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长江中游某矿区水体和沉积物重金属来源解析及分布特征和生态风险评估

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农业环境科学学报 2023年第9期42卷 2059-2068页

作者：张力浩王国昌游来勇刘梦丽田瑞云寇乐勇孙斌周静中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室南京210008 河南科技学院资源与环境学院/河南省生物药肥研发与协同应用工程研究中心河南新乡453003 北京建工环境修复股份有限公司污染场地安全修复技术国家工程实验室北京100015

为探究长江中游沿江某矿区周边水-沉积物重金属分布特征、潜在风险及其来源,本研究以江西省北部某矿区周边水体及其沉积物中7种重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn)为研究对象,通过多点采样分析其在地表水-沉积物系统中的污染特征,并运... 详细信息

为探究长江中游沿江某矿区周边水-沉积物重金属分布特征、潜在风险及其来源,本研究以江西省北部某矿区周边水体及其沉积物中7种重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb和Zn)为研究对象,通过多点采样分析其在地表水-沉积物系统中的污染特征,并运用单因子评价指数和地累积指数(Igeo)分别对地表水和沉积物中所含重金属进行风险评价,最后通过正定矩阵因子分析(Positive definite matrix factorization,PMF)模型解析沉积物中重金属来源。结果表明:受酸性矿山废水直排影响,该地区地表水和沉积物酸化严重,pH最低分别为2.12和2.62。水体和沉积物中,以Cu、Zn和Cd超标较为严重,水体中分别为0.001~46.96、0.01~122.90、ND~64.97 mg·L^(-1),沉积物中分别为21.30~1840.61、54.20~1487.55、0.04~18.73 mg·kg^(-1),其中以Cd点位超标率最高(68.97%)。风险评价结果表明,超过50%的点位受到Cu和Cd的污染,属于重度风险等级,且多集中于废水排放源头(近矿区)和湖泊(缓水)区域,因此Cd和Cu是构成此区域水和沉积物潜在生态风险的主要重金属。针对沉积物重金属的PMF源解析结果也表明,采选矿活动产生的废渣和废水是造成研究区Cd和Cu超标的主要原因。综上,研究区水和沉积物受到矿冶生产影响,重金属Cu和Cd超标严重,应列为优先控制污染物。

关键词：重金属矿区水-沉积物生态风险正定矩阵因子分析模型

稻—麦轮作条件下猪粪和秸秆还田对氮素转化利用特征的影响研究

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稻—麦轮作条件下猪粪和秸秆还田对氮素转化利用特征的影响研究

作者：游来勇四川农业大学

学位级别：硕士

针对成都平原区种植业和养殖业生产强度大、集约化程度高,种植业和养殖业废弃物产生量大,且长期的种植业和养殖业分离导致其得不到有效的利用而引发了系列的区域环境危害。因此本研究在成都平原稻麦轮作区,通过养殖业和种植业废弃物中... 详细信息

