海南热带土壤有机质结合态重金属库的组成与调控

Derived from a series and complex chemical reactions, soil heavy metal is an important pool of available metal for plant after heavy metals enter soil and react with different components of it and accumulated in various forms. As a key component and chemically active material in soil, organic matter combines with metals, and the resulted soil organic matter-metal complex is an essential part of soil metal pool. The concept of soil organically bound heavy metal pool and its composition, and their quantitative determination methods are proposed for the first time in the proposal. Incubation and pot experiment are to be conducted with soils, that have high,middle and low organic matter contens from tropical Hainan and are to be treated with single and mixed heavy metal to simulate different level of metal pollution, to study the saturated capacity, affacting factors, composition chracteristics and forming mechanism of soil organically bound heavy metal pool, to study the effects of the percent of soil organically bound heavy metal pool satutrtion on soil bioavailability of metals, and the feasibility and mechanism of using biochar as exogenous soil organic matter to adjust the capacity of soil organically bound heavy metal pool, in order to understand systematically the formation of soil organically bound heavy metal pool, and the buffuring mechanism of it to soil heavy metal pollution, and to prevent and restore soil in tropical Hainan from heavy metal pollution.

重金属与土壤中的各种组分经过一系列复杂反应以不同形态存在于土壤中，使土壤成为生物可利用重金属的蓄积库。有机质作为土壤最重要的组成成分和活性物质，与重金属结合形成的土壤有机质结合态重金属是土壤重金属库的重要组成部分。 本项目首次提出土壤有机质结合态重金属库及其组成的概念和定量测定方法，以海南热带具有高、中、低有机质含量的土壤作为研究对象，模拟不同污染水平的单一和复合重金属污染条件，通过培养试验和盆栽试验，研究不同土壤的有机质结合态重金属库饱和容量的大小、影响因素、组成特点和形成机制，土壤有机质结合态重金属库的饱和度与重金属生物有效性的关系，以及以生物炭作为外源有机质调节土壤有机结合态重金属库容量的可行性与机制，为系统了解海南热带土壤有机质结合态重金属库的形成、揭示其对重金属污染缓冲性能的作用机制、为预防与修复海南热带土壤重金属污染提供科学依据和技术支持。

本项目在模拟不同浓度梯度铅和铜污染土壤的基础上，通过采用实验室培养与盆栽试验相结合，传统化学分析与FTIR、XRD、SEM-EDX和同步辐射XRF、XAFS等现代光谱分析技术相结合的方法研究了海南热带不同有机质含量水平的砖红壤的土壤重金属（铅、铜）库的大小和组成、土壤有机结合态重金属库的容量与形成机制、土壤重金属库在不同饱和度下铅铜在生菜中的迁移及毒害机制、以及生物炭对土壤重金属库的调控作用与对重金属的吸附机制。以铅为例的结果表明，海南热带不同水平有机质含量的3种土壤铅库的饱和容量范围为4.45-13.85 mg g−1土。铅的生物有效性库的积累主要受CEC、有机质、pH 和土壤质地影响。土壤饱和铅库的有机结合态主要以羧酸盐结构的存在，土壤铅库残渣态部分主要以铅硅酸盐如Pb8Fe(Si2O7)3, Pb5Si8O21, Pb2SiO4形式存在；不同有机质含量的砖红壤中有机结合态铅的最大库容量范围为0.73-4.89 mg g-1土；在土壤有机结合态铅库达到饱和时，不同有机质组分结合态铅占总有机质结合态重金属总量的百分比表现为：黑炭>胡敏酸>富啡酸>颗粒有机质>球囊霉素相关土壤蛋白质。单位质量有机组分碳吸附土壤铅的能力大小表现为：黑炭>胡敏酸>颗粒有机质>富啡酸>球囊霉素相关土壤蛋白质；生物炭处理后的中有机质和低有机质含量的土壤铅库的最大容量分别增加了1.14和1.98倍。土壤重金属库的化学组成向更稳定的形态转化，并显著改善铅污染浓度土壤中生菜的生长，降低其对重金属的吸收。生物炭调控的中有机质和低有机质水平的土壤中，在铅污染达到饱和条件下单位碳的生物炭结合土壤铅量分别为13418.08-14487.97（mg 100g-1 C）。本项目通过系统地揭示海南热带土壤及土壤有机质结合态重金属库的形成与生物炭调控机制，为海南热带土壤重金属污染的预防与修复提供了科学依据和技术支持。