土壤中重金屬銅與礦物和有機物在微米尺度上的作用機制

　　1月22日，《環境污染》（Environmental Pollution，2017，223：457-465）雜志發表了國家蛋白質科學研究（上海）設施五線六站用戶南京農業大學資源與環境科學學院教授余光輝研究小組在土壤重金屬污染方面的研究論文。該研究應用同步輻射紅外顯微成像技術（SR-FTIR）結合微電子探針技術（EPMA）原位揭示了土壤中銅的高度異質性及其在土壤中的絡合機制。

　　農田管理措施不當導致的重金屬累積對生態環境有重大影響，是目前研究的熱點。探究關于重金屬元素與土壤中有機質和土壤礦物之間的絡合及分布特征，對于理解重金屬的毒性、遷移和科學修復具有重要意義。由余光輝領導的研究團隊，依據國家肥力網湖南祁陽長期定位施肥試驗站（1990年建立）玉米-小麥輪作系統的表層（0-20 cm）土壤樣品，重點分析了長期施用無機肥料和有機肥料對土壤中和作物中銅含量的影響。結果發現，雖然長期施用有機肥導致土壤中銅全量和有效性含量顯著升高，但是該處理中的小麥秸稈中銅含量僅略有升高；同時，與長期施用化肥相比，長期施用有機肥處理中的小麥秸稈中銅含量反而有所降低。

　　為了進一步探究銅元素在土壤中的存在形式及遷移規律，研究者采用SR-FTIR結合EPMA技術在微米尺度上原位觀察了長期施用化肥和有機肥紅壤中銅元素的分布特征及與不同官能團的絡合機制。在BL01B線站工作人員的積極參與和支持下，收集了這兩種處理紅壤顆粒的微米級紅外官能團成像數據，通過不同方法結合同步表征土壤顆粒中絡合銅的有效組分。原位表征結果表明，銅、粘土礦物、鋁鐵氧化物和碳官能團在有機肥處理紅壤顆粒中的分布存在高度異質性。該結果為研究長期施用有機肥紅壤中與銅起主要絡合作用的官能團提供了直接證據，同時也揭示了礦物組分在絡合銅過程中的重要作用。該結果進一步被二維相關光譜證明。

　　該研究為農田土壤重金屬污染的修復機制和技術措施提供了理論依據。從農田重金屬污染治理的角度來講，并不是把土壤中的重金屬濃度降下來，而是有效阻止土壤中重金屬進入作物及食物鏈。同時，土壤污染程度不能單一依據土壤中的重金屬含量來評價，綜合評價土壤中重金屬含量、作物及農產品中的重金屬含量才更合適。而國家蛋白質科學研究（上海）設施五線六站的同步輻射紅外顯微成像技術（SR-FTIR）則可以用于深入研究影響重金屬生物有效性的機制。研究成果對認識土壤中重金屬行為和土壤培肥特征提供了科學直接的證據支持，對合理修復土壤和制定土壤修復決策具有重要意義。

　　該課題研究得到了國家自然科學基金委面上項目（41371248）和青藍工程項目的資助，南京農業大學的博士研究生孫富生是該文的第一作者。土壤中不同官能團的原位分布數據收集于國家蛋白質科學研究（上海）設施紅外譜學顯微實驗站BL01B。