针对成都平原区种植业和养殖业生产强度大、集约化程度高,种植业和养殖业废弃物产生量大,且长期的种植业和养殖业分离导致其得不到有效的利用而引发了系列的区域环境危害。因此本研究在成都平原稻麦轮作区,通过养殖业和种植业废弃物中猪粪的氮素替代化肥氮,探讨其农田投入下,稻-麦轮作体系作物生长响应、稻-麦轮作体系氮素吸收转运和利用特征、氮素在农田土壤中的形态转化特征,为区域的种养废弃物农田合理用量提供参考,对于保障成都平原区种养业健康发展和资源环境可持续有重要的意义。本文采用田间定位试验,分别开展秸秆还田容量试验(不施肥、不还田(对照)、半量还田、全量还田、1.5倍量秸秆还田);猪粪还田容量试验(不施肥、不施氮、100%化肥氮、25%猪粪氮+75%化肥氮、50%猪粪氮+50%化肥氮、100%猪粪氮、150%猪粪氮、200%猪粪氮);全量秸秆还田条件下猪粪还田容量试验(不施氮、100%化肥氮、25%猪粪氮+75%化肥氮、50%猪粪氮+50%化肥氮、100%猪粪氮;)。分别研究了不同秸秆和猪粪用量和全量秸秆还田不同猪粪还田量条件下,稻-麦作物生长及产量特征的响应特征、稻-麦轮作体系作物的氮素吸收利用特征、稻-麦轮作下土壤有机氮形态和无机氮形态的转化特征。(1)秸秆还田容量试验研究表明：秸秆还田(较对照(无秸秆还田处理)提高了小麦和水稻产量,小麦增产8.4%-19.6%,增产幅度随秸秆还田量的增加而增加,水稻增产4.3%-17.1%,增产幅度随秸秆还田量的增加而减少。秸秆还田促进小麦和水稻的生长,增加小麦和水稻氮素吸收和籽粒氮素累积;秸秆还田抑制了水稻前期(拔节期)生长和氮素累积,促进生育后期生长和氮素累积,水稻氮素吸收量和籽粒的氮素累积量均随秸秆还田量增加而减少。秸秆还田较对照(无秸秆还田处理)提高了稻-麦轮作体系的产量、氮素表观利率、和氮素农学利用效率,其分别增加10%-13.8%、19.5%-26.7%和6.71-8.21 kg/kg,在整个麦-稻轮作体系,其中半量还田最有利提高于稻麦轮作体系的产量和氮素利用效率,但半量秸秆和全量秸秆还田相比,产量以及氮素利用效率差异均不显著。综合考虑秸秆资源存量情况、作物产量和氮素利用效率,初步认为,秸秆全量还田较适宜成都平原麦-稻轮作区,有利于实现作物高产,氮素利用高效。(2)猪粪替代氮肥当量试验研究表明：当猪粪氮替代率大于100%时,则显著抑制了水稻生育前期的生长,主要表现为株高和生物量的降低,而随着生育期推进,抑制作用减弱,而对于小麦的生长反而有促进作用,猪粪50%替代氮替代当量最有利于水稻和小麦的生长;且增产显著(P>0.05),增产主要贡献主要是稻-麦有效穗数和穗粒数增加,轮作体系氮素的表观利用率、氮素收获指数和偏生产力均表现为最高。而猪粪氮替代率大于100%时处理显著减产(P>0.05),表现为收获指数降低,但其处理后土壤酸解总氮、氨基酸态氮、铵态氮、硝态氮显著高于常规化肥处理,表现出明显的土壤培肥效应,但增加了土壤氮素的流失风险,综上所述,在成都平原稻-麦轮作区化肥氮50%和猪粪氮50%的配比模式有利于作物高产和氮素高效。(3)秸秆全量还田条件下,不同的猪粪用量对稻麦作物生长影响较大,其中高量猪粪100%替代显著抑制了水稻生育前期的生长,表现为水稻株高和生物量的降低,小麦季则表现促进其各生育期的生长;从产量来看,50%猪粪氮替代化肥氮在水稻季增产最大,较对照增产4.81%,而100%替代在水稻季减产5.13%,且收获指数显著降低,稻草产量增加,小麦季则表现为猪粪投入量越大则增产效应越明显,综合整个稻-麦轮作周期50%猪粪氮替代化肥氮处理增产最大,较对照增产5.3%,且提高了水稻和在各个生育期的氮素吸收累积,增加了氮素在稻-麦籽粒中的分配比例和氮素的表观利用率、农学利用率、偏生产力;提高了稻季生育前期的土壤铵态氮浓度表明有利于氮素在土壤中的保存,降低氮素的流失风险,对于有机氮而言氮形态对于猪粪投入条件下的响应并不明显。初步认为,秸秆全量还田条件下,50%猪粪氮+50%化肥氮的施用模式有利于成都平原稻-麦轮作区。

关键词：猪粪秸秆稻麦轮作氮素转化利用

秸秆还田量对麦-稻轮作体系作物产量、氮素吸收利用效率的影响

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核农学报 2015年第12期29卷 2394-2401页

