一种基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测方法技术

本发明专利技术提供了一种基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测方法，涉及模拟环境动态模型技术领域，所述方法包括以下步骤：(1)获取样本地块的土壤基础理化性质、土壤重金属全量、土壤重金属溶解态含量和农作物重金属含量，分别建立数据集；(2)采用相关结合回归分析，确定影响土壤重金属溶解态含量的关键因子及其交互关系；(3)耦合农作物重金属吸收过程，确定影响的关键因子以及其与农作物重金属含量和土壤重金属溶解态含量的动态交互关系，构建农作物重金属富集水平混合变量预测模型；本发明专利技术所述方法模拟重金属“总量—溶解态含量—农作物富集量”富集链转化过程，量化不同土壤因子变化过程及其对农作物重金属富集趋势的影响。趋势的影响。趋势的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测方法


[0001]本专利技术涉及模拟环境动态模型
，尤其涉及一种基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测方法。

技术介绍

[0002]重金属(镉、铬、砷、铜、铅、汞等)是生物体非必需元素，其毒性大，迁移性强，且易在农作物(水稻、小麦和蔬菜等)中富集。长期食用重金属超标的农作物会引发骨质疏松、高血压和肾功能衰竭等多种疾病。近年来，由于工业“三废”的排放、矿山开采、化肥和农药添加、污水灌溉及生活垃圾排放等原因，农作物重金属超标事件频发，对身体健康来讲，存在严重的安全隐患。以重金属镉(Cd)为例，部分污染地区以Cd污染农产品为主食的高暴露风险人群仅需4.7～8.3年就能达到Cd中等毒害水平(累积2.6g Cd)，10～20年可能会出现“痛痛病”等Cd严重毒害症状(累积3.8g Cd)，15～30年就可能达到Cd致死剂量(累积5.4g Cd)。量化农作物重金属富集过程，降低农作物重金属富集趋势是制定区域重金属污染防治对策，保障粮食安全和维护区域民众健康的关键步骤。
[0003]外源重金属在进入农田土壤后，以水合离子、复杂的无机物或有机化合物存在于土壤中。土壤重金属的植物可利用性主要受重金属离子在土壤表面吸附
‑
解吸过程的影响，与土壤pH、土壤质地和共存阴阳离子等变量显著相关。由于重金属沿“总量—溶解态含量—农作物富集量”富集链条的变化过程具有低强度、长周期、相互作用的耦合特征，常规监测难以揭示其动态变化。模型研究不受时间和空间限制，与试验观测的结合是明晰区域农田重金属生物有效性变化过程和农作物重金属富集趋势的有效手段。
[0004]美国康奈尔大学应用固液分配系数(K
d
)来表征土壤重金属在总量和溶解态相间的分配特征，并通过回归方程揭示出土壤pH是影响K
d
的关键因子。美国加州大学河滨分校等应用富集因子来表征美国加州农作物重金属富集能力，并结合固液分配系数(K
d
)来描述砷、镉和铅在“土壤
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土壤溶液
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农作物”间的迁移特性。以上经验模型通过极大的简化和假设来描述农作物重金属富集过程，难以拓展推广。表面络合模型通过计算土壤酸碱平衡常数来量化重金属在土壤微界面的形态分配平衡，如土壤粘土矿物的Two
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site模型，有机质的NICA
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Donnan模型和针铁矿的CD
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MUSIC模型。此类机理模型可有效预测土壤溶液及农作物重金属富集量，但均未涉及元素交互过程，且所用软件(ECOSAT、MINTEQ、PHREEQ等)不一，参数获取难度大，在实际应用中不确定性较强。Langmuir和Freundlich等温吸附模型可用于获取重金属在不同土壤中的最大吸附量和吸附强度，多用于表征重金属在均质及非均质界面的竞争吸附行为，对轻中度重金属污染为主的农田具有一定指导意义。然而，我国农田土壤重金属污染格局多样，区域污染风险突出，农作物重金属富集过程变异性强。如何耦合多个环境混合变量的变化特性，模拟“重金属总量—重金属溶解态含量—农作物重金属富集量”迁移转化过程，揭示关键影响因子的影响程度及调控阈值并预测农作物重金属富集水平，优化区域农田重金属污染防治优技术，是我国农田重金属污染防治研究的关键步骤。
