秸秆还田对土壤硒生物有效性的影响及作用机制

发布时间：2020-03-25 04:48

【摘要】：硒是人体必需的“双刃剑”元素,其过量或不足均会威胁人体健康。硒的生物有效性与土壤中硒的形态密切相关,后者则受外源施硒种类和土壤理化性质的影响。秸秆还田是农业废弃物资源化和培肥地力常用的一种农业生产措施,秸秆在土壤中腐解释放的溶解性有机质(DOM)与硒发生相互作用,秸秆还田还影响着土壤中有机质含量及微环境的pH等,这些均影响土壤中硒的形态转化及其有效性。但有关秸秆还田对土壤中硒的形态及有效性的影响的研究较少,尤其是秸秆释放的DOM对不同价态外源硒有效性的影响及其机制尚未见报道。为此,本研究将老化培养试验和盆栽试验相结合,建立了硒形态、价态及与DOM相结合的土壤硒测定方法,探究了秸秆还田对不同土壤外源硒酸盐和亚硒酸盐形态转化及有效性的影响;并采用紫外-可见光谱、ATR-FTIR红外光谱和2D-COS及3D-EEM结合平行因子分析技术等多种光谱学手段探讨秸秆腐解释放的DOM的量变及质变过程,进一步揭示了有机硒(DOM-Se)的转化机理。对比了秸秆源DOM与无机硒相互作用形成的有机硒与天然有机硒(富硒秸秆源)矿化释放出的无机硒有效性的差异,旨在为秸秆还田在硒的生物强化过程中调控作物硒含量、降低硒资源的浪费及减少环境风险提供科学依据。得到的主要结果如下:1.明确了土壤pH和有机质是影响外源硒酸盐在土壤中老化过程中硒有效性的主控因子。硒酸盐在土壤中的老化过程是一个先快速下降后缓慢持续下降的过程,多数中碱性土壤和酸性土壤分别在外源硒酸盐施入109天和33-56天后达到平衡,酸性土壤的老化速率显著高于碱性土壤。2.修改并完善了DOM结合态硒的浸提和分形方法。通过对水溶态和交换态浸提液、DOM分形过程中树脂和洗脱液用量的筛选,结合前人的研究方法,实现了对不同外源硒在不同类型土壤中形成的DOM-Se的分形,明确了XAD-8树脂、用于酸化溶液的盐酸及洗脱液等试剂的用量,确保亲水性有机酸结合态硒(Hy-Se)、富里酸结合态硒(FA-Se)、疏水中性有机质结合态硒(HON-Se)及胡敏酸结合态硒(HA-Se)在土壤不同组分的形态完全分离,为土壤中DOM-Se的深层研究创造了条件。3.证实秸秆源DOM在不同土壤中对硒酸盐的有效性的影响具有两面性。在有机质含量高的酸性土壤中秸秆源DOM释放的FA及HON与硒结合可提高土壤溶液及土壤颗粒表面的硒含量而提高其有效性,而有机质含量较低的碱性土壤中HA与硒的结合会促进硒向土壤固相组分的转化,从而降低其有效性。秸秆还田后土壤溶液及土壤颗粒表面吸附的DOM结合态硒均以亲水性六价有机酸结合态硒(Hy-Se)为主。除江西红壤SOL-HA-Se含量较高外,杨陵X土、河北潮土和江苏乌栅土中均是SOL-FA-Se含量高于SOL-HA-Se。秸秆腐解矿化及土壤固有有机质的活化释放的DOM携带的醇羟基、羰基、烷基(甲基)及芳香性酚类官能团与硒酸盐发生还原、配位吸附及内外层表面络合反应是DOM与硒相互作用的主要方式。秸秆源DOM对硒酸盐的双重作用与DOM的官能团特性及土壤理化性质密切相关。4.探明了秸秆还田对亚硒酸盐的老化作用与硒酸盐不同,以四价硒与土壤颗粒及固相组分的结合为主,且SOL-HA-Se和EX-Hy-Se是反映硒有效性的重要DOM结合态硒。这一老化过程受秸秆还田量的影响较小,且对酸性土壤中亚硒酸盐老化的影响显著大于碱性土壤。但受土壤固相组分中有机质含量等影响较大,秸秆还田显著提升了HA-Se和RES-Se组分。秸秆还田的土壤中交换态的DOM与亚硒酸盐反应的主要官能团有醇O-H、饱和及不饱和脂肪羧基C=O及芳香类C-O官能团,亚硒酸盐与醇O-H结合是DOM与亚硒酸盐之间的重要反应之一。5.查明了秸秆源DOM可显著降低外源硒酸盐的生物有效性(p0.05),且其受DOM的组成、芳构化及官能团特性及其与硒的结合方式的影响。与对照相比,红壤中小麦各部位硒含量下降幅度均显著高于X土,籽粒中硒含量降幅高达34%以上。秸秆还田提高了土壤溶液中SOL-Hy-Se及SOL-FA-Se组分向芳构化及疏水性更高的SOL-HON-Se和存在于土壤颗粒表面的EX-FA-Se的转化,SOL-HON-Se和EX-FA-Se均是小麦籽粒硒的主要来源(p0.01)。随着秸秆还田时间的增长,土壤中DOM均呈现由简单结构的小分子(如Hy和FA)向芳构化程度较高大分子(HA)转化的趋势,同时伴随着与之结合的硒的还原和固定,导致硒有效性的下降。6.探明了秸秆源DOM能显著提高亚硒酸盐在土壤中的有效性,且其受土壤性质和施硒浓度的影响。秸秆还田在所有硒处理中均显著提高了碱性X土小麦籽粒硒含量(p0.05);而仅在高硒处理时显著增加了酸性红壤中小麦籽粒硒含量(p0.05)。2D-COS分析发现秸秆还田促使红壤中HA组分的矿化分解是高硒处理的小麦籽粒中硒含量显著提升主要原因。富含HA的红壤中更易形成HA-Se,这与亚硒酸盐在土壤中首先与芳香性的酚类和醚类C-O官能团结合有关。同时,碱性X土中秸秆源DOM通过饱和及不饱和脂肪羧基C=O与硒的络合形成Hy-Se和FA-Se,两者均可被植物直接吸收利用。因此,秸秆还田显著提升了X土中亚硒酸盐的生物有效性,而酸性红壤仅在高硒处理时秸秆还田的作用更为显著。7.明确了富硒秸秆矿化可显著提升土壤硒的利用效率,可作为缺硒地区植物补硒的措施。富硒小麦秸秆与富硒小白菜还田后种植的小白菜地上部硒含量分别为对照处理的1.7倍和9.7倍,地下部硒含量分别为对照处理的2.3倍和6.3倍。富硒秸秆还田显著提高了土壤呼吸速率,促进秸秆的矿化分解,导致土壤水溶态硒、交换态硒和富里酸结合态硒的含量提高。交换态硒比水溶态硒含量更能反映土壤硒的有效性,且其与富里酸结合态硒呈显著相关,进一步证实了土壤有机结合态硒(FA-Se)是土壤有效硒的潜在硒源。由于施入的两种物料腐解速度和生成富里酸结合态硒含量的差异,富硒小白菜施入后土壤硒的利用效率显著高于富硒小麦秸秆,说明富硒秸秆中硒的利用率与其种类有关,在实际中要予以考虑。综上所述,秸秆源DOM通过不同的方式与外源硒发生相互作用,使得不同土壤中DOM-Se组分分布不同且不断地发生转化作用而影响着外源硒的有效性。秸秆还田对硒有效性的影响受土壤中的DOM含量、物质组成、官能团结构等特性的左右。秸秆还田在显著提升亚硒酸盐生物有效性的同时,却降低了硒酸盐有效性,因此,秸秆还田技术用于硒的生物强化及污染修复中时要综合考虑。
【图文】：

