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赤泥对污染稻田重金属钝化行为及其肥效研究

范美蓉  
【摘要】:本文以赤泥为研究对象,通过在重金属污染稻田土壤上开展土壤培养试验、盆栽试验和田间试验,研究赤泥对重金属的吸附特征及钝化机理,探讨重金属在水稻植株-土壤系统中迁移及输入输出特性,揭示赤泥在钝化土壤潜在毒性元素中的行为与效果,阐明赤泥的肥效机制及其对水稻和土壤环境的作用机理和效果,提出赤泥在重金属污染稻田土壤上的适宜施用量,为赤泥在农业生产上安全、有效的应用提供理论依据。主要研究结果如下: 施赤泥能显著降低土壤中交换态Pb、Zn和Cd含量,当赤泥用量为4%(W/W)时,培养30d、60 d和90 d后,交换态Pb含量分别比不施赤泥的对照处理下降了39.25%、41.38%和50.19%;交换态Zn含量分别比对照处理下降了49.26%、57.32%和47.16%;交换态Cd含量分别比对照处理下降了19.53%、24.06%和25.70%。赤泥对土壤的修复作用机理是赤泥对土壤中的重金属离子Pb2+、Zn2+和Cd2+等有较好的固着性能,使其从可交换状态转变为键合氧化物状态,从而使土壤中重金属离子的活动性和反应性降低。施用赤泥对土壤Pb、Zn和Cd五种形态所占总Pb、Zn和Cd的比重有明显影响,添加不同赤泥处理均降低了土壤中交换态Pb、Zn和Cd占总Pb、Zn和Cd的比重,且土壤中交换态Pb、Zn和Cd占总Pb、Zn和Cd的比重随赤泥施用量的增加而下降。 施用赤泥、石灰和海泡石均能有效促进土壤交换态Cd稳定化,有利于重金属Cd的固定,但三种改良剂中以赤泥的Cd钝化效果最佳。与石灰、海泡石相比,施入赤泥处理土壤中可交换态Cd分别降低了1.81%和3.55%,糙米中镉含量分别下降了17.39%和26.32%。三种改良剂中施用赤泥的增产幅度较大,施用海泡石略有增产,施用石灰的处理产量略有下降。施用改良剂能增加水稻的气孔导度(Gs)、净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)及蒸腾速率(Tr),其中以施赤泥处理效果较明显。各改良剂处理剑叶面积均有不同程度的上升。与石灰和海泡石相比,添加赤泥更能起到缓解Cd对水稻生长的影响,降低Cd对水稻的伤害。 在Pb、Zn和Cd严重污染的中性矿区土壤上,施用低量的0.25%(W/W)赤泥能促进水稻植株的生长和稻谷产量的增加。稻谷产量随赤泥施用量的增加呈先增加后下降的变化趋势,施0.25%(W/W)、0.5%(W/W)、0.75%(W/W)处理的稻谷产量较未施赤泥处理提高了12.04%、6.25%和4.40%;1.0%(W/W)和1.25%(W/W)处理较未施赤泥处理降低了0.23%和8.10%。施赤泥对降低作物体内Pb、Zn和Cd的含量有明显效果,以赤泥施用量较高的1.25%(W/W)处理效果最好,降幅分别达33.77%、9.84%和15.40%,但糙米中的Pb和Cd的含量仍未达食品卫生标准(Pb 0.4 mg/kg, GB14935-1994; Cd 0.2mg/kg,GB15201-95),锌含量低于50 mg/kg,达到食品卫生标准(Zn 50mg/kg,GB13106-1991)。Pb在水稻植株中的富集系数表现为:根茎叶壳糙米,Zn和Cd在水稻植株中的富集系数表现为:根茎叶糙米壳,且随着赤泥施用量的增加,水稻重金属Pb、Zn和Cd的富集能力降低。三种重金属的迁移能力由高到低的顺序为CdZnPb。 施适宜用量赤泥能促进水稻植株生长和稻谷产量增加;提高土壤pH和阳离子交换量,改善土壤微生物生存环境,促进土壤细菌、真菌、放线菌生长繁殖,增加土壤微生物量C (SMBC)、微生物量N (SMBN)含量;并能提高分蘖期土壤脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶的活性;但对有机质含量的影响不明显。其中,黄泥田上0.5%(W/W)赤泥施用量较其它施用量更有利于改善Cd污染水稻土生物学性状,提高土壤肥力,而潮泥田上为0.75%(W/W)赤泥施用量较适宜。施用赤泥能提高土壤pH,降低土壤交换态Cd含量,将交换态Cd转变为铁锰结合态和碳酸盐结合态,减少水稻糙米中Cd的累积量。当赤泥施用量达到或高于0.5%(W/W)时,两种土壤上水稻的糙米Cd含量达到国家粮食卫生标准。综合考虑水稻产量、土壤修复效应和糙米品质,黄泥田和潮泥田污染土壤上的推荐赤泥施用量分别为0.5%(W/W)和0.75%(W/W)。 在中轻度Cd污染的酸性潮泥田上,稻谷产量随赤泥施用量的增加均呈先增加后下降的变化趋势。早稻以施4500 kg/hm2赤泥的最高,晚稻以施3000 kg/hm2赤泥的最高,分别比不施赤泥处理增加了11.36%和8.30%;早、晚稻水稻株高、有效穗和千粒重随赤泥施用量的增加均呈先增加后下降的变化趋势;而穗总粒随赤泥施用量的增加呈先下降后增加的变化趋势。水稻生长各时期土壤pH值随赤泥施用量的增加均有不同程度的提高,施用赤泥后土壤有效态Cd含量减少是土壤pH升高与土壤吸附能力增强共同作用的结果。水稻吸收累积Cd随赤泥施用量的增加而降低,其主要原因是施用赤泥后土壤有效态Cd含量减少。 水稻产量在一定赤泥/猪粪比施用量范围内增加,但超过一定施用量后反而有所下降。早、晚稻水稻株高、有效穗、结实率和千粒重的变化趋势与稻谷产量的变化趋势基本一致;随着赤泥/猪粪比的增加,早、晚稻土壤有效态Cd含量逐渐降低。赤泥与猪粪配施可维持叶片中超氧化物岐化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)的较高生理活性,降低丙二醛(MDA)在叶片中的积累,改善细胞内活性氧产生与清除之间的平衡关系。随着赤泥/猪粪比的增大,水稻糙米中镉含量逐渐减少。赤泥与猪粪配施对重金属Cd污染土壤的改良效应,存在一个最适配比(早稻,1.125;晚稻,0.625)的问题,并不是越多越好。


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