蔬菜重金属累积特征及生物炭施用影响效应研究

摘要

随着人类社会工业化进程的推进，含重金属的污染物不断进入环境。由于重金属在环境中具有难降解、毒性强、易通过食物链累积等特点，重金属对人类健康和社会发展构成了严重威胁。我国菜地土壤重金属含量普遍高于粮田，而且蔬菜具有较强的重金属累积能力，因此，菜地土壤重金属污染（如Pb、Cd、Cu、Zn等）尤其值得关注。面临重金属污染土壤面积逐年扩大和有效耕地面积日益缩小的双重挑战，寻求有效途径降低蔬菜重金属含量，保障蔬菜质量安全，对推动农业可持续发展具有迫切而重要的意义。已有研究发现生物炭富含P、K等营养元素，呈碱性，高度芳香化，具有高比表面积和多孔性，其特殊性质使其具有较好的农用价值和环境污染修复潜力。目前，关于生物炭的研究多集中在二氧化碳固定和农业生产应用方面，而生物炭施用对土壤重金属生物有效性的影响、蔬菜重金属累积特征及生物炭施用对其影响研究相对较少。
　　为探讨生物炭在重金属污染土壤中的环境效应及其对蔬菜重金属累积与品质的影响，本研究选择广泛食用的两类蔬菜——叶菜类蔬菜和根茎类蔬菜，以稻壳生物质炭（Rush husk biochar，简称RHB）为研究对象，采用盆栽试验，从四个方面进行了研究：（1）在Cd单一污染和Pb、Cd、Cu、Zn复合污染条件下，不同蔬菜重金属累积特征以及同一蔬菜不同部位重金属累积特征，以及Cd单一污染对蔬菜生长和矿质营养吸收特性的影响；（2）在Pb、Cd、Cu、Zn复合污染条件下，生物炭施用对土壤重金属有效性的影响；（3）在Pb、Cd、Cu、Zn复合污染条件下，生物炭施用对不同蔬菜可食部分重金属含量的影响；（4）在Pb、Cd、Cu、Zn复合污染条件下，生物炭施用对不同蔬菜生长及营养品质的影响。其主要结论如下：
　　（1）在单一Cd污染条件下，Cd主要分布在蔬菜可食部分即生菜的茎和胡萝卜的根中，且Cd抑制了生菜茎的伸长和胡萝卜根的伸长。对于胡萝卜生物量而言，Cd对胡萝卜的生长具有低促高抑作用，胡萝卜地上、地下部分生物量在低浓度Cd处理条件下（3 ug·g-1）达到最高值，在高浓度Cd处理条件下（9 ug·g-1）显著降低；对于生菜生物量而言，高浓度Cd可以抑制生菜的生长，生菜地上部分、地下部分生物量在土壤Cd浓度为9 ug·g-1时降到最低值。在单一Cd污染条件下，叶菜类和根茎类蔬菜体内Cd与大多数矿质营养元素呈正相关关系。在Pb、Cd、Cu、Zn复合污染条件下，蔬菜不同部位累积重金属的能力差异很大。生菜地下部分重金属Cd、Pb、Cu、Zn含量远高于地上部分；萝卜地上部分Cd、Zn含量略高于地下部分，其地下部分Pb含量远高于地上部分，然而其体内Cu含量分布没有明显规律。在相同重金属污染土壤中，叶菜类蔬菜对重金属Cd、Pb、Cu的吸收累积能力好于根茎类蔬菜。对于不同重金属而言，生菜对重金属的累积能力表现为：Cd＞Cu＞Zn＞Pb，萝卜对重金属的累积能力表现为Cd＞Zn＞Cu＞Pb。
　　（2）在Pb、Cd、Cu、Zn复合污染土壤中，施用不同剂量生物炭（1％RHB、2%RHB、5%RHB）可以降低土壤pH，增加土壤溶解性有机碳DOC含量。施用生物炭可降低生菜土壤EC，而对萝卜土壤EC影响不大。在复合污染土壤中，施用生物炭可以增加土壤有效态Cd、Zn含量，对土壤有效态Cu含量没有显著影响，对土壤有效态Pb含量的影响则与其施用剂量有关，即施用低剂量生物炭（1%RHB）可以增加土壤有效态Pb含量，施用中等剂量生物炭（2%RHB）对土壤有效态Pb含量没有明显影响，施用高剂量生物炭（5%RHB）可以降低土壤有效态Pb含量。生菜土壤和萝卜土壤有效态Cd、Zn含量均与土壤pH呈显著或极显著负相关关系。
　　（3）在Pb、Cd、Cu、Zn复合污染土壤中，施用不同剂量生物炭（1%RHB、2%RHB、5%RHB）可以显著增加生菜可食部分Cd、Zn、Pb含量，然而对其可食部分Cu含量没有显著影响；施用生物炭对萝卜可食部分Cd含量无显著影响，然而施用高剂量生物炭（5%RHB）可显著增加萝卜可食部分Zn含量，施用中等剂量生物炭（2%RHB）可显著降低萝卜可食部分Pb、Cu、Zn含量。生菜和萝卜可食部分Cd、Zn含量分别与土壤有效态Cd、Zn含量显著正相关。
　　（4）在Pb、Cd、Cu、Zn复合污染土壤中，生物炭的施用可以促进不同蔬菜的生长并提高其营养品质。随生物炭施用量的增加，生菜和萝卜地上、地下部分生物量增加。对于蔬菜营养品质而言，施用不同剂量生物炭（1%RHB、2%RHB、5%RHB）可显著增加萝卜硝酸盐和维生素C含量，显著降低还原糖含量。另外，施用低剂量（1%RHB）和中等剂量生物炭（2%RHB）可以显著增加萝卜氨基酸含量，然而施用高剂量生物炭（5%RHB）对萝卜氨基酸含量没有显著影响。对于生菜而言，施用生物炭对生菜还原糖含量没有显著影响，然而施用低剂量（1%RHB）和高剂量生物炭（5%RHB）可以显著增加生菜氨基酸含量，且施用高剂量生物炭（5%RHB）可显著增加生菜硝酸盐和维生素C含量。另外，施用生物炭有利于蔬菜对大部分矿质营养元素的吸收与利用。施用生物炭可以促进萝卜地上部分、整株对Fe的吸收以及各部位对P、K、Mn、Ni的吸收，抑制萝卜地下部分对Fe、Mg的吸收；施用生物炭可以促进生菜各部位对P、K的吸收，抑制生菜地下部分和整株对Fe的吸收。另外，生物炭对生菜地下部分和整株Mn、Ni含量具有低促高抑作用，即施用低剂量生物炭（1%RHB）可以增加生菜地下部分和整株Mn、Ni含量，然而施用高剂量生物炭（5%RHB）可以降低其地下部分和整株Mn、Ni含量。

目录

第1章 文献综述

1.1土壤重金属污染研究现状

1.2重金属污染对蔬菜的影响

1.3土壤-蔬菜系统中重金属迁移转化的影响因子

1.4土壤重金属污染修复技术

1.5生物炭的研究现状

1.6生物炭在重金属污染土壤修复中的应用

第2章 绪论

2.1选题意义

2.2研究目的

2.3研究内容

2.4技术路线

第3章 镉在蔬菜中的累积特征与毒理学效应

3.1材料与方法

3.2结果与讨论

3.3小结

第4章 生物炭施用对蔬菜重金属累积及品质的影响

4.1材料与方法

4.2结果与讨论

4.3小结

第5章 结论

5.1主要结论

5.2问题与展望

参考文献