基于不确定性分析的土壤-水稻系统镉污染综合风险评估

从不确定性角度评估土壤-水稻系统镉(Cd)累积风险有助于风险决策的科学性和合理性.本研究应用物种敏感性分布模型(SSD)、健康风险评价模型及Monte Carlo模拟方法分析湖南省攸县土壤-水稻系统Cd富集特征,土壤Cd累积风险和稻米Cd健康风险.结果表明攸县稻米Cd富集因子(PUF)平均水平为1.86,多数Cd超标稻米样品来自土壤酸化严重的区域;土壤Cd污染负荷系数为2.4,隶属于强污染水平;在当前土壤Cd累积条件下,10年后研究区土壤Cd含量处于中度污染水平的概率达到90.4%;健康风险评价显示研究区成人经食用大米Cd平均摄入量(以BW计)为2.9μg·(kg·d)-1,有93.9%的概率高于WHO推荐标准.稻米Cd健康风险指数(HRI)主要集中在2.1~4.7之间,健康风险水平较高.当土壤pH5.5时,HRI1的概率为95.3%,土壤pH6时,HRI1的概率降为68.1%.     

镉敏感水稻突变体在镉胁迫下活性氧代谢的变化

从粳稻中花11为受体构建的经农杆菌介导的T-DNA插入水稻突变体库中获得了1个对镉敏感的突变体,野生型和突变体经Cd²⁺胁迫表型上有显著差异.结果表明:镉敏感水稻突变体地上部对Cd²⁺吸收与转运速率要快于野生型,膜脂过氧化程度更高;随Cd²⁺胁迫浓度的增加,O₂^·-和H₂O₂在叶片中的积累增加,诱导抗氧化代谢;敏感突变体叶片SOD的抗氧化胁迫能力是有限的,与野生型相比突变体叶片CAT受到更显著的抑制,可能是其对Cd²⁺胁迫更加敏感的生理原因.而叶片G-POD活性整体差异不显著.     

微纳米粒径生物炭的结构特征及其对Cd2+吸附机制

为探究不同微纳米粒径生物炭的结构特性和对Cd²⁺吸附性能的影响.通过筛分法和球磨法制备不同粒径（180~250、50~75和≤20 μm,分别表示为BC-1、BC-2和BC-3）玉米秸秆生物炭,利用元素分析、激光粒度分析、SEM、BET、FTIR和XPS等手段对生物炭的结构进行了表征,采用静态吸附实验研究了不同初始Cd²⁺浓度、吸附时间和pH条件下生物炭对Cd²⁺的吸附行为与机制.结果表明,随粒径减小,生物炭表现为pH值和Zeta电位均下降、芳香性和极性降低、比表面积和孔体积增大.不同粒径生物炭对Cd²⁺的吸附动力学符合准二级动力学模型,以化学吸附为主,其平衡时间依次为：BC-1（540 min）>BC-2（360 min）>BC-3（80 min）.Langmuir模型能更好拟合Cd²⁺在不同粒径生物炭上的吸附等温过程（R²>0.97）,Cd²⁺最大吸附量随粒径减小而增大,表现为：BC-3（74.43 mg ·g^-1）>BC-2（45.71 mg ·g^-1）>BC-1（44.59 mg ·g^-1）.生物炭吸附Cd²⁺主要机制有静电吸引、表面络合和阳离子-π作用.     

产多胺细菌提高小麦Cd抗性和消减Cd吸收机制

为了探究重金属固定植物促生细菌强化作物消减对重金属的吸收及其机制,以产多胺细菌Enterobacter bugandensis YX6和小麦为研究对象,通过水培试验研究Cd胁迫下菌株YX6对小麦生长和Cd吸收以及Cd在小麦根系中亚细胞分布的影响,同时借助非标记蛋白质组学技术研究菌株YX6对小麦根系蛋白质表达的影响.结果表明,与单独3 mg·L^-1Cd处理相比,Cd胁迫下接种菌株YX6显著提高了小麦根（42.71%）和叶片（82.83%）的干重,显著降低了小麦根（48.56%）和叶（61.41%）中Cd的含量.同时,菌株YX6的接种显著提高了小麦根和叶中多胺的含量,进而增强了小麦对Cd的抗性.此外,YX6+Cd处理组中小麦根细胞器和可溶性部分中Cd的比例显著低于单独Cd处理中的比例,而细胞壁中Cd的比例则要高于单独Cd处理中的比例.非标记蛋白质组学显示,Cd胁迫下菌株YX6提高了小麦根系中与DNA修复（蛋白质-DNA复合物和DNA包装复合物）和激素（脱落酸和茉莉酸）合成相关蛋白质的表达,从而提高了小麦对Cd的抗性和消减Cd吸收.结果可为阐明产多胺细菌消减小麦Cd吸收的分子机制和保障小麦安全生产提供科学依据和技术途径.     

