冬小麦、油菜对砷污染反应的比较研究

论文摘要

砷是自然界中的一种元素,广泛存在于无机环境和有机物中。砷因自然作用或者人为活动而进入陆地以及水环境中。在我国的湖北、湖南、山西等地方一些土壤中因为煤炭燃烧以及金属冶炼等原因砷的含量较高,给粮食安全生产、人们生活和健康带来了威胁。冬小麦和油菜是我国广泛种植的大田作物,在砷污染地区有不同程度的种植。本文在总结了国内外砷对植物生物有效性研究的基础上,通过土壤培养和营养液培养试验相结合,以冬小麦和油菜两种作物为材料,应用生理生化研究法并结合砷的在线形态分离技术,深入研究了冬小麦和油菜两种作物对砷的不同反应。主要研究结果如下:1.研究了冬小麦、油菜生长及产量对砷污染的反应。结果表明:当砷浓度为30 mg/L以上时,冬小麦根系和茎叶停止生长,趋于死亡而油菜仍能生长。30 mg/L砷处理时,冬小麦茎叶和根系生物量较对照分别降低了66.7%和78.3%;而相同浓度处理下,油菜的茎叶和根系生物量较对照却分别降低了47.5%和27.8%,这说明油菜较小麦对砷有较高耐性。土培条件下,低浓度的砷促进小麦生长,高浓度的砷抑制小麦生长和产量。油菜对砷有较高的耐性,不同砷浓度处理没有显著影响油菜的生长和产量。两种作物的可食用部分砷含量都没有超过安全标准,可以食用。比较油菜和小麦两种作物对砷污染的不同反应以及砷的累积情况,可知在土壤砷浓度小于60 mg/kg时,油菜、小麦都适合种植;当土壤砷浓度为80—100 mg/kg时,适合种植油菜。2.研究了冬小麦、油菜光合作用特性对砷污染的反应。结果表明:较低的砷水平显著提高冬小麦、油菜叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量。不同砷处理显著降低了冬小麦叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）,影响小麦光合作用的主要因子是气孔限制。不同的砷水平提高了油菜叶片的Pn、Gs、Ci和Tr,促进了油菜的光合作用。这可能是砷显著提高了叶片中叶绿素的含量,同时油菜对砷的吸收较少,砷的毒害作用小使叶片的光合作用能力升高。不同砷水平处理下,冬小麦、油菜光合作用的不同反应说明砷对二者光合作用的影响机理不同,具体原因需进一步研究。在不同的生育期,随着土壤中砷浓度的增加,冬小麦的光合作用在低砷浓度处理时增加,高砷处理时显著降低;而油菜光合作用受砷影响不显著,证明油菜较小麦对砷有更高耐性。3.研究了冬小麦、油菜养分吸收对砷污染的反应。结果表明:砷主要累积在冬小麦和油菜的根系,转移到地上部分的量比较少只有根系砷浓度的1%—5%。溶液培养中,砷促进了小麦茎叶中Ca、Mg的含量,降低了K和P的含量;而根系中Ca、Mg、K、P的含量逐渐降低。油菜茎叶中养分元素受砷的影响比较小,但是Ca、Mg含量有不同程度提高。砷不同程度影响小麦、油菜根系中Fe、Mn、Cu和Zn等含量。油菜吸收和转移养分元素到茎叶中的能力要强于小麦,尤其油菜将P、Fe元素从根系转移到茎叶的能力很强,这可能是油菜较小麦对砷有较高耐性的原因之一。两种作物根系中Fe和P是营养元素中最容易受到砷影响的两种元素。4.研究了砷污染下不同磷肥浓度对冬小麦、油菜生长的影响。结果表明:缺磷时,高砷处理对油菜的毒害程度要比小麦严重;施入适当的磷肥后,油菜表现出对砷污染有较高的耐性,生长和产量不容易受到影响,磷肥显著降低了砷对油菜毒害。砷污染下,小麦受磷的影响不大,磷肥的施用对降低砷对小麦的毒害有一定作用,但效果不十分明显。在200 mg/kg砷污染的土壤中,适当施用磷肥,对小麦和油菜的生长有利,但是过高的磷肥会加重砷对小麦的毒害。在砷高度污染的土壤中,更适合种植油菜。5.研究了冬小麦、油菜体内砷含量和形态的变化。结果表明:冬小麦能够积累较高浓度的砷在体内。相较于冬小麦,油菜吸收累积砷的浓度要比冬小麦低。进入植物体内的砷,主要存在于冬小麦和油菜的根系,转移到地上部分的砷含量很低,为根系砷浓度的0.2%—1.5%。砷主要以无机三价态和五价态存在于冬小麦和油菜的根系和叶片中,且三价态的砷含量高于五价态砷的含量。随着溶液中砷浓度的提高,三价态的砷含量显著提高,而五价态砷含量变化不大。6.研究了冬小麦、油菜酶系统和非酶系统对砷污染的反应。结果表明:砷胁迫下,两种作物通过酶系统（SOD、CAT和POD）和非酶系统（Vc、-SH、GSH和PCs）的反应抵抗或降低砷对作物体本身的伤害。小麦酶系统在其抵抗砷毒害过程中发挥的作用不明显,它主要是通过非酶系统的作用来降低砷对自身的毒害;而油菜在较低砷浓度处理（0—8 mg/L）时,酶系统和非酶系统均非常活跃,二者共同作用来抵抗砷的毒害;在8-16 mg/L砷处理时,油菜通过非酶系统的作用来实现对自身的保护。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 缩略词表
• 第1章 土壤─植物系统中砷的研究进展
• 1.1 土壤中的砷
• 1.1.1 土壤中砷的来源
• 1.1.2 我国土壤砷的背景值
• 1.1.3 砷在土壤中的形态
