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水稻镉吸收的区域模型及其调控研究

王维  
【摘要】:随着工业的发展和农用化学品的大量施用,农田土壤重金属污染日趋严重,重金属因其非生物降解性和持久性已引起广泛地关注。其中,镉(Cd)元素具有高移动性和高毒害性,被认为是危害公众健康主要物质之一。水稻是世界第二大、我国第一大粮食作物,也是最容易吸收和积累Cd的大宗粮食作物之一。相关调查发现,目前我国农田镉污染状况较为严重。因此,水稻Cd积累的预测和调控研究对于保护土壤环境质量和食品安全具有重要意义。本研究对典型红壤区土壤和水稻进行大样本成对采样,建立基于土壤化学性质和土壤Cd形态的水稻Cd吸收的区域预测模型,并通过室内水稻水培和土培试验,对水稻Cd吸收进行调控研究。主要研究结果如下: (1)对典型红壤区江西省余江县采集的106对土壤和水稻样品分析表明,有22.6%土壤样品Cd含量高于国家土壤环境质量标准中Cd的二级标准,有44.3%的稻米样品Cd超过国家食品污染物限量标准规定的Cd含量。采样区土壤pH相对较低(4.45-5.80),因而土壤中的Cd活性和迁移性相对较高,这可能是样区稻米Cd超标率较高的重要原因。对土壤样品和水稻样品各指标进行相关性分析表明,土壤生物有效性Cd与土壤总Cd、DOC和pH有极显著(p0.01)的相关性,相关系数分别为0.719、0.487和-0.303,与SOM、CEC和EC相关性则不强。稻米中Cd的含量与土壤Cd全量、生物有效性Cd含量和DOC为极显著(p0.01)正相关,相关系数分别为0.466、0.782和0.458,与SOM和pH为显著(p0.05)负相关,而与CEC和EC相关性则不高。分别用土壤Cd全量和生物有效性Cd含量与土壤性质各变量对稻米中Cd含量进行回归统计分析,建立典型红壤区水稻Cd吸收的预测模型,模型决定系数均达到极显著水平(p0.001)。用土壤生物有效性Cd含量建立的模型预测值与实测值之间线性方程R~2adj为0.847,由土壤Cd全量建立的模型预测值与实测值线性方程R~2adj为0.807,表明土壤生物有效性Cd比土壤全Cd对水稻Cd积累的影响更为重要。 (2)Cd对水培条件下水稻幼苗的生长有很大的抑制作用,5μmol L~(-1)Cd胁迫处理下,在未添加氨基酸的处理下水稻幼苗生物量下降了17.80%。在施加氨基酸的处理中,25μmol L~(-1)半胱氨酸(Cys)处理的水稻幼苗生物量显著提高,并恢复到CK水平,其他处理效果不明显。谷氨酸(Glu)对减少水稻幼苗体内Cd含量的积累有一定作用,特别在高浓度添加量100μmol L~(-1)时,Cd在水稻幼苗茎和叶片的中含量分别下降了23.36%和30.15%,甘氨酸(Gly)和Cys的处理未能减少水稻幼苗对Cd的积累,甚至在高浓度的Cys处理下,水稻幼苗各部位Cd的含量显著增加。外源性氨基酸的加入,对水稻幼苗根中的Cd向茎中迁移有一定的限制作用,并且增大Cd在水稻根部细胞壁组分中的比例,减少Cd在细胞器组分中的比例。氨基酸对水稻幼苗体内因Cd胁迫引起的膜脂过氧化有一定的缓解作用,部分处理显著降低了幼苗根和叶片内的丙二醛(MDA)含量。氨基酸对水稻幼苗体内抗氧化酶CAT和SOD的活性也有不同程度的增强,部分处理达到显著水平;氨基酸的加入,极大的提高了水稻米幼苗根中还原型谷胱甘肽(GSH)的含量,除10μmol L~(-1)Glu的处理都达到显著差异,但三种氨基酸对水稻幼苗叶片中GSH含量的影响较小。说明Glu、Gly和Cys三种氨基酸通过内在的生理机制,对缓解水稻Cd毒害有一定的作用。 (3)通过透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶转红外声光谱(FTIR-PAS)等技术对制备的稻草生物质炭表征结果显示,生物质炭呈碎片状叠加、片层多孔、空间排列复杂,有碳酸盐成分生成。生物质炭对Cd~(2+)有较好的吸附性能,在pH为4.5和5.5的条件下,Langumir方程均能很好地描述Cd~(2+)在生物质炭表面的吸附行为,拟合的相关系数分别为0.998、0.997,且生物质炭对Cd~(2+)吸附能力随pH增大而增强。生物质炭对盆栽水稻各生育期土壤溶液中pH和DOC含量有明显的提高,且增加的幅度随生物质炭的添加量增加而相应地升高。生物质炭对盆栽土壤Cd生物有效性有很大的抑制作用,与CK相比,0.5%、1%和2%的生物质炭处理下土壤中生物有效性镉分别降低了5.32%、18.17%和46.94%,并促进土壤中可交换Cd向可还原态和可氧化态等更稳定态的转化。生物质炭对Cd污染下的盆载水稻生长有很明显的促进作用,收获时水稻的株高、稻米产量和水稻整株生物量的都有极大的提高,其中在2%生物质炭处理下,稻米的产量和水稻整株生物量提高到约为CK处理的2倍。生物质炭显著降低了盆栽水稻籽粒中Cd的含量,0.5%、1%和2%生物质炭处理下的水稻籽粒中Cd含量分别下降了97.34%、66.11%和58.24%,其中0.5%、1%生物质炭处理下达到可食用的标准。说明生物质炭对水稻Cd吸收有很好的调控效果,不仅降低了水稻籽粒中Cd的含量,而且促进了水稻生物量的增长。 (4)纳米羟基磷灰石(nano-HAP)表面对Cd~(2+)的吸附行为同样可用Langumir方程很好地描述,且nano-HAP具有比生物质炭更高的Cd~(2+)吸附能力。nano-HAP对土壤溶液中pH也有明显的提高,但对DOC的影响较小。nano-HAP对盆栽土壤Cd生物有效性有显著抑制作用,0.5%、1%和2%nano-HAP处理下生物有效态Cd含量分别下降63.21%、80.62%和92.32%,并促进土壤中可交换的Cd向更稳定态转化。nano-HAP对Cd污染下的盆载水稻生长也有一定的促进作用,但效果不是很明显。nano-HAP显著降低了盆栽水稻籽粒中Cd的含量,分别降低了85.92%、89.47%和94.68%,全部达到国家规定的可食用标准。说明nano-HAP对水稻Cd吸收有很好的调控效果,不仅显著降低了土壤中生物有效性Cd的含量,而且还显著降低水稻籽粒中Cd的含量。


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