金冬冬研究生开题报告.docx

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金冬冬研究生开题报告

贵州师范大学

工程硕士专业学位论文开题报告

论文题目不同添加物料对土壤重金属及植物吸收重金

属的研究

研究生姓名金冬冬

学号4201320000483

导师姓名、职称王济（教授）陆晓辉（副教授）

培养单位贵州师范大学

专业环境工程

研究方向土壤重金属污染修复

贵州师范大学研究生院制

年月日

一、立论依据

1.选题的研究意义、国内外研究现状分析及本实验研究的背景

1.1选题的研究意义

土壤环境重金属污染可导致土壤生产力下降，造成地下水和农作物污染，直接或间接危害人畜健康。

2014年4月17日，国家环境保护部和国土资源部发布了中国土壤污染状况调查公报。

调查结果显示，全国土壤总的超标率为16.1%，污染类型以无机型为主；南方土壤污染重于北方,西南、中南地区土壤重金属超标范围较大；镉、汞、砷、铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。

即全国土壤环境状况总体不容乐观，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。

工矿业、农业等人为活动以及土壤环境背景值高是造成土壤污染或超标的主要原因[1]。

土壤重金属污染不仅危害由土壤供养的植物，而且通过食物链影响人的健康，所以对重金属污染土壤的修复研究尤为重要。

本研究在分析已有土壤重金属修复技术的基础上，选取不同性质的物料，拟通过不同材料的组合作用，探讨其对土壤重金属形态及植物有效性的影响，及通过盆栽一些常见的蔬菜（食叶类、食茎类、市果类、食根类）。

以期通过盆栽获得适宜的菜田土壤重金属调控新途径。

1.2国内外研究现状分析

重金属的不同形态对于作物吸收重金属及受害具有十分密切的关系，通过施用石灰、生物炭、有机材料等等改变重金属的形态、毒性以及对作物的影响具有重要的意义。

国内许多学者从调节pH角度讲，有石灰、磷矿粉、沸石等等来改变土壤的物理化学性质从而改变土壤中重金属有效态的含量减少其对植物的危害。

从表面活性剂来看，有鼠李糖脂、皂荚素、等等来改变土壤重金属有效态从而达到改良土壤的目的。

1.2.1国外研究现状

研究土壤Cd、Pb、Zn与生物表面活性剂单鼠李糖脂（从Pseudomonasaeruginsa中制备）的缔合效应时，采用二次离子交换技术确定了缓冲介质中（pH6.8），Cd、Pb、Zn离子与单鼠李糖脂的条件稳定常数（logKL）分别为6.5、6.6、5.4。

为了确定单鼠李糖脂吸附土壤束缚态重金属的能力，在含有14、1.96mmol·kg-1的Cd、Pb或3.4mmol·kg-1的Cd-Pb-Zn混合物的土壤中分别加入12.5、25、50、80mmol·L-1的单鼠李糖脂，结果显示在12.5、25mmol·L-1水平，单鼠李糖脂吸附到土壤上超过78%，仅有不到11%的土壤束缚态Cd、Zn可以解吸，但若以单鼠李糖脂为基质的K+与土壤束缚态Cd、Zn进行离子交换，仍可去除16%～48%的Cd、Zn。

在50、80mmol·L-1水平，单鼠李糖脂吸附到土壤上的量降到20%～77%，且Cd、Zn的去除量超过用离子交换的去除量3倍。

Pb的去除情况较为复杂[2]。

从Torulopsisbombicola中制备的槐苷脂生物表面活性剂修复含110mg·kg-1的Cu、3300mg·kg-1的Zn的沉积物，发现质量分数0.5%的鼠李糖脂可去除65%的Cu和18%的Zn，质量分数4%的槐苷脂可去除25%的Cu和60%的Zn。

超滤技术与ξ电位确定其作用机制是：

表面活性剂先吸附在土壤表面与重金属的结合物上，重金属然后从土壤颗粒上分离进入土壤溶液，进而进入到表面活性剂胶束中。

采用连续浸提比较了淋洗前后重金属形态的变化，发现底泥淋洗前碳酸盐态和氧化物结合态的Zn高达90%，而Cu的有机结合态却占70%，不同的表面活性剂去除的重金属形态不一样，鼠李糖脂和surfantin主要去除有机结合态Cu，而槐苷脂则去除碳酸盐态和氧化物结合态Zn[3-4]。

1998年波兰Curylo,T.等的研究表明,施用有机肥/Rekulter0与施用无机NPK肥相比,芹菜与胡萝卜根中Cd、Cu、Ni、Pb、Zn五种重金属含量分别减少26%、90%、24%、83%和39%[5]。

