外源硅影响镉化学形态及其生物有效性的土壤化学机制

发布时间：2020-04-06 12:33

【摘要】：镉位列我国土壤无机污染物首位,土壤镉污染已成为威胁粮食安全、制约农业可持续发展的重大隐患。据统计,我国约有2.786×10~5 km~2农田土壤遭受镉污染,因镉污染直接导致的稻米减产量约为10~100 kg,年产“镉米”约1.2×10~100 kg。显然,我国农田土壤镉污染现状堪忧。因此,开展镉污染土壤修复与利用的相关研究,对于防治土壤镉污染、保障粮食安全具有一定的理论和实践意义。施硅具有降低土壤镉生物有效性的作用,但有关硅如何影响土壤镉化学形态与行为的土壤化学机制研究尚少。针对以往研究存在因含硅物料的加入改变土壤体系pH并引入相应伴随离子的不足,本研究在消除硅源(Na_2SiO_3)碱性和伴随离子(Na~+)差异的基础上,将土壤-水稻作为一个整体,采取水培试验、盆栽试验与室内分析相结合的方式,在探讨镉胁迫下外源硅对水稻生长发育与生理响应的基础上,综合运用原位道南膜技术(Field-DMT)、X射线衍射技术(XRD)、拉曼光谱技术(Raman)、红外光谱技术(FT-IR)和X射线光电子能谱技术(XPS)系统地研究了外源硅对土壤液相、固相中镉形态,土壤(氧化铁)固液界面镉的化学行为及其生物有效性的影响。得到的主要结果及结论如下:1.外源硅缓解了镉对水稻幼苗生长发育的毒害,降低了植株各部位镉含量,提高了水稻生物量。镉胁迫下,外源硅提高了水稻幼苗抗氧化酶活性、光合色素含量,改善了细胞器超微结构,降低了植株中镉含量。施硅提高了水稻幼苗叶片中超氧化物歧化酶(SOD)及过氧化氢酶(CAT)的活性,降低了过氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量;硅提高了水稻幼苗叶片叶绿素(A、B、A+B)和类胡萝卜素的含量,提高了水稻幼苗叶片光合效率;施硅有利于叶片细胞、叶绿体和线粒体功能恢复及其结构的完整、有序,并促进细胞中淀粉粒和嗜锇颗粒数量减少且体积变小。外源硅明显缓解了镉对盆栽水稻的毒害作用。施硅显著增加了水稻的生物量和产量;降低了水稻根部、茎杆、叶片、颖壳和糙米中镉含量,当土壤镉含量和外源硅添加量分别为5 mg kg~(-1)和120 mg kg~(-1)时,糙米的镉含量符合国家食品安全标准(≤0.02 mg kg~(-1))。2.硅改变了酸性、中性和碱性土壤固相镉形态,促进了土壤固相镉向无效态转化。降低了酸可提取态镉占比(P0.01)和可还原态镉占比(P0.01),提高了土壤中可氧化态镉占比(P0.05)和残渣态镉占比。3.硅影响了镉在土壤固液界面的化学行为。外源硅在一定程度上促进了酸性及中性土壤对镉的吸附,抑制了碱性土壤对镉的吸附;随外源硅浓度的增加,镉在3种土壤上的剩余吸附量随之增大,硅增强了土壤对镉的固定能力;R-P、Toth和Freundlich方程更适宜描述在不同硅浓度下,3种土壤对镉的吸附等温特征;3种土壤对镉的吸附均为伴随吸热和熵增的自发反应。4.硅改变了土壤溶液中镉的化学形态,降低了自由态镉浓度。水稻生育期内,外源硅提高了3种土壤溶液pH和Eh值;降低了酸性和中性土壤溶液中水溶态和自由态镉浓度;在碱性土壤中,施硅提高了水溶态镉浓度,但降低了自由态镉浓度。5.镉与硅酸在土壤溶液中形成了可溶性配合物,在铁氧化物表面形成铁氧化物-硅-镉复合物。在碱性土壤(溶液)中,主要以Cd~(2+)与SiO_3~-通过氧桥键合形成硅-镉可溶性复合物的土壤化学作用降低了镉的生物有效性;而以Fe-O-Si-O-Cd为结构单元的铁氧化物-硅-镉复合物的形成为酸性和中性土壤中硅降低镉生物有效性的主要土壤化学机制。
【图文】：

膜平衡,原位,扰动土壤,原位测定

沈阳农业大学博士学位论文+）和铅（Pb2+）离子的测定（赵磊等,2005；Marang et al.,2006；Sigg et alas.,2008）。往采用的 Lab-DMT 难以实现田间土壤中重金属离子的原位测定。这是由 Lab-DMT 开展的相关试验无法实现不扰动土壤-溶液系统，不改变土壤 E的厌氧环境。为解决这一问题，，研究人员对 Lab-DMT cell 进行了技术改进道南膜装置（Field-DMT cell），如图 1-1 所示。

金属毒,机制,质外体运输,水培试验

图件修改自：Adrees 等（2015）解植物重金属毒害的机制（引自 Adreeechanisms for Si alleviates heavy metal to，Liang 等（2005）发现，施硅降稻水培试验表明，加硅使 85%的镉皮层和表皮附近，而硅主要沉积在制了镉的质外体运输过程，Zhang现，硅可以通过提高叶片叶绿素含系活力、促进根的伸长和侧根的生活性等方式缓解镉对植物的毒害改
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53

【参考文献】