含硼铁锰氧化物中硼的释放特性及其在黄棕壤上的生物效应研究

论文摘要

用人工合成的方式,合成了不同形态的含硼针铁矿和含硼水锰矿,通过将它们引入到黄棕壤中,来研究含硼氧化物中硼的植物有效性及含硼氧化物对土壤性质的影响,主要研究结果如下：1、对针铁矿,水锰矿以及它们的含硼氧化物的合成方法进行了论述,并从氧化物的比表面积,扫描电镜照片和氧化物的硼含量等方面讨论了不同氧化物的性质差别,对氧化物特性有一个初步的了解。结果表明：针铁矿的比表面积和水锰矿的变化规律一致,即硼包被态氧化物>普通氧化物>硼吸附态氧化物。并且铁氧化物扫描电镜结果显示硼包被态针铁矿的颗粒明显比普通针铁矿和硼吸附态针铁矿要细,这和硼在氧化物上的结合形式有关。通过不同的提取方式测定了氧化物中硼的含量,发现针铁矿和水锰矿两种氧化物中硼的含量有很大的差别,含硼针铁矿中硼的含量远远高于含硼水锰矿。并且硼吸附态氧化物和硼包被态氧化物的硼含量也有很大的差别,硼吸附态针铁矿中硼的有效性远远高于硼包被态针铁矿,而水锰矿两种负载体中硼有效性的差异相对较小。2、通过在黄棕壤上添加不同量的氧化物,我们研究了含硼氧化物随着添加量的增加对土壤硼含量,土壤酸度变化以及油菜硼含量和油菜生物量的影响。结果发现,随着含硼针铁矿在土壤中添加量的增加,土壤中硼含量和油菜中硼含量也呈现一个逐渐升高的趋势,并且当含硼针铁矿的添加量达到5或10 g kg-1土时,土壤和植物中硼的含量呈现一个急剧的上升现象,但是普通针铁矿随着添加量的增加对土壤和油菜中硼含量却有一个小幅度的降低作用。不同量的含硼水锰矿对土壤和油菜硼含量的影响也呈现一种随添加量增加而增加的趋势。随着含硼氧化物添加量的增加,油菜的生物量呈现逐渐增加的趋势,在氧化物的添加量为3 g kg-1土时油菜生物量达到最大值。含硼铁锰氧化物对土壤酸度的改变呈现明显的剂量关系,含硼铁氧化物对土壤酸度的改变呈现稳定的升高趋势,而含硼水锰矿对土壤酸度的影响在2 g kg-1土时出现一个明显的转折点。综合以上现象,我们将2-3 g氧化物kg-1土的添加剂量作为我们进一步研究的最佳剂量。3、通过盆栽试验的方式,将人工合成的含硼铁锰氧化物引入土壤,研究含硼氧化物对土壤中不同形态硼含量以及油菜硼吸收的影响。结果发现,含硼铁锰氧化物的引入均不同程度地提高了土壤水溶态硼,非专性吸附态硼,专性吸附态硼及铁铝氧化物结合态硼的含量。其中含硼针铁矿对土壤不同形态硼含量的提高作用要远远大于含硼水锰矿。含硼铁锰氧化物的引入也大大促进了油菜对硼的吸收,提高了油菜地上部和根部的硼含量。通过对土壤不同形态硼含量与油菜硼含量进行简单线性回归分析发现,土壤中水溶态硼,非专性吸附态硼,专性吸附态硼及无定形铁铝氧化物结合态硼含量均与油菜地上部和根部的硼含量有很大的相关性。但逐步回归发现只有水溶态硼和无定形铁铝氧化物结合态硼含量与油菜硼含量存在直接的相关关系,这说明不仅土壤水溶态硼含量可以作为诊断植物有效性的指标,而且铁铝氧化物固定态硼在保持植物对硼吸收利用方面也有重要作用。4、含硼氧化物的引入改善了土壤中硼,钙,镁,铁,锰,铜,锌的有效性。并促进了油菜对这些养分的吸收利用,进而提高了油菜生物量。通过对土壤中养分含量与油菜生物量进行回归分析发现,土壤中钙和镁的含量与油菜生物量之间有显著的相关性。但是多重回归的结果则显示只有钙的含量显著影响油菜生物量的累积。可见,含硼氧化物提供植物硼营养只是植物对养分吸收的一个前提,而真正促进油菜生长的原因可能是含硼氧化物的加入为油菜吸收利用养分提供了一个有利的环境。5、通过根箱试验,研究了含硼氧化物的加入对根际土壤性质的影响。结果发现,含硼氧化物的加入对根际土壤性质产生了很大的影响。其中交换性酸,交换性钙和交换性镁的含量均表现出正根际效应,而根际土壤pH和交换性钾的含量却比非根际低。