1999年意大利Scot-ti,I.A.等研究发现,通过施用煤渣灰增加土壤pH值,可有效地减少菊苣对Zn、Cd、Ni、Cu等重金属的吸收量,而且施用pH为12的煤渣灰比施用pH为8的效果更为明显[6]。

从枯草杆菌制备生物表面活性剂surfantin，用来去除污染土壤和沉积物中的重金属。

初始污染土壤Cu、Zn、Cd含量分别为550、1200和2000mg·kg-1，沉积物Cu、Zn含量分别为110、3300mg·kg-1，用水淋洗对Cu、Zn的去除率不到1%，使用质量分数0.25%的surfactin和1%的NaOH能去除土壤中25%的Cu和6%的Zn，去除底泥中15%的Cu和6%的Zn。

用超滤技术、辛醇/水分配系数及ξ电位确定生物表面活性剂surfactin的作用机制是：

在土壤分裂期间和金属络合期间，surfactin能通过吸附去除重金属，然后通过降低表面张力和流动力解吸，解吸后的重金属和表面活性剂胶团缔合[7]

1.2.2国内研究现状

在Tween80和TritonX-100两种非离子型表面活性剂比较实验中，我们发现两种非离子型表面活性剂，均能萃取重金属，能力的大小取决于PH的高低[7]。

朱清清等[8-9]通过生物表面活性剂烷基糖苷和皂角苷研究发现：

在适当的PH和浓度下，烷基糖苷和皂角苷均表现出去除重金属的能力。

诸如，当皂角苷浓度为50g·L-1、PH为5.2时，去除Cd、Cu、Zn和Pb时，去除率可达到45.6%、24.4%、19%和17.6%。

当烷基糖苷淋洗液的PH为5.2浓度为85g·L-1时，土壤中Cd、Cu、Pb和Zn的去除率分别达77.7%、40.5%、24.5%和20%。

并且，均对以离子交换态和碳酸盐结合态金属的去除效果最为明显。

通过盆栽试验，研究了在Cd,Pb,Zn污染的土壤上，石灰对大白菜地上部分重金属Cd、Pb、Zn含量的影响。

结果表明：

石灰能显著降低大白菜中重金属Cd、Pb,、Zn含量[10]。

研究了稻作和旱作两种种植制度下,施用石灰、海泡石及两种改良剂配施对镉污染土壤pH值、土壤镉形态变化及作物对镉的吸收等的影响。

结果表明，施用改良剂使稻作条件下的土壤pH提高0.3~1.8个单位，旱作条件下土壤pH提高幅度为0.3~2.0个单位;两种种植制度下,作物有效性较高的酸提取态镉含量显著减少，而作物有效性较低的可还原态和残渣态镉含量显著增加，进而引起了水稻和萝卜对镉的吸收量降低[11]。

采用盆栽方法研究在Cd、Pb、Zn污染土壤上,石灰和泥炭配施对春小白菜吸收重金属元素（Cu、Zn、Cd、Pb、Fe、Mn）的影响。

结果表明：

石灰、石灰加低量泥炭、石灰加高量泥炭处理均显著抑制小白菜对重金属的吸收[12]。

1.3本实验研究的背景

对贵州贵阳市乌当、白云、花溪及清镇四个区域菜园土壤重金属Hg、Pb、As、Cr、Cd污染现状进行了调查与分析，参照各区域环境背景特征，发现：

贵阳市菜园土壤重金属污染严重，尽管各区域存在差异。

总体来说，菜园土壤重金属中Hg、Cr、As污染严重，Pb、Cd污染不明显[13]。

在2000—2003年，对于贵阳市白云区、修文县、开阳县、清镇市、息烽县、乌当区、小河区以及花溪区的多个旱地的表土和底土的重金属（汞、砷、铅、镉、铬），以GB/T1840711）2001农产品安全质量无公害蔬菜产地环境要求为标准，对其蔬菜重金属进行测定。

结果表明：

5种重金属含量均为规定范围之内，除个别外，如白云区的砷、乌当区的镉两者都属于0.7—1.0之间的污染警戒线范围内[14]。

姜盛君等[15]对贵州菜园土壤重金属形态进行分析发现：

在贵州沿河、龙里、兴义地区的菜园土壤的样品中，菜园土壤中Cu和Zn含量均小于贵州土壤背景值,其活性态含量在总量中所占的比例较低。

土壤中Cd总量的平均值明显大于本地土壤背景值,且其活性态Cd含量很高,平均值占总量的46%。

吴迪等[16]铅锌矿区水稻和水稻土壤重金属进行调查并发现，矿区水稻土壤重金属污染严重，其中Pb、Cd、Zn、Ni、Hg、As污染尤为突出，以Cd污染最为严重，分别超标34.22倍和84.92倍。

