典型污染稻田水分管理对水稻镉累积的影响

为探讨不同成土母质镉污染稻田土壤进行水分管理对水稻镉吸收累积的影响,以南方典型成土母质花岗岩、板页岩和紫色砂页岩发育的3种水稻土为对象,通过盆栽试验对比分析了淹水和干湿交替2种水分管理模式下,土壤pH值、DTPA提取态重金属、水稻根表铁膜以及不同部位重金属含量等的差异.结果表明,长期淹水处理使花岗岩、板页岩和紫色砂页岩发育水稻土pH升高了0.17~1.33个单位.在水稻灌浆和成熟期,淹水处理的3种水稻土DTPA提取态镉（DTPA-Cd）含量较干湿交替降低了14.39%~36.56%（P<0.05）.但淹水处理土壤DTPA提取态铁（DTPA-Fe）含量较干湿交替上升了35.35%~347.25%（P<0.05）.3个生育时期水稻根表铁膜镉、锰（除铁膜铁外）元素含量在2种水分处理下变化趋势均为分蘖期 < 灌浆期 < 成熟期.淹水处理使3种稻田土中糙米镉含量较干湿交替降低了57.84%~93.79%,且花岗岩、板页岩发育水稻土淹水处理降镉效果显著（P<0.05）.将3种水稻土土壤pH、DTPA-Cd、DTPA-Fe、根表铁膜以及糙米镉含量进行相关性及结构方程模型（SEM）分析,发现淹水降低稻米镉累积主要是通过提高土壤pH及增加土壤Fe的有效性,从而降低了土壤Cd的有效性,并且改变水稻根表铁膜对镉的吸附固定量.因此,水分管理模式调控稻米镉累积效应在不同土壤母质类型间存在明显差异,受土壤理化性质及根表铁膜等多重因素影响,且在不同母质发育水稻土上的作用机制并不完全一致.在镉污染的花岗岩、板页岩发育水稻土上进行水分管理可有效降低土壤镉的有效性,达到削减水稻对镉吸收累积的目标.综上,对于水分管理调控水稻镉吸收累积应根据成土母质类型区别进行.     

施氮和水分管理对光合碳在土壤-水稻系统间分配的量化研究

施肥和水分管理是影响水稻生长的两个关键因素,探讨水肥耦合条件下光合碳在"水稻-土壤"系统输入与分配动态,对深入解析稻田土壤碳循环具有重要意义.本研究通过盆栽试验,选用籼性常规水稻品种(中早39),采用13C-CO_2连续标记技术,量化研究施氮和水分管理对光合碳在"水稻-土壤"系统中分配的影响.结果表明:施氮增加了水稻地上部干物质重和碳、氮含量,却显著降低了水稻根冠比;干湿交替使施氮条件下的水稻地上部全碳、全氮含量较持续淹水处理分别提高了22%和33%,根系中全碳、全氮含量分别提高了36%、44%,这表明施氮有利于水稻地上部生长,而干湿交替显著促进了水稻根系的生长.施氮显著增加水稻地上部13C含量,与不施氮处理相比增加了32%~83%;施氮使光合碳在水稻地上部的回收率增加6%~32%,在根系的回收率减少18%~59%.水分管理对13C分配的影响表现为:连续标记22 d后,在施氮条件下,干湿交替使水稻地上部、根系13C量均有一定量的增加;不施氮条件下,干湿交替与持续淹水处理相比,地上部13C量减少10.3mg·pot-1,回收率降低了11%~12%;根系13C量增加1.9 mg·pot-1,回收率提高了24%~57%.施氮和干湿交替都显著增加了13C在根际土壤中的累积与回收率.因此,施氮增加了光合碳在土壤-水稻系统中的累积,但降低了光合碳在根系中的分配,干湿交替比持续淹水更利于光合碳向土壤中的传输与累积,水肥耦合管理显著调控了光合碳的传输与分配.该研究进一步量化了水肥管理条件下水稻光合碳的分配及其在土壤有机碳库中的传输特征,为稻田水肥管理、水稻土有机质积累持续机制提供了理论依据和数据支撑.     

