硫肥和猪粪肥对土壤-水稻系统砷迁移转化的影响及微生物作用机制

摘要

砷(As)是中国南方地区面积广大的水稻土中典型的污染物之一，水稻作为中国主要的粮食作物，是人类摄取As的主要途径。因此，如何降低As的生物有效性、减少水稻As吸收从而缓解水稻土As污染是当前研究的热点。硫(S)和有机质是影响土壤中As迁移转化的重要因素。因土壤缺硫现象在中国日益严重，硫肥的应用逐渐被重视。猪粪肥作为有机物料施用于农田可以实现废物的资源化利用，增加土壤肥力，但其本身含有As，可能增加As的环境风险。因此，探究这两种肥料对As在土壤-水稻系统中迁移转化的影响对合理施肥、保障农产品安全具有重要意义。本论文选取稻田土壤中的As为研究对象，进行盆栽和大田试验，将传统化学分析方法与高通量测序技术和荧光定量PCR结合，考察硫肥和猪粪肥施用对As形态转化、生物有效性与水稻吸收的影响，探讨硫肥和猪粪肥施用对微生物群落和功能基因的影响，揭示不同肥料影响水稻吸收As的微生物作用机制。主要研究结果如下:
　　(1)阐明了硫肥对土壤-水稻系统As形态转化、生物有效性与水稻吸收的影响。通过盆栽试验进行研究发现，不同土壤中影响土壤溶液As和Fe(Ⅱ)移动性的因素不同，在外源As污染土壤中微生物介导的还原溶出和非生物介导的还原溶出均存在，而实际As污染土壤以微生物介导的还原溶出为主。硫肥的添加降低了根际、非根际土壤溶液中的As和Fe(Ⅱ)，降低了As的移动性，且As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的浓度也有一定的降低。相同硫含量的硫酸钠比单质硫效果更显著。硫肥添加促进了水稻生长，增加了水稻产量，并且一定程度上降低了水稻地上部对As的累积。
　　(2)弄清了硫肥施用影响As形态转化、生物有效性与水稻吸收的微生物作用机制。利用Miseq高通量测序和qPCR技术研究发现，非根际土壤的微生物多样性略低于根际土壤，根际与非根际土壤具有相似的群落组成。硫肥对As循环功能基因影响较小。而硫酸钠的施用显著增加了根际土壤中与Fe(Ⅲ)和硫酸盐还原相关的微生物，这与Fe(Ⅲ)还原菌和硫酸盐还原基因的表达量的增加是一致的。在淹水环境中As(Ⅲ)的存在及Fe(Ⅱ)和硫化物的增加，促进了砷硫化物或砷铁硫化矿物的形成，从而降低了土壤溶液中的As(Ⅲ)及Fe(Ⅱ)浓度，减少了水稻吸收。
　　(3)揭示了猪粪肥影响土壤As生物有效性及水稻吸收的规律与微生物作用机制。通过大田试验研究发现尽管猪粪肥中含有As，但并未增加土壤总As，而是促进了土壤稳定态As向非稳定态As的转化。长期猪粪肥施用增加了水稻组织中As的累积。根中As主要分布在根表皮和外皮层，而稻米中的As主要分布在谷皮、糊粉层和靠近糊粉层的胚乳中。猪粪肥施用对稻米中的总As没有显著影响，但是稻米中的As(Ⅲ)显著增加。长期猪粪肥的施用没有显著影响土壤微生物多样性，但显著增加了根际Anaeromyxobacter（铁/砷还原菌）和Bradyrhizobium（内生根瘤菌）的相对含量，可能促进了水稻As(Ⅲ)吸收及产量增加。这与砷还原基因(arsC)的增加一致，表明猪粪肥的施用促进了As还原。
　　(4)明确了根表胶膜微生物在影响水稻吸收砷方面的重要作用。通过提取水稻根表胶膜进行研究发现，根表胶膜微生物群落多样性低于根际土，并且微生物群落组成有一定的转换。猪粪肥添加显著影响根表胶膜微生物群落结构及多样性的变化，其中Bradyrhizobium、Burkholderia、Ralstonia等与As、Fe、S循环相关的菌属相对含量显著变化，与根表胶膜中As、Fe、S相关功能基因的变化一致。猪粪肥的添加促进了根表胶膜中的As还原，抑制了Fe和S还原。根表胶膜上的微生物，特别是与As、Fe、S相关微生物，与根际土相比，更能影响As形态转化及水稻吸收。
　　(5)研发了基于肥料和水分管理的农田砷污染调控措施。发现不淹水条件下，FeSO4的添加降低了土壤As生物有效性。FeSO4的添加和不淹水条件在保证水稻存活的同时，显著促进了水稻的生长，显著降低了水稻地上部对As的吸收。FeSO4的添加促进了水稻根表胶膜的形成，根表胶膜截留了大部分的As。FeSO4的添加和不淹水条件显著降低了As从根向水稻地上部的转移，主要可能的原因是土壤中As生物有效性的降低、水稻根的阻碍作用及更多还原型谷胱甘肽的形成。FeSO4的添加辅以水分管理是一种可能的改善砷污染稻田中水稻生长和降低As吸收的原位调控方法。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

