【摘要】：砷(As)是我國南方地區(qū)面積廣大的水稻土中典型的污染物之一,水稻作為我國主要的糧食作物,是人類攝取As的主要途徑。因此,如何降低As的生物有效性、減少水稻As吸收從而緩解水稻土 As污染是當前研究的熱點。硫(S)和有機質(zhì)是影響土壤中As遷移轉(zhuǎn)化的重要因素。因土壤缺硫現(xiàn)象在我國日益嚴重,硫肥的應(yīng)用逐漸被重視。豬糞肥作為有機物料施用于農(nóng)田可以實現(xiàn)廢物的資源化利用,增加土壤肥力,但其本身含有As,可能增加As的環(huán)境風(fēng)險。因此,探究這兩種肥料對As在土壤-水稻系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的影響對合理施肥、保障農(nóng)產(chǎn)品安全具有重要意義。本論文選取稻田土壤中的As為研究對象,進行盆栽和大田試驗,將傳統(tǒng)化學(xué)分析方法與高通量測序技術(shù)和熒光定量PCR結(jié)合,考察硫肥和豬糞肥施用對As形態(tài)轉(zhuǎn)化、生物有效性與水稻吸收的影響,探討硫肥和豬糞肥施用對微生物群落和功能基因的影響,揭示不同肥料影響水稻吸收As的微生物作用機制。主要研究結(jié)果如下:(1)闡明了硫肥對土壤-水稻系統(tǒng)As形態(tài)轉(zhuǎn)化、生物有效性與水稻吸收的影響。通過盆栽試驗進行研究發(fā)現(xiàn),不同土壤中影響土壤溶液As和Fe(Ⅱ)移動性的因素不同,在外源As污染土壤中微生物介導(dǎo)的還原溶出和非生物介導(dǎo)的還原溶出均存在,而實際As污染土壤以微生物介導(dǎo)的還原溶出為主。硫肥的添加降低了根際、非根際土壤溶液中的As和Fe(Ⅱ),降低了 As的移動性,且As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的濃度也有一定的降低。相同硫含量的硫酸鈉比單質(zhì)硫效果更顯著。硫肥添加促進了水稻生長,增加了水稻產(chǎn)量,并且一定程度上降低了水稻地上部對As的累積。(2)弄清了硫肥施用影響As形態(tài)轉(zhuǎn)化、生物有效性與水稻吸收的微生物作用機制。利用Miseq高通量測序和qPCR技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),非根際土壤的微生物多樣性略低于根際土壤,根際與非根際土壤具有相似的群落組成。硫肥對As循環(huán)功能基因影響較小。而硫酸鈉的施用顯著增加了根際土壤中與Fe(Ⅲ)和硫酸鹽還原相關(guān)的微生物,這與Fe(Ⅲ)還原菌和硫酸鹽還原基因的表達量的增加是一致的。在淹水環(huán)境中As(Ⅲ)的存在及Fe(Ⅱ)和硫化物的增加,促進了砷硫化物或砷鐵硫化礦物的形成,從而降低了 土壤溶液中的As(Ⅲ)及Fe(Ⅱ)濃度,減少了水稻吸收。(3)揭示了豬糞肥影響土壤As生物有效性及水稻吸收的規(guī)律與微生物作用機制。通過大田試驗研究發(fā)現(xiàn)盡管豬糞肥中含有As,但并未增加土壤總As,而是促進了土壤穩(wěn)定態(tài)As向非穩(wěn)定態(tài)As的轉(zhuǎn)化。長期豬糞肥施用增加了水稻組織中As的累積。根中As主要分布在根表皮和外皮層,而稻米中的As主要分布在谷皮、糊粉層和靠近糊粉層的胚乳中。豬糞肥施用對稻米中的總As沒有顯著影響,但是稻米中的As(Ⅲ)顯著增加。長期豬糞肥的施用沒有顯著影響土壤微生物多樣性,但顯著增加了根際Anaeromyxobacter(鐵/砷還原菌)和Bradyrhizobium(內(nèi)生根瘤菌)的相對含量,可能促進了水稻As(Ⅲ)吸收及產(chǎn)量增加。這與砷還原基因(arsC)的增加一致,表明豬糞肥的施用促進了 As還原。(4)明確了根表膠膜微生物在影響水稻吸收砷方面的重要作用。通過提取水稻根表膠膜進行研究發(fā)現(xiàn),根表膠膜微生物群落多樣性低于根際土,并且微生物群落組成有一定的轉(zhuǎn)換。豬糞肥添加顯著影響根表膠膜微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的變化,其中 Bradyrhizobium、Burkholderia、Ralstonia 等與 As、Fe、S 循環(huán)相關(guān)的菌屬相對含量顯著變化,與根表膠膜中As、Fe、S相關(guān)功能基因的變化一致。豬糞肥的添加促進了根表膠膜中的As還原,抑制了 Fe和S還原。根表膠膜上的微生物,特別是與As、Fe、S相關(guān)微生物,與根際土相比,更能影響As形態(tài)轉(zhuǎn)化及水稻吸收。(5)研發(fā)了基于肥料和水分管理的農(nóng)田砷污染調(diào)控措施。發(fā)現(xiàn)不淹水條件下,FeSO4的添加降低了土壤As生物有效性。FeSO4的添加和不淹水條件在保證水稻存活的同時,顯著促進了水稻的生長,顯著降低了水稻地上部對As的吸收。FeSO4的添加促進了水稻根表膠膜的形成,根表膠膜截留了大部分的As。FeSO4的添加和不淹水條件顯著降低了 As從根向水稻地上部的轉(zhuǎn)移,主要可能的原因是土壤中As生物有效性的降低、水稻根的阻礙作用及更多還原型谷胱甘肽的形成。FeSO4的添加輔以水分管理是一種可能的改善砷污染稻田中水稻生長和降低As吸收的原位調(diào)控方法。
【圖文】：

