磷石膏污染农田土壤中镉、氟和磷的交互作用研究

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磷石膏含有镉(Cd)等重金属元素以及大量的氟化物(F)和磷(P),其堆放过程中可能对周围农田土壤产生污染,因而受到广泛关注。然而,有关磷石膏污染农田土壤中Cd、F和P及其交互作用在土壤-微生物和土壤-植物体系的生态效应尚不清楚。本研究采集了四川省绵竹市典型磷石膏堆场附近Cd、F和P含量较高的农田土壤样品,分析3种元素在土壤中的含量及空间分布情况,并对该区域土壤污染状况进行调查。在野外调查的基础上,采用盆栽试验定量探讨在Cd、F和P复合处理下,三者的交互作用对土壤微生物群落和小白菜生长的影响。主要研究结果如下:(1)研究区域土壤全Cd含量为0.98-70.42 mg kg-1,水溶态Cd(Cd_H2O)和氯化钙提取态Cd(Cd_Ca Cl2)占0.03%-2.55%和0.23%-4.96%;全F含量为0.67-6.91 g kg-1,水溶态F(F_H2O)和氯化钙提取态F(F_Ca Cl2)占0.98%-3.69%和0.46%-1.65%;全P含量为0.73-6.38 g kg-1,有效磷占1.21%-4.07%。空间分布上,土壤中全镉、Cd_Ca Cl2和全磷含量由东北向西南逐渐降低;全氟、F_H2O和F_Ca Cl2和有效磷高值区集中分布在研究区东部。改进的内梅罗综合污染指数和潜在风险指数法表明研究区域土壤污染风险主要为中、高风险。土壤p H、有机质、碱解氮和全钾与Cd相关性显著(P<0.05),全磷、有效磷和有效钾与Cd和F相关性均显著(P<0.05)。(2)整体上,Cd、F和P添加使盆栽土壤微生物的Chao指数和Shannon指数下降。土壤细菌中,78.95%的低丰度细菌平均相对丰度下降;Armatimonadota等4种中丰度细菌平均相对丰度下降,其余5种增加;芽单胞菌门(Gemmatimonadota)等4种高丰度细菌平均相对丰度下降,放线菌门(Actinobacteriota)等5种增加。其中,酸杆菌门(Acidobacteriota)、硝化螺旋菌门(Nitrospirota)、肠杆菌门(Entotheonellaeota)和芽单胞菌门(Gemmatimonadota)受P、F及其交互作用影响显著(P<0.05)。P是导致硝化螺旋菌门(Nitrospirota)相对丰度下降的主要因素,F与P对该细菌表现为负向交互作用,表明F的添加可以增强P的毒害作用。不同的是,芽单胞菌门(Gemmatimonadota)主要受F的影响,但P的添加可能会减缓F对该细菌的毒性效应。(3)盆栽土壤真菌中,Cd、F和P添加导致75%的低丰度真菌平均相对丰度不变或上升;两种中丰度真菌平均相对丰度均下降;被孢霉门(Mortierellomycota)等3种高丰度真菌平均相对丰度下降,其余3种上升。F对壶菌门(Chytridiomycota)产生显著负效应(P<0.05),但Cd-P的交互会缓解F对该真菌的毒性。P是使芽枝霉门(Blastocladiomycota)相对丰度下降的主因素,而Cd-F的交互作用对P的毒性有抑制作用。此外,P也显著影响Zoopagomycota(P<0.05),但3种元素的交互作用对该真菌影响不显著(P>0.05)。(4)小白菜对Cd、F和P的添加具有一定耐受性,株高和干重对这3种元素添加水平的响应表现为低含量促进,高含量抑制。与对照组相比,处理组小白菜体内维生素C含量降低了11.82%-66.71%(处理1、6、7除外);超过90%的蛋白质和可溶性糖含量升高;过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶等活性增加。Cd、F和P及其交互作用显著影响小白菜地上部分对Cd和F的累积(P<0.05)。小白菜地上部分Cd积累量随土壤Cd含量升高而增加,但土壤中F和P的添加可能会增强Cd的固定化作用而减缓小白菜对Cd的吸收。F积累量随土壤中F、P和Cd含量增加而显著增加(P<0.05),Cd-F和F-P的交互作用对F积累也有促进作用。这可能与土壤中可溶性F配合物的形成、钙离子的干扰以及磷酸根离子的竞争吸附有关。
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