硫肥对土壤—水稻系统铜迁移转化的影响及作用机制

发布时间：2017-12-29 17:01

  本文关键词：硫肥对土壤—水稻系统铜迁移转化的影响及作用机制　出处：《浙江大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：近年来我国农田土壤重金属超标引起的粮产品安全问题备受关注,如何控制农田土壤重金属污染、保障农产品安全已成为环境管理的热点与难点之一。硫是植物必需的大量营养元素之一,我国因土壤缺硫现象的不断加剧,硫肥的农业施用逐渐受到重视。土壤硫的形态转化过程与重金属的形态转化及生物有效性密切相关,因此探索硫肥对重金属在土壤-植物系统中迁移转化过程的影响及机制可为指导农业生产和科学评估农田土壤重金属的环境风险提供重要理论依据。本论文以稻田土壤为研究对象,开展室内模拟培育实验,利用传统化学分析方法、同步辐射X射线吸收精细结构谱学(XAFS)、X射线荧光谱学及扫描透射X射线显微光谱技术(STXM)等技术手段,研究了两种形态硫肥(S0和Na2SO4)施加对典型重金属铜(Cu)在水稻土壤-根表-植株系统中迁移转化过程的影响及作用机制,主要研究结果如下:(1)揭示了铜沿稻根微域土壤溶液迁移转化过程的硫肥调控作用与机制,发现硫肥可减少铜沿水稻根际土壤溶液纵向迁移。土壤溶液胶体颗粒zeta电位在2.4～7.8mV之间,粒径范围为440～740 nm。胶体颗粒主要由铁氧化物、有机物等组成,硫肥可减少水稻根际土壤溶液胶体颗粒Fe的比例,同时C、O的比例增大。土壤溶液胶体颗粒中铜主要由硫化亚铜、半胱氨酸结合态铜、柠檬酸结合态铜和胡敏酸结合态铜类化合物组成,硫肥促进胶体颗粒半胱氨酸结合态铜比例增大,硫化亚铜比例降低。胶体颗粒铁氧化物含量的减少导致胶体颗粒铜吸附量减少,有机质结合态铜比例增大,硫肥减少土壤溶液及胶体颗粒中铜的浓度,从而减少铜沿土壤溶液纵向迁移。(2)明确了硫肥对水稻全生育期根际土壤铜生物有效性及形态转化的影响与作用机制,提出硫肥对水稻根际土壤铜生物有效性的影响与水稻生长阶段有关。水稻营养生长阶段(幼苗期和分蘖期),硫肥施加促进水稻根际土壤有效态铜含量的增大,且根际土壤的溶解性有机质含量上升,硫肥处理组中根际土壤的胡敏酸结合态铜的比例增大。生殖生长阶段(抽穗期)因淹水时间较长,土壤氧化还原电位的降低导致水稻根际土壤铜和硫被还原,促进土壤硫化亚铜的形成,硫肥处理组根际土壤较高比例的硫化亚铜的形成导致其铜的生物有效性低于对照组。土壤溶解性有机质及氧化还原电势是硫肥影响水稻根际土壤铜的形态及生物有效性的主要介导因子。(3)揭示了硫肥施加对水稻根表胶膜形成及其对根系铜吸收的影响及相关机制,提出硫肥对水稻根表胶膜形成的影响与硫肥形态及施加量有关。低浓度硫肥(50mg/kg,100mg/kg)施加可促进水稻根表胶膜的形成,而高浓度硫肥(500 mg/kg,1000mg/kg)施加会对根系造成毒害而抑制根表胶膜的形成,S0比Na2SO4对水稻根表胶膜形成的促进效应更明显。根表胶膜主要附着在根外表皮的一层细胞上,由Fe、O、Al、Si等元素组成,附着在外皮层的胶膜可吸附一定量的铜,减少铜进入水稻根内皮层细胞。淹水条件下,硫肥施加可增大根际土壤硫化亚铜和半胱氨酸结合态铜的比例从而减少根际土壤铜的生物有效性,土壤铜生物有效性的降低及根表胶膜铜吸附共同导致水稻根、茎、叶中铜含量降低。(4)阐明了稻田土壤硫肥对铜在水稻植株不同组织中分布、累积的影响及机制,发现土壤硫肥的施加会促进水稻根系铜向籽粒迁移。土壤硫肥施加可促进水稻植株生物量和稻米干重的增加,Na2S04的水稻生长促进效率大于S0。硫肥可促进水稻植株中铜由根部向籽粒转移,从而增大稻米铜的含量。稻米铜主要分布在糊粉层,硫肥施加使得铜在稻米糊粉层的分布更集中。铜由根部向籽粒迁移的过程中Cu(Ⅰ)的比例逐渐增大,籽粒中铜大部分以Cu(Ⅰ)形态存在。土壤硫肥施加导致水稻茎和叶部谷胱甘肽合成的增加,谷胱甘肽的合成一方面促进Cu(Ⅱ)还原为Cu(Ⅰ),另一方面与Cu(Ⅰ)形成半胱氨酸铜类稳定螯合物,一价铜的化合物在铜转运蛋白的运输下到达水稻最上部(籽粒)。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X53;X173

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本文编号：1351045