發(fā)布時間：2020-07-27 18:53

【摘要】：隨著工業(yè)的發(fā)展和農用化學品的大量施用，農田土壤重金屬污染日趨嚴重，重金屬因其非生物降解性和持久性已引起廣泛地關注。其中，鎘（Cd）元素具有高移動性和高毒害性，被認為是危害公眾健康主要物質之一。水稻是世界第二大、我國第一大糧食作物，也是最容易吸收和積累Cd的大宗糧食作物之一。相關調查發(fā)現，目前我國農田鎘污染狀況較為嚴重。因此，水稻Cd積累的預測和調控研究對于保護土壤環(huán)境質量和食品安全具有重要意義。本研究對典型紅壤區(qū)土壤和水稻進行大樣本成對采樣，建立基于土壤化學性質和土壤Cd形態(tài)的水稻Cd吸收的區(qū)域預測模型，并通過室內水稻水培和土培試驗，對水稻Cd吸收進行調控研究。主要研究結果如下： （1）對典型紅壤區(qū)江西省余江縣采集的106對土壤和水稻樣品分析表明，有22.6%土壤樣品Cd含量高于國家土壤環(huán)境質量標準中Cd的二級標準，有44.3%的稻米樣品Cd超過國家食品污染物限量標準規(guī)定的Cd含量。采樣區(qū)土壤pH相對較低（4.45-5.80），因而土壤中的Cd活性和遷移性相對較高，這可能是樣區(qū)稻米Cd超標率較高的重要原因。對土壤樣品和水稻樣品各指標進行相關性分析表明，土壤生物有效性Cd與土壤總Cd、DOC和pH有極顯著（p0.01）的相關性，相關系數分別為0.719、0.487和-0.303，與SOM、CEC和EC相關性則不強。稻米中Cd的含量與土壤Cd全量、生物有效性Cd含量和DOC為極顯著（p0.01）正相關，相關系數分別為0.466、0.782和0.458，與SOM和pH為顯著（p0.05）負相關，而與CEC和EC相關性則不高。分別用土壤Cd全量和生物有效性Cd含量與土壤性質各變量對稻米中Cd含量進行回歸統計分析，建立典型紅壤區(qū)水稻Cd吸收的預測模型，模型決定系數均達到極顯著水平（p0.001）。用土壤生物有效性Cd含量建立的模型預測值與實測值之間線性方程R~2adj為0.847，由土壤Cd全量建立的模型預測值與實測值線性方程R~2adj為0.807，表明土壤生物有效性Cd比土壤全Cd對水稻Cd積累的影響更為重要。 （2）Cd對水培條件下水稻幼苗的生長有很大的抑制作用，5μmol L~(-1)Cd脅迫處理下，在未添加氨基酸的處理下水稻幼苗生物量下降了17.80%。在施加氨基酸的處理中，25μmol L~(-1)半胱氨酸（Cys）處理的水稻幼苗生物量顯著提高，并恢復到CK水平，其他處理效果不明顯。谷氨酸（Glu）對減少水稻幼苗體內Cd含量的積累有一定作用，特別在高濃度添加量100μmol L~(-1)時，Cd在水稻幼苗莖和葉片的中含量分別下降了23.36%和30.15%，甘氨酸（Gly）和Cys的處理未能減少水稻幼苗對Cd的積累，甚至在高濃度的Cys處理下，水稻幼苗各部位Cd的含量顯著增加。外源性氨基酸的加入，對水稻幼苗根中的Cd向莖中遷移有一定的限制作用，并且增大Cd在水稻根部細胞壁組分中的比例，減少Cd在細胞器組分中的比例。氨基酸對水稻幼苗體內因Cd脅迫引起的膜脂過氧化有一定的緩解作用，部分處理顯著降低了幼苗根和葉片內的丙二醛（MDA）含量。氨基酸對水稻幼苗體內抗氧化酶CAT和SOD的活性也有不同程度的增強，部分處理達到顯著水平；氨基酸的加入，極大的提高了水稻米幼苗根中還原型谷胱甘肽（GSH）的含量，除10μmol L~(-1)Glu的處理都達到顯著差異，但三種氨基酸對水稻幼苗葉片中GSH含量的影響較小。說明Glu、Gly和Cys三種氨基酸通過內在的生理機制，對緩解水稻Cd毒害有一定的作用。 （3）通過透射電鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）和傅里葉轉紅外聲光譜（FTIR-PAS）等技術對制備的稻草生物質炭表征結果顯示，生物質炭呈碎片狀疊加、片層多孔、空間排列復雜，有碳酸鹽成分生成。生物質炭對Cd~(2+)有較好的吸附性能，在pH為4.5和5.5的條件下，Langumir方程均能很好地描述Cd~(2+)在生物質炭表面的吸附行為，擬合的相關系數分別為0.998、0.997，且生物質炭對Cd~(2+)吸附能力隨pH增大而增強。生物質炭對盆栽水稻各生育期土壤溶液中pH和DOC含量有明顯的提高，且增加的幅度隨生物質炭的添加量增加而相應地升高。生物質炭對盆栽土壤Cd生物有效性有很大的抑制作用，與CK相比，0.5%、1%和2%的生物質炭處理下土壤中生物有效性鎘分別降低了5.32%、18.17%和46.94%，并促進土壤中可交換Cd向可還原態(tài)和可氧化態(tài)等更穩(wěn)定態(tài)的轉化。生物質炭對Cd污染下的盆載水稻生長有很明顯的促進作用，收獲時水稻的株高、稻米產量和水稻整株生物量的都有極大的提高，其中在2%生物質炭處理下，稻米的產量和水稻整株生物量提高到約為CK處理的2倍。生物質炭顯著降低了盆栽水稻籽粒中Cd的含量，0.5%、1%和2%生物質炭處理下的水稻籽粒中Cd含量分別下降了97.34%、66.11%和58.24%，其中0.5%、1%生物質炭處理下達到可食用的標準。說明生物質炭對水稻Cd吸收有很好的調控效果，不僅降低了水稻籽粒中Cd的含量，而且促進了水稻生物量的增長。 （4）納米羥基磷灰石（nano-HAP）表面對Cd~(2+)的吸附行為同樣可用Langumir方程很好地描述，且nano-HAP具有比生物質炭更高的Cd~(2+)吸附能力。nano-HAP對土壤溶液中pH也有明顯的提高，但對DOC的影響較小。nano-HAP對盆栽土壤Cd生物有效性有顯著抑制作用，0.5%、1%和2%nano-HAP處理下生物有效態(tài)Cd含量分別下降63.21%、80.62%和92.32%，并促進土壤中可交換的Cd向更穩(wěn)定態(tài)轉化。nano-HAP對Cd污染下的盆載水稻生長也有一定的促進作用，但效果不是很明顯。nano-HAP顯著降低了盆栽水稻籽粒中Cd的含量，分別降低了85.92%、89.47%和94.68%，全部達到國家規(guī)定的可食用標準。說明nano-HAP對水稻Cd吸收有很好的調控效果，不僅顯著降低了土壤中生物有效性Cd的含量，而且還顯著降低水稻籽粒中Cd的含量。
【學位授予單位】：南京林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：X173

【參考文獻】

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本文編號：2772231