蔬菜系統(tǒng)鎘污染的土壤化學(xué)與生物學(xué)響應(yīng)及蔬菜安全診斷.pdf

1、通過實(shí)驗(yàn)室模擬研究了我國長江三角洲地區(qū)三種典型土壤(紅黃壤、小粉土、青紫泥)中鎘的生物化學(xué)特性及鎘污染對(duì)微生物活性的影響；系統(tǒng)研究了青菜-番茄-蘿卜輪作體系中鎘在不同蔬菜體內(nèi)的積累、分配規(guī)律，并結(jié)合水培試驗(yàn)探討低濃度鎘對(duì)蔬菜生長及生理特性的影響。應(yīng)用傳統(tǒng)土壤微生物學(xué)研究方法及BIOLOG微生物碳源利用(功能)多樣性、磷脂脂肪酸(PLFA)等群落結(jié)構(gòu)分析方法研究了蔬菜輪作制下，鎘脅迫對(duì)紅黃壤、小粉土蔬菜根際及非根際土壤微生物生物量、代謝活

2、性及群落結(jié)構(gòu)多樣性的影響，并探討了土壤微生物對(duì)蔬菜輪作制及蔬菜根系活動(dòng)的響應(yīng)。探索了蔬菜土壤鎘污染化學(xué)-微生物學(xué)診斷方法及蔬菜可食部鎘衛(wèi)生品質(zhì)安全指標(biāo)。主要研究結(jié)果如下： 1.Langmuir方程和Freundlich方程可以很好地?cái)M合鎘在三種土壤(紅黃壤、小粉土、青紫泥)中的吸附行為。三種土壤中，青紫泥對(duì)鎘的吸附能力最強(qiáng)，其次為小粉土，紅黃壤最弱，根據(jù)計(jì)算，其對(duì)Cd2+的最大吸附量分別為6098，4065和3534mg kg-

3、1；鎘吸附能力的差異主要受土壤pH值、粘粒含量、CEC等因素影響。Cd2+的吸附導(dǎo)致等溫吸附平衡液的pH顯著下降，其下降幅度依土壤類型及鎘吸附量而變化。被土壤吸附的Cd2+大部分不能被解吸，Cd2+在三種土壤中的解吸行為差異明顯，經(jīng)過3次連續(xù)的解吸，紅黃壤吸附態(tài)鎘0-15％被解吸，小粉土吸附態(tài)鎘0-9.1％被解吸，而青紫泥只有0-6.8％的吸附鎘被解吸，即相同吸附量下，紅黃壤鎘解吸量最大，小粉土次之，青紫泥最小，說明青紫泥對(duì)cd2+的親

4、和力最大，紅黃壤最小。 2.鎘在蔬菜體內(nèi)的積累和分配隨土壤類型、蔬菜種類及土壤鎘含量的不同而不同。青菜體內(nèi)鎘含量的分配為根部>地上部，番茄體內(nèi)鎘含量的分配為根部>地上部>果實(shí)。青菜和番茄根系中鎘的含量比較高，只有小部分鎘可以通過轉(zhuǎn)運(yùn)在蔬菜地上部積累。青菜和番茄地上部及根系鎘含量都隨著土壤外源鎘含量的增加而增加，但根系的增加速率比地上部快。而蘿卜體內(nèi)鎘的積累分配規(guī)律和青菜、番茄不同。同一土壤鎘處理?xiàng)l件下，地上部鎘含量則比根部高，這

5、主要是由于不同植物品種的生理特性不同．不同土壤同一蔬菜體內(nèi)鎘含量也存在差異，紅黃壤上生長的蔬菜可食部含量高于小粉土蔬菜。每種蔬菜種植后，土壤NH4OAc提取態(tài)和飽和水提取態(tài)鎘含量都隨著全量的增加而增加，而醋酸銨對(duì)鎘的提取能力遠(yuǎn)高于飽和水。同一土壤種植不同蔬菜后可提取態(tài)鎘含量存在差異，特別是飽和水可提取態(tài)。紅黃壤對(duì)鎘的吸附能力較弱，種植同一蔬菜后，紅黃壤NH4OAc和飽和水提取態(tài)鎘含量高于小粉土。 3.土壤中0-7.00 mg k