外源Fe调控根系微生物群落结构和功能对水稻Cd积累的影响

探究外源铁（Fe）在水稻镉（Cd）阻控效应方面的研究对保障粮食安全具有重要意义.通过水培实验,研究了3种Fe浓度（5、50和500 μmol·L^-1 EDTA-Na₂Fe）对水稻Cd的积累效应和根系微生物群落结构的影响.结果表明,环境Fe浓度的增加促使水稻根表铁膜的形成,缺Fe和Fe充裕情况下均会促进根表铁膜对Cd的吸附固定.和正常Fe相比,缺Fe促进根Cd和地上部Cd累积,分别增加了49.76%和15.68%;而Fe充裕促进了根Cd的积累,增加了18.39%,但显著降低地上部Cd的含量,降低幅度为35.95%.采用16S rRNA高通量测序测定根系微生物群落结构并通过PCA、LEfSe和RDA等分析方法发现,和正常Fe相比,缺Fe环境会降低根系微生物的丰富度和均匀度,在门水平下Proteobacteria和Bacteroidetes为优势菌群,缺Fe抑制Bacteroidetes相对丰度的增加,Fe充裕使Proteobacteria相对丰度降低.而在属水平功能微生物Ensifer、Rhodopila、Bdellovibrio和Dyella等的相对丰度在不同处理下发生改变,可能通过影响根表铁膜的形成和其他生化过程继而影响水稻对Cd的吸收和积累.并且缺Fe环境对微生物功能影响高于Fe充裕环境.为探寻不同Fe环境下调控水稻根系微生物的群落结构变化,以降低水稻对Cd的吸收转运能力,进而为Fe对Cd的阻控机制提供理论依据,并为我国南方稻田Cd污染治理提供重要参考.     

氮素抑制剂对水稻吸收转运镉的影响

在典型镉(Cd)污染稻田上,采用田间小区试验研究脲酶抑制剂N-丁基硫磷酰三胺(NBPT)和硝化抑制剂双氢胺(DCD)与尿素同步基施对土壤氯化钙提取态Cd(CaCl₂-Cd)、根表胶膜Cd和水稻各部位Cd含量的影响.结果表明:与对照相比,NBPT、DCD和NBPT+DCD处理均在一定程度上降低土壤CaCl₂-Cd含量,NBPT+DCD处理CaCl₂-Cd含量显著降低15.0%.NBPT与NBPT+DCD处理提高了水稻根表胶膜量.NBPT+DCD处理稻米Cd含量显著降低18.4%,Cd由根向稻米的转运系数(TF_米/根)、茎向叶的转运系数(TF_叶/茎)和茎向稻米的转运系数(TF_米/茎)分别降低20.0%、40.6%和38.1%.Cd的TF米/根和TF米/茎降低是NBPT和DCD配施降低稻米Cd含量的主要原因.NBPT和DCD与尿素同基施是一种降低稻米Cd含量的有效措施.     

水稻光合同化碳在土壤不同粒径、密度分组中的分配特征

水稻生长影响土壤有机质在土壤及其各组分中的分布,是关系土壤有机质储量的重要因子.为量化水稻光合同化碳在土壤不同粒径和密度组分中的分布,进而为水稻土有机质积累持续机制与固碳潜力研究提供数据支撑,应用14C连续标记示踪技术,以当地主栽水稻品种"中优169"为供试作物,分别选取亚热带区4种典型稻田土壤,通过土壤有机质物理分组方法探讨了水稻根际输入的光合碳在土壤物理组分(粒径、密度)中的含量和分配特征.结果表明,水稻标记种植80 d后,250～2 000μm粒径的SOC14含量范围为118.23～309.94 mg.kg-1,SOC14/SOC的比例范围为0.52%～1.55%,均大于20～250μm、<20μm这2个粒径的SOC14含量和SOC14/SOC的比例,250～2 000μm、20～250μm这2个粒径的轻组组分的SOC14含量均显著大于相应的重组组分的SOC14含量,说明稻田生态系统通过水稻的根际沉积作用将有机碳(水稻光合同化碳)主要固定在大粒径的轻组组分中,从而提高了土壤有机碳含量.相关分析表明,250～2 000μm粒径与其轻、重组组分、<20μm粒径、20～250μm粒径的SOC14含量之间均呈显著性正相关,而<20μm、20～250μm粒径的轻组组分的SOC14含量之间呈极显著性负相关.     

