生物质炭对土壤重金属有效性和作物吸收影响的整合分析及田间试验

发布时间：2017-12-26 12:12

本文关键词：生物质炭对土壤重金属有效性和作物吸收影响的整合分析及田间试验　出处：《南京农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,我国农田土壤重金属污染的问题引起极大的关注。对重金属污染的农田进行改良、修复,提高农产品安全显得必要且紧迫。已有研究表明,将秸秆、畜禽粪便等固体废弃物通过热裂解制备成生物质炭后施入土壤可有效降低土壤中重金属的有效性并减少作物对重金属的吸收。然而,由于土壤条件、生物质炭类型、重金属种类及作物种类的差异,不同研究之间生物质炭对植物重金属吸收的影响程度有很大差别。为了提高生物质炭对重金属污染土壤的修复效果,在更大程度上降低作物对重金属的吸收,以提高农产品的安全性,本文首先通过搜集已发表的文献资料,运用整合分析(Meta-analysis)的方法从总体上评估了生物质炭对土壤重金属(Cd、Pb、Cu、Zn及类金属元素As)有效性、植物重金属吸收及土壤主要性质(pH、有机碳、CEC等)的影响;并分析了不同土壤性质(pH、有机碳和质地等),不同生物质炭(来源、性质、用量)及不同植物类型对生物质炭降低植物重金属吸收效应的影响。在整合分析的基础上,通过田间试验重点研究了小麦秸秆生物质炭对不同品种水稻Cd吸收、转运和积累的影响;以及小麦秸秆生物质炭对小麦、玉米籽粒中Cd和Pb积累的影响。主要研究结果如下:1.整合分析结果表明,生物质炭处理显著提高了土壤pH值、有机碳、CEC、EC等,平均增加幅度分别为9%、69%、123%及93%。生物质炭能显著降低土壤中有效态Cd、Pb、Cu及Zn的含量,平均降幅分别为52%、46%、29%和36%;而生物质炭显著增加了土壤中有效态As的含量,平均增幅为64%。生物质炭施入土壤后,植物体内Cd、Pb、Cu及Zn的浓度平均分别降低了 38%、39%、25%及17%。尽管生物质炭增加了土壤中有效态As的含量,但植物体内As的浓度整体上是显著降低的,平均降幅为12%。2.生物质炭对植物吸收重金属的影响效应会受到土壤条件,生物质炭性质、用量及植物类型等因素的影响,对不同种类重金属的影响也不同。总体来说,在酸性土壤中施用生物质炭,植物体内Cd和Pb的降低幅度较大,Cu和As则相反。在砂性土壤中施用生物质炭,植物体内Cd、Pb和As的降低幅度较大。土壤有机碳含量越高,施用生物质炭后植物体内Cd、Pb、Cu、Zn和As的降低幅度越大。3.畜禽粪便制备的生物质炭比其他原料制备的生物质炭能更大幅度地降低植物体内Cd和Pb的浓度,降低幅度分别为73%和65%;污泥生物质炭对植物吸收Cd的影响不显著,不确定性较大;除此之外,其他来源的生物质炭(秸秆等农业废弃物生物质炭、木炭及绿色废弃物生物质炭等)均能有效降低Cd、Pb及Cu在植物体内的积累;不同原料生物质炭对植株吸收Zn及As的影响并不一致,农业废弃物生物质炭和绿色废弃物生物质炭能显著降低植物体内Zn的浓度,绿色废弃物生物质炭和污泥炭能显著降低植物体内As的含量。生物质炭的pH越高,植物体内Cd、Cu和Zn的下降幅度越大,但是对Pb影响不大,对As有相反的影响。在一定施用范围内,生物质炭用量越高,植物体内重金属的下降幅度越大。4.施用生物质炭能显著降低植物不同部位(地上部、地下部以及可食部位、不可食部位)重金属的含量。其中,植物地上部Cd的下降幅度显著大于地下部,植物可食部分As的含量显著降低,不可食部分无显著变化。除个别植物类型外,生物质炭总体上能显著降低不同类型植物体内的Cd、Pb和Cu的含量;而不同类型植物体内Zn及As浓度的变化并不一致;不同类型植物体内重金属浓度的变化存在显著差异。此外,在土壤重金属含量较高和生物质炭本身重金属含量较低的条件下,施用生物质炭对降低植物重金属吸收的效果较好。5.连续两年的田间试验表明,施用20和40 t ha-1小麦秸秆生物质炭可持续提高水稻土的pH值、有机碳并降低有效态Cd的含量;40 tha-1生物质炭效果更佳,连续四个水稻季土壤中CaCl2浸提态Cd的浓度与对照相比分别降低了 70%、85%、54%和43%。施用生物质炭显著降低了 Cd从水稻根向茎的转运,转运系数降低了 20-80%。施用生物质炭或采用低Cd积累品种均能显著降低水稻籽粒中Cd的浓度,除第一季外,在后面三个水稻季中生物质炭处理均显著降低了不同水稻品种籽粒中Cd的浓度,最大降幅分别为61%、86%及57%;籼型常规稻籽粒中Cd的浓度要低于对应的籼型杂交稻。施用生物质炭后,低积累品种籽粒中Cd的降幅要大于高积累品种。在两个晚稻季中,生物质炭结合低Cd积累品种水稻籽粒中Cd的浓度降低了 69-80%,降幅大于单独施用生物质炭或者单独种植低积累品种。6.生物质炭显著降低了水稻土中有效态Zn的含量(35-91%),而水稻籽粒中Zn的浓度却没有显著变化。籼型杂交稻籽粒中Cd的浓度显著高于籼型常规稻,但前者籽粒中Zn的浓度却显著低于后者,籼型常规稻籽粒的Cd/Zn比更低,其食用安全性更高。施用生物质炭后部分水稻品种籽粒中的Cd/Zn比与对照相比降低了 31-85%。生物质炭配合低Cd吸收品种能更有效降低水稻籽粒的Cd/Zn比(降幅在72-80%之间),从而更有效地提高稻米的食用安全。7.连续两个作物季的田间试验表明,与对照相比,在旱地土壤中施用生物质炭后,小麦和玉米季土壤容重均显著降低(18-29%), 土壤有机碳含量显著增加(45-218%);土壤pH和EC仅在第一季(小麦季)显著增加,在玉米季与对照相比无显著差异。生物质炭施用对小麦、玉米产量没有显著影响。生物质炭显著降低了小麦、玉米季不同污染程度土壤中有效态Cd和Pb的含量,并降低了小麦籽粒中Cd和Pb的浓度(最大降幅分别为21%和43%);但生物质炭对玉米籽粒中Cd和Pb的浓度无显著影响。玉米籽粒中Cd和Pb的含量显著低于小麦籽粒,且处于国家食品污染物限量标准规定的安全范围之内。综上所述,生物质炭在显著改善土壤性质、增加作物产量的同时,能有效降低土壤中不同重金属的有效性(As除外)和重金属在作物体内的积累,从而有利于农产品的安全生产;而田间试验的结果也表明生物质炭的上述效应具有可持续性。但是需要注意的是,生物质炭钝化土壤重金属、降低作物吸收的效果在不同作物品种、不同作物种类、不同土壤.条件下有很大不同;而且还受生物质炭本身的性质以及不同重金属种类和含量的影响。在应用生物质炭治理土壤重金属污染时要综合考虑上述因素,从而更高效、更有针对性地施用生物质炭,以更好地达到农产品安全生产的目的。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X53;S141

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