外源有机质对重金属镉在水稻中迁移转化的影响

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镉是污染农田土壤中最为广泛存在的重金属元素,土壤镉污染对地球生态系统、农业生产及人类健康有着不容忽视的威胁,水稻作为镉富集能力较强的大宗谷类作物,如何降低其对镉的积累已成为当前国内外科研工作者共同关注的重大问题。本论文采用盆栽试验,选取蚯蚓粪作为有机质来源,研究淹水灌溉及湿润灌溉两种水分管理条件下蚓粪有机质对镉污染土壤环境中镉生物有效性及水稻积累镉的影响,并在此基础上进一步开展蚓粪有机质降低水稻镉积累的作用“阈值”及机理探究,比较紫花苜蓿与蚓粪两种不同来源有机质在同等有机质含量下对水稻镉积累的作用效果。主要研究结果如下:(1)在湿润灌溉及淹水灌溉两种水分管理方式下,施加有机质均显著降低了土壤pH值及Eh值,在水稻完整生育期内两种水分管理下土壤pH值及Eh值大小关系表现为:湿润灌溉高于淹水灌溉。有机质的施加在两种水分管理条件下均显著提高了土壤Fe2+含量,淹水条件下土壤Fe2+含量高于湿润灌溉。除水稻完熟期外有机质在两种水分管理方式下均能降低土壤DTPA-Cd(二乙三胺五乙酸提取剂浸提)含量,且淹水灌溉条件下土壤环境活性态镉占比显著低于湿润灌溉。无外源有机质添加下湿润灌溉水稻镉积累含量低于淹水灌溉,施加有机质后淹水灌溉组别水稻糙米镉含量显著低于湿润灌溉组别,并低于国家食品安全标准限值(0.2 mg·kg-1)。此外,水稻土壤DTPA-Cd含量与Fe2+含量存在极显著负相关(P<0.01)关系。在淹水灌溉条件下施加有机质能较好地降低水稻对镉的积累。(2)蚓粪有机质在水稻全生育期内显著降低土壤Eh值及土壤可交换态、可还原态镉含量,环境活性态镉含量与土壤Eh值存在显著正相关(P<0.05)关系,蚓粪有机质通过降低土壤Eh值从而抑制土壤镉生物可利用态镉活性降低水稻对镉的积累。蚓粪抑制了镉从水稻根部到茎部的迁移转运,但促进镉由茎部向叶片及糙米转运。施加蚓粪提高了水稻根部和叶片部过氧化物酶(POD)及过氧化氢酶(CAT)活性,提高了水稻缓解Cd毒害的能力,降低了水稻植株丙二醛(MDA)含量并显著提高水稻经济性状指标。本试验添加量下蚓粪均能显著降低稻米中镉含量,在高于16.3 gC·kg-1 土添加量下稻米Cd含量低至0.16 mg·kg-1即可达到国家粮食卫生标准(0.2 mg·kg-1),且进一步提高有机质施入量后无显著差异。(3)选用蚓粪及紫花苜蓿两种不同来源有机质,在同等有机质含量下紫花苜蓿对土壤Eh值的降低作用更为显著,两种有机质均起到促进土壤可交换态向可还原态转化的作用,且紫花苜蓿在5.74 gC·kg-1 土添加量下可显著提高土壤残渣态镉占比。紫花苜蓿显著提高了水稻穗长、穗粒数、实粒数及200粒重,蚓粪较紫花苜蓿对水稻200粒重的提高作用更为显著,两种有机质均显著降低了水稻根、茎叶及糙米镉含量,同等有机质含量下紫花苜蓿对水稻各部位镉含量的降低幅度大于蚓粪。在本试验设计添加量下紫花苜蓿处理组糙米镉含量均达到国家食品安全标准(0.2 mg·kg-1),同等有机质添加量下蚓粪处理组别虽随着添加量增加糙米镉含量显著降低,但未达到国家食品安全标准。试验表明,绿肥紫花苜蓿对水稻镉积累的阻控作用优于蚓粪。
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