摘要
在工业化进程飞速发展阶段，高强度的生产活动消耗自然资源的同时，也使部分生态系统重金属含量超出环境容量容许范围，环境及农作物中重金属污染问题备受关注。以镉(Cd)和铅(Pb)为主的重金属是影响中国农田土壤质量的主要污染物，重金属从土壤中迁移到农产品后，可随食物链的传递进入人体，在人体内富集并对健康产生危害。农田土壤重金属的检测和生态风险评估是了解土壤污染状况的关键技术手段和方法，也是预测重金属对生态系统造成影响程度的有效途径。因此，开发一种低成本的重金属快速检测技术，建立一种适合于农田土壤重金属离子有效态提取和快速检测方法，并评估重金属污染土壤进行生态风险，对分析农田土壤重金属的污染状况、开展防治工作和保障粮食安全有着重要意义。 本文从重金属快速检测技术切入，基于电化学检测原理，构建凹凸棒石粘土矿物修饰的电化学传感器，研究修饰电极对水体中Cd、Pb和土壤中Pb检测性能;探讨不同浸提体系中，土壤重金属浸提量之间的差异及电化学检测效果，建立适宜江苏区域稻麦轮作土壤有效态重金属的快速浸提体系和电化学传感器测定方法;并对江苏某重金属污染稻麦轮作土壤采用不同评价方法进行生态风险评估，研究重金属不同污染程度条件下，土壤微生物生态特征及响应。本研究主要结果如下: (1)以凹凸棒石粘土矿物为修饰材料，通过简单的滴涂方式制备凹凸棒石粘土矿物修饰的丝网印刷碳电极传感器，采用阳极溶出伏安法(SWASV)检测水溶液中Cd2+和Pb2+含量，结果表明凹凸棒石粘土矿物修饰电极提高了传感器对重金属的检测灵敏度。Cd2+浓度与峰电流线性回归方程为I（μA）=0.09056C+0.33497，线性相关系数为0.9951，检出限为1.18Vg/L(S/N=3)，线性工作范围为10～175μg/L;Pb2+浓度在1.0～25μg/L时与峰电流线性回归方程为I(μA)=0.092C+0.68617，线性相关系数为0.9954;Pb2+浓度在50～2000μg/L时与峰电流线性回归方程为I(μA)=0.04161C+1.48842，线性相关系数为0.9935，检出限为1.08μg/L(S/N=3)。 (2)以江苏省某区稻麦轮作土壤和标准土壤样品为研究对象，研究3种酸浸提体系对土壤样品中有效态Cd和Pb的提取效果，结果表明0.1mol/L HCl浸提试剂对水稻田和稻麦轮作土壤中Cd2+和Pb2+呈现出相对良好的提取能力，0.2mol/L HAc浸提试剂对菜地土壤中Cd2+和Pb2+的提取更为适用。采用电化学法测定土壤中重金属Pb2+的提取量，结果表明以0.1mol/L HCl为浸提剂，土液比1∶10，超声振荡15min的Pb2+浸提体系，电化学法测定土壤中Pb2+的浸提量与ICP-AES检测数据相吻合，土壤中有效态Pb2+浸提量与小麦籽粒中Pb2+含量具有显著的正相关关系。建立的快速浸提，电化学检测方法在江苏区域偏碱性受污染稻麦轮作土壤有效态Pb2+提取中具有一定应用前景，对有效态Cd2+提取具有一定局限性。 (3)以江苏省某区稻麦轮作土壤和稻米为研究对象，研究了土壤理化性质与2005年调查值变化情况，结果表明长期施用氮肥使SF镇和SX镇土壤呈现酸化趋势，农田土壤阳离子交换量和土壤全氮含量存在增加趋势，有机碳含量呈现下降趋势。与国家标准中风险筛选值相比，农田土壤As、Cr和Pb含量均低于风险筛选值，少数点位Cd、Hg含量超出土壤风险筛选值。稻米中各重金属元素富集系数(BCF)均值从大到小依次为:BCF-Cd＞BCF-Hg＞BCF-As＞BCF-Cr＞BCF-Pb。 (4)对江苏省某区稻麦轮作土壤开展生态风险评价，以江苏省土壤背景值为标准。单因子污染指数评价结果显示，研究区Cd和Pb存在重度污染点位。内梅罗综合污染指数分析显示，研究区样本土壤属于轻污染、中污染、重污染样本数量比重分别占为25.00％、17.50％、57.50％。各样点农田土壤重金属的综合潜在生态风险指数(RI)表明，所有样点中属于轻微生态风险、中等生态风险和强生态风险所占比例分别为35.00％、46.25％和17.50％，土壤中As、Pb和Cr潜在风险均属于轻微等级。结合稻米中各重金属的富集系数，采用RI评价土壤污染潜在生态风险可能会低估Cd和Hg的潜在危害。 (5)以农田土壤重金属的综合潜在生态风险指数(RI)为分组依据，对比分析CX镇不同污染程度土壤微生物群落组成特征。结果表明，不同污染程度的土壤细菌群落存在差异。细菌优势菌门为Proteobacteria，相对丰度达到36.63％。在属水平，Thiobacillus平均相对丰度在强污染样点土壤中显著高于轻度污染样点，其余菌属的平均相对丰度无显著性差异。Bacillus与土壤pH为正相关关系，与重金属含量为负相关关系。土壤pH与Thiobacillus、Sideroxydans、Dongia、Sulfuricurvum、Arenimonas、Rhizobacter、UTCFX1呈显著负相关关系，与Lysobacter呈显著正相关关系。
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