湘江流域典型稻田土壤镉多介质通量分析

作     者：李耀 

作者单位：中南林业科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：彭佩钦;龙坚

授予年度：2024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] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 120405[管理学-土地资源管理] 

主      题：镉(Cd) 通量 Cd平衡 耕作制 大气沉降 

摘      要：镉（Cd）作为一种典型的土壤重金属污染物,对生态系统和人类健康有严重威胁。湖南省稻田土壤Cd污染问题近些年越发严重,农田土壤Cd污染影响了水稻安全生产。稻田土壤Cd的输入和输出通量决定了Cd在农田中是累积还是削减,系统开展农田系统中通过多介质输入以及输出Cd的通量分析研究,定量估算一般农区Cd在“土-水-气-生多介质交换迁移通量,预测区域污染发展趋势,为湘江流域一般农区产地重金属污染精准防控提供科学依据具有重要意义。 本研究以湘江流域典型稻田土壤为研究对象,采用田间小区定位试验方法,定位采集样品,监测稻田系统（一季稻-冬闲、双季稻-冬闲、一季稻-油菜）Cd输入输出状况。设置大气沉降监测点,研究区域Cd大气沉降梯度。研究湘江流域典型稻田土壤Cd输入输出通量,分析不同耕作制度对Cd平衡状况的影响。 主要研究结果如下: （1）双季稻稻田Cd多介质研究表明:稻田系统Cd输入途径主要有灌溉水、大气沉降和化学肥料。2017～2022六年间灌溉水年平均Cd浓度范围为0.143～0.543μg·L-1;灌溉水Cd的年输入通量分别为1.335、1.113、2.219、1.656、5.774和6.166g·（hm2·a）-1。大气沉降年平均Cd浓度范围为0.829～1.564μg·L-1;大气沉降Cd的年输入通量分别为5.670、8.007、10.220、13.580、10.1545和18.081g·（hm2·a）-1。不同农用化学品Cd含量范围为0.016～0.448mg·kg-1,2017～2022年农用化学品Cd年输入分别为0.44、0.59、0.66、0.59、0.52和0.64g·（hm2·a）-1。六年间年输入通量通过大气沉降输入的Cd占比61.73%～85.81%,平均为76.14%;灌溉水占比10.46%～35.10%,平均为19.45%;而化学肥料的输入都不到10%,占比从2.57%～6.08%,平均为4.41%。 稻田系统Cd输出途径主要有作物收获、地表径流和地下渗流。2017～2022年间地表径流的Cd浓度平均值分别为0.087、0.133、0.164、0.208、0.179、0.212μg·L-1,年径流通量为4.80×106～5.50×106L/ha/year。地表径流六年间的Cd输出通量分别为0.418,0.654,0.859,1.115,0.934和1.166g·（hm2·a）-1。六年间地下渗流Cd的年输出通量分别为0.060,0.050,0.100,0.075,0.261和0.279g·（hm2·a）-1。2017～2022年间水稻植株（茎、叶和糙米）Cd含量范围为0.703～3.099mg·kg-1,平均值为1.580mg·kg-1。糙米中Cd含量范围为0.052～0.465mg·kg-1,稻草（茎叶）中Cd的含量范围为0.272～2.842mg·kg-1。六年中稻草（茎叶）Cd年输出量分别为4.726、5.460、2.545、2.568、4.994和2.777g·（hm2·a）-1;糙米Cd年输出量分别为0.725、1.661、1.571、1.960、1.509和1.9478g·（hm2·a）-1。六年间的年Cd输出通量占比相近,通过作物收割去除的Cd高达76.58%～91.94%,平均值为84.04%;其次是地表径流和地下渗流,六年中地表径流输出的Cd在7.04%～19.50%之间,平均值为13.82%;地下渗流占比最小,均低于5%,占比从0.65%～4.52%,平均值为2.14%,远小于作物收获对Cd输出的影响。 稻田系统Cd通量平衡分析表明,2017～2022年Cd总输入通量每年都在增加,到22年达到最高24.89g·（hm2·a）-1。六年中Cd的总输入量均大于总输出量,水稻土Cd净输入通量均为正值,2017～2022年的净输入通量分别为1.52、1.92、8.02、10.11、8.75、18.72g·（hm2·a）-1。这说明农田土壤中的Cd已经在积累,且积累量几乎每年都在增大。 （2）稻田系统土壤Cd平衡对水稻中Cd的累积具有重要影响,Cd净输入通量的增加可能导致更多的Cd在植物体内富集,尤其是在根部和糙米中。早晚稻在Cd累积上存在一定的差异,这些差异可能受到稻田系统Cd通量变化以及植物生长特性的影响,晚稻的各个部位的Cd累积大部分要高于早稻。单季稻-油菜轮作对稻田系统Cd的累积影响略高于双季稻,但两者的差异并不显著,受到土壤条件、植物特性以及管理措施等因素的综合影响。 （3）在不同耕作制下,稻田系统Cd输入、输出主要途径仍然相同,大气沉降是稻田系统主要的输入途径;作物收获是主要的输出途径。 2022年双季稻-冬闲,一季稻-冬闲两种耕作制度的稻田土壤Cd平衡结果表明:双季稻-冬闲