【摘要】： 本文以"水稻-青菜"輪作制土壤生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象,綜合運(yùn)用室內(nèi)外培養(yǎng)、作物盆栽試驗(yàn)、模型模擬,借助微生物代謝指紋圖譜方法(Biolog)、磷脂脂肪酸(PLFA)等生物技術(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)微生物學(xué)方法,研究了黃紅壤、青紫泥和小粉土等三種水稻土糧-菜輪作系統(tǒng)主要污染重金屬銅對(duì)水稻和青菜的毒性效應(yīng),并重點(diǎn)探討了銅脅迫下土壤微生物生態(tài)學(xué)特征(微生物生物量、呼吸、酶活性、區(qū)系組成、代謝剖面、群落結(jié)構(gòu)等)。主要結(jié)論如下: 1.銅污染對(duì)植物生長(zhǎng)的毒害作用受植物種類和土壤理化性質(zhì)的雙重影響。銅對(duì)水稻和青菜生長(zhǎng)的劑量效應(yīng)表現(xiàn)為低銅濃度(50 mg kg~(-1))促進(jìn)作物的生長(zhǎng),地上、地下部分生物量增加(小粉土除外);100 mgkg~(-1)銅顯著增加了水稻的根系長(zhǎng)度,增加了水稻的分蘗數(shù)、株高、穗長(zhǎng)、從而顯著增加總莖數(shù),產(chǎn)量增加。更高的銅濃度則產(chǎn)生顯著的抑制作用。黃紅壤和青紫泥水稻銅致死濃度分別為1200 mg kg~(-1)和1600 mg kg ~(-1),而小粉土為50 mgkg~(-1);三種土壤改種青菜后的表觀致死濃度都為800 mg kg~(-1)。 銅對(duì)作物毒害的生理基礎(chǔ)為,50 mg kg~(-1)Cu~(2+)促進(jìn)青菜根系體積、直徑和葉綠素增加及水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素,青菜根系長(zhǎng)度和表面積及水稻總莖數(shù)及單莖成穗數(shù)顯著增加,顯著增產(chǎn)。更高的銅濃度則抑制了SOD活性、葉綠素含量及光合作用,丙二醛MDA含量下降,脯氨酸含量顯著下降,造成青菜減產(chǎn)。外源銅濃度大于400mg kg~(-1)則極顯著抑制水稻葉綠素合成,減少穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重,產(chǎn)量下降。 2.水稻莖葉對(duì)銅的吸收隨土壤銅污染濃度的升高而呈指數(shù)式增長(zhǎng),水稻根系和籽粒中的銅濃度隨外源銅濃度的增加而極顯著線性增加。水稻不同的器官對(duì)土壤銅吸收的順序?yàn)?根》莖葉糙米。但外源銅濃度超過(guò)400 mg kg~(-1)能夠?qū)е虏诿足~含量超過(guò)食品安全標(biāo)準(zhǔn)。青菜根系的銅含量高達(dá)77.77%-80.41%,隨銅濃度的增加,青菜地上部分和根系中銅的累積量相應(yīng)增長(zhǎng),但青菜地上部分銅的相對(duì)累積量隨銅濃度的增加而下降,從而大大減少高銅污染下銅在青菜可食部位的積累。 3.三種土壤中的銅均是以Fe-Mn氧化物結(jié)合態(tài)為主。四種提取劑提取的有效銅含量和外源銅總量均呈極顯著的正相關(guān)。各種提取態(tài)銅之間以及各種形態(tài)銅與水稻產(chǎn)量、青菜生物量之間呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān),與水稻及青菜組織體內(nèi)累積的銅呈極顯著正相關(guān)。其中,以0.5 mol L~(-1)DTPA提取銅與外源銅的相關(guān)性最好,可以作為土壤有效性銅的最佳化學(xué)提取劑。 4.因溶解性能源物質(zhì)數(shù)量的消耗,三種水稻土的微生物生物量碳、基礎(chǔ)呼吸速率及微生物商隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著下降;而在輪作中因根系不斷分泌有機(jī)物及殘根分解的刺激作用而顯著增加。三種土壤微生物生物量碳及基礎(chǔ)呼吸速率對(duì)銅脅迫的劑量效應(yīng)表現(xiàn)為在低銅濃度下(＜400 mg kg~(-1))增加或顯著增加,更高銅濃度因毒害作用而顯著下降。土壤微生物代謝商隨銅污染濃度的提高及培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而升高。但在糧.