外源矿物硅对水稻根际微环境Cd迁移转化的影响研究

作     者：慈凯东 

作者单位：中南林业科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王平;朱健

授予年度：2020年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 120405[管理学-土地资源管理] 0713[理学-生态学] 

主      题：水稻 外源矿物硅 根际微环境 Cd 迁移转化 

摘      要：镉(Cadmium,Cd)是一种对作物和人体都有很强毒害作用的重金属元素。Cd会通过食物链富集,即使是在土壤中浓度较低的情况下,也会使作物产量下降且对人类健康造成威胁。水稻是中国的第一大粮食作物,中国也是世界上最大的水稻生产和消费国。因此,采取行之有效的措施来降低土壤Cd污染显得尤为重要。目前施用土壤改良剂作为一种经济便捷且效果良好的方法,仍是土壤Cd污染主要防治手段。外源矿物硅可以有效阻控水稻Cd污染,并可以促进水稻的生长和提高产量,但施用外源矿物硅条件下Cd在土壤-水稻系统中的迁移转化机制尚不清楚。本实验选取2种水稻(Cd中高累积水稻-黄华占,Cd低累积水稻-湘晚籼)和外源矿物硅-硅藻土作为试验材料,采取盆栽试验模拟稻田环境,对水稻根际土壤基本理化性质、养分、酶活性、土壤中Fe、Mn、Cd形态和根表铁膜进行了研究,以揭示外源矿物硅对土壤-水稻系统Cd迁移转化的影响机制。主要研究结果如下:(1)本试验研究考查了外源矿物硅不同添加量对2种水稻根际土壤的理化性质的影响。外源矿物硅的添加,2种不同水稻根际土壤的pH值在分蘖期和灌浆期由于根系影响有一定下降,成熟期随着外源矿物硅的添加量增大而增大;土壤有机质随着外源矿物硅添加量的增大呈现出下降趋势;外源矿物硅的添加可以提升根际土壤的有效阳离子交换量,但具有一定时效性;外源矿物硅的添加对根际土壤含水率影响较小。(2)本试验研究考查了外源矿物硅不同添加量对2种水稻根际土壤主要养分和酶活性的影响。外源矿物硅的添加,增加了 2种水稻各生育期根际土壤中的有效硅和速效钾含量,均随添加量增大而增大,有效硅增加幅度较大;降低了 2种水稻各生育期根际土壤中碱解氮的含量,且随添加量增大逐渐下降;2种水稻根际土壤中有效磷在分蘖期和灌浆期随添加量增大先变大再变小,在成熟期变化规律不明显。外源矿物硅的添加,增加了2种水稻成熟期根际土壤中的脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的活性,均随添加量加大而增大,只有湘晚籼12根际土壤磷酸酶在5%添加量时增加量下降;2种水稻的根际土壤中过氧化氢酶的含量随添加量加大而下降,但幅度不大。(3)本试验研究考查了外源矿物硅不同添加量对2种水稻根际土壤Fe、Mn、Cd形态的影响。外源矿物硅的添加,可以降低2种水稻各生育期根际土壤中酸可提取态、可还原态Cd含量,增加可氧化态和残渣态Cd含量。相关性分析表明,外源矿物硅的添加还可以通过提升速效钾、可还原态的Fe和降低残渣态Mn来减少土壤中酸可提取态和可还原态Cd的含量,并促进Cd向可氧化态和残渣态转化。扫描电镜结果表明,施加外源矿物硅后,土壤颗粒表面更粗糙,孔隙更多,比表面积更大。红外图谱的结果可以推测,外源矿物硅的添加会促使根际土壤形成更多的Fe-O-Si、Si-OH和Fe-OH,从而能固定更多的Cd。XRD图谱可以得出,外源矿物硅的添加会促使根际土壤中形成更多的水铁矿和针铁矿。结合红外图谱和XRD图谱结果,推测硅镉共同作用在针铁矿和水铁矿表面形成了以Fe-O-Si-O-Cd为结构单元的铁氧化物-硅-镉配位复合物,降低镉生物有效性。(4)本试验探索了外源矿物硅不同添加量对2种水稻根表铁膜形成的影响。外源矿物硅的添加,可以促进2种水稻分蘖期和灌浆期根表铁膜的形成和根表铁膜中Cd的累积。相关性分析表明,在分蘖期和灌浆期,2种水稻根际土壤中可氧化态的Fe、Mn可以促进根表铁膜的形成,也进一步证实了根表铁膜量的增加可以阻隔根部表面更多的Cd;在灌浆期,根表铁膜中锰的增加有利于根表铁膜对Cd的吸附;分蘖期和灌浆期2种水稻根表铁膜中DCB-Mn与DCB-Cd相关性的显著性存在差异,表明根表铁膜中的Mn在分蘖期和灌浆期在根表铁膜对Cd的阻隔中可能发挥不同的作用。