有机物对土壤镉生物有效性的影响及机理

论文摘要

土壤镉污染对生态系统、粮食安全及人体健康具有巨大的潜在危害,已成为当今全球共同关注的重大环境问题。我国有机物资源丰富,通过施用有机物降低镉的危害既适合我国国情,也符合农业可持续发展要求。然而有机物对土壤镉有效性的影响还存在一定的争议,不同有机物的作用效果和机制也不一致。秸秆和畜禽粪便是最主要的有机资源,因此,有必要研究其对镉有效性的影响及机理,从而为其合理利用提供理论依据。本研究以作物秸秆和猪粪为材料研究有机物施入土壤后:对土壤镉生物有效性的影响;对土壤镉形态转化的影响;对土壤镉形态和生物有效性影响的机理。取得如下主要结果与进展:1.利用樱桃萝卜和冬小麦进行盆栽试验研究未经腐熟的小麦秸秆或腐熟猪粪施入土壤后对镉生物有效性的影响和机理。结果表明,在潮土和红壤上,施用秸秆显著增加第一茬樱桃萝卜叶和根的镉浓度,并促进镉向可食部位根的转移,但可显著降低第二茬樱桃萝卜叶和根的镉浓度,并抑制镉向可食部位的转移。施用猪粪显著降低樱桃萝卜各部位镉浓度,同时抑制镉向可食部位的转移。在潮土和黄棕壤上,施用秸秆或猪粪均可显著降低小麦各部位镉浓度及镉向可食部位籽粒的转移。在降低植株Cd浓度的效果上,猪粪好于秸秆,猪粪施入红壤或黄棕壤后对植株Cd浓度的降低作用大于施入潮土后的效果。2.采用土壤培养和盆栽试验研究施用未腐熟秸秆或腐熟猪粪对土壤镉形态的动态影响。结果表明,在非种植条件下,在潮土和红壤上施用秸秆45天后,可显著提高交换态镉含量,降低低活性态镉含量,但45天后这种作用随培养时间逐渐减弱,到90天后作用不显著。猪粪在整个培养期间均显著降低交换态镉含量,增加低活性态镉含量。在潮土和红壤上种植樱桃萝卜的情况下,施用秸秆到第一茬樱桃萝卜收获时交换态镉含量增加,低活性态镉含量下降,到第二茬收获时,交换态镉含量下降,低活性态镉含量增加。施用猪粪后,两茬樱桃萝卜收获时高活性的交换态镉含量均降低,其他低活性态镉含量则增加。在潮土和黄棕壤上种植小麦的情况下,施用秸秆或猪粪均降低交换态镉含量。回归分析表明,樱桃萝卜和小麦体内镉浓度的变化主要与土壤交换态和有机质结合态镉含量有关,且与交换态镉含量呈显著正相关而与有机质结合态镉含量呈显著负相关。说明秸秆和猪粪可通过土壤镉形态的变化来影响植株对镉的吸收。猪粪施入红壤或黄棕壤后对交换态Cd含量的降低作用大于施入潮土后的效果。3.采用土培试验和盆栽试验表明,施用秸秆或猪粪可不同程度地影响土壤pH。施用秸秆后,潮土和黄棕壤的pH变化不显著,而红壤pH增加。施用猪粪后,潮土pH显著降低,而红壤和黄棕壤pH显著增加。相关分析表明,秸秆施入潮土、红壤和黄棕壤及猪粪施入潮土后,土壤pH与交换态镉含量呈显著正相关。猪粪施入红壤和黄棕壤后,土壤pH与交换态镉含量呈显著负相关。说明只有当猪粪施入红壤和黄棕壤后可通过pH的改变降低镉的有效性。4.施用秸秆或猪粪均可显著增加土壤胡敏酸(HA)和富里酸(FA)含量,但其对HA/FA比的影响不同。非种植条件下,施用秸秆可降低潮土和红壤的HA/FA,但该作用随培养时间逐渐减弱。种植樱桃萝卜情况下,施用秸秆到第一茬收获时,潮土和红壤中HA/FA降低,但第二茬收获后土壤HA/FA则增加。种植小麦情况下,施用秸秆可增加潮土和黄棕壤上HA/FA。无论是否种植作物,猪粪施入土壤后均可增加土壤HA/FA,猪粪对土壤HA/FA的增加作用大于相同碳用量的秸秆,且猪粪施入红壤和黄棕壤后对HA/FA的增加作用大于在潮土上的作用。回归分析表明,施用秸秆和猪粪后,交换态镉含量与HA/FA呈显著负相关关系。采用施用外源HA和FA的土壤培养试验进一步证明,增加土壤HA/FA可显著降低交换态镉含量,增加碳酸盐结合态及铁锰氧化物结合态镉的含量。综上所述,无论施用秸秆还是猪粪可通过改变土壤HA/FA影响土壤镉的活性,从而影响植物对镉的吸收是有机物影响土壤镉形态及镉生物有效性的主要机制。因此,利用有机物降低土壤镉活性时,应将有机物充分腐熟,增加HA/FA比,达到降低镉活性和生物有效性的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 土壤镉污染现状及来源
• 1.1.2 土壤镉污染的危害
• 1.1.3 国内外治理镉污染土壤的措施
• 1.1.4 影响土壤镉生物有效性的因素
• 1.1.5 镉污染土壤上施用有机物的意义
