多表面形态/生物配体模型耦合预测土壤中Cd、Ni生物可利用性的关键问题研究

The bioavailability of heavy metals in soils is a basic issue for soil environmental quality and risk assessment. To offset the deficiency of chemical extraction methods, the modeling methods are one of the hot topics in bioavailability studies. Generally, there are two types of model solutions: the solid/solution partition model and the accumulation/toxicity model. The former one can predict the free ion concentration in solution from the soil total concentration, while the latter one connect the ion concentration in solution with biological responses. In this proposal, we try to couple the two models together and study a few of key questions (like water content, competition cations and root exudates) in the processes. Cd and Ni, the most contaminated metals based on the latest soil pollution survey in China, are chosen to be the target metals. By combination of chemical extraction and biological assay, hydroponics and pot experiments, experimental analysis and modeling calculation, we are trying to develop a mechanistic model for soil properties/soil solution/biological response for Cd and Ni in various Chinese soils. Results will be hopefully to provide a useful tool for regional soil pollution risk assessment and policy making.

土壤重金属的生物可利用性研究是土壤环境质量与风险评价的基础问题。模型的方法能弥补化学提取技术的不足，是生物可利用性研究的热点之一。目前已有模型方法可分为“土壤固/液相间的分配模型”及“生物累积性/毒性模型”：前者实现了从土壤中金属总量到土壤溶液中离子浓度的预测，后者提供了溶液中离子浓度到生物响应之间的预测。本申请拟将两种模型有机耦合，并针对耦合过程中的一些关键问题（含水量、竞争性阳离子、根际分泌物等）开展细致的研究，结合我国土壤污染状况最新调查结果，以当前调查结果中污染最为严重的Cd和Ni为研究对象，采用化学提取与生物评价相结合、水培与土培相结合、实验测定与模型计算相结合的方式，最终初步构建起适用于我国典型土壤的、可实现Cd和Ni从土壤理化性质—土壤溶液—生物累积性/毒性之间的机理性定量预测模型。研究结果将有助于为区域土壤污染风险的评价、管控和决策提供简单有效的方法和工具。

由于土壤环境是一个复杂的多相多介质组份，使得重金属的形态和毒性预测成为土壤环境质量与风险评价的难点和热点问题。项目针对目前“土壤固/液相间的分配模型”和“生物累积性/毒性模型”之间缺乏联系的现状，对两种模型耦合过程中的一些关键问题开展了细致的研究和验证。.本项目以Cd和Ni为研究对象，采集了我国19种代表性土壤，更新了不同阳离子在粘土矿物表面的Gannis-Thomas阳离子交换反应系数和矿物边缘的BSM表面络合反应系数；初步构建了“小分子有机酸-金属-土壤”三元模型体系，但针对实际根际环境应用还需要进一步的模型验证和优化；发现MSM通用模型参数可以实现不同种类土壤、不同土液比（5 ~ 400g/L SLR，以及田间持水量）、不同金属浓度（0.5 ~ 500 mg/kg）条件下的Ni/Cd金属溶出浓度的预测；在此基础上，MSM预测的溶出浓度与小麦根和茎叶中的金属富集浓度之间有较好的相关性（R2≈0.85），优于常用的有效态提取方法（如CaCl2），野外采样实验也验证了采用MSM通用参数预测的金属浓度与小麦籽粒之间的相关性较好（R2≈0.75），且优于CaCl2提取法；通过水培、砂培和土培实验发现MSM模型计算金属浓度与砂培毒性模型参数结合，可以有效预测3种土壤中Cd-Ni复合污染的金属富集和毒性效应。.结果表明基于“砂培富集/毒性实验”和“土壤MSM预测浓度”可以实现不同土壤中金属风险从土壤到生物响应之间的直接预测。耦合模型的优势在于毒性和形态模型为机理式模型，预测过程中无需要模型参数的拟合和调整，可以外延至其他类型土壤，可适用于多种金属的复合污染，预测结果好于或相当于目前常用的化学提取法。研究结果扩展了土壤多表面形态模型及生物配体模型的应用范围，实现了对土壤金属生物有效性及毒性的预警预测，为区域土壤污染风险的评价、管控和决策提供了简单有效的方法和工具。