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1、 C h a r a c t e r i s t i c so fH e a v yM e t a lA c c u m u l a t i o na n dR e g u l a t i o nS t r a t e g i e si nS o i l so f P r o t e c t e dV e g e t a b l e sC u l t i v a t i o ni nt h e N o r t hC h i n aP h D C a n d i d a t e ：L iS h u h u iS u p e r v i s o r ：P r o f e s s o rW a n
2、gD a o l o n gD e g r e e ：D o c t o ro fP h i l o s o p h yi nA g r i c u l t u r eM a j o r ：B i o n o m i c sS p e c i a l t y ：S o i lP o l l u t i o na n dR e m e d i a t i o nJ u n e 2 0 1 l独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业科学院或其它
3、教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。戤棚帆冽衫胗日关于论文使用授权的声明本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科学院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。研究生签名导师签名：峨阃；e7 年参茂廖黾时间：勿厂厂年月尸日中国农业科学院博士学位论文评阅人、答辩委员会签名表论文题目北方设施菜地重金属的累积特征及防控对策研究论文作者李树辉专业作物生
4、态学研究方向污染农田修复农业环境与可持续发展研究所 指导教师王道龙培养单位( 研究所、中心)中国农业科学院研究生院姓名职称单位专业签名评徐建明教授浙江大学土壤学阅华珞研究员首都师范大学土壤学殇谚 I人李国学教授中国农业大学环境工程友舷 多 答辩 武志杰研究员中国科学院沈阳应土壤学 主席用生态研究所习。LJ中国农科院资源区飞始马义兵研究员土壤学 划研究所李国学教授中国农业大学环境工程易雄答黝灸林启美教授中国农业大学土壤学辩刘荣乐研究员中国农科院研究生院土壤学衲，坼委曾希柏研究员中国农科院环发所土壤学膨确警 员乓壤马世铭研究员中国农科院环发所气象学一，会议记录( 秘书)序邑多论文答辩时间地点为f
5、f 一6 。1 7矫旋衍参。厦摘要本文以北方典型区域( 山东寿光、河南商丘、吉林四平、甘肃武威) 的设施菜地为研究对象，通过田间调查、室内分析和定位试验，系统研究了重金属在设施菜地中的累积特征、剖面分布与迁移规律，进行了设施菜地系统中重金属的平衡估算，并针对设施菜地重金属累积问题，提出了重金属累积及污染防控的对策，通过研究得到的主要结果如下：1 山东寿光设施菜地中A s 、C d 、C u 、Z n 、C r 、N i 、P b 的平均含量分别为9 6 3 、0 5 2 、3 3 9 1 、1 2 4 2 0 、5 3 0 4 、2 9 0 4 、1 7 9 6m g k g - 1 ：河南商
6、丘分别为1 1 0 8 、0 3 0 、2 5 0 3 、7 3 5 3 、5 1 0 6 、2 6 6 8 、1 4 5 3m g k g “ 1 ，吉林四平分别为1 2 4 7 、0 4 6 7 、3 7 2 0 、8 7 6 8 、6 7 5 0 、2 5 1 7 、1 7 9 8m g k g “ 1 ，甘肃武威分别为1 3 3 3 、0 4 2 、3 3 8 5 、8 5 3 1 、5 3 1 2 、2 8 5 9 、2 0 7 6n a g k g “ 1 ，各区域设施菜地重金属均出现了不同程度的累积。2 。将设施菜地重金属含量与国家土壤环境质量I l 级标准比较，除C A 、Z
7、n 、N i 存在少量样本超标外，上述4 个区域设施菜地其它重金属含量均在国家允许范围内，土壤质量整体状况尚可，在所有重金属中，四个区域以C d 超标问题最为突出，C d 在各区域的样本超标比例顺序为：吉林四平( 3 9 8 ) 山东寿光( 2 7 4 ) 河南商丘( 6 1 ) 甘肃武威( 1 0 ) 。3 根据各区域重金属含量随着设施年限的变化规律看，4 个区域设施土壤重金属含量随着年限的延长呈现不同程度的累积趋势，据初步估计，A s 、C d 、C u 、Z n 、C r 、N i 、P b 在山东寿光设施菜地累积速率分别为O 1 0 5 、0 0 3 3 、0 9 2 3 、2 0 1
8、 0 、0 3 7 0 、0 2 8 1 、0 3 2 4m g k g - 才1 ，在河南商丘则分别为0 1 1 6 、0 0 0 1 、0 5 1 7 、1 6 2 8 、0 2 2 5 、O 1 2 2 、0 2 0 3m g k g L a 1 ，在吉林四平分别为0 1 6 4 、0 0 3 5 、1 2 2 3 、2 6 2 9 、1 0 7 6 、0 2 4 8 、0 1 4 3m g k g “ 1 a “ 1 ，在甘肃武威分别为0 1 9 4 、0 0 2 5 、1 0 2 2 、2 6 9 1 、0 1 5 6 、0 4 8 1m g k g L a 1 ，整体来说，C u
