重金属污染胁迫下土壤功能抵抗力与恢复力的表征与影响因素分析开题报告

1. 研究目的与意义

1 研究背景

随着人口增长速度和城市化进程的加快和现代工农业的发展，大量重金属元素以废水、废气、废渣的形式在人为开采利用的过程中进入土壤生态系统并不断累积，在近年来带来严重的重金属污染问题，其中耕地土壤污染问题与人类生存健康最为息息相关。2014 年4 月17 日，环保部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤环境质量堪忧，点位超标率为19.4%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，其中重金属污染问题比较突出。我国耕地土壤的cd污染一直比较严重， 20世纪90年代cd污染耕地面积为1.3104 ha，涉及11个省市的25个地区，近几年的cd污染状况有日益严重之势（徐良将等，2011）。du等（2008）调查了东北某冶炼厂周围农田土壤的重金属污染情况，发现土壤样品中cd含量为4.1~167.6 mg/kg，地积累指数表征该地区cd污染程度严重。苗玉红等（2010）的研究结果表明，淮河支流惠济河、贾鲁河支流沿岸耕地土壤污染严重，在0~20、20~40和40~80 cm土层中土壤cd含量超三级含量标准率，均在50%以上。相对而言，我国南方土壤cd污染程度重于北方。湖南省长沙市郊主要蔬菜基地土壤调查结果显示，55.6%受到了重金属的综合污染，其中cd污染占70%（李明德等，2005）。雷鸣等（2008）抽样分析了湖南省9个县市采矿区和冶炼区附近的水稻土，发现有6个县市存在cd严重污染问题，其他地区也受到不同程度cd污染。董萌（2011）对南洞庭湖10个洲垸的土壤进行了cd等4种重金属的抽样测定，结果表明，cd的平均含量达3.047 mg/kg，污染普遍严重。曾建兵（2011）的研究结果表明，洞庭湖平原各蔬菜基地表层土壤中cd平均含量为0.399 mg/kg，污染的范围较广，各采样位点土壤样品cd含量超过土壤环境质量二级标准的占42%，高值区主要位于沅江、益阳和湘阴，其中最高值位于沅江市白泥村（0.667 mg/kg）。由于镉污染土壤对人们的生产生活财产健康带来的巨大损失，了解镉污染土壤的机制，土壤对镉胁迫的耐受能力，找到土壤受扰动阈值，是当前研究工作者需要解决的一大难题。

2 研究目的及意义

2. 研究内容和预期目标

1 研究内容

以抵抗力和回复力为主要表现形式的土壤生物功能稳定性是土壤健康重要标志。通过土壤性质预测土壤功能抵抗力和恢复力，对于土壤环境的保护和治理对策的制定具有重要的指导意义。因此，本研究的主要内容是：添加不同浓度的镉污染胁迫，探讨土壤微生物对于各种浓度的抵抗力和恢复力，构建污染物老化和微生物生长之间的动态过程。

2 预期目标

3. 研究的方法与步骤

1 研究方法

了解土壤中镉污染的恶劣现状，拟开展土壤镉胁迫实验。查阅相关文献后，大致确定镉胁迫的实验浓度范围在10-100mg/Kg，因此制定预实验方案浓度梯度为50、100、200、350、500mg/Kg，采用CO2碱液滴定法，即底物诱导呼吸，分析所得数据（CO2的呼吸量），得出最佳镉胁迫浓度梯度为10、20、50、100、200、350mg/Kg，以此进行正式培养实验，所得数据用来绘制抵抗率与恢复率曲线，表征不同浓度重金属镉胁迫对土壤抵抗力与恢复力的影响。另外为了研究土壤本身的理化性质对其抵抗力与恢复力的影响，查询相关文献和实验指导书，测定土壤的理化性质（包括pH值、CEC、含水率、砂粒百分比、DOC)，得出相应的理化性质与土壤功能稳定性的关系,进而完成重金属污染胁迫下土壤抵抗力与恢复力的表征和影响因素分析。

