蔬菜系统镉污染的土壤化学与生物学响应及蔬菜安全诊断

论文摘要

通过实验室模拟研究了我国长江三角洲地区三种典型土壤（红黄壤、小粉土、青紫泥）中镉的生物化学特性及镉污染对微生物活性的影响;系统研究了青菜-番茄-萝卜轮作体系中镉在不同蔬菜体内的积累、分配规律,并结合水培试验探讨低浓度镉对蔬菜生长及生理特性的影响。应用传统土壤微生物学研究方法及BIOLOG微生物碳源利用（功能）多样性、磷脂脂肪酸（PLFA）等群落结构分析方法研究了蔬菜轮作制下,镉胁迫对红黄壤、小粉土蔬菜根际及非根际土壤微生物生物量、代谢活性及群落结构多样性的影响,并探讨了土壤微生物对蔬菜轮作制及蔬菜根系活动的响应。探索了蔬菜土壤镉污染化学-微生物学诊断方法及蔬菜可食部镉卫生品质安全指标。主要研究结果如下:1.Langmuir方程和Freundlich方程可以很好地拟合镉在三种土壤（红黄壤、小粉土、青紫泥）中的吸附行为。三种土壤中,青紫泥对镉的吸附能力最强,其次为小粉土,红黄壤最弱,根据计算,其对Cd2+的最大吸附量分别为6098,4065和3534mg kg-1;镉吸附能力的差异主要受土壤pH值、粘粒含量、CEC等因素影响。Cd2+的吸附导致等温吸附平衡液的pH显著下降,其下降幅度依土壤类型及镉吸附量而变化。被土壤吸附的Cd2+大部分不能被解吸,Cd2+在三种土壤中的解吸行为差异明显,经过3次连续的解吸,红黄壤吸附态镉0-15%被解吸,小粉土吸附态镉0-9.1%被解吸,而青紫泥只有0-6.8%的吸附镉被解吸,即相同吸附量下,红黄壤镉解吸量最大,小粉土次之,青紫泥最小,说明青紫泥对Cd2+的亲和力最大,红黄壤最小。2.镉在蔬菜体内的积累和分配随土壤类型、蔬菜种类及土壤镉含量的不同而不同。青菜体内镉含量的分配为根部＞地上部,番茄体内镉含量的分配为根部＞地上部＞果实。青菜和番茄根系中镉的含量比较高,只有小部分镉可以通过转运在蔬菜地上部积累。青菜和番茄地上部及根系镉含量都随着土壤外源镉含量的增加而增加,但根系的增加速率比地上部快。而萝卜体内镉的积累分配规律和青菜、番茄不同。同一土壤镉处理条件下,地上部镉含量则比根部高,这主要是由于不同植物品种的生理特性不同。不同土壤同一蔬菜体内镉含量也存在差异,红黄壤上生长的蔬菜可食部含量高于小粉土蔬菜。每种蔬菜种植后,土壤NH4OAc提取态和饱和水提取态镉含量都随着全量的增加而增加,而醋酸铵对镉的提取能力远高于饱和水。同一土壤种植不同蔬菜后可提取态镉含量存在差异,特别是饱和水可提取态。红黄壤对镉的吸附能力较弱,种植同一蔬菜后,红黄壤NH4OAc和饱和水提取态镉含量高于小粉土。3.土壤中0-7.00mg kg-1镉对青菜、番茄、萝卜生长都没有明显的抑制作用,且低浓度镉可以刺激蔬菜地上部及根系的生长;而在水培试验中,高浓度镉(＞0.25mg L-1)显著降低青菜地上部干重。青菜根系各形态指标（除根体积外）对镉含量的变化比较敏感,当土壤中镉浓度为4.00mg kg-1,培养液中镉浓度为0.05 mg L-1时,青菜根长,根直径以及根表面积达到最大值。低浓度镉促进青菜叶绿素合成,而高浓度镉则导致青菜叶绿素含量下降,叶片光合特性受抑制。高浓度镉(7.00mg kg-1（土培）,0.50mg-1（水培）)增加青菜体内丙二醛含量（MDA）;过氧化物酶（POD）在低镉浓度下(0.70mg kg-1（土培）,0.05 mg L-1（水培）)活性增强,随着镉浓度的进一步增加,其活性下降,其抑制作用增强。镉对青菜体内脯氨酸（Pro）积累的影响并不明显。4.采用室内模拟培养试验研究了相对高浓度镉(0-128mg kg-1)对红黄壤、小粉土、青紫泥微生物生物量及其活性的影响。