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关中地区日光温室土壤镉污染及阻控研究

唐希望  
【摘要】:设施农业是高投入高产出的农业生产模式,具有复种指数高、水肥消耗大等特点。高强度的肥料与农药投入易导致土壤重金属累积。作为耕地土壤超标率最高的重金属元素,Cd毒性极高,易通过食物链在人体累积,导致肝肾以及生殖系统的损害,严重的会导致痛痛病以及畸变和癌变。自20世纪90年代以来,陕西关中地区陆续兴建了大量的日光温室,部分日光温室已有超过二十年的种植年限,具有较高的重金属污染风险。本文以关中地区日光温室土壤为研究对象,通过田间定点采样分析和田间试验的研究方法,开展了关中地区日光温室土壤重金属污染现状及特征,叶菜对日光温室土壤Cd的吸收累积特征,以及日光温室土壤Cd污染阻控的研究。主要结果如下:1)关中8个设施农业基地(G1-G8),土壤Cd含量分别为0.41、0.45、0.47、0.42、1.13、0.37、0.22、0.32 mg/kg,Cr含量分别为83.8、71、68.4、74.8、76.4、74.1、68.7、65.4 mg/kg,Cu含量分别为16.8、15.5、13.9、15.6、23.2、32.2、32.3、23.4 mg/kg,Pb含量分别为35.5、39.1、37.6、30.3、25.5、24.1、18.9、25.6 mg/kg,与背景值相比G1-G8日光温室土壤Cd、Cr、Cu、Pb均有不同程度的累积。单因子评价结果表明,G1、G6-8日光温室土壤Cd为清洁,G2-4为尚清洁,G5为超标,G1-8日光温室土壤Cr、Cu、Pb均为清洁;内梅罗综合因子评价结果表明,G1-4污染等级处于警戒水平,G5污染等级为超标,G6-8污染等级为安全;潜在生态指数评价结果表明,除G5日光温室土壤Cd潜在生态风险为中等污染以外,其余潜在危害均为轻微污染。对G5补充采样表明,日光温室叶类蔬菜的生产有Cd超标风险。2)田块尺度下对G5设施农业基地两个相同年限日光温室(1号和2号)进行定点采样,测定土壤Cd、Cr、Cu、Pb含量,使用Arcgis进行插值分析。从插值图得出1号日光温室Cd,2号日光温室Cd,Cu,Pb均出现不同程度累积,且表层累积量大于下层,1号和2号日光温室土壤重金属累积和空间分布存在极大差异。分别对1号和2号日光温室土壤Cd、Cr、Cu、Pb含量进行相关性分析,1号日光温室土壤Cd和Cu的空间分布相关性极显著(r=0.54,P0.01),Cd和Cr的空间分布显著(r=0.46,P0.05);2号日光温室土壤中Cd与Cr,Cd与Cu,Cd与Pb空间分布相关性极显著(r=0.50,0.70,0.50,P0.05),Pb和Cu空间分布相关性极显著(r=0.73,P0.01)。相关性较强的重金属元素之间具有相似的来源。3)采用田间试验的方法,筛选比较六种生菜对Cd的吸收累积能力。以地上部Cd浓度和生物富集因子(BAF)为评价标准,则生菜Cd吸收能力差异顺序从强到弱依次为(mg/kg):橡生一号深紫生菜(1.90)立生二号(1.78)美国大速生(1.55)大橡生二号(1.53)特红皱生菜(1.25)法什菜花叶苦苣(1.22);六种生菜以单株Cd累积总量为评价标准,则生菜品种cd吸收能力差异顺序从强到弱依次为(μg/株):美国大速生(8.42)立生二号(7.44)大橡生二号(7.29)橡生一号深紫生菜(5.04)法什菜花叶苦苣(4.36)特红皱生菜(2.84)。综合考虑单株生物量和镉浓度,立生二号生菜品种是合适的土壤镉污染试验材料。