作者：游来勇李冰王昌全杨娟白根川黄春四川农业大学资源环境学院四川成都611130

为探讨秸秆还田量对麦-稻轮作体系作物产量、氮素吸收利用效率的影响,以小麦（内麦863）和水稻（F优498）为试验材料,在麦-稻轮作体系作物氮肥利用效率低的成都平原,采用田间小区试验,研究秸秆不还田、半量还田、全量还田和1.5倍量还田... 详细信息

为探讨秸秆还田量对麦-稻轮作体系作物产量、氮素吸收利用效率的影响,以小麦（内麦863）和水稻（F优498）为试验材料,在麦-稻轮作体系作物氮肥利用效率低的成都平原,采用田间小区试验,研究秸秆不还田、半量还田、全量还田和1.5倍量还田等处理模式对麦-稻轮作体系作物产量、氮素吸收以及利用效率的影响。结果表明,与对照（无秸秆还田处理）相比,秸秆还田提高了小麦和水稻产量,小麦增产8.4%~19.6%,增产幅度随秸秆还田量的增加而增加;水稻增产4.3%~17.1%,增产幅度随秸秆还田量的增加而减少。秸秆还田促进小麦和水稻的生长,增加小麦和水稻氮素吸收和籽粒氮素累积;小麦氮素吸收量和籽粒的氮素累积量均随秸秆还田量增加而增加;秸秆还田抑制了水稻前期（拔节期）生长和氮素累积,促进后期生长和氮素累积,水稻氮素吸收量和籽粒的氮素累积量均随秸秆还田量增加而减少。相较对照,麦-稻轮作体系的产量、氮素表观利率和氮素农学利用效率分别增加10%~13.8%、19.5%~26.7%、6.71~8.21 kg·kg-1,其中半量还田最有利于提高稻麦轮作体系的产量和氮素利用效率,但半量秸秆和全量秸秆还田相比,产量以及氮素利用效率差异均不显著。综合考虑秸秆资源存量情况、作物产量和氮素利用效率,秸秆全量还田较适宜成都平原麦-稻轮作区,有利于实现作物高产,氮素高效利用。该研究将为避免作物秸秆产生量大而处理不当引起的环境污染提供参考。

关键词：秸秆还田麦-稻轮作产量氮素吸收利用

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Cd胁迫对水稻生长及内源激素含量的影响

生态环境学报 2015年第5期24卷 860-865页

作者：游来勇王昌全罗娟李冰曾建四川农业大学资源环境学院四川成都611130 四川省江油市林业局四川绵阳621700

镉（Cd）是水稻（Oryza sativa L.）生长非必需且有毒的元素,其对水稻生长发育和生理代谢过程有重要影响,而内源激素平衡对水稻生长发育起着重要的调节作用.因此,研究Cd 胁迫下水稻生长和内源激素的变化对认知Cd 对水稻毒害的生理过程... 详细信息

镉（Cd）是水稻（Oryza sativa L.）生长非必需且有毒的元素,其对水稻生长发育和生理代谢过程有重要影响,而内源激素平衡对水稻生长发育起着重要的调节作用.因此,研究Cd 胁迫下水稻生长和内源激素的变化对认知Cd 对水稻毒害的生理过程有重要的意义.以水稻亲本蜀恢498、Ⅱ-32A 和杂交稻Ⅱ优498 为试验材料,通过不同Cd 质量浓度条件（0、0.5、1、3 mg·L^-1）下的水培试验,探究Cd 胁迫对水稻生长和内源激素的影响.研究结果表明：相比对照处理,中Cd（1 mg·L^-1）和高Cd 处理（3 mg·L^-1）显著降低水稻株高、地上部和根生物量;水稻中Cd 质量分数和累积量均随Cd 处理质量浓度的增加而增加,在1.0-3.0 mg·L^-1 Cd 质量浓度胁迫下,水稻地上部Cd 含量和累积量表现为蜀恢498〉Ⅱ-32A〉Ⅱ优498;当处理浓度1.0-3.0 mg·L^-1 时,水稻IAA 和GA3 含量显著降低,而ABA 则显著增加,品种间总体表现为Ⅱ优498 的IAA 含量显著高于亲本,ABA 则显著低于亲本,GA3 差异较小;随Cd 质量浓度的升高（0-3 mg·L^-1）,水稻IAA/ABA 比值先升后降,而GA3/ABA 则逐渐降低,Ⅱ优498 变幅明显低于亲本;Cd 对杂交稻内源激素的影响明显轻于亲本.由此可见,Cd 胁迫破坏水稻体内正常的激素调节平衡,影响水稻的正常生长;杂交稻Cd 的耐受能力强于亲本材料.