6、g-1鎘對(duì)青菜、番茄、蘿卜生長都沒有明顯的抑制作用，且低濃度鎘可以刺激蔬菜地上部及根系的生長；而在水培試驗(yàn)中，高濃度鎘(＞0.25 mg L-1)顯著降低青菜地上部干重。青菜根系各形態(tài)指標(biāo)(除根體積外)對(duì)鎘含量的變化比較敏感，當(dāng)土壤中鎘濃度為4.00 mg kg-1，培養(yǎng)液中鎘濃度為0.05 mg L-1時(shí)，青菜根長，根直徑以及根表面積達(dá)到最大值。低濃度鎘促進(jìn)青菜葉綠素合成，而高濃度鎘則導(dǎo)致青菜葉綠素含量下降，葉片光合特性受抑制。高濃度

7、鎘(7.00 mg kg-1(土培)，0.50 mg L-1(水培))增加青菜體內(nèi)丙二醛含量(MDA)；過氧化物酶(POD)在低鎘濃度下(0.70 mg kg-1(土培)，0.05 mg L-1(水培))活性增強(qiáng)，隨著鎘濃度的進(jìn)一步增加，其活性下降，其抑制作用增強(qiáng)。鎘對(duì)青菜體內(nèi)脯氨酸(Pro)積累的影響并不明顯。 4.采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗(yàn)研究了相對(duì)高濃度鎘(0-128 mg kg-1)對(duì)紅黃壤、小粉土、青紫泥微生物生物量及其活性

8、的影響。結(jié)果表明，微生物生物量受土壤類型和鎘脅迫程度的影響。紅黃壤、青紫泥較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對(duì)鎘的響應(yīng)存在差異。低濃度鎘對(duì)紅黃壤、小粉土微生物生物量碳有刺激作用，但在0.128 mg kg-1 的處理濃度范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)鎘對(duì)微生物生物量的顯著抑制作用，而鎘對(duì)青紫泥微生物生物量碳的影響不顯著。鎘影響土壤微生物代謝活性，8 mg kg-1鎘對(duì)土壤基礎(chǔ)呼吸作用有刺激作用，從外加鎘濃度為16 mg kg-1起，

9、刺激作用減弱，但大多數(shù)情況下仍然高于對(duì)照。不同土壤的微生物代謝熵在不同的培養(yǎng)時(shí)期對(duì)鎘的響應(yīng)趨勢(shì)存在差異，低濃度鎘(4-16mgkg-1)對(duì)三種土壤不同培養(yǎng)時(shí)期的微生物代謝熵都有促進(jìn)作用，長時(shí)間鎘脅迫下(16周，＞16mg kg-1)，紅黃壤和青紫泥的微生物代謝熵低于對(duì)照。鎘對(duì)三種土壤的微生物商的影響基本類似，低濃度鎘影響下(0-16 mg kg-1)，微生物商隨鎘濃度的增加而增加，而隨著鎘脅迫的進(jìn)一步加強(qiáng)，微生物商呈下降趨勢(shì)。不同土壤的

10、脲酶活性在不同培養(yǎng)時(shí)期對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)不盡相同。在培養(yǎng)初期(2、4周)低濃度鎘(＜16mg kg-1)對(duì)紅黃壤和小粉土的脲酶活性有刺激作用，而隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，高濃度鎘對(duì)脲酶活性有比較明顯的抑制作用。 5.在青菜-番茄-蘿卜輪作系統(tǒng)中，土壤微生物生物量和微生物商受到低濃度鎘(<1 mgkg-1)的刺激，隨著鎘濃度的進(jìn)一步增加而下降，但7.00 mg kg-1鎘處理時(shí)微生物商仍高于對(duì)照。在低濃度鎘(＜1.00 mg kg-1)影響