矿区稻米存在高重金属污染风险，尤以Pb、Hg和As最为明显。

以贵阳市中心城区五大功能区（工业区、商业区、行政区、文教区、居民区）的土壤为对象，研究土壤中重金属Hg、As、Cu、Cd和Zn污染的特征，发现：

贵阳市中心城区土壤重金属含量差异较大，工业区各重金属污染元素的含量相对较高，商业区各重金属污染元素的含量相对较低，各功能区Zn的含量最高，Hg的含量最低[17]。

从中发现：

贵阳市蔬菜地、铅锌矿区的土壤和不同功能区的土壤均有不同程度的污染，而且，在菜园中，以Hg、Cr、As为主，在铅锌矿区中，以Cd为主，除此以外，对贵阳市不同功能区的土壤进行重金属检测发现：

工业区相对较高。

所以，寻求适合的调控措施迫在眉睫。

二、研究方案

1．本研究的特色与创新之处

本研究本在分析已有土壤重金属修复技术的基础上，选取不同性质的修复材料，通过正交试验设计方法，研究不同的材料组合对土壤重金属形态及植物有效性的影响。

2、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题

2.1研究的目标

通过添加不同性质的物料，探讨不同的物料组合对土壤重金属形态及植物有效性的影响，以期获得适宜的菜田土壤重金属调控新途径。

2.2研究的内容

2.2.1室内模拟研究

通过室内模拟试验，选择出前期实验得出修复材料最优比例通过正交设计的方法设计出不同的实验组别，室内培养实验土壤。

室内土壤培养后通过分析土壤中pH值、土壤养分（有机质、氮、磷、钾）、土壤有效态（镉、铬、铅）、CEC（离子交换量）、土壤重金属其他形态、重金属铁铝氧化物、土壤粘粒含量，得出有机材料对降低土壤重金属的最佳组合。

2.2.2模拟大田种植

通过盆栽试验验证对土壤的基本理化性质（如酸碱性、团粒结构、氧化物）、养分状况（如有机质、腐殖酸、N、P、K）等方面的影响，从而对土壤中重金属的形态及迁移的影响，优化土壤调理剂配方。

选取易对重金属富集的叶类蔬菜（白菜）、茎类蔬菜（芹菜）、果类蔬菜（西红柿）、根类蔬菜（萝卜）

2.3关键性问题

通过室内模拟试验，研究添加物料的作用效果和不同基质，探讨作用机理。

结合盆栽试验，研究有机材料优化配施比例的作用效果。

3、拟采取的研究方法、实验方案及可行性分析

3.1研究方法

3.1.1室内试验

称取1mm筛的风干重金属污染土壤,分别按上述添加量向土壤中添加风干过100目筛的改良剂并充分混匀,调节该混匀土壤含水量为田间持水量的65%.然后,称取100g已调节含水量的混匀土壤置于500mL塑料瓶中,将塑料瓶置于恒温箱中,在25℃下恒温培养,培养过程中保持土壤含水量为田间持水量的65%.分别在培养10,20,30,40,50,60后称取适量土样测定：

测量指标：

1测定土壤pH值、

2土壤养分（有机质、氮、磷、钾）、

3土壤有效态（镉、铬、铅）

4CEC（离子交换量）

5土壤重金属其他形态

6重金属铁铝氧化物

7土壤粘粒含量

通过这些指标测量找出添加材料对影响土壤重金属有效态的最佳组合

3.1.2模拟大田试验

称取过5mm筛的风干重金属污染土壤,分别按上述添加量向土壤中添加过100目筛的改良剂并充分混匀,调节该混匀土壤含水量为田间持水量的65%.将土壤分装入塑料盆,每盆5kg,盆的规格为:

直径35.5cm,深12cm。

并分别向每盆添加配制的重金属溶液。

每组设置2个平行实验。

定期向每盆中加入基本等量的去离子水,保持土壤水分含量为田间持水量的65%左右。

平衡培养10d后,向每个盆中加入等量的肥料:

2.17g尿素，0.77g磷酸氢钠，1.02g硫酸钾作为基肥。

（参考农业环境科学学报2008,27

（2）:

