γ-聚谷氨酸和耐鹽植物聯(lián)合修復(fù)設(shè)施栽培鹽漬化土壤.pdf

1、設(shè)施農(nóng)業(yè)是隨農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)展起來(lái)的新型產(chǎn)業(yè)，是最具活力的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，也是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化集約型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的有效方式。近年來(lái)我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，2008年設(shè)施栽培面積突破330萬(wàn)hm2，約占世界設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積的85％，其中設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)到34.7萬(wàn)hm2;2010年我國(guó)設(shè)施蔬菜總產(chǎn)量超過(guò)1.7億噸，占蔬菜總產(chǎn)量的25％。設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大水大肥灌溉、土壤連作障礙經(jīng)常發(fā)生，養(yǎng)分失衡嚴(yán)重，土壤中大量鹽分隨水分蒸發(fā)向上運(yùn)動(dòng)而聚集在

2、土表，造成土壤板結(jié)和次生鹽漬化等環(huán)境問(wèn)題，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量下降。其中，設(shè)施土壤次生鹽漬化問(wèn)題最為突出。目前，全球次生鹽漬化土壤面積達(dá)到7700萬(wàn)hm2，占農(nóng)業(yè)土壤面積的30％以上，其中58％的鹽漬土分布在農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，并呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。土壤次生鹽漬化已成為阻礙我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要問(wèn)題，修復(fù)次生鹽漬化土壤是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。引起設(shè)施土壤次生鹽漬化的原因很多，主要有環(huán)境因素、盲目施肥、不合理灌溉和種植方式等。次生鹽

3、漬化的發(fā)生不僅造成設(shè)施土壤營(yíng)養(yǎng)失衡，肥力下降，還會(huì)阻礙植物的吸水過(guò)程，對(duì)作物產(chǎn)生毒害作用，導(dǎo)致作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降;次生鹽漬化還會(huì)影響土壤微生物的生長(zhǎng)和群落結(jié)構(gòu)，抑制微生物活性。目前，鹽漬化土壤的改良和修復(fù)手段主要有工程措施、化學(xué)措施、生物措施和農(nóng)業(yè)措施，雖然取得了一定成效，但還存在建設(shè)投資大、運(yùn)行成本高、容易造成二次污染、修復(fù)效果差或人為影響大等問(wèn)題，特別是單一措施的修復(fù)能力非常有限，必須將多種修復(fù)手段相結(jié)合。耐鹽植物包括稀鹽植物（或

4、真鹽生植物）、泌鹽植物和拒鹽植物（或假鹽生植物）等，具有良好的脫鹽能力，有關(guān)它們的篩選、開發(fā)與利用引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。稀鹽植物田菁被廣泛用于修復(fù)鹽漬土，景天三七是新近發(fā)現(xiàn)的一種稀鹽植物，它們不僅對(duì)Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-和NO3-等鹽分離子具有一定的耐受能力，還能有效吸收這些離子。另一方面，γ-聚谷氨酸(γ-PGA)具有良好的水溶性、超強(qiáng)的螯合能力、生物降解性和環(huán)境友好等特點(diǎn)，已被用于廢水中金屬離子的去除研究，但在污染土

5、壤修復(fù)中的應(yīng)用還鮮見報(bào)道。
　　本研究調(diào)查和分析了上海市郊主要園藝場(chǎng)出現(xiàn)耕作障礙的設(shè)施大棚土壤的鹽分特征和鹽漬化程度，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法，確定該地區(qū)次生鹽漬化土壤的主要類型和主要鹽分離子;針對(duì)該地區(qū)廣泛分布的Ca2+-Mg2+-NO3-型次生鹽漬化土壤，利用γ-PGA螯合土壤中的Ca2+、Mg2+，降低其生物有效性;采用盆栽實(shí)驗(yàn)，研究景天三七和田菁對(duì)鹽漬土中Ca2+、Mg2+和NO3-的吸收特征;將γ-PGA與耐鹽植物聯(lián)用，去除鹽漬