西北农林科技大学博士学位论文沉淀形式存在（Cary and Gissel-Nielsen 1973）,而有机硒或以小于土壤溶液中、或以二甲基硒的挥发态脱离土壤介质、或与土于有机质中（Ba uelos et al. 1992; Zhang and Moore. 1996）。水相组分的固持及微生物的还原消耗，等量的外源有机硒的有效ert et al. 2013）。

鉴 Martens 和 Suarez 等人的研究方法，将湖北恩施高硒地区土壤中的硒逐级连续浸水溶态、交换态后，又将有机结合态细分为富里酸强结合态和富里酸弱结合态以及酸强结合态和胡敏酸弱结合态六种形态。安梦鱼等（2017）则直接采用瞿建国和徐（1997）的浸提方法研究不同浓度的腐殖酸对福建大田地区高硒土壤中硒形态变化响。最新的 XANES 技术更是可直接检测出土壤中各价态的硒含量，但是仅能揭示硒形态（Qin et al. 2017）。形态变化与价态转化相伴随，因此，，明确硒的形态和价土壤中的转化过程是研究硒有效性的基础。外源硒在土壤中的形态转化及其对有效性的影响外源硒酸盐进入土壤后，通过静电作用和物理结合形成土壤外层复合体（Sharml. 2015），以可溶或吸附的形式存于土壤有机质、矿物质（铁铝氧化物、黏粒等）的换形态硒，伴随扩散、氧化还原作用、配位作用、吸附解吸作用等物理、化学过程发生转化，导致土壤中有效态硒含量随时间发生再分配（图 1-2）。亚硒酸盐施入土，土壤中水溶态和交换态硒含量均随时间延长呈先快速下降而后缓慢降低的趋势，态和交换态硒有着向更稳定的硒形态转化的趋势（有机结合态或残渣态硒），从土面通过扩散作用进入土壤或晶格内部（Li et al. 2016）。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X712;X144;S153.6


本文编号：2599422