基于不同终点测定土壤铅的生态风险阈值及其预测模型

摘要

目前，土壤重金属污染问题日益严重，对农产品质量安全和人体健康带来很大风险。我国现行土壤质量标准是在建立在重金属全量的基础上，而且没有考虑到盆栽实验与田间实验的差别，还缺乏一些必要的基础研究与毒理数据库，建立一个更加完善、科学的评价管理体系对于保障农产品质量安全、保护人体健康非常重要。本文选取了全国10种具有代表性的土壤，通过外源添加方法，制备不同程度 Pb污染土壤，在对不同处理土壤进行了淋洗与非淋性处理基础上，分别以植物根伸长、土壤微生物硝化活性、土壤蚯蚓避性等毒理学评价终点，结合剂量-效应方程（log-logistic曲线）与低剂量刺激效应方程，测定不同性质土壤中 Pb的毒性阈值及其差异性特征，建立了基于不同土壤性质的土壤中Pb毒性阈值的预测模型，为我国土壤中Pb的生态风险评价与土壤环境质量修改提供了基础数据。试验结果如下：
　　1.在选取的10种土壤上，铅对大麦根伸长的毒性阈值EC50值从300mg?kg-1到3130mg?kg-1， EC10值从121mg/kg到633mg/kg，其最大值与最小值的比为10.4倍和5.1倍。淋洗处理明显降低了土壤中外源铅的毒性。不同性质土壤经过淋洗处理后，EC50值增加6.2％-96.1%；EC10增加了2.7%-80.7%。基于EC50和EC10测定的不同土壤的淋洗因子（LFECx）的变化范围分别为0.96-1.96（LFEC50）和1.03-1.81（LFEC10）；相比而言，在酸性土壤中，淋洗处理对降低土壤外源 Pb的毒性作用更为明显。通过多元逐步回归数据分析，得出了基于不同主控因子(pH、OC、CEC)的淋洗与非淋洗土壤中 Pb的大麦毒性(ECx)预测模型，基本可以较好预测不同性质土壤中 Pb的毒性阈值。
　　2.铅的基质诱导硝化通过拟合剂量-效应曲线求出了其EC10与EC50的值，非淋洗土壤中EC10、EC50分别处在40mg/kg到163mg/kg和最大为251mg/kg到912mg/kg之间，淋洗后的EC10是来的0.7-2倍在57-366mg/kg之间，EC50的值淋洗后是淋洗之前的0.8-2.6倍，最小值和最大值分别达到在237、2334mg/kg。基于EC50和EC10测定的不同土壤的淋洗因子（LFECx）的变化范围分别为1.0-2.6（LFEC50）和0.7-2.0（LFEC10），淋洗处理可以明显降低土壤外源Pb的毒性作用。多元线性回归方程结果表明，不论在淋洗还是非淋洗土壤中pH在预测铅的毒性中具有最好的相关性（r2>0.6)。其次是CEC，如果把这两种因子都计算在内，回归方程的预测性有很大的提高，EC10和EC50都能达到95%；当将pH、CEC和EC值引入回归模型里多元回归模型能更大的提高预测性。
　　3.利用土壤蚯蚓进行的毒性测试结果表明：在所测土壤中，总体来说，酸性土壤蚯蚓在较低的铅浓度就表现出回避效应，蚯蚓回避实验测定的毒性阈值EC50值从267mg/kg到867mg/kg， EC10值从50mg/kg到289mg/kg，不同土壤性质的EC50和EC10最大值与最小值的比例分别达到3.24倍和5.78倍。
　　通过多元逐步回归数据分析，得出了基于不同主控因子的土壤中 Pb的预测模型。由模型得知，土壤pH值是影响土壤Pb对蚯蚓回避作用的最主要因子，其次为CEC含量。土壤pH值对EC50回归模型变异的决定系数(R2)达到0.802，对EC10回归模型变异的决定系数(R2)达到0.891；当引入因子(CEC）变量后，ECx预测模型的决定系数进一步提高，EC50回归模型变异的决定系数(R2)达到0.963，均达到极显著水平(P<0.01)。三种不同测试终点实验结果表明，蚯蚓可在环境受到较小毒害时候就可以表现出躲避行为，这与急性毒性所测定的毒性阈值相比有较高灵敏性，与基础诱导硝化所测定的毒性阈值接近，原因可能为重金属污染导致土壤微点位的微生物环境变化，导致蚯蚓觅食发生变化导致，但都远远小于大麦根伸长所测定的毒性阈值，禾本科的植株对铅的毒性敏感度不如微生物及土壤动物。
　　4.通过中国知网对中国土壤中Pb的毒理数据进行收集整理，结合本文实验的毒理数据，利用Burr-Ⅲ函数对9种物种的毒理学数据进行物种敏感性分布拟合，建立了4种主要土壤条件下的铅SSD曲线，得出不同土壤中Pb的地下生态风险阈值HC5范围为44.79-189.10mg/kg之间，不同类型土壤的值差别较大，酸性土壤的 HC5要比石灰性土壤和碱性土壤的值小，两者最大差4.3倍之多；物种的敏感性大致顺序为：硝化细菌>回避实验>蔬菜类作物>禾本科类作物。最后得出了基于不同土壤性质的Pb毒性预测模型，log(EC10)=0.178pH+0.149log(CEC)+0.777(r2=0.97)，土壤pH和CEC是影响预测模型的主要因子。

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第一章 绪论

1.1土壤Pb污染的状况

1.2污染来源

1.3重金属污染与地下生态的关系

1.4 Pb污染土壤生态风险研究意义

第二章 研究内容和技术路线

2.1研究目标

2.2研究内容

2.3研究方法

2.4拟解决的关键问题

2.5研究方案（拟采用的实验方法、步骤和技术路线）

2.6可行性分析

第三章 基于大麦根伸长测定土壤Pb毒性阈值及其预测模型

3.1引言：

3.2供试土壤和植物及试验方法

3.3结果与分析

3.4结论

第四章 基于基质诱导硝化测定铅的毒性阈值和其预测模型

4.1引言

4.2供试土壤与方法

4.3结果与分析

4.4结论

第五章 土壤中Pb对蚯蚓的毒性测定及其预测模型

5.1引言:

5.2测试土壤与蚯蚓及测试方法

5.3结果与分析

5.4结论

第六章 土壤中Pb生态毒性数据的筛选、归一化及数据库建立

6.1引言

6.2材料与方法

6.3结果与分析

第七章 结论及研究展望

7.1研究结论

7.2展望

参考文献

致谢

作者简介

教育经历：

研究生期间主要学术成果：