11、下，土壤基礎(chǔ)呼吸作用和微生物代謝熵略有減弱，隨著外加鎘濃度的增加，呼吸作用及微生物代謝熵也隨之增強(qiáng)。青菜-番茄-蘿卜輪作制不同作物對(duì)土壤微生物活動(dòng)也有影響。種植番茄后的土壤基礎(chǔ)呼吸速率、微生物代謝熵高于青菜種植后土壤；而蘿卜種植后土壤基礎(chǔ)呼吸速率及微生物代謝熵下降。而微生物生物量碳和微生物商隨種植蔬菜的變化規(guī)律和微生物代謝活性不同，番茄種植后土壤微生物生物量碳和微生物商下降，而蘿卜種植后則上升。根際土壤的基礎(chǔ)呼吸作用、微生物生物量碳、微

12、生物代謝熵及微生物商等都高于非根際土壤。紅黃壤的基礎(chǔ)呼吸作用和微生物生物量碳高于小粉土，而紅黃壤的微生物代謝熵及微生物商則低于小粉土，這說明紅黃壤單位微生物的活性以及對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化能力比小粉土弱。 6.青菜-番茄-蘿卜輪作系統(tǒng)中，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)受到外源鎘濃度和蔬菜種類的影響。青菜種植后，土壤微生物群落對(duì)碳源的利用能力隨鎘濃度的增加而下降，而蘿卜種植后則隨鎘濃度的增加而升高。同一鎘處理?xiàng)l件下，根際土壤微生物對(duì)碳源的利用能力強(qiáng)于

13、非根際土壤。蘿卜種植后土壤微生物群落更加趨于穩(wěn)定，對(duì)外界脅迫的適應(yīng)性增強(qiáng)。微生物群落豐富度及Shannon指數(shù)隨鎘濃度的變化規(guī)律不穩(wěn)定，在不同土壤類型，不同蔬菜種植條件下規(guī)律不一致，不能較好地反映不同外加鎘處理對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。不同微生物類群的脂肪酸含量對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)不同。真菌、革蘭氏陽性菌以及灌木菌根真菌隨土壤鎘含量的增加而增加，而細(xì)菌、革蘭氏陰性菌、放線菌則隨土壤鎘含量的增加而下降。灌木菌根真菌(AMF)的特征脂肪酸16:

14、1ω5c隨著鎘濃度的增加而增加，而且根際土壤中的AMF相對(duì)含量比非根際土壤高,不同土壤類型的微生物群落功能多樣性及組成多樣性存在較大的差異。根際土壤和非根際土壤微生物群落組成多樣性差異明顯，根際土壤受鎘脅迫的影響較小，群落結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，而非根際土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)更容易受到環(huán)境脅迫的干擾。蘿卜種植后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)更趨向于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，微生物較能適應(yīng)鎘污染環(huán)境。 7.通過生態(tài)環(huán)境效應(yīng)法，基于土壤-植物體系和土壤．微生物體系，建立土

15、壤鎘污染診斷指標(biāo)體系。結(jié)果表明，基于土壤．微生物體系建立的土壤鎘污染臨界值遠(yuǎn)高于基于土壤-植物體系，根據(jù)微生物指標(biāo)建立的鎘污染臨界值不適于評(píng)價(jià)土壤鎘污染的程度。當(dāng)蔬菜衛(wèi)生品質(zhì)受到影響時(shí)，其產(chǎn)量及微生物活性沒有受到影響，對(duì)于農(nóng)田土壤鎘污染診斷指標(biāo)體系的建立應(yīng)重點(diǎn)考慮食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)臨界值．在確定土壤鎘污染的農(nóng)產(chǎn)品安全臨界指標(biāo)時(shí)，需要進(jìn)行細(xì)化，考慮蔬菜種類、土壤類型及鎘的有效性。本研究中NH4OAc提取態(tài)鎘能較好地代表鎘在蔬菜中的生物有效性，種