不同生育期光合碳在水稻-土壤系统中的分配及输入效率

为了研究不同生育期光合碳在水稻-土壤系统中的分配与输入效率,通过盆栽试验,采用13C-CO₂脉冲标记法,定量研究水稻不同生育期(分蘖期、拔节期、抽穗期和灌浆期)内光合碳在水稻-(根际/非根际)土壤系统中的分配及其对根际、非根际土壤有机碳的贡献.结果表明:13C-CO₂脉冲标记6 h后,水稻地上部、根系和根际土中13C的丰度最大值均出现在分蘖期,分别达到1 864.7‰、842.6‰和-8.2‰,显著高于后3个生育期.分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期这4个生育期水稻光合13C在地上部的分配比例依次增加,而在根部和根际土中的分配比例逐渐减小;不同生育期水稻光合13C在水稻-土壤系统中的总回收率为72.0%～81.0%,在籽粒中的回收率由1.8%逐渐增至40.3%,在根部和土壤中的回收率逐渐下降,表明水稻生育前期光合作用更强,能够向地下部快速输入“新碳”.水稻生长至成熟后,茎叶中光合13C的分配比例由61.0%～93.1%降至32.8%～74.1%,而在籽粒、根部和根际土中的分配比例分别增加了1～2倍,表明水稻植株在生长过程中光合碳向籽粒和地下部传输.根际沉积效率随水稻的生长逐渐由分蘖期的11.0%降至灌浆期的4.1%;光合碳对土壤有机质的贡献也逐渐减低,而且对根际土的贡献显著大于非根际土,表明水稻生长速率决定了光合碳对土壤有机碳的贡献率,而水稻根际沉积效应是根际土壤有机质获得较高光合碳贡献率的主要原因.该研究进一步量化了水稻生长期间光合碳的分配及其对土壤有机碳库的贡献,有助于深入开展水稻土有机质积累持续机制与固碳潜力研究.      

紫云英还田配施石灰对水稻镉吸收转运的影响

采用田间小区试验, 研究了紫云英(CMV)与石灰(L)单施及两者配施(CMVL)对土壤Cd有效性、水稻根表胶膜及Cd吸收转运的影响.结果表明: L与CMVL处理土壤pH值分别显著提高2.11~2.43和1.68~2.48个单位、二乙烯三胺五乙酸提取态(DTPA-Cd)含量分别显著降低18.88%~40.53%和20.74%~36.85%, 而CMV处理对其无显著影响.CMV处理水稻成熟期根表胶膜Cd吸附量(DCB-Cd)显著提高86.72%, 根Cd吸收显著增加124.27%, Cd由叶向米的转运系数提高5.58倍, 稻米Cd含量显著增加58.54%. L和CMVL处理成熟期DCB-Cd含量分别显著降低34.86%和42.42%, Cd由根表胶膜向根的转运系统分别显著提高170.6%和158.8%、Cd由根向茎的转运系数分别显著降低75.87%和74.71%、Cd由根向米的转运系数分别显著降低74.38%和68.13%, 稻米Cd含量分别显著降低54.88%和51.83%.土壤pH值、DTPA-Cd和DCB-Cd含量是影响稻米Cd含量的主要因素.在镉污染稻田施用紫云英时, 建议配施石灰可达到显著降低稻米Cd的效果.     

