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砷污染是近年来国内外环境保护领域中普遍关注的重要问题。随着砷超富集植物(hyperaccumulator)——蜈蚣草(Pteris vittata L.)的发现，以其为核心的砷污染土壤的植物修复(phytoremediation)技术研究越来越受重视。目前相关研究多集中在室内的理论探索阶段，对蜈蚣草砷污染土壤的现场修复过程及应用涉及较少，更是缺乏对植物修复系统中砷的迁移转化等行为的了解。本研究以国际上第一个砷污染土壤的植物修复基地(湖南郴州)为依托，开展了连续3年多时间的野外取样和分析，进行了砷循环通量的系统观测，并建立了基于土壤-植物-大气-水体系统中砷循环过程的质量平衡模型，为评价植物修复技术及应用潜力提供重要的基础数据及理论支持。论文的主要结果如下：
(1)通过3年多时间的植物修复，污染农田表层土壤中的砷浓度均显著降低，尤其是高砷地块的污染状况得到明显改善。在原始土壤砷浓度平均值为170、67和37 mg·k-1的A、B、C三个试验地块中，修复后土壤砷浓度(算术平均值)分别减少30.6、13.9和5.1 mg·kg-1，降幅分别为15.7％、23.8％和13.1％。从修复前后3个地块中砷的空间分布变化来看，修复后高砷区的土壤面积均呈显著降低。从土壤中砷的垂直分布看，砷仍主要集中在0-20 cm的表土层。
(2)在植物修复系统中，收获蜈蚣草是土壤砷输出的主要途径。研究表明，蜈蚣草地上部的砷浓度和砷累积量与土壤砷浓度呈极显著的正相关关系。在一个生育期内，随着蜈蚣草生长发育的进程，尽管有时植物地上部的砷浓度会表现出降低的趋势，但是其生物量和砷积累量呈逐渐增加的趋势。在3年多的种植期限内，多年生的蜈蚣草对砷的富集能力并没有随着种植年限的延长而降低。从蜈蚣草不同部位对砷的累积规律看，田间条件下蜈蚣草吸收的砷主要贮存在地上部，根部储存的砷很少。从蜈蚣草中砷的亚细胞分布研究发现，羽片胞液是植株聚集砷的最主要组分，是蜈蚣草对砷进行富集和解毒的关键部位。从蜈蚣草对砷的吸收和积累看，在3年多时间内，A、B和C三个地块中蜈蚣草的砷输出总量(砷去除量)分别为47.3、26.7和13.7 kg·ha-1。
(3)降雨或灌溉能够从蜈蚣草冠层带走一部分砷。试验首次发现，超富集植物蜈蚣草冠层的砷会随降水或灌溉而淋失到土壤中。砷的冠层淋失量随着蜈蚣草体内砷浓度和生物量的升高而升高。砷的冠层淋失量与降雨量和降雨时间有关：降雨量越大，降雨时间越长，砷的淋失量也越大。通过砷的形态分析表明，蜈蚣草冠层淋洗液中主要以As(V)为主，但含有少量(不超过10％)的As(Ⅲ)。根据动态监测结果，植物修复基地A、B和C地块中蜈蚣草冠层的砷淋失通量分别为1.13、0.53和0.25 kg·ha-1·a-1。
(4)试验发现，砷的大气沉降是污染农田中不可忽视的砷输入途径。动态监测表明，该污染农田中大气干沉降的质量月变化范围为32～379kg·ha-1·mon-1；大气干沉降的砷浓度较高，平均值为118 mg·kg-1；干沉降的砷输入高峰期主要集中在每年的5～6月和9～10月；干沉降的砷输入通量平均为0.23 kg·ha-1·a-1。雨水中砷的年平均浓度为13μg·L-1，1～4月份的砷浓度较高；通过降水输入土壤中的砷主要集中在1～6月，输入量最高的月份为4月或5月;通过降水输入农田中的砷平均为0.14 kg·ha-1·a-1。在该生态系统中，大气沉降的年通量平均为0.37 kg·ha-1·a-1。
(5)种植蜈蚣草和灌溉会使土壤下渗水中砷的浓度略微升高，但土壤下渗水中砷浓度依然很低(4～13μg·L-1，平均浓度为7.7μg·L-1)。3～6月份土壤中砷的渗漏量明显高于其他月份；7月容易发生干旱，土壤水的下渗量很少，砷的渗漏量很低。在该生态系统中，土壤下渗的年通量平均为0.05 kg·ha-1·a-1。
(6)在植物修复过程中，土壤系统的砷输入途径主要为冠层淋失和大气沉降，年输入通量为0.94 kg·ha-1·a-1；砷的年输出通量分别7.96kg·ha-1·a-1，其输出途径主要为超富集植物(hyperaccumulator)对砷的去除。在植物修复过程中，砷的循环表现为净输出，年净输出通量为7.02 kg·ha-1·a-1。在自然生态恢复条件下，系统中砷的年输入通量为0.37 kg·ha-1·a-1，主要输入途径为大气沉降;砷通过普通植物吸收、地表径流和地下渗漏等途径输出系统的通量仅为0.13 kg·ha-1·a-1；该系统表现为砷的净输入，年净输入量为0.24 kg·ha-1·a-1。因此，种植并收获蜈蚣草能大量去除土壤中的砷，明显改变砷在生态系统中的循环行为，将土壤中的砷由自然恢复条件下的净输入系统转变为净输出系统。这一长期监测结果有力地证明，蜈蚣草确实具有修复砷污染土壤的巨大潜力。
(7)植物修复收获物(蜈蚣草)的后续处置是植物修复技术推广应用的关键环节。试验表明，直接焚烧能够大量减少植物收获物的重量和体积，但如果不加控制，则有20％以上的砷会通过挥发作用进入大气，容易造成二次环境污染。通过试验研究和探索，本文研发出2种用于防治蜈蚣草焚烧过程中砷挥发的固砷剂：Mg(NO3)2/MgO和XO*。如果在蜈蚣草焚烧前加入其中一种固砷剂，则能有效地阻止砷的挥发；但从固砷剂的/价格和效果等多方面综合考虑，采用XO更加经济有效。EXAFS试验和热差分析表明，在高温焚烧条件下，其固持植物砷的过程和机理是：固砷剂与样品中的砷发生化学反应，分别生成了更稳定的含砷化合物Mg3As2O8和Xa(AsO4)b。固砷剂的开发对于解决蜈蚣草的安全处置和资源化利用问题的具有重要意义。
本研究主要特色和创新之处表现在：(1)通过3年多时间的连续动态监测，取得了上万个有关砷循环过程及其通量的宝贵数据，并在此基础上从生态系统的角度揭示植物修复系统和自然生态恢复系统(不进行植物修复的对照)中砷的循环过程，识别出影响植物修复过程中砷输入和输出的关键因素，初步建立了砷循环的质量平衡模型，为深入认识砷的环境行为及植物修复技术的效果评价提供了新的思路和重要研究结论。(2)研究中发现一个奇特的新现象：砷超富集植物冠层的砷会随降雨发生淋溶。在植物修复系统中，该过程是一个不可忽视的输入途径。(3)开发出控制蜈蚣草焚烧过程中砷挥发的固砷剂，并从理论角度揭示其作用机理，解决了植物修复技术应用中砷超富集植物安全焚烧这一重要难题。
虽然本研究在质量平衡模型方面开展了富有新意的探索工作，主要围绕砷循环的质量平衡模型方面进行了有益的探讨，但鉴于时间和研究重点的限制，下一步尚需在构建描述砷循环过程的数学模型方面进行深入研究。