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种植模式对重金属污染农业土壤的生态修复效益评价

作　者: 刘凯
导　师: 张健；杨万勤；吴福忠
学　校: 四川农业大学
专　业: 生态学
关键词: 种植模式铅锌镉污染土壤生态效益评价
分类号: X53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

重金属污染农田土壤修复的研究是污染土壤修复研究面临的难题之一。我国重金属污染农田土壤表现出大面积中轻度复合污染的特点,并且多数中轻度污染农业土地仍在进行农业生产活动。目前被普遍提倡的超积累植物修复技术,因其可能会影响正常的农业生产和经济利益,而难以适用于中轻度重金属污染农田土壤的治理。合理设计的农业间作和轮作的种植模式,也许能在保证农田正常生产和农产品安全性的前提下,实现对中轻度重金属污染农田土壤的修复。因此,本研究基于前期的区域调查结果,选择岷江下游五通桥区为研究地点,以当地普遍种植的四种典型农业种植模式为研究对象(S1：生姜—莴笋—莴笋,S2：玉米+红薯—小白菜,S3：玉米+生姜—茎用芥菜,S4：水稻),2009年2月—2010年1月期间,对四种种植模式影响下,土壤和作物中铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)的含量及变化,土壤—作物系统中Pb、Zn、Cd的迁移过程等进行了研究；简要分析了农产品食用部分的安全性及摄食模式中的农产品对人体健康危害的风险性；尝试采用有时序的灰色关联分析法,综合评价了四种农业种植模式对土壤Pb、Zn、Cd的清除能力、作物非食用部分对Pb、Zn、Cd的提取能力和农作物食用部分的安全性等方面的生态修复效益。结果如下：(1)四种农业种植模式影响下,土壤中Pb含量变化在S1-S3中表现为显著下降后基本持平的特点,S4中为显著下降,降幅依次为31.54%、10.71%、12.20%、14.17%；Zn含量变化在S1-S3中表现为显著下降后又显著上升的特点,S4中为显著下降(降幅35.98%)；Cd含量变化在S1-S3中表现为显著性下降后显著上升,再次显著下降的特点,在S4中为显著下降,降幅依次为24.77%、47.13%、56.84%、19.00%。每种模式中作物组成、作物种类的不同,作物对不同金属积累量的差异性,土壤肥力的影响、重金属随土壤水的迁移等可能是导致这种变化的主要原因。Zn含量的变化可能和从以化学磷氮肥为主改为以家禽粪便肥为主的农业施肥措施有关。(2)Pb在同种类型作物各器官中分配特征具有一致性,表现为：谷物作物(玉米、水稻)中为叶>茎>子实,根类作物(生姜、红薯)中为叶>茎>根,蔬菜作物(莴笋、小白菜、芥菜)中为根>叶和茎。Pb主要富集在作物非食用部分中,其积累量是食用部分的1.00-50.70倍；Zn的含量在作物各器官中的分配缺乏类似于Pb的一致性；Cd主要积累在作物的茎和叶中,其在谷物和根类作物中的分配特征和Pb相同,蔬菜作物中和Pb相反。不同模式中同种作物对各器官对Pb、Zn、Cd积累量存在差异性,这可能与土壤质地和污染程度,不同模式中的作物组成以及施肥措施的影响等有关。(3)应用生物积累系数(bioaccumulation factor, BAF)的分析表明,作物非食用部分的BAF和食用部分相比,谷物作物中Pb为12.78-50.70倍,Zn为1.76-7.54倍,Cd为5.46-19.38倍；根类作物中Pb为2.62-12.85倍,Zn为1.93-4.08倍,Cd为1.25-3.75倍；蔬菜作物中Pb为1.00-2.81倍,Zn为0.90-1.49倍,Cd为0.62-0.97倍。对作物食用部分安全性的分析表明,谷物中Pb、Zn、Cd含量低于相关标准限值或仅受到轻度污染,具有污染安全品种(pollution-safe cultivars, PSCs)的特征。除生姜、红薯、莴笋中Zn含量,S3中生姜Cd含量未超标或受到轻度污染外,根类和蔬菜作物受到的污染相对较严重,人体直接食用存在一定风险,但作为猪等家禽配合饲料使用是安全的。研究发现,玉米、水稻和S1中各作物对Zn具有一定的规避能力和较好的耐性。(4)对人体通过种植模式中的农产品日摄入污染物含量的初步估算发现,成年人日摄入Pb、Zn、Cd总量依次为2.86 mg/d、16.33 mg/d、0.34 mg/d,超过了WHO/FAO设定的成年人允许日摄入浓度的6.67、1.09、4.72倍。其中,通过蔬菜作物摄入的Pb、Zn、Cd含量所占比例最大,依次为83%、90%、62%。蔬菜食用部分重金属含量超标严重,是导致当地人从农产品中摄入重金属含量超标的主要原因。但由于农产品食用前的加工措施、人体对重金属的耐性和清除机制、农户对农产品的应用方式、农产品的市场交易和跨区域流动性,以及日常饮食的多样和良好的营养水平等多种措施,有效降低了重金属对当地人体健康的风险性。分析表明,四种种植模式用于修复重金属污染土壤时,其农产品的安全性是有一定保证的。(5)采用有时序的灰色关联分析法,对四种农业种植模式生态修复效益的综合排序结果为：S3>S2>S4>S1。分析认为,生长在丘陵地区的模式S3即表现出良好的生态修复效益,又具有良好的经济效益,因而能够得到当地农民的欢迎,从而得到推广应用,实现对岷江下游丘陵区中轻度重金属污染土壤可持续性、大面积的修复。生长在岷江下游冲积平原区的模式S1生态修复效益虽然相对较差,但由于其对Zn具有良好的规避能力和耐性,加之生姜良好的经济效益,可在Zn污染较严重又不能立即进行治理的岷江下游冲积平原区农田土壤上推广

