【摘要】：鎘位列我國土壤無機污染物首位,土壤鎘污染已成為威脅糧食安全、制約農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大隱患。據(jù)統(tǒng)計,我國約有2.786×10~5 km~2農田土壤遭受鎘污染,因鎘污染直接導致的稻米減產量約為10~100 kg,年產“鎘米”約1.2×10~100 kg。顯然,我國農田土壤鎘污染現(xiàn)狀堪憂。因此,開展鎘污染土壤修復與利用的相關研究,對于防治土壤鎘污染、保障糧食安全具有一定的理論和實踐意義。施硅具有降低土壤鎘生物有效性的作用,但有關硅如何影響土壤鎘化學形態(tài)與行為的土壤化學機制研究尚少。針對以往研究存在因含硅物料的加入改變土壤體系pH并引入相應伴隨離子的不足,本研究在消除硅源(Na_2SiO_3)堿性和伴隨離子(Na~+)差異的基礎上,將土壤-水稻作為一個整體,采取水培試驗、盆栽試驗與室內分析相結合的方式,在探討鎘脅迫下外源硅對水稻生長發(fā)育與生理響應的基礎上,綜合運用原位道南膜技術(Field-DMT)、X射線衍射技術(XRD)、拉曼光譜技術(Raman)、紅外光譜技術(FT-IR)和X射線光電子能譜技術(XPS)系統(tǒng)地研究了外源硅對土壤液相、固相中鎘形態(tài),土壤(氧化鐵)固液界面鎘的化學行為及其生物有效性的影響。得到的主要結果及結論如下:1.外源硅緩解了鎘對水稻幼苗生長發(fā)育的毒害,降低了植株各部位鎘含量,提高了水稻生物量。鎘脅迫下,外源硅提高了水稻幼苗抗氧化酶活性、光合色素含量,改善了細胞器超微結構,降低了植株中鎘含量。施硅提高了水稻幼苗葉片中超氧化物歧化酶(SOD)及過氧化氫酶(CAT)的活性,降低了過氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量;硅提高了水稻幼苗葉片葉綠素(A、B、A+B)和類胡蘿卜素的含量,提高了水稻幼苗葉片光合效率;施硅有利于葉片細胞、葉綠體和線粒體功能恢復及其結構的完整、有序,并促進細胞中淀粉粒和嗜鋨顆粒數(shù)量減少且體積變小。外源硅明顯緩解了鎘對盆栽水稻的毒害作用。施硅顯著增加了水稻的生物量和產量;降低了水稻根部、莖桿、葉片、穎殼和糙米中鎘含量,當土壤鎘含量和外源硅添加量分別為5 mg kg~(-1)和120 mg kg~(-1)時,糙米的鎘含量符合國家食品安全標準(≤0.02 mg kg~(-1))。2.硅改變了酸性、中性和堿性土壤固相鎘形態(tài),促進了土壤固相鎘向無效態(tài)轉化。降低了酸可提取態(tài)鎘占比(P0.01)和可還原態(tài)鎘占比(P0.01),提高了土壤中可氧化態(tài)鎘占比(P0.05)和殘渣態(tài)鎘占比。3.硅影響了鎘在土壤固液界面的化學行為。外源硅在一定程度上促進了酸性及中性土壤對鎘的吸附,抑制了堿性土壤對鎘的吸附;隨外源硅濃度的增加,鎘在3種土壤上的剩余吸附量隨之增大,硅增強了土壤對鎘的固定能力;R-P、Toth和Freundlich方程更適宜描述在不同硅濃度下,3種土壤對鎘的吸附等溫特征;3種土壤對鎘的吸附均為伴隨吸熱和熵增的自發(fā)反應。4.硅改變了土壤溶液中鎘的化學形態(tài),降低了自由態(tài)鎘濃度。水稻生育期內,外源硅提高了3種土壤溶液pH和Eh值;降低了酸性和中性土壤溶液中水溶態(tài)和自由態(tài)鎘濃度;在堿性土壤中,施硅提高了水溶態(tài)鎘濃度,但降低了自由態(tài)鎘濃度。5.鎘與硅酸在土壤溶液中形成了可溶性配合物,在鐵氧化物表面形成鐵氧化物-硅-鎘復合物。在堿性土壤(溶液)中,主要以Cd~(2+)與SiO_3~-通過氧橋鍵合形成硅-鎘可溶性復合物的土壤化學作用降低了鎘的生物有效性;而以Fe-O-Si-O-Cd為結構單元的鐵氧化物-硅-鎘復合物的形成為酸性和中性土壤中硅降低鎘生物有效性的主要土壤化學機制。
【圖文】：

沈陽農業(yè)大學博士學位論文+）和鉛（Pb2+）離子的測定（趙磊等,2005；Marang et al.,2006；Sigg et alas.,2008）。往采用的 Lab-DMT 難以實現(xiàn)田間土壤中重金屬離子的原位測定。這是由 Lab-DMT 開展的相關試驗無法實現(xiàn)不擾動土壤-溶液系統(tǒng)，不改變土壤 E的厭氧環(huán)境。為解決這一問題，，研究人員對 Lab-DMT cell 進行了技術改進道南膜裝置（Field-DMT cell），如圖 1-1 所示。

圖件修改自：Adrees 等（2015）解植物重金屬毒害的機制（引自 Adreeechanisms for Si alleviates heavy metal to，Liang 等（2005）發(fā)現(xiàn)，施硅降稻水培試驗表明，加硅使 85%的鎘皮層和表皮附近，而硅主要沉積在制了鎘的質外體運輸過程，Zhang現(xiàn)，硅可以通過提高葉片葉綠素含系活力、促進根的伸長和側根的生活性等方式緩解鎘對植物的毒害改
【學位授予單位】：沈陽農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X53

【參考文獻】

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本文編號：2616515