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薄膜扩散梯度技术在土壤砷生物有效性评价中的应用研究

作　者: 王进进
导　师: 白玲玉
学　校: 中国农业科学院
专　业: 环境科学
关键词: 薄膜扩散梯度技术 土壤 砷 生物有效性 化学形态 迁移特征
分类号: X53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


扩散梯度膜测定技术（DGT）是一种基于Fick第一扩散定律的分析环境中重金属元素生物有效性的方法。由于该技术综合考虑了元素在环境中的强度、容量及扩散速率,因此在水体、沉积物以及土壤中重金属生物有效性的研究方面得到了越来越多的关注。目前DGT在测定土壤中铜、锌、铅、镉等的生物有效性方面取得了较好的结果,但对砷的生物有效性研究仍处于初步阶段。本文采用室内模拟和盆栽试验相结合的方法,探讨DGT表征土壤砷生物有效性的可行性、准确性和应用前景,并尝试利用DIFS模型解析土壤中砷由固相到液相的迁移特征。本论文研究对丰富土壤砷生物有效性测定理论与方法,提高土壤中砷生态风险评价的准确性具有重要意义。主要结果如下:1.通过室内模拟实验,研究DGT对所测定基质中砷的响应程度、DGT吸附凝胶对砷的最大吸附量、有效吸附量以及环境基质pH、砷形态对DGT测定有效性砷的影响。研究结果表明,在砷浓度范围为0.1-11mg·L-1的基质中, DGT测定值与溶液中砷的真实浓度之间没有显著差异; DGT装置的吸附凝胶对砷的最大吸附容量≤42μg,有效吸附容量≤13μg;在pH 2.95-8.18范围内以及不同体积比的As（V）和As（III）的混合溶液中,DGT测定结果与溶液中无机砷的真实浓度的比例均在1.0±0.1范围之内,说明溶液pH的变化以及砷价态的变化不会影响DGT对溶液中砷含量测定的准确性。2.以盆栽试验的生物指示法作为评价标准,对比DGT方法与传统方法（全量法、化学浸提法、土壤孔隙水法）对土壤砷生物有效性的表征效果。通过不同方法测定的土壤砷浓度与植物吸收总砷之间的Log-Log相关关系表明,盆栽试验前后DGT测定的土壤砷有效浓度CE与小油菜中砷含量之间的相关性最好,达到极显著相关关系,相关方程分别为y = 0.5218x -1.4478（R2 = 0.8401, n = 43）和y = 0.5205x - 1.3863（R2 = 0.8309, n = 43）;盆栽试验前后土壤孔隙水也表现出与植物吸收总砷较好的相关性（R2分别为0.834和0.8101）;其次是HCl提取态砷（R2 =0.6781）、NaHCO3提取态砷（R2 =0.6781）以及连续提取态中的AE-As（R2 = 0.5697）、Al-As（R2 = 0.5552）和Ca-As（R2 = 0.527）,与植物吸收总砷相关性最差是连续提取态中的Fe-As（R2 = 0.1554）和O-As（R2 = 0.0636）以及土壤总砷（R2 = 0.2693）。表明DGT在测定土壤砷生物有效性研究方面具有可行性和应用前景。3.通过土壤砷有效浓度CE与土壤各结合态砷、土壤理化性质之间的相关关系结果表明,土壤各固相结合态砷中, Al-As、AE-As、Ca-As和Fe-As与CE达到极显著相关关系（P<0.01, n=43）,O-As与CE没有明显的相关关系。土壤pH值和总磷含量与有效砷含量、植物中砷含量呈显著正相关,随着土壤的pH升高、总磷含量的增加,土壤中砷的生物有效性增加、植物中砷含量也随之增加,但土壤中有机质和阳离子交换量未显著影响土壤中砷的有效性。4.基于平衡（离心方法）和动力学（DGT方法）原理测定得出43个供试土壤中有三个土壤的R值均大于0.95,表明这些土壤属于充分缓冲情况;其余土壤的R值均低于0.95,属于部分缓冲情况。通过DIFS模型对土壤中砷迁移的动力学参数进行模拟,结果表明对于充分缓冲（R>0.95）的三个土壤土壤固相解析速率（kb）较快,响应时间（Tc）较短;供试土壤中除四川、贵州和郴州地区个别土壤外,大多数土壤具有较长的特征响应时间Tc和较低的解吸速率常数kb,说明在供试土壤中,土壤固相的再补给作用对土壤有效砷的贡献较小,而土壤孔隙水中砷对植物的供应是植物吸收砷的主要控制过程。以上研究结果表明DGT方法测定的土壤中有效态砷与植物吸收砷量具有最好的相关性,能较好的表征土壤中砷的生物有效性,比其它方法更为准确。同时,结合动力学（DGT方法）和平衡（离心方法）原理测定的砷含量可以计算得出反映土壤中砷迁移能力的R值,利用DIFS模型可以计算出砷在土壤中迁移的动力学参数,包括特征响应时间Tc及解吸速率常数kb值,这些参数有助于我们对土壤中砷的生物有效性有更深入的了解。因此DGT在预测和评价土壤砷生物有效性方面具有可行性和应用前景。