结果表明,微生物生物量受土壤类型和镉胁迫程度的影响。红黄壤、青紫泥较小粉土有更高的微生物生物量碳,且不同土壤微生物生物量对镉的响应存在差异。低浓度镉对红黄壤、小粉土微生物生物量碳有刺激作用,但在0-128mg kg-1的处理浓度范围内没有发现镉对微生物生物量的显著抑制作用,而镉对青紫泥微生物生物量碳的影响不显著。镉影响土壤微生物代谢活性,8mg kg-1镉对土壤基础呼吸作用有刺激作用,从外加镉浓度为16mg kg-1起,刺激作用减弱,但大多数情况下仍然高于对照。不同土壤的微生物代谢熵在不同的培养时期对镉的响应趋势存在差异,低浓度镉(4-16mgkg-1)对三种土壤不同培养时期的微生物代谢熵都有促进作用,长时间镉胁迫下(16周,＞16mg kg-1),红黄壤和青紫泥的微生物代谢熵低于对照。镉对三种土壤的微生物商的影响基本类似,低浓度镉影响下(0-16mg kg-1),微生物商随镉浓度的增加而增加,而随着镉胁迫的进一步加强,微生物商呈下降趋势。不同土壤的脲酶活性在不同培养时期对镉胁迫的响应不尽相同。在培养初期（2、4周）低浓度镉(＜16mg kg-1)对红黄壤和小粉土的脲酶活性有刺激作用,而随着培养时间的延长,高浓度镉对脲酶活性有比较明显的抑制作用。5.在青菜-番茄-萝卜轮作系统中,土壤微生物生物量和微生物商受到低浓度镉(＜1 mgkg-1)的刺激,随着镉浓度的进一步增加而下降,但7.00mg kg-1镉处理时微生物商仍高于对照。在低浓度镉(＜1.00mg kg-1)影响下,土壤基础呼吸作用和微生物代谢熵略有减弱,随着外加镉浓度的增加,呼吸作用及微生物代谢熵也随之增强。青菜-番茄-萝卜轮作制不同作物对土壤微生物活动也有影响。种植番茄后的土壤基础呼吸速率、微生物代谢熵高于青菜种植后土壤;而萝卜种植后土壤基础呼吸速率及微生物代谢熵下降。而微生物生物量碳和微生物商随种植蔬菜的变化规律和微生物代谢活性不同,番茄种植后土壤微生物生物量碳和微生物商下降,而萝卜种植后则上升。根际土壤的基础呼吸作用、微生物生物量碳、微生物代谢熵及微生物商等都高于非根际土壤。红黄壤的基础呼吸作用和微生物生物量碳高于小粉土,而红黄壤的微生物代谢熵及微生物商则低于小粉土,这说明红黄壤单位微生物的活性以及对有机质的矿化能力比小粉土弱。6.青菜-番茄-萝卜轮作系统中,土壤微生物群落结构受到外源镉浓度和蔬菜种类的影响。青菜种植后,土壤微生物群落对碳源的利用能力随镉浓度的增加而下降,而萝卜种植后则随镉浓度的增加而升高。同一镉处理条件下,根际土壤微生物对碳源的利用能力强于非根际土壤。萝卜种植后土壤微生物群落更加趋于稳定,对外界胁迫的适应性增强。微生物群落丰富度及Shannon指数随镉浓度的变化规律不稳定,在不同土壤类型,不同蔬菜种植条件下规律不一致,不能较好地反映不同外加镉处理对土壤微生物群落结构的影响。不同微生物类群的脂肪酸含量对镉胁迫的响应不同。真菌、革兰氏阳性菌以及灌木菌根真菌随土壤镉含量的增加而增加,而细菌、革兰氏阴性菌、放线菌则随土壤镉含量的增加而下降。灌木菌根真菌（AMF）的特征脂肪酸16:1ω5c随着镉浓度的增加而增加,而且根际土壤中的AMF相对含量比非根际土壤高:不同土壤类型的微生物群落功能多样性及组成多样性存在较大的差异。根际土壤和非根际土壤微生物群落组成多样性差异明显,根际土壤受镉胁迫的影响较小,群落结构较为稳定,而非根际土壤的微生物群落结构更容易受到环境胁迫的干扰。萝卜种植后土壤微生物群落结构更趋向于稳态系统,微生物较能适应镉污染环境。7.通过生态环境效应法,基于土壤-植物体系和土壤-微生物体系,建立土壤镉污染诊断指标体系。