１．２．３砷鐵硫微生物與砷遷移轉(zhuǎn)化逡逑在厭氧和富鐵的環(huán)境條件中（例如稻田土壤），砷的生物地球化學(xué)循環(huán)和鐵、逡逑硫密不可分（圖１．２）。砷、鐵和硫的氧化還原轉(zhuǎn)化主要是由微生物介導(dǎo)的。微逡逑生物的鐵和硫的氧化還原過程都可能影響砷生物地球化學(xué)循環(huán)，但是，其中的過逡逑程以及它們對砷移動的最終影響尚不清楚（Ｂｕｒｔｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１４；邋Ｈｕａｎｇ，邋２０１４）。逡逑９逡逑

逑５邋ｃｍ深處分別埋入一個自制土壤溶液采樣器，包括一根桂膠軟管，底部連接一逡逑個白玉氣泡石，培養(yǎng)示意圖如圖２．１所示。在整個試驗過程中保持其位置不動，逡逑從而保證無擾動的原位采樣。種植水稻的處理在根際袋中埋入自制土壤溶液采樣逡逑器。全部處理安裝完成后，在土壤中添加加了底肥的去離子水，，底肥中氮磷鉀的逡逑施入量分別為Ｐ２0５（以Ｃａ（Ｈ２Ｐ0４）２形式）0．５ｇ／ｋｇ，邋Ｎ（以ＣＯ（ＮＨ２）２形式）和Ｋ２０（以逡逑ＫＣ１形式）各０．２邋ｇ／ｋｇ，淹水高度約５邋ｃｍ，于人工氣候室平衡一周。隨后將培育的逡逑水稻幼苗移栽到根際袋中。在溫室進行培養(yǎng)并且每天補充水分，維持淹水高度５逡逑ｃｍ邋（圖邋２＿２）0逡逑，個邐個、邐邐邐、逡逑圖２．１水稻培養(yǎng)示意圖（Ａ：水稻種植處理；Ｂ：不種苗對照及滅菌對照）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｒｉｃｅ邋ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋（Ａ：邋ｒｉｃｅ邋ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，邋Ｂ：邋ｂｕｌｋ邋ｃｏｎｔｒｏｌ邋ａｎｄ邋ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ逡逑ｃｏｎｔｒｏｌ）逡逑圖２．２水稻培養(yǎng)試驗圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．２邋Ｐｈｏｔｏｓ邋ｏｆ邋ｒｉｃｅ邋ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ逡逑２６逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X132

【參考文獻】

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本文編號：2631705