确了土壤中镍形态转变的控制过程及关键影响因素。