论文部分内容阅读
由于农业生产活动,世界上每年会产生大量的农作物秸秆,中国很多地区都推行不同的秸秆还田的方式来处理多余秸秆,从而增加土壤肥力,促进作物增产。但是秸秆经过不同的处理方式还入田中后,对矿区稻田中汞的生物地球化学行为及植物有效性的影响却鲜有研究。我们向汞污染稻田土中添加适量的不同秸秆产物(秸秆、秸秆有机肥、秸秆生物炭及秸秆草木灰),开展实验室模拟试验。在培养过程监测土壤甲基汞(MeHg)浓度、MeHg萃取效率(硫代硫酸铵萃取法)及印度芥菜(Brassicajunceas)对土壤MeHg的富集量。研究结果发现施加秸秆生物炭和秸秆有机肥能够降低土壤中植物可利用的MeHg量,这可能是因为MeHg与其中的有机质能够较强地结合(“MeHg固定效应”)。结果,生物炭组Brassica junceas地上部组织的MeHg浓度比对照组低20%。不同的是,秸秆直接加入土壤中能够显著提高土壤MeHg浓度(“汞甲基化效应”)。同时,秸秆经过微生物降解能够增加土壤中的溶解性有机碳(DOC)(比对照组高40%-195%),这有可能会将与土壤结合的MeHg溶出到土壤间隙水中,提高其植物有效性(“MeHg溶出效应”)。最终,施加秸秆能够显著提高土壤中植物可利用的MeHg量,并且使得Brassica junceas对MeHg的富集量提高一倍。我们的研究首次发现,施加不同的秸秆产物对土壤中汞生物地球化学行为及植物有效性具有不同的影响,这在进行稻田MeHg暴露风险评估时应该引起重视。我们发现,将秸秆制成生物炭施入田中后能够显著降低土壤MeHg的植物有效性,从而有效降低MeHg暴露风险。近年来,越来越多的研究关注汞矿区稻米MeHg的富集及其引起粮食安全问题。为了进一步探索通过施加生物炭降低汞矿区稻米MeHg含量的可能性及其潜在机制,我们向旬阳矿区稻田土壤中施加不同量的秸秆生物炭(1%-4%),开展水稻盆栽试验和室内模拟试验,监测该过程中土壤MeHg的动态变化(如MeHg的浓度、固液分配、植物有效性及水稻对MeHg的吸收)。研究结果发现施加生物炭(1-4%)能够显著降低汞矿区稻米MeHg浓度(49-92%),这可能是由于以下三种效应共同作用的结果:(1)秸秆生物炭能够显著提高土壤MeHg浓度(“汞甲基化效应”),这可能源于生物炭含有大量的硫酸盐,能够供给硫酸盐还原菌(一种主要甲基化微生物)呼吸作用;(2)降低土壤MeHg的植物有效性(“MeHg固定效应”),这可能是因为生物炭具有巨大的比表面积,为MeHg提供大量的结合位点,并且生物炭含有大量与汞具有较强亲和力的有机硫成分;(3)生物炭在施入初期还能够使得水稻增产,降低稻米MeHg浓度(“生物稀释效应”)。这些发现以及相关机理性的解释提高了我们对土壤-水稻体系中MeHg动态变化的理解,并且进一步证明了通过生物炭施加来降低汞矿区MeHg作物富集的可能性。由于秸秆生物炭制作成本较高,实际应用于矿区稻田的可行性有待研究。为了进一步探索生物炭对矿区作物MeHg富集影响的长期效果,我们沿用上述水稻盆栽土壤,继续开展小麦-水稻轮作盆栽试验。结果表明,生物炭施用对矿区水稻和小麦的MeHg富集具有不同的影响。特别地,秸秆生物炭施用能够使得麦谷中MeHg浓度升高(48-84%),而依旧使得稻米中MeHg浓度下降(63-88%)。这可能是由于小麦和水稻种植环境条件的不同(如水稻需要淹水环境)。该研究结果进一步证明,施用秸秆生物炭有可能在较长时期内持续地、显著地降低稻米对MeHg的富集。这表明在汞矿区稻田通过施用秸秆生物炭来降低当地居民对MeHg的暴露风险具有一定的可行性。