水稻(Oryza sativa L.)根际颗粒态有机质与重金属交互作用的机制

摘要

颗粒态有机质(POM)是土壤重金属的沉积库，也是土壤释放重金属的来源，根际环境特殊的物理、化学和生物性质会影响重金属的形态，进而影响其生物有效性。因此研究根际POM与重金属的交互作用具有重要意义。本论文通过室内模拟实验结合同步辐射X射线吸收近边结构谱学（XANES）、扫描电镜-能谱仪(SEM-EDX)及傅里叶红外光谱(FTIR)等技术考察了水稻根际重金属的形态转化，探究了根际POM对重金属Cu和Zn的吸附解吸。主要研究成果如下：
　　(1)明确了不同重金属污染土壤中根际有机质浓度的变化。在水稻扬花期，根际土壤pH降低，根际土壤的DOC浓度(193.3-232.7 mg kg-1)显著高于非根际土壤DOC浓度(176.7-192.5 mg kg-1)，根际土壤的POM含量(19.6-35.0 mg g-1)低于非根际土壤POM含量(22.7-44.6 mg g-1)。随着土壤重金属Cu或Zn浓度的升高，根际pH降低，DOC浓度增加，POM含量越高。
　　(2)分析了根际POM的微观形貌和主要元素组成。利用SEM-EDX表征根际颗粒态有机质的微观形貌和微区元素组成可以发现，POM主要是由一些疏松多孔的木炭、植物残渣、残根或是真菌菌丝等组成，其微区元素组成包括C、O、Al、Si、Ca和Fe，C的质量分数达50％以上，O的质量分数达30％以上，碳氧化合物是构成POM的主要物质。利用元素分析仪分析POM中总C、N和H含量，得出根际POM中C、N和H的质量分数皆高于非根际POM，且污染POM的C、N和H的质量分数高于对照POM。根际POM的BET比表面积(7.6417 m2g-1)高于非根际POM的BET比表面积(6.8645 m2 g-1)。
　　(3)揭示了水稻根际重金属的形态转化规律。根际土壤可溶态和可交换态Cu浓度升高，有机结合态Cu和Zn浓度降低而有机结合态Fe浓度升高。根际土壤的Cu浓度升高而Zn浓度降低，根际POM的Cu和Zn浓度显著降低。利用XANES分析根际土壤和POM中Cu的分子形态，结果表明土壤中Cu主要以针铁矿铜形式存在，根际土壤针铁矿铜比例降低;POM中Cu主要以柠檬酸铜及胡敏酸铜形式存在，根际POM中柠檬酸铜及胡敏酸铜比例降低。
　　(4)阐明了根际POM对Cu和Zn的吸附解吸机制。利用Langumiur方程可以较好拟合POM对Cu和Zn的吸附热力学曲线，根际POM对Cu和Zn的最大吸附量较非根际高。随着pH的降低或离子强度的增加，根际POM对Cu和Zn的吸附降低。POM的FTIR分析结果显示，羟基和羧基官能团很可能参与了POM吸附Cu和Zn的过程。利用柠檬酸解吸根际POM中的重金属，POM的Cu和Zn解吸动力学可以用一级动力学方程、幂函数和简化的Elovich方程拟合。解吸平衡时根际POM中Cu和Zn的解吸量均低于非根际POM。根际POM的Cu解吸率低于非根际POM，根际POM的Zn解吸率则高于非根际POM。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 根际重金属生物有效性及形态转化机制

1．1．1 根际环境特殊的物理、化学和生物性质

1．1．2 植物根系对土壤中重金属生物有效性的影响

1．1．3 根际重金属形态转化机制研究进展

1．2 土壤颗粒态有机质与重金属交互作用机理研究进展

1．2．1 颗粒态有机质的概念及分组技术

1．2．2 颗粒态有机质的来源与组成

1．2．3 颗粒态有机质与重金属的相互作用

1．3 立题依据、研究内容及技术路线

1．3．1 立题依据

1．3．2 研究目的与意义

1．3．3 研究内容

1．3．4 技术路线

第二章 材料与方法

2．1 土壤样品采集及基本理化性质分析

2．1．1 土壤样品采集

2．1．2 土壤pH值测定

2．1．3 土壤总碳和总氮的含量测定

2．1．4 土壤重金属含量测定

2．1．5 供试土壤基本理化性质

2．2 室内模拟实验处理

2．2．1 水稻土不同浓度重金属添加处理

2．2．2 水稻室内土培装置设计

2．2．3 水稻室内土培及采样

2．3 土壤颗粒态有机质的分离及表征

2．3．1 土壤溶解性有机质含量测定

2．3．2 土壤颗粒态有机质的分离

2．3．3 颗粒态有机质的形貌表征

2．3．4 颗粒态有机质的BET比表面积测定

2．3．5 颗粒态有机质的元素组成的测定

2．3．6 傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

2．4 水稻根际土壤与POM中重金属形态转化

2．4．1 土壤有效态重金属的测定

2．4．2 土壤重金属浓度的测定

2．4．3 同步辐射X射线吸收近边结构谱学(XANES)分析

2．5 水稻根际土壤和POM对重金属的吸附解吸

2．5．1 根际与非根际土壤和颗粒有机质对重金属的吸附热力学

2．5．2 离子强度和pH对土壤和颗粒有机质吸附重金属的影响

2．5．3 吸附模型的选择

2．5．4 土壤和颗粒有机质中重金属的解吸动力学及其模型拟合

2．6 数据统计与分析

第三章 结果与讨论

3．1 水稻根际颗粒态有机质的分离及表征

3．1．1 水稻扬花期根际土壤pH和有机质浓度

3．1．2 根际颗粒有机质的微观形貌及比表面积

3．1．3 根际颗粒有机质的微区元素分布和组成

3．2 水稻根际土壤与POM中重金属形态转化

3．2．1 水稻根际土壤重金属的有效性变化

3．2．2 水稻根际土壤和POM重金属浓度变化

3．2．3 根际土壤与POM中重金属的分子形态

3．3 水稻根际土壤和POM对重金属的吸附解吸

3．3．1 根际土壤和POM对重金属的吸附热力学

3．3．2 PH和离子强度对土壤与POM吸附重金属的影响

3．3．3 POM的傅里叶红外光谱分析

3．3．4 根际土壤和POM铜锌的解吸动力学及模型拟合

第四章 全文研究结果与展望

4．1 主要研究结论

4．2 研究展望

参考文献

作者简历

攻读硕士学位期间学术成果