关键词： Cd胁迫水稻生长内源激素

猪粪施用对水稻田面水养分动态变化特征及流失风险的影响

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水土保持学报 2015年第5期29卷 130-136页

作者：李喜喜王昌全杨娟白根川游来勇易云亮黄帆李博四川农业大学资源学院成都611130

通过田间定位实验,分别设置对照、常规化肥、猪粪和化肥配施、单施猪粪等7个不同处理,探讨不同猪粪施用量对水稻田面水养分动态变化特征及流失风险影响。结果表明：各处理田面水总氮（TN）、可溶性氮（DN）、铵态氮（NH4＋-N）、总磷（T... 详细信息

通过田间定位实验,分别设置对照、常规化肥、猪粪和化肥配施、单施猪粪等7个不同处理,探讨不同猪粪施用量对水稻田面水养分动态变化特征及流失风险影响。结果表明：各处理田面水总氮（TN）、可溶性氮（DN）、铵态氮（NH4＋-N）、总磷（TP）、可溶性磷（DP）和可溶性钾（DK）浓度均在施肥后1~2d内达到峰值,然后迅速下降,7~10d后浓度趋于对照处理;硝态氮（NO3--N）呈现先降低后升高再降低的变化规律,在施肥后7~9d达到峰值,与铵态氮呈此消彼长的关系;猪粪和化肥配施总氮（TN）、可溶性氮（DN）、铵态氮（NH4＋-N）、可溶性钾（DK）浓度较常规化肥处理能分别降低7.94%~23.60%,19.23%~29.23%,21.28%~35.20%,16.42%~25.71%,同时降低了DN/TN、NH4＋-N/TN的比值,能有效控制氮、钾流失风险;猪粪施用总磷（TP）和可溶性磷（DP）浓度较常规施肥处理分别提高了8.94%~122.46%和19.07%~107.73%,增加了磷素流失风险,同时降低了DP/TP的比值;水稻在施肥移栽应尽可能避开降雨时期,7~10d是控制养分流失的关键时期。稻田猪粪适量施用也提高了稻谷产量,与常规施肥相比,猪粪和化肥配施稻谷增产205~854kg/hm2。综合环境及经济效益等方面考虑,化肥＋猪粪50%（NKM2）处理猪粪投入量最佳,稻田最大消纳猪粪13 264.54kg/hm2,最大生猪承载量为20.19头/hm2。

关键词：水稻田面水猪粪流失风险

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猪粪施用对成都平原稻季氨挥发特征的影响

农业环境科学学报 2015年第11期34卷 2236-2244页

作者：李喜喜杨娟王昌全白根川游来勇易云亮黄帆李博曾鹏宇四川农业大学资源学院成都611130

采用通气法开展田间小区原位监测试验,分别设置对照、常规化肥、猪粪和化肥配施、单施猪粪等7个处理,探讨不同比例猪粪施用对稻田氨挥发特征及环境、效益的影响。结果表明,氨挥发通量在施肥后的第2 d达到峰值,然后迅速下降,氨挥发主要... 详细信息

