三峡库区消落带优势植物根系低分子量有机酸对土壤铅影响的模拟研究

摘要

土壤铅（Pb）除了少量的自然来源外，大部分是人类活动引起的，主要来源于汽车尾气、制造及使用 Pb制品、农田污水灌溉、农药和化肥的施用等。研究表明，全世界每年向环境中排放的Pb高达500万吨，绝大部分都进入了水体和土壤环境中。Pb能在生物体内蓄积，会对生物体内器官造成损害，也会对机体的生化和生理活动进行干扰。
　　三峡水库属特大型季节性调节水库。相关研究表明，从2008年到2013年，三峡水库水质稳定，但总P、总N和Pb是三峡水库主要的污染物，Pb的含量远远超出了世界卫生组织建议的含量，也超出了中国饮用水标准和美国环保局饮用水标准。江水中各种污染物质通过吸附、沉淀等形式迁移至消落带土壤中而引起土壤环境的改变，土壤中的污染物通过溶解、交换、扩散等方式进入水体污染水质，使消落带既是污染物的源，又是污染物的汇。
　　三峡库区水位降低后裸露的消落带土壤会生长出大量的草本植物，主要包括狗牙根、稗草、狗尾草、苍耳、空心莲子草等。植物在生长过程中，根系会不断地分泌有机酸、氨基酸、糖类物质、酚酸类等低分子量有机物，而低分子量有机酸（LWMOAs）是植物根系分泌的主要成分，会年复一年地参与到落干淹水主导的物质循环与交换中，并不断改变和影响赋存在土壤体系中重金属元素的总量和形态，继而对整个三峡库区生态系统产生影响。
　　为此，本研究通过采集两种三峡库区消落带优势植物，利用水培法以及去离子水直接浸提根际土，分析植物根系分泌的LWMOAs的种类和含量，模拟优势植物所分泌的单一有机酸和混合有机酸对消落带土壤中Pb进行动力学分析，并通过室内模拟试验，研究在落干、淹水环境交替出现的情况下三峡库区消落带优势植物根系分泌的LWMOAs对土壤Pb及各形态Pb含量随时间的变化规律，以期为评估消落带植物根系分泌物对土壤重金属活化的影响及其带来的生态风险提供参考数据。研究结果如下：
　　1.狗牙根根系分泌的LWMOAs种类和含量均大于稗草，其中柠檬酸、丙二酸、乙酸、苹果酸是两种植株根系均分泌的有机酸，且乙酸含量最高，分别为0.765 mmol·kg-1、0.261 mmol·kg-1，而在狗牙根和稗草根际土中均检测到柠檬酸、丙二酸、乙酸。
　　2.选取柠檬酸、丙二酸、乙酸对1 g消落带模拟污染干土中的Pb进行解吸时，发现当有机酸浓度≤1 mmol·L-1时，Pb的解吸量由高到低为：丙二酸>柠檬酸>乙酸；当有机酸浓度>1 mmol·L-1时，Pb的解吸量由高到低为：柠檬酸>丙二酸>乙酸；且LWMOAs在土壤中含量低（≤1 mmol·L-1）时，抑制土壤对Pb的解吸；含量高（>1 mmol·L-1）时，促进土壤对Pb的解吸。
　　3.LMWOAs对消落带土壤中Pb的解吸是一个复杂的动力学过程，以化学过程为主，同时伴随着非均相扩散和颗粒内扩散。解吸动力学方程拟合效果由大到小为：准二级动力学方程>双常数方程>Elovich方程>抛物线方程。
　　4.落干淹水环境会使土壤表层中的Pb含量减少，且第二次落干淹水后表层土壤Pb含量下降百分比高于第一次落干淹水周期；经过两次落干淹水周期后，各处理下其表层土壤Pb含量由大到小为：混酸处理>柠檬酸处理、乙酸处理>丙二酸处理>对照，表明当消落带土壤含Pb量较高时，植物所分泌的LWMOAs会促进土壤对Pb的吸附；对于土壤底层而言，Pb含量逐渐增加，各处理的土壤底层Pb含量由大到小为：混酸处理>柠檬酸处理、乙酸处理>丙二酸处理>对照。两次淹水各处理的上覆水Pb含量虽相差不大，但各处理的第一次淹水上覆水Pb含量高于第二次淹水上覆水的Pb含量。
　　5.少量的LWMOAs的加入，可以促使土壤表层Pb形态从低稳定态转化为高稳定态，底层Pb含量有所增加，增加的是铁锰氧化态、有机结合态和残渣态Pb。比较两次落干淹水周期，第二次落干淹水周期结束后的土壤表层的可交换态、铁锰氧化态、有机结合态、残渣态Pb所占比例比第一次落干淹水周期结束后高，碳酸盐结合态Pb所占比例降低，土壤底层的可交换态、碳酸盐结合态和残渣态Pb的占比变化不大，而第二次落干淹水周期结束后的铁锰氧化态Pb占比增加，有机结合态Pb降低。表层Pb属于非常高风险，底层中的Pb为高风险，对环境生态风险较大。

目录

声明

第1章文献综述

1.1土壤铅污染概述

1.2三峡库区消落带及其植被生长情况

1.3植物根系分泌的低分子量有机酸对土壤重金属化学行为的影响

第2章引言

2.1立题背景

2.2研究目的

2.3研究内容

2.4技术路线

第3章 材料与方法

3.1样品采集及实验材料

3.2试验方法

3.3分析测试方法

3.4数据处理

第4章 低分子量有机酸对土壤中铅的解吸动力学的影响

4.1消落带植物根系分泌物中低分子量有机酸的成分与含量

4.2低分子量有机酸对土壤中铅的解吸动力学

4.3低分子量有机酸对消落带土壤中铅的解吸动力学方程拟合

4.4本章小结

第5章 模拟干湿交替环境低分子量有机酸对消落带土壤中铅的影响

5.1模拟干湿交替环境下低分子量有机酸对消落带土壤铅含量的影响

5.2模拟干湿交替环境下LMWOAs对消落带水体铅含量的影响

5.3模拟干湿交替环境下LMWOAs对土壤中铅形态的影响

5.4本章小结

第6章结论与建议

6.1结论

6.2建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得研究成果