结果表明,基于土壤-微生物体系建立的土壤镉污染临界值远高于基于土壤.植物体系,根据微生物指标建立的镉污染临界值不适于评价土壤镉污染的程度。当蔬菜卫生品质受到影响时,其产量及微生物活性没有受到影响,对于农田土壤镉污染诊断指标体系的建立应重点考虑食品卫生标准临界值。在确定土壤镉污染的农产品安全临界指标时,需要进行细化,考虑蔬菜种类、土壤类型及镉的有效性。本研究中NH4OAc提取态镉能较好地代表镉在蔬菜中的生物有效性,种植青菜红黄壤和小粉土的NH4OAc提取态相应临界值分别是0.066和0.116mg kg-1;种植番茄红黄壤和小粉土的NH4OAc提取态相应临界值分别是0.089和0.092mg kg-1;而种植萝卜红黄壤和小粉土中的NH4OAc提取态临界值分别是0.051和0.045mg kg-1。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• 第一部分 文献综述
• 第一章 土壤中镉的来源及生物有效性
• 1.1 引言
• 1.2 土壤中镉的来源
• 1.2.1 成土母质
• 1.2.2 大气沉降
• 1.2.3 磷肥的施用
• 1.2.4 污泥或其它有机废弃物的施用及排放
• 1.3 土壤中镉的生物有效性
• 1.3.1 酸对土壤中镉有效性的影响
• 1.3.2 添加有机物料对土壤中镉形态的影响
• 1.3.3 镉污染对土壤中镉形态分布及有效性的影响
• 1.3.4 土壤类型对镉有效性的影响
• 1.4 小结
• 第二章 植物对镉胁迫的响应及其影响因素
• 2.1 引言
• 2.2 镉对植物生长的影响
• 2.2.1 植物对镉的吸收及其机制
• 2.2.3 镉对植物生长的影响
• 2.3 镉对植物生理生化过程的影响
• 2.3.1 Cd对根部的破坏作用
• 2.3.2 Cd影响叶绿素的合成及植物光合作用
• 2.3.3 镉与植物氧化胁迫的关系
• 2.3.4 Cd对植物根尖细胞分裂的影响
• 2.4 影响植物对镉吸收的因素
• 2.4.1 pH
• 2.4.2 Eh
• 2.4.3 Zn
• 2.4.4 Fe
• 2.4.5 有机酸
• 2.4.6 Ca、Mg、K、Na,Mn
• 2.4.7 作物品种
• 2.5 小结
• 第三章 土壤镉污染对微生物活性及群落结构多样性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 镉对土壤微生物活性及生化过程的影响
• 3.2.1 土壤呼吸作用及碳的循环转化
• 3.2.2 氮的循环转化
• 3.2.3 微生物代谢熵及微生物商
• 3.2.4 土壤酶活性
• 3.3 镉对土壤微生物生物量和多样性的影响
• 3.3.1 土壤微生物生物量对镉荷载的响应
• 3.3.2 土壤微生物多样性对镉荷载的响应
• 3.4 存在的问题与展望
• 第二部分 试验研究
• 第四章 镉在三种土壤中的吸附解吸行为研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.3 结果与分析
• 2+的吸附及数学表达'>4.3.1 土壤对Cd²⁺的吸附及数学表达
• 2+过程中平衡液pH的变化'>4.3.3 土壤吸附Cd²⁺过程中平衡液pH的变化
• 2+的解吸特性'>4.3.4 吸附态Cd²⁺的解吸特性
• 4.4 小结
• 第五章 轮作蔬菜对镉的积累规律及农产品安全
• 5.1 引言
• 5.2 试验材料和方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 蔬菜种植后土壤中镉生物有效性的变化