采用通气法开展田间小区原位监测试验,分别设置对照、常规化肥、猪粪和化肥配施、单施猪粪等7个处理,探讨不同比例猪粪施用对稻田氨挥发特征及环境、效益的影响。结果表明,氨挥发通量在施肥后的第2 d达到峰值,然后迅速下降,氨挥发主要集中在施肥后的1周左右。在整个监测期间,氨挥发平均通量为2.87~5.89 kg·hm-2·d-1,氨挥发累积量为43.72~87.38 kg·hm-2,占氮肥施用量的24.27%~29.17%;猪粪和化肥配施处理较常规施肥处理能降低氨挥发累积量4.21%~16.74%,猪粪和化肥配施也有效降低了田面水铵态氮和硝态氮浓度,单施过量猪粪则促进了氨挥发;氨挥发通量与田面水铵态氮浓度呈明显线性正相关。猪粪和化肥配施处理较常规施肥处理稻谷增产196~779 kg·hm-2,同时猪粪的施用也降低了稻田肥料投入成本,有效提高了农民纯收入。综合环境及经济效益,化肥+猪粪50%处理的猪粪投入量最佳,稻田猪粪消纳量为13 264.54 kg·hm-2,生猪承载量为20.19头·hm-2。

关键词：水稻氨挥发猪粪铵态氮

猪粪替代氮肥对稻麦轮作条件下土壤有机氮组分的影响

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土壤 2016年第3期48卷 449-454页

作者：李萌王昌全李冰杨娟李喜喜游来勇李一丁四川农业大学资源学院成都611130 自贡市国土资源局四川自贡643000

合理的有机肥投入水平对于保障土壤肥力和粮食生产有重要的意义。因此,本试验以猪粪作为试验材料,采用田间小区定位试验,通过设置对照(T0)、不施氮(T1)、100%化肥氮(T2)、25%猪粪氮+75%化肥氮(T3)、50%猪粪氮+50%化肥氮(T4)、100%猪粪氮... 详细信息

合理的有机肥投入水平对于保障土壤肥力和粮食生产有重要的意义。因此,本试验以猪粪作为试验材料,采用田间小区定位试验,通过设置对照(T0)、不施氮(T1)、100%化肥氮(T2)、25%猪粪氮+75%化肥氮(T3)、50%猪粪氮+50%化肥氮(T4)、100%猪粪氮(T5)6个不同施肥处理,探讨稻麦轮作体系下不同猪粪氮替代氮肥对土壤有机氮组分的影响。结果表明:猪粪替代氮肥可以提高稻麦轮作体系下土壤酸解性总氮、非酸解性总氮和酸解性氮各个组分的含量,在水稻季,T4处理的土壤酸解性总氮、氨基酸态氮和酸解未知氮的含量相较T0处理提高了17%、8%、133%;在小麦季,T3处理的土壤酸解性总氮、氨基酸态氮和酸解未知氮的含量相较T0处理分别增加了11%、8%、127%;各个猪粪替代氮水平对稻麦两季的土壤氨态氮和氨基糖态氮含量的影响均不显著。总体而言,水稻季50%猪粪替代氮肥和小麦季25%猪粪替代氮肥可以提高稻麦轮作条件下土壤酸解性总氮、氨基酸态氮和酸解未知氮的含量,进而增加土壤供氮潜力。

关键词：猪粪稻麦轮作土壤有机氮氮组分

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伴随阴离子对土壤Cd形态转化的影响

生态环境学报 2015年第5期24卷 866-872页

作者：杨兰李冰王昌全肖瑞杨丽郑顺强游来勇四川农业大学资源学院四川成都611130

化学性质各异的伴随阴离子通过影响进入土壤的外源Cd2＋后的形态转化,而影响其迁移特性和生物毒性.对此进行了解将有助于采取相应的防治镉污染的技术措施.通过室内连续培养试验（0-70 d）,研究了伴随阴离子（NO3^-、C1^-、SO4^2-）对Cd^... 详细信息