488-492。

汞镉铅复合污染菜地施用石灰对菜心及土壤的影响）.继续浇水平衡培养7d后播种。

每盆播种约10粒,待幼苗生长稳定后间苗,每盆留3株。

培养3个月后收获蔬菜样品，同时取盆中部分土壤样品待分析。

测量指标：

1测定土壤pH值、

2土壤养分（有机质、氮、磷、钾）、

3土壤有效态（镉、铬、铅）

4CEC（离子交换量）

5土壤重金属其他形态

6重金属铁铝氧化物

7土壤粘粒含量

3.2可行性分析

（1）资料收集：

本研究得到贵阳市蔬菜办大力支持，提供关于蔬菜基地分布、土壤类型、蔬菜类型等方面的数据。

（2）研究经费：

本研究有《城市近郊菜地重金属减控技术研究》项目经费支持，为研究的顺利实施提供经济条件。

（3）实验器材：

本研究相关数据监测将在中科院地球化学所完成，地化所具有该实验所需全部器材及设备。

除此以外，部分缺少的资料获取途径有：

图书馆查阅、网上下载、书店购买；向有关职能部门借阅、老师和朋友寻求帮助。

（4）实验场地：

学院有相关盆栽实验场地和实验室供本研究使用。

（5）本人论文指导老师长期从事土壤重金属相关研究，对本研究的进行有很大的指导作用。

4．研究条件和可能存在的问题

4.1研究条件

（1）学校资料室，网上图书馆拥有比较齐全的资料作研究参考。

（2）国内外学者已做了大量研究，提供了丰富的理论基础、研究方法和技能。

（3）本人导师与学院其他老师学术精湛、知识渊博，在研究与写作过程中可以提供指导。

4.2可能存在的问题

（1）在实际操作中，仪器的精确度不高，将影响实验的成果。

（2）由于实验方法选择和实验操作人为因素造成实验数据存在一定的误差。

三、论文写作进度安排

研究进度

2015年6月采取高背景的土样、购买蔬菜种子、开题答辩

2015年7月—2013年9月盆栽种植、室内试验

2015年10月—2014年12月收割进行土壤重金属和蔬菜重金属测定

2015年01月数据整理、分析

2016年02月—2016年04月论文写作

2016年05月论文答辩

四、主要参考文献

[1]全国土壤污染状况调查公报,中国环境报.2014

[2]MULLIGANCN,YONGRN,GIBBSBF,etal.Metalremovalfromcontaminatedsoilandsedimentsbythebiosurfactantsurfactin[J].EnvironmentalScienceandTechnology,1999,33:

3812-3820.

[3]MULLIGANCN,YONGRN,GIBBSBF.Ontheuseofbiosurfactantfortheremovalofheavymetalsfromoil-contaminatedsoils[J].EnvironmentalProgress,1999,18

（1）:

50-54.

[4]MALAKULP,SRINIVASANKR,WANGHY.Metaladsorptionanddeadsorptioncharacteristicsofsurfactant-modifiedclaycomplexes[J].IndustrialandEngineeringChemistryResearch,1998.37:

4296-4301.

[5]CuryolT.etc.Effectofsomeorganic-mineralfertlizersonup-takeofheavymetalsbyvegetables[J].Roczniki-Akademii-Rolniczej-w-Poznaniu,cgrodnictwo.1998,27:

39-49.

[6]Scotti1A,etc.EffectsofflyashpHontheuptakeofheavymetalsbychicory[J].Water,-Air,-and-Soil-Pollution,1999,109:

1-4,397-406.

[7]张永等.两种表面活性剂对污染土壤中重金属的萃取.首届全国农业环境科学学术研讨会论文集.2005.

[8]朱清清，邵超英，张琢等.生物表面活性剂皂角苷增效去除土壤中重金属的研究［J］.环境科学学报，2011，30（12）:

1730—1738.

[9]朱清清，邵超英，侯书雅等.烷基糖苷对土壤中重金属的去除研究[J].环境科学与技术,2011，34（8）:

120—123.

[10]杜彩艳,祖艳群,李元.施用石灰对大白菜中Cd,Pb,Zn含量的影响[J].云南农业大学学报.2005,20（6）.

[11]朱奇宏,黄道友等.石灰和海泡石对镉污染土壤的修复效应与机理研究[J].水土保持学报,2009,23

（1）.

[12]陈晓婷,蒋疆等，石灰与泥炭配施抑制小白菜对重金属的吸收[J].福建农林大学学报（自然科学版）,2002,31（3）.

[13]陆引罡,王巩.贵州贵阳市郊区菜园土壤重金属污染的初步调查[J].土壤通报,2001,32（5）:

253-237.

[14]魏成熙,谭丽娟等，贵阳市主要土壤重金属状况研究[J].中国土壤与肥料,2006（4）.

[15]姜盛君,秦樊鑫等，贵州菜园土壤重金属赋存形态分布及生物有效性分析[J].贵州农业科学,2010,38（4）:

92-95.

[16]吴迪，李存雄等，贵州典型铅锌矿区水稻土壤和水稻中重金属含量及健康风险评价[J].农业环境科学学报,201332（10）:

1992-1998.

[17]余菲，肖玲等.贵阳市中心城区土壤重金属污染现状及其评价[J].城市环境与城市生态，2011，24（3）.

五、审批意见

导师意见：

导师签名：

　　　年　月　日

开

题

报告考核小组成员

姓名

职称

是否硕导

工作单位

开题报告考核小组意见：

考核小组组长：

年月日

注：

本表一式三份，培养单位、指导教师、研究生本人各留存一份。