• 5.3.2 镉在蔬菜各组织的积累浓度及分配规律
• 5.3.3 镉污染的蔬菜安全临界指标
• 5.4 小结
• 第六章 镉对蔬菜生长及青菜生理特性的影响
• 6.1 引言
• 6.2 试验材料和方法
• 6.2.1 供试土壤
• 6.2.2 土培盆栽试验设计
• 6.2.3 水培盆栽试验
• 6.2.4 植物的采集及测定方法
• 6.2.5 数据统计与分析
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 镉对青菜、番茄、萝卜生长及生物量的影响
• 6.3.2 青菜根系生长对不同浓度镉的响应
• 6.3.3 镉对青菜叶绿素合成的影响
• 6.3.4 不同镉浓度影响下青菜体内丙二醛含量（MDA）的变化
• 6.3.5 不同镉浓度影响下青菜体内过氧化物酶活性（POD）的变化
• 6.3.6 不同镉浓度影响下青菜体内脯氨酸（Pro）含量的变化
• 6.4 小结
• 第七章 室内模拟条件下镉对土壤微生物生物量及代谢活性的影响
• 7.1 引言
• 7.2 试验材料与方法
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 外源镉在土壤中的形态转化及有效性
• 7.3.2 不同培养时间外源镉对微生物生物量碳的影响
• 7.3.3 不同培养时间外源镉对土壤基础呼吸速率的影响
• 7.3.4 不同培养时间外源镉对微生物代谢熵的影响
• 7.3.5 不同培养时间外源镉对微生物商的影响
• 7.3.6 镉对土壤脲酶活性的影响
• 7.4 小结
• 第八章 蔬菜轮作系统中镉对土壤微生物活性的影响
• 8.1 引言
• 8.2 试验材料和方法
• 8.3 结果与分析
• 8.3.1 土壤基础呼吸速率对蔬菜轮作系统中土壤镉污染的响应
• 8.3.2 土壤微生物生物量对镉污染的响应
• 8.3.3 土壤微生物代谢熵对蔬菜轮作系统中土壤镉污染的响应
• 8.3.4 土壤微生物商对蔬菜轮作系统中土壤镉污染的响应
• 8.4 小结
• 第九章 蔬菜轮作系统中镉对土壤微生物群落结构多样性的影响
• 9.1 引言
• 9.2 试验材料与方法
• 9.3 结果与分析
• 9.3.1 蔬菜种植后土壤中微生物群落功能多样性对重金属镉的响应
• 9.3.2 蔬菜种植后土壤中微生物群落组成多样性对重金属镉的响应
• 9.4 小结
• 第十章 土壤镉污染诊断指标体系的建立
• 10.1 引言
• 10.2 材料与方法
• 10.3 结果与讨论
• 10.3.1 土壤镉污染的植物诊断指标体系
• 10.3.2 土壤镉污染的微生物诊断指标体系
• 10.4 小结
• 第三部分 研究结论、创新点、不足之处及展望
• 第十一章 研究结论、创新点、不足之处及展望
• 1.研究结论
• 1.1 镉在土壤中的等温吸附-解吸行为
• 1.2 镉对三种蔬菜生长、生理特性的影响及其在蔬菜体内的积累分配
• 1.3 室内模拟条件下镉的有效性变化及其对微生物活性的剂量效应
• 1.4 青菜-番茄-萝卜轮作条件下镉对土壤微生物活性的影响
• 1.5 青菜-番茄-萝卜轮作条件下镉对土壤微生物群落结构的影响
• 1.6 建立土壤镉污染的诊断指标体系
• 2.创新点
• 3.不足之处
• 4.展望
• 4.1 对低浓度镉对植物、微生物的刺激效应机理的研究
• 4.2 影响土壤重金属有效性的因素较多,在考虑各影响因素的基础上建立评价模型
• 4.3 现代分子生物学技术及稳定性同位素探测技术在微生物生态学研究中的应用
• ABSTRACT
• 参考文献
• 表索引
• 图索引
• 攻读博士期间主要研究成果