化学性质各异的伴随阴离子通过影响进入土壤的外源Cd2＋后的形态转化,而影响其迁移特性和生物毒性.对此进行了解将有助于采取相应的防治镉污染的技术措施.通过室内连续培养试验（0-70 d）,研究了伴随阴离子（NO3^-、C1^-、SO4^2-）对Cd^2＋在土壤中的吸附特性、形态分配与转化特性的影响.结果表明,伴随阴离子对添加外源Cd2＋溶液后的土壤Cd 吸附作用能力表现为：SO4^2-〉NO3^-〉C1^-;SO4^2-处理在20 d 时吸附率达最大值（93.61%）;NO3^-与C1-处理在30 d 时吸附率达最大值,分别为82.25%、67.97%.初始状态土壤中Cd 主要以残渣态存在,可交换态Cd 含量与比例最低,占总Cd 含量不到10%.添加1.0 mmol·L^-1 外源Cd2＋处理后,在培养期内（0-70 d）,表现为可交换态Cd 含量〉铁锰氧化物结合态Cd 含量〉碳酸盐结合态Cd 含量〉残渣态Cd 含量〉有机结合态Cd 含量.土壤可交换态Cd 在0-70 d 分配系数达到38%-61%,其中SO4^2-处理培养10 d 达到最大值（61.09%）,NO3^-与C1^-处理30 d 时达到最大值（分别为43.74%和41.80%）.土壤碳酸盐结合态Cd 含量在30 d 时趋于饱和,其含量（0-70 d）表现为SO4^2-〈C1^-〈NO3^-.3 种伴随阴离子处理的土壤铁锰氧化物结合态Cd 含量在0-50d 无显著性差异.有机结合态Cd 和残渣态Cd 含量随着培养周期延长而逐渐增加,但其吸收转化分配比例相对可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态低.从生物利用度系数来评价镉形态的危害程度,初始状态土壤中其危害程度表现为生物潜在可利用态〉生物难利用态〉生物易利用态.添加1.0 mmol·L^-1 的外源Cd2＋溶液后,SO4^2-处理的表现为：生物易利用态〉生物潜在可利用态〉生物难利用态;C1^-和NO3^-处理的表现为生物潜在可利用态〉生物易利用态〉生物难利用态.这表明,镉形态在SO4^2-处理伴随下对土壤造成的危害程度相对C1^-和NO3^-处理严重.外源Cd^2＋溶液进入土壤主要转化为可交换态Cd（SO4^2-〉NO3^-〉C1^-）,SO4^2-处理培养10 d 达到最大值（转化系数为61.09%）.可交换态Cd 在土壤中具有较强的迁移性,容易被生物吸收利用,对环境影响最大.

关键词：镉(Cd) 伴随阴离子形态转化

秸秆还田下“麦-稻”轮作生产生命周期能耗及温室气体排放

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农业环境科学学报 2015年第1期34卷 196-204页

作者：杨娟王昌全白根川游来勇易云亮黄帆李喜喜四川农业大学资源环境学院成都611130

应用生命周期评价方法,将"小麦-水稻"轮作生产体系生命周期划分为原料开采、农资生产和农田种植三个阶段,对秸秆不还田、全量还田、半量还田3种还田量下,生命周期各阶段的能源消耗与温室气体排放进行了清单分析,并进行了温室气体增温潜... 详细信息

应用生命周期评价方法,将"小麦-水稻"轮作生产体系生命周期划分为原料开采、农资生产和农田种植三个阶段,对秸秆不还田、全量还田、半量还田3种还田量下,生命周期各阶段的能源消耗与温室气体排放进行了清单分析,并进行了温室气体增温潜势评价。结果表明:以氮肥生产为主的农资生产阶段与原料开采阶段是能源消耗的主要阶段,占作物生产全生命周期能耗的70%左右;温室气体排放则以农田种植阶段为主。相较秸秆不还田处理,秸秆全量还田和半量还田增加了作物产量,降低了单位产品(分别为1 t小麦和1 t水稻)生产的CO2、N2O排放量,分别减排CO227.05%、31.23%,减排N2O 17.74%、14.51%,而CH4排放分别增加39.56%、12.38%;但在20 a、100 a时间尺度上,农田综合增温潜势GWP均显著降低。秸秆还田配合氮肥减施能有效降低农田生产系统生命周期能耗及温室气体增温潜势。

关键词：秸秆温室气体生命周期评价