9、和z n 的累积速率最快。高毒元素C d 尽管累积速率最低，但其达到国家土壤I l 级标准值的时间最短，风险相对较高。4 山东寿光和甘肃武威的设施菜地土壤剖面重金属存在一定程度的累积趋势，表层土壤重金属含量普遍较高，随着土层深度的增加，重金属含量多呈现出不断降低的趋势。山东寿光表层土壤重金属C d 、C u 、Z n 的含量随种植年限的增加呈现显著升高的趋势( P H g A s Z n C u C r P b 。不同类型的菜地比较，工矿污灌区菜地的A s 、C d 、H g 、Z n 含量均最高，设施菜地的C u 、C r 含量最高，而城郊菜地的P b 含量相对较高，这与不同类型的农业生产区
10、域特征密切相关。由于土壤重金属累积与污染往往具有隐蔽性、长期性、潜在危害性和不可逆性，因而对重金属污染控制问题的研究一直是国际社会关注的焦点和难点问题。在土壤重金属污染的修复与治理方面，世界各国都开展了广泛的研究工作。目前，主要有以下几种治理措施：( 1 ) 物理方法。这种方法主要是对土壤进行局部或彻底更新，一般采用客土、换土、翻土、去表土或者对十壤进行处理( 如热处理、电解) 的办法。换土法即将污染七壤通过深翻到底层、或在覆盖清洁土于污染土壤上、或将污染土壤移走换上清洁土壤等方法。换士法能够有效地将污染土壤与农业生态系统隔离，从而减少它对环境的不利影响，是一种有效的污染士壤物理处理方法，但因
11、该方法耗用工程量大，费用高，只适合小面积的、污染严重的土壤，且因该法不能将污3中国农业科学院博十学位论文第一章引言染物质从土壤中移除仍存在一定的环境安全风险。对于挥发性的重金属，例如汞，采用加热的方法可以将其从土壤中解吸出来，当达到一定体积时再回收利用。而热处理法是采用加热或热固定的方法，通过加热可将一些具有挥发性的重金属如汞、砷等从土壤中解吸出来。W 西等( 2 0 0 1 ) 研究了铜在3 0 0 - 9 0 0 条件下固化lh ，吸附或沉积在矿物上的C u ( O H ) 2 将转化为可溶性差、不易被洗脱的C u O 而固定在矿物表面，温度升高可提高其在矿物表面的固化程度。S p a l
12、 d i n g ( 2 0 0 1 )利用加热的方法固定土壤中放射性元素。这些元素在高温下将由在土壤表面的吸附而向土壤内部晶格扩散，从而降低其环境风险。但因该方法耗用工程量大，费用高，只适合小面积的、污染严重的土壤，且若该法不能将污染物质从土壤中移除仍存在一定的环境安全风险。( 2 ) 化学方法。该方法主要利用向土壤添加化学物质，通过改变土壤p H ，增加吸附点位和促进重金属离子与土壤其它组分( 包括修复材料) 的共沉淀等过程而降低重金属生物有效性的技术，具体有沉淀法、有机质法、吸附法等。这些措施治理效果比较理想而且费用不大，但其稳定性不强，存在重金属再度活化的问题。据M i c h a e
13、 l ( 1 9 9 5 ) 报道，采用相应方法处理可使土壤中汞的浓度可达到背景值( 1m g L “) 。对于渗透性不高，传导性较差的粘性土壤中的C u 、C r 、A s ，根据电流能破坏金属一土壤键的原理，可应用电化学的方法予以去除。B r e w s t e r 等曾用铁板作阳极，根据电解产生的亚铁离子经氧化后可产生水合铁氧化物的原理，创造适当的条件，使地下水中的重金属与水合铁氧化物形成共沉淀而将重金属去除。( 3 ) 生物方法。该方法主要利用主要是利用植物、微生物和动物进行污染土壤的修复。该方法是利用生物( 植物、动物、微生物) 的生命代谢活动降低环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无
14、害，从而使污染的土壤部分或完全地恢复到原始状态，目前植物修复和微生物修复研究较多，动物研究的相关进展较为缓慢。在国际生物修复方法中，植物修复技术的发展较早，利用超富集植物进行重金属污染土壤的植物修复技术的发展也相对成熟，而超富集植物的筛选往往成了植物修复的关键。迄今为止，在美国、新西兰、澳大利亚等国家已经发现的超富集植物达7 0 0 多种( L a k s h m ie ta 1 ，2 0 0 4 ) 。国外开展这方面的工作较早，目前已发现的超富集植物有富集N i 的S t r e p t a n t h u sp o l y g a l o i d e ( R o b e r t , 19
15、9 9 ) 、A m u mp i n t o d a s i l v a e ( L y n s e ye ta 1 ，2 0 0 2 ) 、A l y s s u mm a r k g r a f i i ( V i n t e r h a l t e r & V i m e r h a l t e r , 2 0 0 5 ) 和富集Z n 的B r a s s i c a n a p u s ( B r e w e r e t a l ，1 9 9 9 ) 以及富集z n 和C d 的d r a b i d o p s i s h a l l e r i ( H e n d r i k
16、e t a l ，2 0 0 0 ) 等。B a k e r 在欧洲中西部发现了能富集C d 高达2 1 3 0 m g k 9 1 ( 干重) 的十字花科植物天蓝褐蓝菜( Z c a e r u l e s c e n s ) ( A l k o r t ae ta 1 ，2 0 0 4 ) ，它是已知的积累浓度最高且研究最深入的超富集植物之一( 徐昕等，2 0 0 4 ) 。我国开展这方面的工作较晚，到目前为止，中国的科技工作者陆续发现了A s 超富集植物蜈蚣草( P t e r i sv i t t a t a ) ( 陈同斌等，2 0 0 2 ) 和大叶井口边草( P t e r i sc r e t i c a L ) ( 韦朝阳等，2 0 0 2 ) 、超富集C d 的植物宝山蔓菜( H o l a b a o s h a e n s
