【摘要】：生物炭是農(nóng)林廢棄生物質(zhì)在限氧或無氧條件下炭化產(chǎn)生的富含碳的固體物質(zhì)。生物炭結(jié)構(gòu)與性質(zhì)多樣,在土壤改良、土壤固碳、土壤污染修復(fù)中具有巨大應(yīng)用潛力,引起國內(nèi)外極大關(guān)注。生物炭作為土壤改良劑,大量的研究關(guān)注了生物炭中有機(jī)碳組分,而對生物炭中硅質(zhì)等無機(jī)組分關(guān)注不夠。水稻、小麥以及玉米等禾本科作物秸稈具有較高的硅含量,每年作物收獲從土壤中帶走了大量的硅,造成了土壤不同程度地缺硅。土壤缺硅引起水稻生長不良,稻米中重金屬鎘等污染物阻控效率下降。而木屑等制備的生物炭中硅含量較低。不同硅含量的生物炭添加到土壤中對土壤硅平衡的影響很少報道,而對土壤-水稻系統(tǒng)中硅質(zhì)遷移的影響及相互作用機(jī)制鮮見報道,并且在土壤-水稻系統(tǒng)中硅質(zhì)與污染物耦合的阻控效應(yīng)與作用機(jī)理也未得到關(guān)注。針對生物炭影響土壤硅平衡、水稻攝取污染物和硅質(zhì)及其相互作用機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題,通過制備高硅和低硅生物炭,研究了生物炭中硅的溶出和其對土壤硅平衡的影響及作用機(jī)制。并將它們應(yīng)用于高有效硅土壤(HSS)和低有效硅土壤(LSS),選擇了水稻作為典型的富硅植物,研究了生物炭對水稻的產(chǎn)量、不同組織(籽粒、秸稈和根)中硅吸收和分布以及土壤-植物系統(tǒng)中土壤硅遷移的影響,采用SEM-EDX分析水稻收獲前后生物炭的表面結(jié)構(gòu)變化。進(jìn)一步將生物炭應(yīng)用于鎘污染土壤阻控的實驗,闡明了不同硅含量生物炭對水稻鎘、硅攝取及耦合相互作用機(jī)制。最后通過不同污染類型,如單一重金屬鎘和有機(jī)污染2,4-二氯酚(2,4-DCP)以及二者復(fù)合污染的條件下,研究不同硅含量生物炭對復(fù)合污染的阻控及其作用機(jī)制。該論文的主要結(jié)論及創(chuàng)新如下:(1)探明了生物炭對土壤中硅平衡的影響及作用機(jī)理。發(fā)現(xiàn)高硅生物炭可以作為土壤緩釋的硅源,而低硅生物炭可以作為農(nóng)業(yè)稻田土壤中額外的硅匯。與低硅生物炭相比,高硅生物炭有較高的硅溶出量,并且隨著熱解溫度的升高而增加。發(fā)現(xiàn)硅釋放由碳-硅相互保護(hù)作用控制,硅溶出伴隨著碳釋放。添加高硅生物炭到土壤可提高HSS和LSS硅的溶出。揭示了土壤硅累積溶出量的實驗值低于理論值,低硅生物炭添加到LSS的累積土壤硅溶出降低的原因,生物炭吸附態(tài)的鐵對硅酸的保護(hù)使其成為土壤硅的儲庫。(2)闡明了生物炭對土壤-水稻系統(tǒng)中硅元素遷移、分布和積累行為的影響。生物炭可作為土壤硅的儲庫和有效硅緩釋源,影響農(nóng)業(yè)稻田土壤硅的生物地球化學(xué)循環(huán)速度。高硅生物炭可以提高水稻籽粒產(chǎn)量,增加了水稻籽粒和根的硅含量。在HSS中添加低硅生物炭對水稻硅含量幾乎沒有影響,而低硅生物炭添加到LSS降低水稻硅含量。發(fā)現(xiàn)了高硅生物炭增加了水稻總的硅吸收量,低硅生物炭添加到LSS降低了總的硅吸收量。揭示了其作用機(jī)理為老化生物炭表面富集了鐵和硅的礦物,生物炭將溶出的硅固定在其表面作為臨時硅儲庫,以防止硅的損失。(3)從濃度、形態(tài)和傳輸通道三個層次,揭示了生物炭阻控水稻攝取鎘的作用機(jī)理。發(fā)現(xiàn)在HSS中所有處理的水稻鎘含量均低于LSS對應(yīng)的處理。添加生物炭到HSS(LSS)可以降低水稻籽粒鎘濃度25.23-53.30%(24.53-59.45%),高硅生物炭的處理比低硅生物炭具有更低的水稻籽粒鎘含量。富硅的土壤或生物炭有相對較低的鎘生物富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF),而缺硅的土壤或生物炭剛好相反。水稻攝取的鎘和硅濃度呈負(fù)相關(guān),高硅生物炭處理的硅轉(zhuǎn)運基因(Lsil和Lsi3)相對表達(dá)較低。提出了鎘與生物炭中溶出的硅形成硅、鎘復(fù)合物,從而降低了土壤有效態(tài)鎘含量;生物炭釋放的硅可以降低水稻根部硅轉(zhuǎn)運通道的基因表達(dá),鎘、硅傳輸可能利用相同的傳輸通道,抑制水稻中鎘的傳輸;被水稻攝取的硅可能與鎘在植物體內(nèi)形成結(jié)合物阻控鎘轉(zhuǎn)移到籽粒中。(4)提出了生物炭中硅和碳聯(lián)合阻控水稻攝取水中鎘和2,4-DCP復(fù)合污染的作用機(jī)理。與單一污染相比,復(fù)合污染促進(jìn)了水稻鎘和2,4-DCP的攝取,添加高硅生物炭和硅降低了復(fù)合污染下水稻中鎘的含量,高溫生物炭處理的復(fù)合污染降低水稻中2,4-DCP的攝取。生物炭中硅的溶出固定了鎘,碳質(zhì)組分吸附固定2,4-DCP,降低了培養(yǎng)液中鎘和2,4-DCP的含量。闡明了高硅生物炭中硅的溶出促進(jìn)了水稻硅的攝取,增厚了水稻根細(xì)胞壁,降低了污染物的富集系數(shù),阻控了水稻鎘和2,4-DCP的攝取。
【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】：2019
【分類號】：X53
【圖文】：