含硼氧化物的加入也刺激了土壤酶活性的变化,其中根际土壤过氧化氢酶和多酚氧化酶的活性比非根际高,而转化酶和酸性磷酸酶的活性却比非根际土壤低。通过WinRHIZO 2.0根系扫描仪对油菜根系形态进行了分析。结果发现,含硼氧化物的加入促进了油菜根系的生长,它们增加了包括总根长,根尖数,根体积和根表面积在内的油菜根系形态指标。6、通过盆栽试验,研究了含硼氧化物在黄棕壤上的添加对油菜生理指标的影响,结果发现含硼氧化物很大程度上提高了油菜的生理适应性。与对照相比,含硼氧化物的加入均提高了油菜叶片叶绿素的含量,可溶性糖含量,以及油菜的根系活力,且降低了油菜叶片中丙二醛和脯氨酸的积累。7、通过将含硼氧化物负载到石英砂上,用砂培的方式获得较单一的氧化物体系,从而清楚地观察到氧化物中硼的释放规律,该规律可以阐明含硼氧化物中硼的释放机理。实际上,氧化物在石英砂上负载之后覆盖了石英砂的大部分表面,但是铁氧化物并不是均匀分布在石英砂表面,而是主要负载在石英砂粗糙的表面或孔隙中。通过扫描电镜/X射线能谱分析,对铁氧化物,石英砂及负载铁氧化物的石英砂中的元素含量进行了分析,结果可以看出,只有Fe, Si和O的信号可以被检测到,B元素的信号没有在图片中显示出来。能谱仪定量分析结果发现,硼包被态针铁矿负载的石英砂中Fe元素的含量达到29.51%,明显高于针铁矿和硼吸附态针铁矿负载的石英砂中铁的百分比。8、通过砂培方式,研究了含硼氧化物随时间的变化硼的释放规律,以及氧化物中硼的释放对营养液中硼含量和油菜硼吸收的影响。结果发现,溶液中硼含量的变化规律与氧化物水溶态硼含量的变化规律非常相似,都是在0-2 d有一个急剧的变化,只是氧化物中硼的含量急剧下降,溶液中硼的含量急剧升高。氧化物中全硼含量的变化相对水溶态硼含量的变化要缓慢很多,没有观察到前两天的突降现象,只是在第6d到第8d有一个相对强烈的下降。氧化物对油菜硼吸收的影响呈现一个单峰曲线变化的规律。氧化物的加入对营养液的酸度起到很大影响。随着时间的变化营养液的酸化呈现一种缓解的趋势,两种氧化物对营养液pH的改变分别从最初的pH 5.02上升到实验结束时的7.97和7.73。为了更好的了解含硼氧化物中硼释放的规律,对含硼氧化物中的硼随时间的释放规律,含硼氧化物对上清液中硼的含量及pH的变化进行了曲线拟合,并做了相应的参数估计。结果发现Elovich方程最能反映氧化物中硼的释放过程,其次是抛物线方程和权函数方程。含硼氧化物对上清液中硼含量影响曲线拟合以零级方程,一级方程和权函数方程的拟合度最高,与含硼氧化物中硼的释放规律不一样,这可能是因为植物对硼吸收的缘故。含硼氧化物对上清液pH的影响与含硼氧化物中硼的释放规律相吻合,而且无论是氧化物中全硼的释放量还是水溶性硼的释放量均与溶液pH的增加量达到极显著的相关性,这说明氧化物中硼的释放量与溶液的酸度变化之间存在一种必然的内在联系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 土壤中常见铁锰氧化物的性质及功能
• 1.1.1 土壤中常见的铁锰氧化物
• 1.1.1.1 土壤中常见的铁氧化物及其性质
• 1.1.1.2 土壤中常见的锰氧化物及其性质
• 1.1.2 铁锰氧化物的吸附性能
• 1.1.2.1 铁锰氧化物对金属离子的吸附作用
• 1.1.2.2 铁锰氧化物对含氧阴离子的吸附作用
• 1.1.3 铁锰氧化物在环境中的应用
• 1.1.3.1 铁锰氧化物对环境中重金属污染的修复作用
• 1.1.3.2 铁锰氧化物对环境中有机污染的修复作用
• 1.1.3.3 铁锰氧化物对土壤养分有效性的影响
• 1.1.3.4 铁锰胶膜对植物营养元素的富集作用
