水铁矿-砷吸附体系在土壤中稳定性变化机制的研究

The agriculture soils in some districts of southern China are suffering the threats of varied degree arsenic contamination. Most of these farmlands are still being cultivated which may increase the security risk of local agricultural products. Ferrihydrite is widely used as a chemical amendment as it performs a high affinity with arsenic and normally used for the in-situ soil remediation. However，its instability may lead to the destructive of arsenic-bearing ferrihydrite and further release the arsenic to the soil. In this study, two typical southern soils (purple soil and quaternary red soil) were selected as the hot spot. Some advanced spectrum techniques and diffusive gradients in thin-films technique (DGT) were utilized for studying the transformation/dissolution process of arsenic-bearing ferrihydrite. Soil suspension, soil incubation and rhizo-box experiment experiment were employed to elucidate the effect of soil physicochemical properties and soil environmental factors on the stability of arsenic-bearing ferrihydrite and its transformed micro-mechanism. This study is of great guiding significance in clarifying micro-mechanism and effect factors of stability of arsenic-bearing ferrihydrite under soil and rhizosphere environment, promoting safety utilization of agricultural farmland.

我国南方部分地区农田土壤仍然面临不同程度的砷污染危害，这些农田目前大多尚在种植，导致当地的农产品安全生产面临较高的风险。由于水铁矿对砷表现出较强的吸附效果而广泛用于土壤砷污染的原位化学修复。但其化学行为上所表现出的不稳定性可能会导致其结构被破坏，潜在砷向土壤中二次释放的风险。本项目拟以我国南方两种典型土壤（紫色土和第四纪红壤）为研究对象，从分析水铁矿-砷吸附体系在土壤环境中转化/解离的表征技术层面出发，联用现代光谱表征技术和梯度扩散薄膜技术，利用土壤悬浊液、土壤培养实验、根箱实验，明确土壤理化性质和土壤环境等因素对水铁矿-砷吸附体系稳定性变化的影响，探讨其在土壤及模拟根-土界面下该吸附体系稳定性的微观变化机制。项目研究结果对明确水铁矿-砷吸附体系在土壤、根际微域下的稳定性变化的微观机制及其影响因素、促进我国南方砷污染农田安全利用均具有十分重要的指导作用。

我国南方部分地区农田土壤仍然面临不同程度的砷污染危害，这些农田目前大多尚在种植，导致当地的农产品安全生产面临较高的风险。由于水铁矿（Fh）对砷表现出较好的吸附效果而广泛用于土壤砷污染的原位化学修复。但其化学行为上所表现出的不稳定性可能会导致其结构被破坏，潜在砷向土壤中二次释放的风险。本课题拟以我国南方两种典型土壤为研究对象，从分析水铁矿-砷吸附体系在土壤环境中转化/解离的表征技术层面出发，利用土壤悬浊液、土壤培养和模拟根箱实验，明确土壤理化性质和土壤环境等因素对水铁矿-砷吸附体系稳定性变化的影响过程及其微观变化机制。研究结果表明，在干湿交替、持续高水分条件和低水分条件培养33天后，水铁矿在土壤高水分条件下稳定性最差，其次为土壤的干湿交替条件。通过将含砷水铁矿长期浸没于两种南方典型土壤悬浮液的结果发现，经过360 d的培养，赤铁矿为主要产物，针铁矿为副产物。在As/Fe 摩尔比分别为 0.005 和 0.05 时，约12-17%和4-5%Fh被转化。通过BET测定发现在0.005和0.05的 As/Fe 摩尔比的条件下，360天后As（V）-Fh的表面积也分别减少了 17.3-27.6% 和 11.9-16.6%。比较两种供试土样，As（V）-Fh在湖南土壤悬浮液中的转化速度更快，并且形成了更多的赤铁矿和针铁矿。在培养阶段，As（V）转化为As（III），两种物质都从As（V）-Fh表面释放到悬浮液中。土壤的长期培养淹水实验中，XRD和SEM结果表明随着时间的变化，土壤中含砷水铁矿的逐渐向赤铁矿和针铁矿发生转化，同时随着土壤埋放深度的增加水铁矿向针铁矿转化的趋势更加明显，BET比表面积测试结果也发现含砷水铁矿的比表面积呈持续下降的趋势。水稻干湿交替体系的种植培养实验表明，在水稻全生育期的根际条件下培养90天，含砷水铁矿也发生了转化，XRD和SEM结果表明主要产物仍然以赤铁矿和针铁矿为主。项目研究结果对明确水铁矿-砷吸附体系在土壤、根际微域下的稳定性变化的微观机制及其影响因素、促进我国南方砷污染农田安全利用均具有十分重要的指导作用。