γ-聚谷氨酸和耐盐植物联合修复设施栽培盐渍化土壤

摘要

设施农业是随农业现代化和种植结构调整发展起来的新型产业，是最具活力的现代化农业，也是传统农业向现代化集约型农业转变的有效方式。近年来我国设施农业发展迅猛，2008年设施栽培面积突破330万hm2，约占世界设施农业总面积的85％，其中设施蔬菜种植面积达到34.7万hm2;2010年我国设施蔬菜总产量超过1.7亿吨，占蔬菜总产量的25％。设施农业生产中大水大肥灌溉、土壤连作障碍经常发生，养分失衡严重，土壤中大量盐分随水分蒸发向上运动而聚集在土表，造成土壤板结和次生盐渍化等环境问题，导致农产品的产量和质量下降。其中，设施土壤次生盐渍化问题最为突出。目前，全球次生盐渍化土壤面积达到7700万hm2，占农业土壤面积的30％以上，其中58％的盐渍土分布在农业灌溉区，并呈现逐年增加的趋势。土壤次生盐渍化已成为阻碍我国设施农业发展的主要问题，修复次生盐渍化土壤是设施农业生产中亟待解决的环境问题。引起设施土壤次生盐渍化的原因很多，主要有环境因素、盲目施肥、不合理灌溉和种植方式等。次生盐渍化的发生不仅造成设施土壤营养失衡，肥力下降，还会阻碍植物的吸水过程，对作物产生毒害作用，导致作物的产量和品质下降;次生盐渍化还会影响土壤微生物的生长和群落结构，抑制微生物活性。目前，盐渍化土壤的改良和修复手段主要有工程措施、化学措施、生物措施和农业措施，虽然取得了一定成效，但还存在建设投资大、运行成本高、容易造成二次污染、修复效果差或人为影响大等问题，特别是单一措施的修复能力非常有限，必须将多种修复手段相结合。耐盐植物包括稀盐植物（或真盐生植物）、泌盐植物和拒盐植物（或假盐生植物）等，具有良好的脱盐能力，有关它们的筛选、开发与利用引起了学术界的关注。稀盐植物田菁被广泛用于修复盐渍土，景天三七是新近发现的一种稀盐植物，它们不仅对Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-和NO3-等盐分离子具有一定的耐受能力，还能有效吸收这些离子。另一方面，γ-聚谷氨酸(γ-PGA)具有良好的水溶性、超强的螯合能力、生物降解性和环境友好等特点，已被用于废水中金属离子的去除研究，但在污染土壤修复中的应用还鲜见报道。
　　本研究调查和分析了上海市郊主要园艺场出现耕作障碍的设施大棚土壤的盐分特征和盐渍化程度，应用统计分析方法，确定该地区次生盐渍化土壤的主要类型和主要盐分离子;针对该地区广泛分布的Ca2+-Mg2+-NO3-型次生盐渍化土壤，利用γ-PGA螯合土壤中的Ca2+、Mg2+，降低其生物有效性;采用盆栽实验，研究景天三七和田菁对盐渍土中Ca2+、Mg2+和NO3-的吸收特征;将γ-PGA与耐盐植物联用，去除盐渍土中的Ca2+、Mg2+和NO3-，考察它们对次生盐渍土的修复效果。
　　本研究主要内容包括：⑴随着种植年限的增加，上海市郊耕作障碍设施大棚土壤的平均含盐量呈现先升高后降低的趋势，非盐渍土、微盐渍土、轻度盐渍土、中度盐渍土、重度盐渍土和盐土分别占4.35％、17.39％、56.52％、4.35％、4.35％和13.04％。大棚盐渍土中含盐量与阴阳离子含量间的相关性较好，阳离子以Ca2+和Na+为主，其次为Mg2+;阴离子以NO3-和SO42-为主，其次为Cl-，NO3-是最主要的积累离子。施肥方式、种植年限、作物类型和管理水平都会影响次生盐渍化程度。根据典型对应分析(CCA)，Ca2+、Mg2+和NO3-积累量均随种植年限的增加而增大;长期单施有机肥或化肥，分别造成土壤碱化或酸化，加重土壤次生盐渍化;合理混施化肥和有机肥的大棚土壤盐渍化程度较低，且不受种植年限的影响。⑵根据盐分离子和采样点的关系，将上海市郊设施盐渍化土壤划分为4种类型:Ⅰ号类型为崇明县的部分大棚土壤，受Na+、CI和HCO3-的影响较大;Ⅱ号类型为崇明县的另一部分大棚土壤，受K+、Ca2+、Mg2+和NO3-的影响较大;Ⅲ号类型包括奉贤、闵行、青浦、部分南汇和部分嘉定地区的大棚土壤，主要受Ca2+、Mg2+、NO3-和Cl-的影响;Ⅳ号类型为松江、部分南汇和部分嘉定地区的大棚土壤，主要受SO42-的影响。其中，大部分盐渍化土壤属于Ⅲ号类型，应重点控制。⑶获得γ-PGA去除Ca2+、Mg2+的最佳条件，即γ-PGA的初始浓度为1000mg·L-1，混合体系的初始pH为7，温度为25C。在最佳实验条件下，γ-PGA对Ca+、Mg2+的最大去除率分别达到51.59％和68.03％。二级动力学模型能够很好地描述γ-PGA对Ca2+、Mg2+的去除过程，获得Ca2+、Mg2+的去除速率常数分别为0.00282和0.0166(mg·L-1)-1·min-1，其主要作用机制为γ-PGA的酰胺键和羧酸阴离子与Ca2+、Mg2+形成螯合物。⑷景天三七对Ca2+、Mg2+的最大去除率分别为64.35％和53.35％，对NO3-也有较强的去除能力，最大去除率为51.78％;田菁对Ca2+、Mg2+的最大去除率分别为82.87％和45.55％。但是，田菁的根瘤菌具有固氮作用以及田菁残体的分解作用，使得土壤中NO3-浓度维持在1.038 g·kg-1，比原盐渍土的NO3-浓度提高了26.02％。⑸盆栽实验发现，施入γ-PGA不仅降低了Ca2+、Mg2+的生物有效性，减小了耐盐植物幼苗受到的盐分胁迫，还能促进植物的生长发育和抗逆性。监测耐盐植物的生理参数发现，1000 mg·L-1γ-PGA和景天三七(J3)对Ca2+、Mg2+和NO3-的处理效果最好，最大去除率分别达到93.25％、94.79％和84.26％;200 mg·L-1γ-PGA和田菁(T1)对Ca2+、Mg2+的处理效果较好，最大去除率分别达到90.26％和69.92％。由于田菁根瘤菌的固氮作用和植物残体的分解作用，使得土壤中NO3-浓度维持在0.868 g·kg-1，比原盐渍土的NO3-浓度提高了5.36％。比较γ-PGA、耐盐植物单一处理和联合处理的修复效果，获得修复Ca2+-Mg2+-NO3-型次生盐渍土的最佳组合为1000 mg·L-1γ-PGA和景天三七(J3)，总盐分的最终去除率达到74.71％。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 文献综述

