木醋液/黑麦草联合对土壤重金属Cd的修复效果研究

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本试验针对河南省石灰性Cd污染土壤,常规的修复技术在该地区效果不好,为寻找可行的强化Cd污染土壤植物修复的方法,通过室内培养初步研究木醋液对石灰性Cd污染土壤的影响,设置9个不同稀释梯度木醋液添加处理,土壤培养后测定分析土壤理化性质、酶活性和Cd形态等指标,筛选出适合植物生长且对Cd有效果的木醋液稀释梯度。通过盆栽试验进一步研究木醋液强化黑麦草转运吸收Cd的差异机制,设置6个不同稀释梯度木醋液添加处理,测定黑麦草生理生化指标、转运富集系数、土壤酶活性和Cd形态以及微生物多样性等指标,计算出最终土壤Cd去除率。最后通过大田试验研究木醋液联合黑麦草对农田石灰性Cd污染土壤修复效果进行评估,设置4个不同稀释梯度木醋液添加处理,测定黑麦草生物量、转运富集系数、Cd积累量、土壤酶活性和Cd形态以及微生物多样性等指标,估算木醋液修复石灰性Cd污染土壤的可行性,以期为石灰性Cd污染土壤的实际修复提供一定的参考依据。本试验研究结果如下:(1)室内培养试验中,随木醋液浓度的升高,土壤pH逐渐降低,EC(除原液外)无明显变化。土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量较CK分别增加0.53%~66.64%、9.74%~96.10%、7.43%~56.64%、3.64%~30.87%。木醋液稀释100~10倍处理土壤脲酶活性、蔗糖酶活性和过氧化氢酶活性明显增加,而稀释5倍和木醋液原液处理土壤酶活性显著被抑制。土壤可交换态Cd含量除木醋液稀释5倍处理外较CK均显著升高,增加5.20%~72.40%。各处理Cd的碳酸盐结合态、铁锰氧化物态及有机物结合态含量较CK均升高,分别为3.33%~196.70%、6.07%~80.09%、20.09%~70.32%。Cd残渣态含量与CK相比均显著降低,降幅为8.03%~59.93%。(2)盆栽试验中,添加木醋液能够增加前两季黑麦草的生物量和光合作用,其生物量较CK分别增加了16.33%~51.79%、12.65%~55.33%。但随着木醋液添加量的增加,低浓度能够促进黑麦草生物量和净光合速率,高浓度能够抑制黑麦草的生物量和净光合速率,种植三季均为木醋液稀释100倍处理生物量最高,其光合作用主要是通过气孔因素改善,而其他处理光合作用主要是非气孔因素限制。木醋液的添加还能使石灰性污染土壤Cd胁迫对黑麦草体内抗氧化酶活性的诱导水平发生不同程度的变化,第一季仅稀释200倍处理较CK显著促进了SOD活性,为300.32 U·g-1,稀释100倍处理较CK显著促进了POD活性,为16949.33U·g-1;第二季和第三季SOD活性分别增加了24.52%~91.50%、21.33%~110.15%,POD活性分别增加了7.07%~139.89%、27.25%~93.97%。CAT活性在前两季较CK分别提高了9.61%~30.82%、20.74%~65.77%;在第三季收割后仅稀释200倍和稀释100倍处理显著促进了CAT活性,施加适当的木醋液会降低活性氧的积累,缓解Cd对黑麦草的毒害作用,尤其是稀释100倍处理具有较强的抗氧化系统清除自由基。另外,木醋液的施入能略微降低土壤pH,提高土壤酶活性。在一定范围内能够能提高黑麦草植株地上部Cd含量,分别增加了9.68%~37.90%、43.64%~124.07%、27.87%~109.84%,以提高其转运富集能力,最终木醋液和植物协同作用,使土壤中残渣态Cd向更易被植物吸收态Cd迁移转化,降低土壤Cd总量,提高土壤Cd去除率。添加木醋液还能影响土壤微生物多样性,与CK相比,各处理的细菌Shannon指数、Chao指数、Ace指数、Heip增加以及OTU种类数目的增加说明细菌的多样性和丰富度增加;各处理真菌的Simpson指数、Chao指数、Ace指数增加,Shannon指数和Heip指数降低,说明真菌的丰富度增加,其均匀度降低。从群落组成分析,木醋液稀释100倍处理提高了Gaiella、Bacillus及Gemmatimonadaceae等细菌群落结构组成,降低了真菌群落结构组成,而木醋液稀释50倍处理处理仅提高了Talaromyces、Clonostachys、Penicillium、Mortierella等真菌群落结构组成。(3)大田试验中,施加木醋液能够增加黑麦草的生物量,较CK两茬分别增加了34.25%~49.77%、17.98%~60.89%,由于本次试验种植黑麦草品种为一年生,第二茬黑麦草的生长能力减弱,其生物量明显下降,但依然高于CK。施加木醋液处理黑麦草地上部Cd含量两茬较CK上升幅度为16.77%~31.06%、23.46%~91.36%;根部Cd含量较CK分别增加了9.67%~17.23%、16.74%~34.23%。收割两茬黑麦草后,黑麦草地上部Cd积累量和转运富集系数较CK明显提高,其中地上部Cd积累量和富集系数两茬分别提高了48.98%~93.74%、8.81%~210.61%,36.51%~74.60%、24.39%~109.76%,均以木醋液稀释100倍处理最高;黑麦草的转运系数分别上升6.56%~10.38%、5.68%~47.73%,第一茬黑麦草的转运系数以木醋液稀释200倍处理最高,为0.20;第二茬转运系数以木醋液稀释100倍处理最高,为0.13。另外,随着木醋液施用量和浓度的增加会对土壤pH产生一定的影响,但由于本试验大田土壤本身pH较高并具有一定的缓冲能力,木醋液的施用并未使土壤酸碱性改变。木醋液还能降低两茬土壤中总Cd含量,促进土壤脲酶活性、蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性,提高土壤碳氮循环能力和自净能力,以增加土壤养分有效性和耐Cd能力,从而促进黑麦草生长。木醋液还能影响土壤微生物多样性,稀释100倍处理能够降低细菌和真菌的OTU种类数目;还能够增加Gaiella、Bacillus、Streptomyces、Nitrospira等细菌菌属的相对丰度,降低Talaromyces、Mortierella、Pyrenochaetopsis、Apiotrichum、Melarhizium、Fusarium、Dichotomopilus等真菌菌属的相对丰度。
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