六种生菜根际土壤有机质含量(som),土壤酸碱性(ph)以及土壤全量cd(t-cd)和有效态cd含量(dtpa-cd)在六种生菜间均没有显著差异,生菜cd累积吸收差异是由于生菜品种不同所造成的。4)将大速生、大橡生二号、法什菜花叶苦苣、立生二号四种生菜在含cd10mg/l的霍格兰培养液中培养三周,每周通过水培法获取含根系分泌物的高纯水培养液。以高纯水培养液toc含量(mg/l/h)表征生菜根系分泌能力,以高纯水培养液三维荧光光谱扫描结果表征生菜根系分泌物种类,以高纯水培养液浸提cd污染土壤cd浓度(mg/l)表征生菜根系分泌物活化土壤cd能力。结果表明随着培养时间的增加,四种生菜根系分泌总量在增加,根系分泌物数量和根系分泌物活化cd能力却在降低。相关性分析结果表明cd胁迫下根系分泌总量与根系分泌物活化土壤cd能力呈极显著负相关(r=-0.78,p0.01),与根系分泌物种类数量呈极显著负相关(r=-0.59,p0.01);根系分泌物活化cd能力与根系分泌物种类数量呈极显著正相关(r=0.69,p0.01)。试验结果表明,在cd胁迫下随着培养时间的增加,生菜根系分泌能力虽然在增加,但根系分泌物种类在减少,对土壤中cd的活化能力在降低。5)将立生二号生菜种植在cd(1.73mg/kg)污染土壤日光温室,在整个生育期不间断采样,测定生菜地上部cd浓度。结果表明生菜地上部cd浓度的变化与地上部生物量的变化高度相关。地上部cd浓度苗期从2.70增加到3.62mg/kg,器官形成期从3.62降低到2.40mg/kg,抽薹期从2.40降低到1.64mg/kg,cd浓度在苗期增加,器官形成期和抽薹期降低。cd单株生菜地上部累积的速率可以用“s”型曲线进行描述,约15%的cd累积发生在苗期,约80%的cd累积发生在器官形成期,约5%的cd累积发生在抽薹期。苗期、器官形成期和抽薹期cd累积速率分别为0.098、0.516、0.056μg/plant/d。整个生长阶段生菜地上部cd浓度和fe浓度变化呈极显著负相关,和ca呈正相关;在营养生长阶段,生菜地上部cd浓度和ca浓度变化呈显著正相关;在生殖生长阶段生菜地上部cd浓度变化和fe显著负相关,和zn、ca显著正相关。6)在红菾菜营养生长阶段给予调亏灌溉处理(t1,300l/次;t2,200l/次;t3,100l/次;t1为对照),持续五周。t1、t2、t3处理红菾菜地上部cd含量分别为1.12、1.37、1.01mg/kg,其中t2处理红菾菜地上部cd含量分别高于t1和t3处理23%和37%;t1、t2、t3处理红菾菜cd污染修复效率分别为3.88、5.42、3.35g/ha,其中t2处理红菾菜对cd的修复效率分别高出t1和t3处理39.7%和61.8%。试验结果表明,适度调亏灌溉处理可以提高红菾菜cd含量,增加红菾菜cd修复效率,并节约灌溉用水;反之,充分灌溉可以降低红菾菜对cd的吸收,并提高产量。7)田间试验结果表明日光温室耕层土壤深翻40cm和覆无污染土15cm可以有效降低耕层Cd浓度,减少生菜对Cd的吸收,但会抑制生菜的生长;与不施肥相比,施用磷肥提高了生菜对Cd的吸收,但随着磷酸二铵与过磷酸钙施用量增加,生菜地上部Cd浓度呈增加趋势,而随着钙镁磷肥用量的增加,生菜地上部Cd浓度呈递减趋势;在施用量低时,生物炭施、纳米羟基磷灰石、凹凸棒粘土处理生菜地上部Cd浓度均随施用量增加而增加,在高施用量时结果则相反,表明只有在高施用量时,生物炭施、纳米羟基磷灰石、凹凸棒粘土才对抑制生菜Cd吸收有效果。


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