1．1 研究背景

1．2 设施土壤次生盐渍化

1．2．1 土壤次生盐渍化的现状

1．2．2 设施土壤次生盐渍化的特征

1．2．3 设施土壤次生盐渍化的成因

1．2．3 设施土壤次生盐渍化的危害

1．2．4 次生盐渍化土壤的修复措施

1．3 耐盐植物及其在盐渍土修复中的作用

1．3．1 耐盐植物

1．3．2 耐盐植物在盐渍土修复中的作用

1．4 聚谷氨酸及其应用

第2章 引言

2．1 研究目的与意义

2．2 研究内容

2．2．1 上海市郊设旌大棚次生盐渍化土壤污染现状调查

2．2．2 γ-PGA去除设施栽培盐渍土中的Ca2+、Mg2+

2．2．3 耐盐植物去除设施栽培盐渍土中的Ca2+、Mg2+和NO3-

2．2．4 γ-PGA和耐盐植物联合修复设施栽培盐渍土

2．3 研究特色

2．4 技术路线

第3章 材料与方法

3．1 研究区域概况

3．2 主要仪器与材料

3．2．1 主要仪器

3．2．2 主要试剂(盒)

3．2．3 耐盐植物

3．3 样品采集与处理

3．3．1 土壤样品的采集与处理

3．3．2 盆栽植物样品的采集与处理

3．4 研究方法

3．4．1 土壤样品分析

3．4．2 植物抗逆性生理参数分析

3．5 研究步骤

3．5．1 设施大棚次生盐渍化土壤的盐分含量调查

3．5．2 γ-PGA去除盐渍土中的Ca2+、Mg2+

3．5．3 耐盐植物去除盐渍土中的Ca2+、Mg2+和NO3-

3．5．4 耐盐植物与γ-PGA联合修复次生盐渍土

3．6 数据处理与分析方法

第4章 结果与讨论

4．1 上海市郊设施大棚土壤的次生盐渍化特征

4．1．1 设施大棚土壤次生盐渍化现状

4．1．2 土壤盐分离子含量及其相关性分析

4．1．3 不同种植年限次生盐渍土中盐分离子的组成特点

4．1．4 不同施肥方式下次生盐渍土中盐分离子的组成特点

4．1．5 次生盐渍土中盐分离子的典型对应分析

4．2 γ-PGA去除盐渍土中的Ca2+、Mg2+

4．2．1 γ-PGA去除盐渍土中Ca2+、Mg2+的条件

4．2．2 γ-PGA去除盐渍土中Ca2+、Mg2+的动力学特征

4．3 耐盐植物去除盐渍土中的盐分离子

4．4 耐盐植物与γ-PGA联合修复次生盐渍土

4．4．1 联合修复中土壤盐分离子的含量变化

4．4．2 耐盐植物的生长特性

4．4．3 耐盐植物的生理参数特性

4．5 单一修复与联合修复的效果比较

第5章 结论与建议

5．1 主要结论

5．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果和参加的科研项目