还原稳定剂配伍对铬污染土壤的稳定化效果

以某铬盐生产场地内的铬(Cr)污染土壤为研究对象,探讨了多硫化钙(CPS)、硫酸亚铁(FeSO_4)、零价铁粉(Fe~0)、葡萄糖和淀粉单用或复配对土壤中六价铬(Cr(Ⅵ))含量和浸出毒性的影响。结果表明:添加质量比3%的CPS和FeSO_4对土壤Cr(Ⅵ)的还原率分别为81.5%和46.4%,而Fe~0无显著还原作用,但FeSO_4和Fe~0对Cr(Ⅵ)的稳定效率分别为95.2%和90.9%,明显高于CPS(83.0%);养护5 d时,CPS+FeSO_4对土壤Cr(Ⅵ)的还原率和稳定效率分别为99.8%和97.0%,但养护30 d时,其还原率和稳定效率分别显著降低1.3和8.0个百分点;与CPS+FeSO_4类似,CPS+Fe~0对土壤Cr(Ⅵ)的还原率随养护时间增加而显著降低,但其稳定效率并未随养护时间增加而显著降低;此外,与CPS-6相比,Fe~0参与的复配处理对土壤总Cr和Cr(Ⅵ)的稳定效率显著增加,均达到99.8%以上,浸出浓度均小于0.05 mg·L~(-1);有机碳源参与的复配处理的还原率和稳定效率均随养护时间的增加而增加,其中CPS+Fe~0+葡萄糖处理养护30 d时土壤Cr(Ⅵ)为0.24 mg·kg~(-1),总Cr和Cr(Ⅵ)浸出浓度均小于0.05 mg·L-1,满足《重金属污染场地土壤修复标准》(DB 43 1165-2016-T)要求。同等药剂添加比例下,还原稳定剂复配可以取长补短,提高药剂对土壤Cr(Ⅵ)的还原率和稳定效率。     

不同耕地利用方式下土壤微生物活性及群落结构特性分析: 基于PLFA和MicroRespTM方法

研究不同耕地利用方式对土壤微生物群落结构的影响,对维持土壤稳定和提高土壤质量具有重要意义.以湖南省桃源县长期定位试验为平台,采用磷脂脂肪酸(PLFA)和MicroRespTM方法,研究了稻田、水旱轮作地和旱地这3种不同耕地利用方式下土壤微生物数量、群落结构特征及活性.PLFA结果表明,细菌、真菌及总PLFA量均表现为稻田>水旱轮作地>旱地,细菌PLFA/真菌PLFA比值则表现为水旱轮作>旱地>稻田.革氏阳性菌(G+)PLFA/革氏阴性菌(G-)PLFA为稻田显著高于水旱轮作地和旱地,但水旱轮作与旱地土壤的差异不显著.PLFA主成分分析和特征磷脂脂肪酸的平均摩尔分数表明,稻田中真菌及G-的相对含量显著高于水旱轮作地和旱地,而水旱轮作地中G+的相对含量高于旱地和稻田,3种不同耕地利用方式下土壤微生物群落结构特征具有明显差异.土壤PLFA与土壤养分相关性分析表明,土壤微生物量与土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、土壤微生物量碳(MBC)均达到极显著正相关.与阳离子交换量(CEC)无显著相关性.MicroRespTM结果表明,3种不同耕地利用方式下土壤微生物对碳源平均利用效率为稻田最高,其次是水旱轮作地,旱地最低.其结果也显示大部分碳源提高了微生物呼吸作用,但不同碳源的利用效率不相同.因此,耕地利用方式的不同明显导致了土壤微生物活性和群落结构的差异.     

湖南省地块尺度土壤重金属污染及成因研究

准确评价地块尺度的农田重金属污染状况及识别土壤重金属污染成因对农田土壤生态保护具有重要的实践价值。经长株潭重金属污染耕地修复综合治理试点调查发现,湘潭县部分远离工矿企业的地块存在成因未明的重金属Cd污染,文章选取湘潭县Y镇某Cd污染水田地块为研究对象,通过测定土壤中重金属含量,基于内梅罗污染指数法和UNMIX模型,评估土壤重金属污染状况,识别其污染成因。结果表明：（1）研究区生态环境整体处于中等风险状况,水田土壤中元素Ni、Cr、Pb、Zn、Cd、Hg、As的含量均值分别达到了湖南省土壤环境背景值的149%、158%、246%、144%、554%、274%、135%,以农用地土壤污染风险筛选值作为标准,Cd的点位超标率达到了45.83%,综合污染指数达到了2.27,污染较为严重;（2）UNMIX模型对地块尺度的农田重金属污染源解析问题具有适宜性。Ni、Cu、Cr、Pb、Hg、As含量变化主要受土壤自身理化性质的影响,而土壤中Zn、Cd主要来源于人为活动,无序的农业投入是造成Cd污染异常的主要原因。