钙镁磷肥对土壤Cd生物有效性和糙米Cd含量的影响

通过水稻盆栽试验,研究了施用钙镁磷肥对Cd污染稻田中Ca、Mg、Cd生物有效性的影响和种植水稻(湘晚籼12号、威优46号)后水稻各部位Ca、Mg、Cd含量的差异.结果表明,施用钙镁磷肥能显著提升土壤pH值,降低土壤TCLP提取态Cd含量,且降低效果随着水稻生育期的延长逐渐增强.与对照相比,施用0.8 g·kg-1的钙镁磷肥,使湘晚籼12号种植土壤和威优46号种植土壤TCLP提取态Cd含量在熟化期、灌浆期、分蘖期、成熟期分别下降了12.7%、15.6%、21.5%、61.9%和12.7%、72.6%、42.1%、59.7%.施用钙镁磷肥能显著增加水稻种植土壤中TCLP提取态Ca、Mg含量,降低TCLP提取态Cd含量,同时显著增加水稻各生育期各部位Ca、Mg含量并降低其Cd含量,水稻各部位中Ca、Mg含量与Cd含量均呈现负相关关系,表明外源Ca和Mg的加入对水稻累积Cd产生了拮抗作用.施用钙镁磷肥能显著降低水稻糙米中Cd含量并提高水稻产量.与对照相比,施用0.2~0.8 g·kg-1的钙镁磷肥,水稻湘晚籼12号和威优46号糙米中Cd含量分别下降了36.8%~52.6%和53.3%~75.6%.威优46号比湘晚籼12号更易将土壤Cd向水稻籽粒中转运.     

Spatial distribution of soil heavy metal pollution estimated by different interpolation methods: accuracy and uncertainty analysis

Mapping the spatial distribution of contaminants in soils is the basis of pollution evaluation and risk control. Interpolation methods are extensively applied in the mapping processes to estimate the heavy metal concentrations at unsampled sites. The performances of interpolation methods (inverse distance weighting, local polynomial, ordinary kriging and radial basis functions) were assessed and compared using the root mean square error for cross validation. The results indicated that all interpolation methods provided a high prediction accuracy of the mean concentration of soil heavy metals. However, the classic method based on percentages of polluted samples, gave a pollution area 23.54-41.92% larger than that estimated by interpolation methods. The difference in contaminated area estimation among the four methods reached 6.14%. According to the interpolation results, the spatial uncertainty of polluted areas was mainly located in three types of region: (a) the local maxima concentration region surrounded by low concentration (clean) sites, (b) the local minima concentration region surrounded with highly polluted samples; and (c) the boundaries of the contaminated areas.     

广东省土壤Cd含量空间分布预测

土壤重金属的空间格局对土壤重金属污染防治具有重要的指导意义.本文以广东省土壤Cd含量为研究对象,基于"规则"模型——Cubist以及样条插值法、反距离加权法、自然邻域法、普通克里金插值法、局部多项式插值法和径向基函数插值法等6种GIS空间插值方法,选取2 000、1 500、1 000、800、500、300、200、150及90 m这9个不同的格网尺度,构建Cd含量空间格局模型.选择不同方法的最佳预测尺度和最优模型参数,预测广东省土壤Cd含量分布.结果表明:(1)在相同尺度时Cubist方法预测结果都比传统的空间插值结果精度高,格网大小为300 m×300 m时预测精度最高.其次是样条插值法,其在1 500 m插值尺度上精度最高;(2)Cubist模型同时可以识别土壤Cd含量空间分布的驱动因子.结果表明在37个影响Cd含量的自然和人为因子中,地质类型是驱动广东省土壤Cd含量分布差异的主要因子;(3)Cd含量高值主要分布在珠三角地区及粤北少部分地区.广东省土壤Cd含量超过GB 15618~(-1)995中3级和2级标准,即大于1.0 mg·kg~(-1)和0.3 mg·kg~(-1)的面积分别约为160 km~2和2 140 km~2,约占广东省总面积的0.09%和1.18%.     