菜輪作系統(tǒng)中稻作淹水下,隨銅污染濃度的提高,黃紅壤的微生物代謝商和呼吸速率增加,青紫泥和小粉土的微生物代謝商降低。改青菜旱作后,土壤的微生物代謝商和呼吸速率都隨銅污染濃度的提高而降低。 5.低銅濃度(50-100 mg kg~(-1))顯著促進(jìn)了過(guò)氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性,高銅污染濃度則抑制了酶活性。四種酶對(duì)銅污染敏感的順序?yàn)?脲酶＞蔗糖酶＞磷酸酶＞過(guò)氧化氫酶;糧-菜輪作體系中,根系及其分泌物的共同作用促進(jìn)土壤酶活性,尤其是水作改旱作后,酶活性進(jìn)一步極顯著提高。 6.銅污染脅迫下,三種土壤可培養(yǎng)微生物總量在低銅濃度下隨銅污染濃度的逐步提高而顯著提高;但當(dāng)銅濃度超過(guò)400 mg kg~(-1)及隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),銅污染的抑制作用增強(qiáng)。肥沃土壤青紫泥和黃紅壤可培養(yǎng)微生物總量隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著下降,而貧瘠土壤小粉土可培養(yǎng)微生物總量則因環(huán)境條件的改善而隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而提高。銅脅迫使土壤微生物區(qū)系組成結(jié)構(gòu)也發(fā)生顯著變化。三種土壤培養(yǎng)過(guò)程中因耐性細(xì)菌出現(xiàn)而維持細(xì)菌的相對(duì)比例不降反升;真菌比例隨銅污染濃度的提高而先升后降;而放線菌的比例隨銅污染濃度的提高而顯著降低。 7.銅脅迫導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)或功能多樣性發(fā)生改變。三種土壤之間的C_(12)-C_(20)磷脂脂肪酸(PLFA)的含量達(dá)到顯著差異;每種土壤內(nèi)所含有的C_(12)-C_(20)不同碳結(jié)構(gòu)PLFA則達(dá)極顯著差異。 這種差異首先表現(xiàn)在可檢測(cè)PLFA的類型變化。培養(yǎng)8周時(shí),100-400 mg kg~(-1)銅顯著促進(jìn)了可以命名的微生物類型,800 mg kg~(-1)銅則顯著抑制,以貧瘠的小粉土表現(xiàn)最典型。隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)至52周,各土壤可命名磷脂脂肪酸類型增加,且低銅濃度促進(jìn)磷脂脂肪酸類型增加,高銅濃度則顯著抑制。可見(jiàn),銅脅迫并非改變被測(cè)土壤LFA結(jié)構(gòu)的唯一影響因素。 其次,銅污染顯著改變了微生物群落主要構(gòu)成成分的結(jié)構(gòu)比例。三種土壤PLFA隨培養(yǎng)時(shí)間而變化。黃紅壤和青紫泥微生物群落都以細(xì)菌占絕大多數(shù),真菌和放線菌類型與數(shù)量比例都很低,與培養(yǎng)計(jì)數(shù)法獲得的結(jié)果非常一致。小粉土對(duì)照土壤培養(yǎng)8周時(shí)真菌占比例高達(dá)58.58%,細(xì)菌只占27.51%,放線菌未能測(cè)出;而培養(yǎng)52周時(shí),細(xì)菌比例高達(dá)69.5%,真菌比例下降到6.85%,放線菌僅占0.69%。即,小粉土即使在無(wú)銅污染的情況下,微生物群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了劇烈改變。當(dāng)然,銅脅迫進(jìn)一步促進(jìn)了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變。細(xì)菌和放線菌的比例隨銅污染濃度的提高而顯著提高,真菌的比例和真菌/細(xì)菌的比例都隨銅污染濃度的提高而顯著下降。 此外,銅污染導(dǎo)致土壤微生物產(chǎn)生適應(yīng)性或耐性反應(yīng),一些特征磷脂脂肪酸消失或涌現(xiàn)。銅脅迫使甲烷營(yíng)養(yǎng)菌Ⅰ型16∶1w5c和好氧細(xì)菌15∶0 3OH、16∶0 2OH及硫酸鹽還原細(xì)菌17∶1 w8c消失,厭氧細(xì)菌17∶0 ISO 30H和真菌20∶2W6,9C受激發(fā)作為新種出現(xiàn),革蘭氏陰性細(xì)菌(17∶0 CYCLO和19∶0CYCLO w8c)和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌(4∶0 iso,15∶0 anteiso,15∶0 iso,15∶0 iso 3OH,16∶0 iso,17∶0 anteiso,17∶0iso)大量涌現(xiàn)。 