• 1.2 土壤中硼的行为及其植物有效性
• 1.2.1 我国主要土壤硼含量现状
• 1.2.2 土壤硼分级
• 1.2.3 影响土壤硼有效性的因素
• 1.2.3.1 土壤酸碱度
• 1.2.3.2 土壤母质
• 1.2.3.3 铁铝氧化物
• 1.2.3.4 有机质
• 1.2.3.5 土壤质地及粘土矿物类型
• 1.2.3.6 土壤水分
• 1.2.3.7 作物种类
• 1.2.4 土壤中硼的吸附和解吸作用
• 1.2.5 硼的植物有效性
• 1.3 土壤酸化及其改良现状
• 1.3.1 土壤酸化
• 1.3.1.1 土壤的酸度
• 1.3.1.2 土壤酸化现状
• 1.3.2 土壤酸化对作物生长和土壤养分含量的影响
• 1.3.2.1 土壤酸化对作物生长的影响
• 1.3.2.2 土壤酸化对土壤物理性状以及养分含量的影响
• 1.3.3 土壤酸化改良
• 1.3.3.1 土壤酸化改良措施
• 1.3.3.2 外源阳离子对土壤酸化的缓解效应
• 1.3.3.3 硼在铝毒缓解中的作用
• 1.3.4 氧化物吸附离子对溶液酸碱性的影响
• 1.4 根际土壤性质研究
• 1.4.1 根际土壤的重要性
• 1.4.2 根际对土壤中养分有效性的影响
• 1.4.3 根际pH
• 1.4.4 根系形态及活力
• 1.4.5 根际土壤酶活性
• 2 课题研究的背景、意义、内容、创新点
• 2.1 课题研究的背景及意义
• 2.2 研究内容
• 2.2.1 含硼铁锰氧化物的合成及性质研究
• 2.2.2 不同量的含硼铁锰氧化物对土壤性质及油菜生长的影响
• 2.2.3 含硼铁锰氧化物中硼的有效性研究
• 2.2.4 含硼铁锰氧化物对土壤养分含量及植物养分吸收的影响
• 2.2.5 含硼铁锰氧化物对根际微环境的影响
• 2.2.6 含硼铁锰氧化物对油菜生理反应的影响
• 2.2.7 含硼铁氧化物中硼的释放动力学
• 2.3 技术路线
• 2.4 研究的创新点
• 3 不同形态铁锰氧化物的性质研究
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 铁锰氧化物的合成
• 3.2.2 硼吸附态氧化物合成（王娟,2006）
• 3.2.3 硼包被态氧化物合成（王娟,2006）
• 3.2.4 测定方法
• 3.2.4.1 铁锰氧化物比表面积的测定
• 3.2.4.2 铁氧化物的SEM表征
• 3.2.4.3 含硼铁锰氧化物硼含量的测定
• 3.3 结果分析与讨论
• 3.3.1 铁锰氧化物的比表面积和形貌
• 3.3.2 铁锰氧化物硼含量
• 3.4 结论
• 4 不同量的含硼氧化物对土壤性质及油菜生长的影响
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验设计
• 4.2.3 测定方法
• 4.2.3.1 土壤硼含量测定方法
• 4.2.3.2 植物硼含量测定方法
• 4.2.3.3 土壤pH测定方法
• 4.2.3.4 土壤交换性酸测定方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 不同量的含硼氧化物对土壤硼含量和油菜硼吸收量的影响
• 4.3.2 不同量的含硼氧化物对油菜生长的影响
• 4.3.3 不同量的含硼氧化物对土壤酸度的影响
• 4.4 结论
• 5 含硼氧化物对土壤不同形态硼含量及油菜硼吸收的影响
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 试验设计
• 5.2.3 测定项目及方法
• 5.2.3.1 土壤硼分级提取方法（Jin et al.,1987）