• 1.1.4 影响土壤中砷的形态、吸附和毒性的因素
• 1.1.5 土壤砷毒害的防治方法
• 1.2 植物对砷的吸收及植物体内砷的存在形态
• 1.2.1 植物吸收砷的途径
• 1.2.2 砷在植物体内的分布以及存在形态
• 1.2.3 砷对植物的毒性以及植物对砷的耐性
• 1.2.4 砷对植物吸收养分的影响
• 1.2.5 植物对砷的生理反应及其耐砷机理
• 1.2.6 存在的问题
• 第2章 研究的背景、目标、内容和技术路线
• 2.1 研究的背景
• 2.2 研究的目标
• 2.3 研究的内容
• 2.4 技术路线
• 第3章 冬小麦、油菜生长及产量对砷污染的反应
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验设计与采样
• 3.2.3 测定的内容与方法
• 3.2.4 数据分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 水培条件下冬小麦、油菜对砷的耐性比较
• 3.3.2 土培条件下不同砷水平对冬小麦、油菜生长的影响
• 3.3.3 不同砷水平对冬小麦、油菜产量及其构成因素的影响
• 3.3.4 不同砷水平对不同生育期冬小麦、油菜砷含量的影响
• 3.4 讨论
• 3.4.1 冬小麦、油菜对砷污染反应的差异性
• 3.4.2 冬小麦、油菜不同生育期累积砷的特点
• 3.4.3 砷污染下冬小麦、油菜的安全性评价
• 3.5 结论
• 第4章 冬小麦、油菜光合作用对砷污染的反应
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验设计
• 4.2.3 测定的内容与方法
• 4.2.4 数据分析
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 不同砷水平对冬小麦光合作用特性的影响
• 4.3.2 不同砷水平对油菜光合作用特性的影响
• 4.4 讨论
• 4.5 结论
• 第5章 冬小麦、油菜养分吸收对砷污染的反应
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 试验的设计
• 5.2.3 测定的内容与方法
• 5.2.4 试验数据分析
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 不同砷水平对冬小麦养分吸收的影响
• 5.3.2 不同砷水平对油菜养分吸收的影响
• 5.3.3 土壤不同砷水平对不同生育期冬小麦、油菜体内磷含量的影响
• 5.4 讨论
• 5.4.1 冬小麦、油菜营养元素含量与砷的关系
• 5.4.2 冬小麦、油菜不同生育期磷营养与砷的关系
• 5.5 结论
• 第6章 磷砷互作对冬小麦、油菜生长的影响
• 6.1 前言
• 6.2 试验的材料与方法
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 试验设计与采样
• 6.2.3 测定的内容与方法
• 6.2.4 数据分析
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 磷砷互作对冬小麦的影响
• 6.3.2 磷砷互作对油菜的影响
• 6.4 讨论
• 6.4.1 不同磷水平下冬小麦、油菜对砷抗性的比较
• 6.4.2 不同磷水平与小麦、油菜不同抗砷性的关系
• 6.5 结论
• 第7章 冬小麦、油菜体内砷含量和形态的变化
• 7.1 引言
• 7.2 试验材料与方法
• 7.2.1 试验材料
• 7.2.2 材料培养和取样
• 7.2.3 试验仪器的选择和工作条件
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 砷在冬小麦体内的形态和含量
• 7.3.2 砷在油菜体内的含量和形态
• 7.4 讨论
• 7.5 结论
• 第8章 冬小麦、油菜酶系统和非酶系统对砷污染的反应
• 8.1 前言
• 8.2 试验的材料与方法
• 8.2.1 试验材料
• 8.2.2 材料培养和取样
• 8.2.3 测定的内容与方法
• 8.2.4 试验数据分析
• 8.3 结果与分析
• 8.3.1 水培条件下不同砷水平对冬小麦抗氧化酶系统活性的影响
• 8.3.2 水培条件下不同砷水平对冬小麦非酶系统活性的影响
• 8.3.3 水培条件下不同砷水平对油菜抗氧化酶系统活性的影响
• 8.3.4 水培条件下不同砷水平对油菜非酶系统的影响
• 8.4 讨论
• 8.4.1 冬小麦、油菜酶系统变化与砷胁迫的关系
• 8.4.2 冬小麦、油菜非酶系统变化与砷胁迫的关系
• 8.5 结论
• 第9章 讨论与总结
• 9.1 讨论
• 9.1.1 从植物营养学角度探讨冬小麦、油菜对砷的不同反应及其原因
• 9.1.2 从植物生理学角度探讨冬小麦、油菜解砷毒的可能机制
• 9.1.3 亟待深入研究的问题
• 9.1.4 本论文的创新之处
• 9.2 主要结论
• 参考文献
• 发表论文情况
• 致谢