8.銅脅迫降低了土壤的微生物群落代謝剖面(AWCD),且AWCD值與測(cè)試時(shí)間之間呈非線性關(guān)系。三種土壤Biolog生態(tài)盤(pán)碳源利用的銅濃度效應(yīng)受培養(yǎng)時(shí)間的影響而存在一定差異。隨著銅污染濃度增加到800 mg kg~(-1)時(shí),土壤的AWCD值下降,微生物群落生理代謝功能下降。三種土壤在31種碳源構(gòu)建的主成分分析坐標(biāo)體系中存在明顯的空間分異,表明微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)銅污染非常敏感。 三種土壤銅污染微生物群落的功能多樣性指數(shù)在同一時(shí)間的不同濃度和同一濃度的不同污染時(shí)間下存在差異。高銅濃度(＞800 mg kg~(-1))導(dǎo)致豐富度顯著下降,均勻度和Shannon指數(shù)也下降,微生物種群變得單一。 9.根據(jù)銅污染對(duì)水稻、青菜生長(zhǎng)的抑制效應(yīng),以及糧.菜輪作系統(tǒng)中土壤微生物生物量、微生物商、酶活性等生態(tài)指標(biāo)的銅脅迫劑量效應(yīng),以水稻、青菜減產(chǎn)10%,水稻籽�；蚯嗖丝墒巢课汇~含量不超過(guò)10 mg kg~(-1),特別是運(yùn)用生態(tài)劑量(ED_(10))的概念,根據(jù)上述各項(xiàng)指標(biāo)與銅濃度對(duì)數(shù)值的模擬模型,計(jì)算了黃紅壤、青紫泥和小粉土的銅臨界指標(biāo)分別為198、185和71 mg kg~(-1)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：X171.5
【圖文】：

壤呼吸強(qiáng)度和土壤微生物活動(dòng)相關(guān)，在一定程度上反映了土壤微生物學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度(周禮愷，1987)·室內(nèi)恒定條件下不同銅濃度對(duì)水稻土過(guò)氧化氮酶活性的影響結(jié)果見(jiàn)圖7.4。圖7.4反映出，三種水稻土過(guò)氧化氫酶活性的差異較小�？傮w上，隨著銅污染濃度的增加，三種水稻土的過(guò)氧化氮酶活性都受到一定程度的抑制，但不同土壤之間差異明顯.青紫泥過(guò)氧化氮酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，這種趨勢(shì)在小于 100mgkg一’的外源銅下差異顯著。青紫泥過(guò)氧化氫酶活性在培養(yǎng)兩周時(shí)隨銅污染濃度的增加而逐漸降低.但在大于 400mgkg一’的外源銅下過(guò)氧化氫酶活性隨時(shí)間和劑量增加而引起的下降幅度趨緩.相反，黃紅壤和小粉土過(guò)氧化氫酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增加，但二者也有區(qū)別。黃紅壤低銅濃度(，J、于100mgks’’蒯激過(guò)氧化氫酶活性顯著增加，進(jìn)一步增加的銅濃度則逐步抑制了過(guò)氧化氫酶活性;黃紅壤在外源銅濃度小于 50mgkg一’時(shí)過(guò)氧化氫酶活性隨時(shí)間和劑量的變異不明顯

顯著相關(guān)(于群英，2001)。研究表明土壤酸性磷酸酶活性還是一個(gè)表征土壤管理系統(tǒng)效果和土壤有機(jī)質(zhì)含量的重要指標(biāo)(周禮愷， 1987;張?jiān)伱返龋?004;楊萬(wàn)勤，2002).糧一菜輪作系統(tǒng)中銅污染對(duì)三種土壤磷酸酶活性的影響見(jiàn)圖7一8。12.010.0l門(mén)日”。嗀勺通 12108.6.4.2.0.a00000qQq擅擅.罐 罐{.罐罐{…漏.熟熟熟熟熟熟熟 .........6WCkkkkk DDDDDDDDD22WCkkkkk .........22wr記 eeeee口 口 口口口 52WCkkkkk口 口 口口口 52weabbageeeee戶二L場(chǎng)loua‘d。E

本文編號(hào)：2781654