喀斯特地区碳酸盐岩溶蚀对水稻镉富集的影响研究

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贵州省位于中国喀斯特岩溶地貌中心,碳酸盐岩含量十分丰富,区域内土壤呈现较高镉背景值,大宗粮食镉超标率却相对较低。为探究喀斯特地区高镉背景下水稻低镉富集的原因,本研究以典型喀斯特地区土壤(石灰岩土)、非喀斯特地区土壤(黄壤)为研究对象,探讨碳酸盐岩溶蚀作用下水稻对土壤镉的富集特征及阻控机理。通过人为去除喀斯特区域土壤碳酸盐岩和人为在非喀斯特区域土壤引入碳酸盐岩的对比研究,旨在探究喀斯特地区碳酸盐岩溶蚀作用对Cd元素在土壤-水稻体系迁移转化的影响。主要研究结果如下:(1)对比喀斯特与非喀斯特土壤,探明了两类土壤中岩溶特征及镉的活性差异。喀斯特土壤p H高于非喀斯特土壤两个单位水平,可交换钙是非喀斯特土壤的2倍水平,可交换镁是非喀斯特土壤的5倍水平。相较于喀斯特土壤,非喀斯特土壤中镉的活性更高,镉的生物可利用性更强。(2)探明了两种类型土壤上水稻对镉的富集差异。喀斯特土壤上水稻各部位镉含量显著低于非喀斯特土壤,喀斯特土壤上水稻植株Cd含量表现出根>茎>穗>叶>米>糠的特征,非喀斯特土壤上水稻植株Cd含量皆表现出茎>根>穗>叶>米>糠的特征。非喀斯特土壤上水稻各部位镉的富集、转运能力皆强于喀斯特土壤。(3)喀斯特土壤人为去除碳酸盐后,土壤中p H、可交换性钙镁离子、碳酸氢根含量显著降低,镉的活性显著上升。土壤岩溶组分的减少会降低土壤p H,增加土壤中镉的生物可利用性。水稻各器官镉含量从高至低依次为根>茎>穗>叶>米>糠,去除碳酸盐后,水稻中镉含量、富集转运系数显著高于喀斯特土壤,表明土壤中碳酸盐的减少会增加水稻对镉的富集。(4)非喀斯特土壤人为施加碳酸盐岩后,土壤Ca2+、Mg2+、HCO3-等岩溶离子含量分别增加1.43、2.56、28.52倍,土壤p H增加1个单位水平,岩溶离子对土壤中镉活性作用增强,土壤中DTPA-Cd含量降低了19.16%,显著降低土壤中镉的活性;人为施加碳酸盐后,水稻各部位镉含量、水稻各部位对镉的富集转运能力显著降低,表明土壤中施加碳酸盐岩有效降低了水稻对镉的富集。综上所述,喀斯特地区的石灰(岩)土中碳酸盐岩通过溶蚀作用,产生丰富的Ca2+、Mg2+、HCO3-等岩溶离子,可提升土壤p H,降低了壤中DTPA-Cd和可交换态Cd、增加了土壤中残渣态Cd的含量;降低水稻根系对镉的吸收;同时进入水稻中的钙、镁有效阻碍了镉在水稻中的迁移。
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