岩溶区不同母质土壤Cd地球化学特征及玉米籽实Cd含量预测

碳酸盐岩风化形成的Cd自然高背景值区一直以来都备受关注,但由于岩溶区不同母质土壤的理化性质、 Cd含量和生物有效性存在显著差异,导致利用土壤Cd总量对耕地进行环境质量分类存在一定的局限性.通过系统采集典型岩溶区残坡积母质和冲积母质表层土壤及玉米样品,分析玉米Cd、土壤Cd、 pH和氧化物等指标,揭示了不同母质土壤Cd地球化学特征及其生物有效性的影响因素,并基于预测模型提出科学有效的耕地利用区划建议.结果表明,岩溶区不同母质土壤理化性质分异明显,冲积母质土壤Cd含量较低,但生物有效性高,玉米籽实Cd超标率高.玉米籽实Cd生物富集系数与土壤CaO、 pH、 Mn和TC呈极显著负相关关系,相关系数分别-0.385、-0.620、-0.484和-0.384.与多元线性回归预测模型相比,采用随机森林模型预测玉米Cd富集系数的准确度更高.研究结果提出了一种基于土壤Cd和预测农作物籽实Cd含量的地块尺度耕地安全利用新方案,充分利用耕地资源,确保农作物安全.     

改良剂对黄泥土镉锌复合污染修复效应与机理研究

采用盆栽试验,研究了镉锌复合污染黄泥土中施用石灰、有机肥、海泡石对小油菜生物产量、镉锌吸收量、土壤中镉锌形态转化、pH等的影响.结果表明,施用改良剂,小油菜(Brassica chinensis Linn)连种3季的生物产量都显著提高,对镉锌的吸收量降低,其中以石灰和有机肥配施的效果最好,增产170%以上;改良剂单施降低小油菜对镉锌的吸收以石灰的效果较好,海泡石的最差.这主要是因为施用改良剂后镉锌的交换态减少,而对作物有效性低的碳酸盐结合态、铁锰氧化态和残渣态增加,同时,pH也有不同程度的升高.小油菜对镉的吸收系数大于锌的吸收系数,说明镉在土壤中的移动性比锌大,施用石灰降低吸收系数的效果最好.石灰与有机肥配施能够显著提高镉锌复合污染黄泥土的修复效率,与对照相比,修复镉污染的效率提高13.5倍;修复锌污染的效率提高2.4倍.     

不同土壤调理剂对土壤镉和邻-苯二甲酸酯迁移转化影响

有机无机复合污染是目前普遍的土壤污染方式,镉是土壤污染中最主要的无机元素,因地膜的广泛使用,使得邻-苯二甲酸酯成为土壤中主要的有机污染物.故采用盆栽试验,以西南地区紫色土为供试土壤,小白菜为指示生物,分别添加不同含量梯度的镉（Cd）和邻-苯二甲酸（2-乙基己基）酯（DEHP）组成单一污染和复合外源污染模拟试验,研究钾长石粉、牡蛎壳粉、生物炭粉、氧化钙、碳酸钾和磷酸钙这6种常见土壤调理剂对污染土壤中镉形态及DEHP含量、小白菜中镉及DEHP吸收的影响.随后研究了生物炭添加量对污染土壤中镉和邻-苯二甲酸酯迁移转化的影响,选择对照土壤、Cd污染土壤和DEHP污染土壤复合污染为研究对象,通过盆栽试验研究了0%、0.5%、1%、3%和5%（质量分数）生物炭对污染土壤Cd形态和DEHP含量的影响.结果表明Cd-DEHP复合污染紫色土修复的最优土壤调理剂是生物炭.经过综合考虑,生物炭添加量为3%时,复合污染紫色土土壤的修复效果较好,且生长于土壤中的指示生物不受抑制.