1．1土壤中砷的概述

1．1．1土壤中的砷及其来源

1．1．2土壤中砷的形态及其毒性

1．1．3农田土壤砷污染调控措施

1．2土壤中砷迁移转化及微生物作用机制

1．2．1土壤中砷迁移转化的影响因素

1．2．2砷循环微生物与砷形态转化

1．2．3砷铁硫微生物与砷迁移转化

1．3硫肥的应用及其对砷迁移转化的影响

1．3．1硫肥在农田土壤中的应用

1．3．2硫对土壤-水稻系统中砷的影响

1．3．3硫影响砷迁移转化的作用机制

1．4猪粪肥的应用及其对砷迁移转化的影响

1．4．1猪粪肥在农田土壤中的应用

1．4．2猪粪肥对土壤-水稻系统中砷的影响

1．4．3猪粪肥影响砷迁移转化的作用机制

1．5立题依据、研究内容及技术路线

1．5．1立题依据

1．5．2研究内容

1．5．3技术路线

2硫肥对土壤砷生物有效性与水稻吸收的影响

2．1材料与方法

2．1．1供试土壤与实验设计

2．1．2水稻植株培养与样品采集

2．1．3样品分析

2．1．4数据分析

2．2结果与分析

2．2．1不同形态硫肥对土壤溶液中Fe的影响

2．2．2不同形态硫肥对土壤溶液中As的影响

2．2．3不同形态硫肥对土裹As化学形态的影响

2．2．4不同形态硫肥对水稻生长的影响

2．2．5水稻不同部位对砷的累积

2．2．6不同处理下水稻根表胶膜元素含量

2．2．7相关关系分析

2．3讨论

2．3．1硫肥及微生物作用对砷移动性的影响

2．3．2硫肥对砷形态的影响

2．3．3硫肥对水稻生长及砷累积的影响

2．4小结

3硫肥对稻田土壤砷相关微生物及功能基因的影响研究

3．1材料与方法

3．1．1供试土壤

3．1．2分析方法

3．1．3数据分析

3．2结果与分析

3．2．1测序序列质量控制与数据分析

3．2．2硫肥添加对水稻土壤细菌群落结构的影响

3．2．3水稻根际土硫铁砷相关功能基因

3．3讨论

3．3．1水稻根际和非根际徼生物群落的差异

3．3．2硫肥对根际土壤微生物群落的影响

3．3．3硫肥对根际土壤特殊微生物功能基因的影响

3．4小结

4猪粪肥对稻田砷迁移转化及砷相关微生物的影响

4．1材料与方法

4．1．1调查地点选择

4．1．2土壤和水稻样品采集

4．1．3样品分析

4．1．4数据分析

4．2结果与分析

4．2．1长期施用猪粪肥对土壤总砷及砷化学形态的影响

4．2．2长期施用猪粪肥对水稻不同组织砷累积的影响

4．2．3长期施用猪粪肥对水稻中As及相关元素分布特征的影响

4．2．4根际土壤与水稻砷累积的相关关系

4．2．5 16Sr RNA高通量测序与数据分析

4．2．6长期施用猪粪肥根际非根际土壤微生物群落结构的变化

4．2．7长期施用猪粪肥根际非根际土壤微生物功能基因的交化

4．3讨论

4．3．1长期施用猪粪肥对土壤砷的影响

4．3．2长期施用猪粪肥对水稻吸收砷的影响

4．3．3长期施用猪粪肥对土壤微生物群落结构及功能基因的影响

4．4小结

5根表胶膜对猪粪肥的响应及其影响水稻砷吸收的机制

5．1材料与方法

5．1．1水稻根收集

5．1．2样品分析

5．1．3数据分析

5．2结果与分析

5．2．1根表胶膜提取方法探究

5．2．2根表胶膜与根际、非根际微生物组成和多样性的差异

5．2．3长期猪粪肥施用对根表胶膜微生物群落结构的影响

5．2．4长期猪粪肥施用后根表胶膜功能基因的变化

5．3讨论

5．3．1根表胶膜微生物与根际土壤微生物的差异

5．3．2长期施用猪粪肥对根表胶膜微生物群落结构的影响

5．3．3长期施用猪粪肥对根表胶膜微生物功能基因的影响

5．4小结

6基于肥料和水分管理的农田砷污染调控措施研究

6．1材料与方法

6．1．1供试土壤与实验设计

6．1．2水稻植株培养与样品采集

6．1．3样品分析

6．1．4数据分析

6．2结果与分析

6．2．1非根际土壤理化性质

6．2．2水稻生长情况

6．2．3根表胶膜形成及元素含量

6．2．4水稻不同部位砷累积

6．2．5还原型谷胱甘肽(GSH)的含量

6．3讨论

6．3．1 FeSO4和不同水分处理对水稻生长及砷生物有效性的影响

6．3．2根表胶膜的形成及其对水稻吸收砷的作用

6．3．3 FeSO4和不同水分处理影响水稻砷迁移的作用机制

6．4小结

7结论与展望

7．1研究结论

7．1．1硫肥对土壤砷生物有效性与水稻吸收的影响

7．1．2硫肥对稻田土壤砷相关微生物及功能基因的影响研究

7．1．3猪粪肥对稻田砷迁移转化及砷相关微生物的影响

7．1．4根表胶膜对猪粪肥的响应及其影响水稻砷吸收的机制

7．1．5基于肥料和水分管理的农田砷污染调控措施研究

7．2创新点

7．3研究展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历及主要学术成果