6、土中的Ca2+、Mg2+和NO3-，考察它們對(duì)次生鹽漬土的修復(fù)效果。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴隨著種植年限的增加，上海市郊耕作障礙設(shè)施大棚土壤的平均含鹽量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，非鹽漬土、微鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土、重度鹽漬土和鹽土分別占4.35％、17.39％、56.52％、4.35％、4.35％和13.04％。大棚鹽漬土中含鹽量與陰陽(yáng)離子含量間的相關(guān)性較好，陽(yáng)離子以Ca2+和Na+為主，其次為Mg2+;陰離子以NO3-

7、和SO42-為主，其次為Cl-，NO3-是最主要的積累離子。施肥方式、種植年限、作物類型和管理水平都會(huì)影響次生鹽漬化程度。根據(jù)典型對(duì)應(yīng)分析(CCA)，Ca2+、Mg2+和NO3-積累量均隨種植年限的增加而增大;長(zhǎng)期單施有機(jī)肥或化肥，分別造成土壤堿化或酸化，加重土壤次生鹽漬化;合理混施化肥和有機(jī)肥的大棚土壤鹽漬化程度較低，且不受種植年限的影響。⑵根據(jù)鹽分離子和采樣點(diǎn)的關(guān)系，將上海市郊設(shè)施鹽漬化土壤劃分為4種類型:Ⅰ號(hào)類型為崇明縣的部分大棚

8、土壤，受Na+、CI和HCO3-的影響較大;Ⅱ號(hào)類型為崇明縣的另一部分大棚土壤，受K+、Ca2+、Mg2+和NO3-的影響較大;Ⅲ號(hào)類型包括奉賢、閔行、青浦、部分南匯和部分嘉定地區(qū)的大棚土壤，主要受Ca2+、Mg2+、NO3-和Cl-的影響;Ⅳ號(hào)類型為松江、部分南匯和部分嘉定地區(qū)的大棚土壤，主要受SO42-的影響。其中，大部分鹽漬化土壤屬于Ⅲ號(hào)類型，應(yīng)重點(diǎn)控制。⑶獲得γ-PGA去除Ca2+、Mg2+的最佳條件，即γ-PGA的初始濃度為1

9、000mg·L-1，混合體系的初始pH為7，溫度為25C。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，γ-PGA對(duì)Ca+、Mg2+的最大去除率分別達(dá)到51.59％和68.03％。二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠很好地描述γ-PGA對(duì)Ca2+、Mg2+的去除過(guò)程，獲得Ca2+、Mg2+的去除速率常數(shù)分別為0.00282和0.0166(mg·L-1)-1·min-1，其主要作用機(jī)制為γ-PGA的酰胺鍵和羧酸陰離子與Ca2+、Mg2+形成螯合物。⑷景天三七對(duì)Ca2+、Mg2+的最大

10、去除率分別為64.35％和53.35％，對(duì)NO3-也有較強(qiáng)的去除能力，最大去除率為51.78％;田菁對(duì)Ca2+、Mg2+的最大去除率分別為82.87％和45.55％。但是，田菁的根瘤菌具有固氮作用以及田菁?xì)報(bào)w的分解作用，使得土壤中NO3-濃度維持在1.038 g·kg-1，比原鹽漬土的NO3-濃度提高了26.02％。⑸盆栽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施入γ-PGA不僅降低了Ca2+、Mg2+的生物有效性，減小了耐鹽植物幼苗受到的鹽分脅迫，還能促進(jìn)植物的生

11、長(zhǎng)發(fā)育和抗逆性。監(jiān)測(cè)耐鹽植物的生理參數(shù)發(fā)現(xiàn)，1000 mg·L-1γ-PGA和景天三七(J3)對(duì)Ca2+、Mg2+和NO3-的處理效果最好，最大去除率分別達(dá)到93.25％、94.79％和84.26％;200 mg·L-1γ-PGA和田菁(T1)對(duì)Ca2+、Mg2+的處理效果較好，最大去除率分別達(dá)到90.26％和69.92％。由于田菁根瘤菌的固氮作用和植物殘?bào)w的分解作用，使得土壤中NO3-濃度維持在0.868 g·kg-1，比原鹽漬土的N