上述模型研究均以单一变量或同量纲变量为关键参数，未将土壤pH、土壤微量元素交互作用与农作物重金属富集过程进行关联，且所用参数多为来自于国外文献报道中的常数或固定值，在实际应用中存在较大的不确定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测方法，模拟重金属在“总量—溶解态含量—农作物富集量”富集链的迁移转化过程，量化不同土壤因子动态变化过程及其对农作物重金属富集趋势的影响程度，推导出不同驱动因子变化规律及其调控阈值，预测农作物重金属富集趋势。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测方法，包括以下步骤：
[0008](1)获取样本地块的土壤基础理化性质、土壤重金属全量、土壤重金属溶解态含量和农作物重金属含量，分别建立对应数据集；
[0009](2)采用相关分析结合回归分析处理数据集，基于米曼式吸附方程确定影响土壤重金属溶解态含量的关键因子以及其交互关系；
[0010][0011]为不同农作物土壤重金属溶解态含量，P
i
为影响土壤重金属溶解态含量的关键因子，β1、β2为拟合参数；
[0012](3)根据步骤(2)所得，耦合农作物重金属吸收过程，确定影响农作物重金属吸收的关键因子以及其与农作物重金属含量和不同农作物土壤重金属溶解态含量的动态交互关系，基于离子活度理论构建农作物重金属富集水平混合变量预测模型，获取关键因子动态调控阈值。
[0013]优选的，步骤(1)所述土壤基础理化性质包括土壤pH、土壤阳离子交换量和土壤有机碳含量。
[0014]优选的，步骤(3)中所述农作物重金属富集水平混合变量预测模型为模拟重金属富集链条“土壤重金属全量
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土壤重金属溶解态含量
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农作物重金属含量”的变化过程。
[0015]优选的，步骤(3)中所述农作物重金属富集水平混合变量预测模型为：
[0016][0017][0018]为不同农作物重金属含量，为不同农作物土壤重金属溶解态含量，pH为土壤pH，α1、α2和α3为拟合参数。
[0019]本专利技术还提供了所述农作物重金属富集水平混合变量预测方法所得农作物重金属富集水平混合变量预测模型在模拟农作物重金属富集量变化趋势中的应用。
[0020]本专利技术还提供了所述农作物重金属富集水平混合变量预测方法所得农作物重金属富集水平混合变量预测模型在评估不同修复策略在污染农田施用的可持续性中的应用。
[0021]优选的，所述农作物重金属富集水平混合变量预测模型耦合蒙特卡洛随机模拟法进行应用。
[0022]本专利技术提供了一种基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测方法，在田间开展了实际应用，结果显示按配比施用的石灰和锌肥可有效降低水稻、小麦和蔬菜Cd富集水平。本专利技术提出的基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测模型运行稳定，表现良好，能够准确地预测农作物重金属富集水平且推导出相应的土壤pH和土壤Zn:Cd比安全阈值，对于大田应用中石灰或肥料施用量的调整具有指导意义，提高农作物重金属防治工作效率，避免加重区域重金属污染趋势，保障粮食的安全生产。
附图说明
[0023]图1为实施例1菜地土壤Cd溶解态含量与土壤pH和蔬菜Cd含量的回归关系(a为菜地土壤Cd溶解态含量与土壤pH的回归关系；b为蔬菜Cd含量与菜地土壤Cd溶解态含量的回归关系)；
[0024]图2为实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取样本地块的土壤基础理化性质、土壤重金属全量、土壤重金属溶解态含量和农作物重金属含量，分别建立对应数据集；(2)采用相关分析结合回归分析处理数据集，基于米曼式吸附方程确定影响土壤重金属溶解态含量的关键因子以及其交互关系；属溶解态含量的关键因子以及其交互关系；为不同农作物土壤重金属溶解态含量，P
i
为影响土壤重金属溶解态含量的关键因子，β1、β2为拟合参数；(3)根据步骤(2)所得，耦合农作物重金属吸收过程，确定影响农作物重金属吸收的关键因子以及其与农作物重金属含量和不同农作物土壤重金属溶解态含量的动态交互关系，基于离子活度理论构建农作物重金属富集水平混合变量预测模型，获取关键因子动态调控阈值。2.如权利要求1所述一种基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测方法，其特征在于，步骤(1)所述土壤基础理化性质包括土壤pH、土壤阳离子交换量和土壤有机碳含量。3.如权利要求1所述一种基于离子活度理论的农作物重金属富集水平混合变量预测方法，其特征在于，步骤(3)中所述农作物重金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨阳，陈卫平，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：