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 有机物对镉生物有效性的影响效果
• 1.2.2 有机物对镉生物有效性的影响机理
• 1.3 研究契机与技术路线
• 1.3.1 研究契机
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 材料与方法
• 2.1 有机物对土壤镉生物有效性的影响效果
• 2.1.1 供试材料
• 2.1.2 试验设置
• 2.1.3 样品分析方法
• 2.1.4 数据分析
• 2.2 非种植条件下有机物对土壤镉有效性的影响及机理
• 2.2.1 供试材料
• 2.2.2 试验设置
• 2.2.3 样品分析方法
• 2.2.4 数据分析
• 2.3 种植条件下有机物对土壤镉有效性的影响及机理
• 2.3.1 供试材料
• 2.3.2 试验设置
• 2.3.3 样品分析方法
• 2.3.4 数据分析
• 2.4 有机物对土壤镉生物有效性影响机理的验证
• 2.4.1 供试材料
• 2.4.2 试验设置
• 2.4.3 土壤样品分析方法
• 2.4.4 数据分析
• 第三章 有机物对土壤镉生物有效性的影响
• 3.1 有机物对植株生长的影响
• 3.1.1 有机物对樱桃萝卜生长的影响
• 3.1.2 有机物对小麦生长的影响
• 3.2 有机物对植物镉浓度的影响
• 3.2.1 有机物对樱桃萝卜镉浓度的影响
• 3.2.2 有机物对小麦镉浓度的影响
• 3.3 有机物对植物体内镉富集和转移的影响
• 3.4 讨论
• 3.5 小结
• 3.5.1 秸秆在施入土壤初期抑制植株的生长，后期该抑制作用消失。猪粪始终可促进植株的生长
• 3.5.2 秸秆在施入土壤初期可促进植株对 Cd 的吸收及其向可食部位的转移，后期则相反。猪粪始终抑制植株对 Cd 的吸收及其向可食部位的转移
• 3.5.3 有机物对土壤 Cd 生物有效性的影响方面，植株可食部位比非可食部位反应敏感
• 第四章 有机物对土壤镉形态的影响及其与镉生物有效性的关系
• 4.1 非种植条件下有机物对土壤镉形态转化的影响
• 4.2 种植条件下有机物对土壤镉形态转化的影响
• 4.2.1 种植樱桃萝卜情况下土壤镉形态变化
• 4.2.2 种植小麦情况下土壤镉形态变化
• 4.3 镉形态分布与镉生物有效性之间的关系
• 4.4 讨论
• 4.5 小结
• 4.5.1 施用秸秆和猪粪改变土壤 Cd 形态的分布
• 4.5.2 秸秆和猪粪可通过改变土壤 Cd 形态分布影响植株对 Cd 的吸收
• 第五章 有机物对土壤有机质组成的影响及其与镉有效性的关系
• 5.1 有机物对土壤 PH 值的影响
• 5.1.1 非种植条件下有机物对土壤pH 值的影响
• 5.1.2 种植条件下有机物对土壤pH 值的影响
• 5.2 有机物对土壤胡敏酸（HA）和富里酸（FA）含量的影响
• 5.2.1 非种植条件下有机物对土壤 HA 和 FA 含量的影响
• 5.2.2 种植条件下有机物对土壤 HA 和 FA 含量的影响
• 5.3 有机物对土壤胡敏酸（HA）和富里酸（FA）光密度的影响
• 5.3.1 非种植条件下有机物对土壤 HA 和 FA 光密度的影响
• 5.3.2 种植条件下有机物对土壤 HA 和 FA 光密度的影响
• 5.4 土壤 PH 及有机质组分与土壤镉形态之间的关系
• 5.4.1 非种植条件下土壤pH 及有机质组分与镉形态之间的关系
• 5.4.2 种植条件下土壤pH 及有机质组分与镉形态之间的关系
• 5.5 讨论
• 5.6 小结
• 5.6.1 施用秸秆和猪粪可影响土壤pH 值，但只有当猪粪施入酸性土壤时可通过pH 的改变来影响土壤镉形态转化
• 5.6.2 施用秸秆和猪粪可显著影响土壤 HA/FA,土壤 HA/FA 的变化是镉形态转化的主要原因
• 第六章 添加 HA 和 FA 对土壤镉形态的影响
• 6.1 不同 HA/FA 对土壤镉形态的影响
• 6.2 土壤 HA/FA 与交换态镉之间的关系
• 6.3 讨论
• 6.4 小结
• 第七章 全文结论
• 7.1 全文结论
• 7.2 创新之处
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 附表
• 致谢
• 作者简历