实验需要获得的数据：

pH（电位测定法）

含水率（重量法）

有机质（重铬酸钾容量法）

全氮、全磷（冷冻干燥元素分析仪法）

二氧化碳释放量

阳离子交换量（ICP-AES）

土壤质地（筛分）

实验所需试剂：

主要仪器

PHS-3C酸度计、离心机、ICP-AES、分析天平(0.0001g)、恒温培养箱、干燥箱、摇床、元素分析仪

2 步骤

①pH值的测定

称取风干土样10g于50mL烧杯中，加入25mL无二氧化碳水，用玻璃棒快速搅动1-2min后静止30min。风干土样pH测定，做三个平行，取平均值。

②含水率的测定

准确称取鲜土样5g（m1）于锡箔纸，包裹完好后放入105℃烘箱中烘烤12小时，称重得m2，利用公式计算：含水率=（m2- m1）/ m1100%。

③离子交换系数CEC实验：

称取0.500g的土样，加入0.1mol/L BaCl2 20ml，摇床摇震2h，250rpm，然后离心，3000rpm，离心20min，上清液0.45微米滤膜过滤，稀释一定倍数，ICP-AES测定Ca，Mg，Na，K，Al，Mn和Fe的浓度，最后通过公式计算CEC。

④可溶性有机碳（（Dissolved Organic Carbon，简称DOC））测定

可溶性有机碳测定：取10g新鲜土样，按照土：水为1∶5的比例混匀，在25℃条件下，以250 r/min的速度振荡1h，接着在转速为15000 r/min离心10min，上部悬浮液过045μm薄滤膜，过滤液用碳自动分析仪来测定(TOC-Vcph, Shimadzu, Japan)。

⑤碳氮比(C/ N)测定

每个反应装置中各取1.00g（干重）土壤样品，冷冻干燥12小时，然后研磨，过0.075mm筛，使用元素分析仪(型号TOC-VWP)测得碳氮比。

⑥底物诱导呼吸速率实验：

6种不同镉浓度（10、20、50、100、200、350mg/Kg)胁迫土壤分别取12g，置于塑料瓶中（250毫升）同时将土壤含水率控制在15%。土壤被随机进行二种方式处理：（一）控制，无扰动施加；（二）镉胁迫，加入氯化镉溶液，将含水率从15%调至18%。然后处理A、B均向装有12g土壤的瓶中加入30mg/g葡萄糖。将装有5ml 0.2mol/L的NaOH溶液的玻璃瓶放置在250毫升的塑料瓶中，用于捕捉土壤有机质矿化所生成的二氧化碳。塑料瓶密封，并在28℃下培养12小时。塑料瓶从培养箱中取出后，迅速将NaOH液体转移至100ml三角瓶中，加入2ml 1mol/L的BaCl2溶液，再加两滴酚酞，用0.05mol/L的HCl滴定。每组处理有三个重复，另取3个瓶子不加土壤作为空白。为了便于说明时间，第0天是当镉胁迫被应用的时间。分别在加入镉胁迫后第1，3，15，30和60天进行测定。

4. 参考文献

[1]. 张彦，张慧文，苏振成，张成刚．长期重金属胁迫对农田土壤微生物生物量、活性和种群的影响[j]．应用与环境生物学报，2007，18(7)： 1491～1497．

[2]. 李小方，邓欢，黄益宗，王新军，朱永官．土壤生态系统稳定性研究进展[j]．生态学报，2009，29(12)：6712～6722．

[3]. holt r d. ecology-asymmetry and stability. nature, 2006, 442(7100): 252-253.

5. 计划与进度安排

（1）2022.2.1-2022.3.1：文献综述；

（2）2022.3.1-2022.3.31：预实验，确定实验方法；

（3）2022.4.1-2022.5.1：呼吸实验，土壤理化性质测定；