• 5.2.3.2 植物硼含量的测定
• 5.2.4 数据处理
• 5.3 结果分析与讨论
• 5.3.1 含硼氧化物对土壤各形态硼含量的影响
• 5.3.2 含硼氧化物对油菜硼吸收的影响
• 5.3.3 不同形态土壤硼含量与油菜硼吸收量间的相关分析
• 5.4 结论
• 6 含硼氧化物对土壤养分含量和油菜养分吸收的影响
• 6.1 前言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 试验设计
• 6.2.3 测定项目及方法
• 6.2.3.1 土壤养分含量测定
• 6.2.3.2 植物养分含量的测定
• 6.2.4 数据处理
• 6.3 结果分析与讨论
• 6.3.1 含硼氧化物对土壤养分含量的影响
• 6.3.2 含硼氧化物对植物养分吸收的影响
• 6.3.3 含硼氧化物对油菜生物量的影响
• 6.3.4 土壤养分含量与油菜生物量之间的相关分析
• 6.4 结论
• 7 含硼氧化物对根际土壤性质和油菜根系形态的影响
• 7.1 前言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 试验材料
• 7.2.2 根箱实验设计
• 7.2.3 测定项目及方法
• 7.2.3.1 土壤酸度测定（鲍士旦,2000）
• 7.2.3.2 土壤酶活性测定
• 7.2.3.3 土壤中交换性阳离子测定
• 7.2.3.4 油菜根系形态分析
• 7.2.4 数据分析
• 7.3 结果分析与讨论
• 7.3.1 含硼氧化物对根际土壤酸度的影响
• 7.3.2 含硼氧化物对根际土壤酶活性的影响
• 7.3.3 含硼氧化物对土壤交换性阳离子含量的影响
• 7.3.4 含硼氧化物对油菜根系形态的影响
• 7.4 结论
• 8 含硼氧化物对油菜生理生化反应的影响
• 8.1 前言
• 8.2 材料与方法
• 8.2.1 试验材料
• 8.2.2 试验设计
• 8.2.3 测定项目及方法
• 8.2.3.1 叶绿素含量测定
• 8.2.3.2 可溶性糖含量测定
• 8.2.3.3 丙二醛含量测定
• 8.2.3.4 脯氨酸含量测定
• 8.2.3.5 油菜根系活力测定
• 8.2.4 数据处理
• 8.3 结果分析与讨论
• 8.3.1 含硼氧化物对油菜叶绿素含量的影响
• 8.3.2 含硼氧化物对油菜丙二醛和脯氨酸含量的影响
• 8.3.3 含硼氧化物对油菜可溶性糖含量的影响
• 8.3.4 含硼氧化物对油菜根系活力的影响
• 8.4 结论
• 9 含硼铁氧化物中硼的释放动力学
• 9.1 前言
• 9.2 材料与方法
• 9.2.1 铁氧化物的合成
• 9.2.2 铁氧化物包被的石英砂
• 9.2.2.1 石英砂的准备
• 9.2.2.2 铁氧化物包被的石英砂的合成
• 9.2.3 植物生长试验的设计
• 9.2.3.1 育苗
• 9.2.3.2 试验设计
• 9.2.4 测定方法
• 9.2.4.1 铁氧化物包被的石英砂形貌观察及能谱分析
• 9.2.4.2 铁氧化物包被的石英砂硼含量的测定
• 9.2.4.3 植株硼含量测定
• 9.2.4.4 溶液pH测定方法
• 9.2.5 数据处理
• 9.3 结果分析与讨论
• 9.3.1 铁氧化物包被的石英砂形貌特征
• 9.3.2 针铁矿包被的石英砂能谱分析
• 9.3.3 含硼氧化物随时间的变化硼的释放及油菜对硼吸收
• 9.3.4 油菜生长介质pH变化
• 9.3.5 含硼氧化物硼释放过程曲线拟合
• 9.3.6 含硼氧化物对上清液pH影响曲线拟合
• 9.4 结论
• 参考文献
• 博士在读期间发表的与本课题相关的论文
• 致谢