【摘要】：鎘位列我國(guó)土壤無(wú)機(jī)污染物首位,土壤鎘污染已成為威脅糧食安全、制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)約有2.786×10~5 km~2農(nóng)田土壤遭受鎘污染,因鎘污染直接導(dǎo)致的稻米減產(chǎn)量約為10~100 kg,年產(chǎn)“鎘米”約1.2×10~100 kg。顯然,我國(guó)農(nóng)田土壤鎘污染現(xiàn)狀堪憂。因此,開展鎘污染土壤修復(fù)與利用的相關(guān)研究,對(duì)于防治土壤鎘污染、保障糧食安全具有一定的理論和實(shí)踐意義。施硅具有降低土壤鎘生物有效性的作用,但有關(guān)硅如何影響土壤鎘化學(xué)形態(tài)與行為的土壤化學(xué)機(jī)制研究尚少。針對(duì)以往研究存在因含硅物料的加入改變土壤體系pH并引入相應(yīng)伴隨離子的不足,本研究在消除硅源(Na_2SiO_3)堿性和伴隨離子(Na~+)差異的基礎(chǔ)上,將土壤-水稻作為一個(gè)整體,采取水培試驗(yàn)、盆栽試驗(yàn)與室內(nèi)分析相結(jié)合的方式,在探討鎘脅迫下外源硅對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育與生理響應(yīng)的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用原位道南膜技術(shù)(Field-DMT)、X射線衍射技術(shù)(XRD)、拉曼光譜技術(shù)(Raman)、紅外光譜技術(shù)(FT-IR)和X射線光電子能譜技術(shù)(XPS)系統(tǒng)地研究了外源硅對(duì)土壤液相、固相中鎘形態(tài),土壤(氧化鐵)固液界面鎘的化學(xué)行為及其生物有效性的影響。得到的主要結(jié)果及結(jié)論如下:1.外源硅緩解了鎘對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的毒害,降低了植株各部位鎘含量,提高了水稻生物量。鎘脅迫下,外源硅提高了水稻幼苗抗氧化酶活性、光合色素含量,改善了細(xì)胞器超微結(jié)構(gòu),降低了植株中鎘含量。施硅提高了水稻幼苗葉片中超氧化物歧化酶(SOD)及過(guò)氧化氫酶(CAT)的活性,降低了過(guò)氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量;硅提高了水稻幼苗葉片葉綠素(A、B、A+B)和類胡蘿卜素的含量,提高了水稻幼苗葉片光合效率;施硅有利于葉片細(xì)胞、葉綠體和線粒體功能恢復(fù)及其結(jié)構(gòu)的完整、有序,并促進(jìn)細(xì)胞中淀粉粒和嗜鋨顆粒數(shù)量減少且體積變小。外源硅明顯緩解了鎘對(duì)盆栽水稻的毒害作用。施硅顯著增加了水稻的生物量和產(chǎn)量;降低了水稻根部、莖桿、葉片、穎殼和糙米中鎘含量,當(dāng)土壤鎘含量和外源硅添加量分別為5 mg kg~(-1)和120 mg kg~(-1)時(shí),糙米的鎘含量符合國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)(≤0.02 mg kg~(-1))。2.硅改變了酸性、中性和堿性土壤固相鎘形態(tài),促進(jìn)了土壤固相鎘向無(wú)效態(tài)轉(zhuǎn)化。降低了酸可提取態(tài)鎘占比(P0.01)和可還原態(tài)鎘占比(P0.01),提高了土壤中可氧化態(tài)鎘占比(P0.05)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘占比。3.硅影響了鎘在土壤固液界面的化學(xué)行為。外源硅在一定程度上促進(jìn)了酸性及中性土壤對(duì)鎘的吸附,抑制了堿性土壤對(duì)鎘的吸附;隨外源硅濃度的增加,鎘在3種土壤上的剩余吸附量隨之增大,硅增強(qiáng)了土壤對(duì)鎘的固定能力;R-P、Toth和Freundlich方程更適宜描述在不同硅濃度下,3種土壤對(duì)鎘的吸附等溫特征;3種土壤對(duì)鎘的吸附均為伴隨吸熱和熵增的自發(fā)反應(yīng)。4.硅改變了土壤溶液中鎘的化學(xué)形態(tài),降低了自由態(tài)鎘濃度。水稻生育期內(nèi),外源硅提高了3種土壤溶液pH和Eh值;降低了酸性和中性土壤溶液中水溶態(tài)和自由態(tài)鎘濃度;在堿性土壤中,施硅提高了水溶態(tài)鎘濃度,但降低了自由態(tài)鎘濃度。5.鎘與硅酸在土壤溶液中形成了可溶性配合物,在鐵氧化物表面形成鐵氧化物-硅-鎘復(fù)合物。在堿性土壤(溶液)中,主要以Cd~(2+)與SiO_3~-通過(guò)氧橋鍵合形成硅-鎘可溶性復(fù)合物的土壤化學(xué)作用降低了鎘的生物有效性;而以Fe-O-Si-O-Cd為結(jié)構(gòu)單元的鐵氧化物-硅-鎘復(fù)合物的形成為酸性和中性土壤中硅降低鎘生物有效性的主要土壤化學(xué)機(jī)制。
【圖文】：

沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文+）和鉛（Pb2+）離子的測(cè)定（趙磊等,2005；Marang et al.,2006；Sigg et alas.,2008）。往采用的 Lab-DMT 難以實(shí)現(xiàn)田間土壤中重金屬離子的原位測(cè)定。這是由 Lab-DMT 開展的相關(guān)試驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)不擾動(dòng)土壤-溶液系統(tǒng)，不改變土壤 E的厭氧環(huán)境。為解決這一問題，，研究人員對(duì) Lab-DMT cell 進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)道南膜裝置（Field-DMT cell），如圖 1-1 所示。

圖件修改自：Adrees 等（2015）解植物重金屬毒害的機(jī)制（引自 Adreeechanisms for Si alleviates heavy metal to，Liang 等（2005）發(fā)現(xiàn)，施硅降稻水培試驗(yàn)表明，加硅使 85%的鎘皮層和表皮附近，而硅主要沉積在制了鎘的質(zhì)外體運(yùn)輸過(guò)程，Zhang現(xiàn)，硅可以通過(guò)提高葉片葉綠素含系活力、促進(jìn)根的伸長(zhǎng)和側(cè)根的生活性等方式緩解鎘對(duì)植物的毒害改
【學(xué)位授予單位】：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X53

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2616515