有机物料对紫色土溶解性有机质及水稻镉累积的影响

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有机物料广泛应用于土壤改良与污染修复,施用有机物料可改变土壤有机质组分,而溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)是土壤有机碳中最活跃的部分。土壤DOM分子量小、迁移性大,对土壤碳循环、污染物的迁移转化及生物有效性有重要作用。水稻在生长过程中,大多处于淹水条件下,DOM对土壤Cd的迁移性和有效性影响也最为活跃。本文采用盆栽试验结合室内试验与分析,探讨有机物料对土壤溶解性有机质和水稻Cd积累的影响。首先对有机物料基本性质进行了分析表征,并研究了其对紫色土Cd吸附性能的影响,后于2017年5月至2017年10月在温室大棚进行水稻盆栽试验,在不同外源Cd浓度处理下,通过分析对照组(CK)及施加猪粪堆肥(PM)、腐殖土(HM)、污泥堆肥(CS)对水稻Cd转运与累积的影响,利用紫外-可见和荧光光谱,结合荧光区域积分法,分析和讨论了有机物料对土壤DOM组分与性质的影响,探究有机物料活性组分差异与土壤有机碳组成和性质、水稻Cd含量之间的相互关系。结果表明:(1)三种有机物料的活性功能基团种类相似,但其含量和比例随有机物料的种类不同而存在较大差异。三种有机物料之间具有相似的特征吸收峰,但不同吸收峰的吸收强度存在显著差异。其中有机物料含氧官能团含量和极性大小顺序均为HM>CS>PM,腐殖化程度高低顺序为PM>HM>CS。(2)有机物料会影响紫色土对Cd的吸附量和吸附强度。Langmuir方程可以更好的拟合PM、HM、CS存在下紫色土对镉的吸附等温线,添加PM后紫色土对Cd的最大吸附量qmax为539.40 mg?kg-1,较对照组降低了21.50 mg?kg-1,添加CS后紫色土对Cd最大吸附量qmax为576.46mg?kg-1,较对照组增加了15.56 mg?kg-1;且添加PM与HM会增加紫色土对Cd的吸附强度,降低Cd的解吸量,而添加CS会降低紫色土对Cd的吸附强度,增加Cd的解吸量。Elovich方程(logqt=log a+b log t)可以更好的拟合,添加有机物料后紫色土对Cd吸附动力学曲线,添加CS后紫色土对Cd的反应瞬间吸附量a值为350.51mg/kg,较对照组增加了107.67mg/kg,添加三种有机物料后,紫色土对Cd吸附量随时间增加速率均降低,添加CS的紫色土降低速率最大,b值为31.73mg/(kg?min),较对照组降低了21.27mg/(kg?min),添加PM的处理最先达到吸附平衡,添加HM的处理达到吸附平衡最慢。(3)供试三种有机物料均有利于缓解Cd污染土壤对水稻的生长毒害作用,水稻株高、有效穗、叶面积、千粒重和单株产量均有显著增加,有机物料抑制水稻籽粒Cd累积途径包括减少根系对Cd的吸收、抑制根系Cd向茎叶的转运以及茎叶向籽粒的转运。相同Cd污染水平下,施用有机物料的处理Cd富集系数、转运系数均明显低于未施用有机物料的对照处理。且对水稻籽粒Cd的累积影响与有机物料种类性质及土壤Cd污染程度有关。在土壤Cd浓度超过GB15618-2018风险筛选值,约为2mg?kg-1时,以含氧官能团丰富、极性大的腐殖土效果最好,可使水稻籽粒Cd含量达到GB 2762-2017食品安全国家标准。当土壤Cd浓度超过风险管制值,约为10mg?kg-1时,仅施加猪粪堆肥后水稻籽粒Cd含量降低,但仍达不到食品安全国家标准,建议联合其他控制措施实现水稻镉污染控制。(4)添加有机物料后,会增加土壤外源有机质和DOC含量,其中DOC的分子量小,活性强,易于土壤中Cd吸附结合,增加土壤交换态Cd含量,而土壤有机质可与Cd形成稳定性更高的络合物,促进残渣态Cd的形成。相关性分析表明土壤交换态Cd与土壤DOC呈显著正相关关系,与土壤有机质呈极显著负相关关系;残渣态Cd与土壤有机质呈显著正相关关系。有机物料降低土壤交换态和铁锰氧化结合态Cd含量,是影响水稻籽粒Cd累积的关键性因素。施用有机物料可以增加土壤有机质含量,土壤有机质会降低土壤交换态和铁锰氧化结合态Cd含量,使水稻根Cd累积显著降低,而水稻根Cd含量与水稻籽粒及叶的Cd含量极显著正相关。(5)土壤Cd污染会降低土壤DOM的芳香性(SUVA254),添加有机物料可以显著提高DOM的芳香性、疏水性(SUVA260)和腐殖化程度(HIX),而DOM的腐殖化指数(HIX)与土壤总Cd及有效Cd含量呈显著正相关关系,说明在土壤外源Cd浓度较高时,会抑制作物和微生物活动,促进DOM表现出腐殖化特征。添加有机物料后,土壤DOM中检测到类腐殖质荧光峰A和峰C,以及类酪氨酸峰B和类色氨酸峰T。其中土壤DOM中类色氨酸峰(峰T)可作为反映施加有机物料后土壤Cd污染状况的敏感指标,外源Cd浓度的增加,会刺激微生物降解过程中优先降解类色氨酸峰T,促进DOM峰T的降解以及峰B释放,使DOM中类色氨酸峰(峰T)显著降低。(6)紫色土交换态镉与DOM的Peak T呈极显著负相关关系,与Fn(355)、HIX呈显著正相关关系;碳酸盐结合态镉也与DOM的Peak T呈极显著负相关关系,与HIX呈显著正相关关系;铁锰氧化铁镉与DOM的Peak T、SUVA260呈显著负相关关系,与Fn(355)、HIX呈显著正相关关系;残渣态镉与DOM的Peak T呈极显著正相关关系,与HIX呈显著负相关关系,且土壤有效Cd含量与DOM中FDOM的含量呈显著正相关关系。说明土壤DOM对于土壤镉形态转化起着重要作用,当土壤DOM的类色氨酸含量较高、腐殖化程度较高时,会促进土壤高活性态镉(交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化铁镉)向低活性态(残渣态镉)转化,抑制镉在土壤中的活性,从而影响水稻根系对土壤镉的吸收,改变水稻对镉的吸收转运能力。
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