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-12
前言  12-14
1 文献综述  14-37
  1.1 污染土壤生态修复研究  14-25
    1.1.1 污染土壤生态修复的理论内涵  14-18
    1.1.2 污染土壤生态修复的方法及其优化组合  18-21
    1.1.3 污染土壤生态修复效果评价的研究  21-22
    1.1.4 污染土壤生态修复方法的应用  22-24
    1.1.5 小结和展望  24-25
  1.2 综合评价方法研究  25-37
    1.2.1 综合评价的内涵  25-26
    1.2.2 综合评价的主要评价方法  26-37
2 研究背景和意义  37-39
3 研究内容  39
4 材料和方法  39-46
  4.1 研究区域概况  39-40
  4.2 种植模式及样地设置  40-41
  4.3 样品采集和预处理  41
  4.4 样品室内分析  41-43
    4.4.1 土壤理化性质分析  41-42
    4.4.2 重金属分析  42-43
  4.5 数据分析和评价模型  43-46
  4.6 统计分析软件和方法  46
5 结果  46-53
  5.1 土壤Pb、Zn、Cd含量的变化  46-47
  5.2 作物中Pb、Zn、Cd含量及分配特征  47-50
  5.3 土壤—作物系统中Pb、Zn、Cd的迁移特征  50-52
  5.4 人体通过种植模式中农产品日摄入Pb、Zn、Cd含量  52
  5.5 四种种植模式生态修复效益的综合评价  52-53
6 讨论  53-64
  6.1 土壤重金属含量变化及其影响因素  53-55
  6.2 土壤重金属污染评价  55-56
  6.3 农作物中重金属的含量特征  56-58
  6.4 农作物的污染评价及污染安全品种筛选  58-60
  6.5 人体日摄入Pb、Zn、Cd含量的安全性分析  60-61
  6.6 灰色关联分析法的选择及应用  61-62
  6.7 农业种植模式对重金属污染农业土壤的生态效益  62-64
7 结论  64-65
参考文献  65-79
致谢  79-80
攻读学位期间发表的学术论文目录  80

种植模式对重金属污染农业土壤的生态修复效益评价

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