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-13
图目录  13-14
表目录  14-15
英文缩略表  15-16
第一章 引言  16-28
  1.1 研究背景  16
  1.2 土壤中砷的生物有效性及其影响因素  16-19
    1.2.1 土壤中砷的存在形态及其生物有效性  16-17
    1.2.2 土壤砷生物有效性的主要影响因素  17-19
  1.3 土壤砷生物有效性的研究方法  19-21
    1.3.1 总量法  19
    1.3.2 化学提取法  19-20
    1.3.3 植物指示法  20
    1.3.4 土壤孔隙水法  20-21
    1.3.5 薄膜扩散梯度技术  21
  1.4 DGT 方法与DIFS 模型简介  21-26
    1.4.1 DGT 方法简介  22-25
    1.4.2 DIFS 模型简介  25-26
  1.5 研究目的和意义  26-27
  1.6 研究内容  27
  1.7 技术路线  27-28
第二章 薄膜扩散梯度技术测定环境中砷的影响因素  28-37
  2.1 供试材料  28
  2.2 试验设置  28-29
    2.2.1 DGT 测定值与待测水体中砷浓度的响应关系  28
    2.2.2 DGT 吸附凝胶的吸附量（M）测定  28-29
    2.2.3 溶液pH 值对DGT 测定值的影响  29
    2.2.4 不同价态As（Ⅴ）、As（Ⅲ）对DGT 测定值的影响  29
  2.3 分析方法  29
    2.3.1 DGT 的放置程序及吸附凝胶的浸提  29
    2.3.2 DGT 吸附凝胶浸提液及待测溶液总砷的测定方法  29
  2.4 数据处理  29-30
  2.5 结果与分析  30-35
    2.5.1 DGT 测定值与待测水体中砷浓度的响应关系  30
    2.5.2 DGT 吸附凝胶的吸附量  30-31
    2.5.3 溶液pH 对DGT 测定结果的影响  31-33
    2.5.4 不同价态As（Ⅴ）、As（Ⅲ）对DGT 测定结果的影响  33-35
  2.6 讨论  35
  2.7 小结  35-37
第三章 DGT 测定土壤砷有效浓度与土壤砷生物有效性关系  37-55
  3.1 供试材料  37-39
  3.2 试验设置  39
  3.3 分析方法  39-41
    3.3.1 DGT 测定土壤砷有效浓度CE  39-40
    3.3.2 土壤总砷含量测定  40
    3.3.3 化学提取法测定土壤有效砷  40-41
    3.3.4 土壤孔隙水砷浓度测定  41
    3.3.5 植物砷含量测定  41
  3.4 数据处理  41-42
  3.5 结果与分析  42-53
    3.5.1 不同方法测定土壤砷生物有效性的比较  42-45
    3.5.2 不同pH 土壤下不同方法测定土壤生物有效砷的比较  45-50
    3.5.3 土壤中不同结合态砷与CE 值的关系  50-52
    3.5.4 土壤砷生物有效性的影响因素  52-53
  3.6 讨论  53
  3.7 小结  53-55
第四章 土壤中砷的迁移特征及其动力学过程  55-62
  4.1 供试材料  55
  4.2 试验设置  55-56
    4.2.1 动力学方法——DGT 方法测定土壤孔隙水中砷的浓度  55
    4.2.2 平衡法——离心方法测定土壤孔隙水中砷的浓度  55-56
  4.3 分析方法  56
  4.4 数据处理  56
  4.5 结果与分析  56-61
    4.5.1 供试土壤孔隙水中砷的浓度  56-58
    4.5.2 土壤中砷的动力学过程  58-61
  4.6 小结  61-62
第五章 全文结论  62-64
  5.1 研究结论  62-63
  5.2 前景展望  63-64
参考文献  64-71
致谢  71-72
作者简历  72

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境污染及其防治 > 土壤污染及其防治
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