為０．１％至２０％［７３］。硅含量高于丨°／。（干葉生物量）的植物被認(rèn)為是富硅植物［５６］。逡逑根據(jù)糧農(nóng)組織統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫（２０１４年），２０１２年世界上產(chǎn)量最高的作物包括糧食作逡逑物（玉米、小麥和水稻）和甘蔗（圖１．２），根據(jù)的這些作物硅的含量ｆ７４］，七種被逡逑歸類為富硅作物。硅是植物種間差異最大的元素１７５］，１０種最高和最低硅含量的逡逑植物差異可達(dá)１９６倍。水稻植株中硅的含量最高可達(dá)干重的２０％，大麥、小麥等逡逑禾本科類植物硅的含量超過２％，大多數(shù)雙子葉和豆科植物硅含量多低于１％１７３］。逡逑對不同類植物硅含量研究表明：按照豆科、果樹、蔬菜、牧草和谷類作物含量依逡逑次升高［７６］。硅在植物中主要以植硅體的形式累積［７７】，其主要由無定形水合二氧化逡逑硅組成。具有植硅體的植物包括雙子葉植物（桃金娘科、木麻黃科、山龍眼科、逡逑刺葉樹科、含羞草科），單子葉植物（莎草科、禾本科、棕櫚科），針葉樹（例逡逑如松科、杉科）和刺花燈心草（木賊科）［７８１。木屖科和禾本科的灰分含量可能由逡逑５０－７０％的二氧化硅組成１７９］。來自硅藻和海綿的一些多胺、碳水化合物、蛋白質(zhì)逡逑和糖蛋白能夠在中性至酸性ｐＨ下聚合硅酸ｌ８Ｇ＿８２］。一些植物碳水化合物和蛋白質(zhì)逡逑將在生物二氧化硅聚合中發(fā)揮關(guān)鍵作用｜８３—８５１。在生物圈中，二氧化硅通常主要以逡逑無定形二氧化硅（蛋白石或硅膠）的形式積累［７７１。然而，植物中的硅含量差異很逡逑大

Ｈｉ邋ＥＳＩ邋ｄ邋．逡逑甘蔗邐玉米邐水稻邐小麥馬鈴薯邐甜菜邐木

本文編號：2794350