重金属污染对稻田土壤有机碳矿化、秸秆分解及温室气体排放的影响

摘要

稻田土壤固碳和温室气体(GHGs)减排在应对气候变化的农业可持续发展中起着重要的作用。随着我国工矿业的快速发展，农田重金属污染面积日益扩张，其中水稻主产区的稻田污染较为严重。重金属污染通过对土壤生物化学过程的影响，改变了有机碳的形态和生物活性，进而影响到稻田土壤碳氮的循环和温室气体排放的改变。以往研究多侧重于添加重金属的实验室培养试验而缺乏对长期重金属污染稻田土壤的原位研究。本论文结合室内培养与田间试验，分析重金属污染对稻田土壤有机碳矿化、秸秆分解及GHGs排放的影响，以期为污染稻田土壤水稻可持续生产和固碳减排提供科学的依据或参考资料。
　　本文通过对文献资料的搜集，运用整合分析的方法研究重金属污染土壤有机碳氮含量的变化。选择了浙江富阳(FY)、江西德兴(DX)、江西大余(DY)、广东大宝山(DBS)、湖南郴州(CZ)和湖南株洲(ZZ)等6个样点的污染稻田土壤，分析重金属污染对土壤有机碳矿化特征的影响及其与微生物活性的关系。并以污染严重的DBS样点为例，通过布设田间网袋分解试验和室内培养矿化试验，探讨了重金属污染稻田土壤中水稻秸秆的分解特点以及温室气体排放特征。并分别在DBS和DY样点监测了重金属污染稻田土壤GHGs的排放量。主要研究结果如下:
　　1、重金属污染显著降低土壤有机碳和全氮含量的5.9和22.0％，但因土地利用和污染源类型的不同而表现相反的结果。农田生态系统中，污染土壤有机碳和全氮含量显著增加;相反，污染土壤有机碳和全氮含量在自然生态系统中显著下降。虽然旱地土壤有机碳和全氮含量在重金属污染下显著增加，但稻田土壤有机碳含量无显著变化，全氮含量显著下降。土壤有机碳和全氮含量的降低主要归因于工矿业来源的重金属污染，因为污水污泥和堆肥施用污染的土壤有机碳和全氮含量分别升高了21.7和61.2％。
　　2、重金属污染对稻田土壤有机碳矿化的影响依样点条件不同而存在差异。DBS样点的低污染和ZZ样点的高污染土壤基础呼吸和有机碳矿化率显著上升，但FY、DX和DY样点的有机碳矿化率呈现出下降的趋势，土壤基础呼吸则在DY样点显著降低，其他样点无显著的变化。土壤微生物活性的分析结果表明，DX、DY、DBS和ZZ样点的污染土壤微生物商显著下降，而代谢商显著升高，FY和CZ样点则表现出相反的趋势。因子分析和多元线性回归分析的结果显示，土壤有机碳的矿化不仅受到重金属污染的影响，同时也受到土壤有机质、pH和粘粒含量等因素的影响。因此重金属污染会降低微生物对有机碳的利用效率，进而影响到土壤有机碳矿化的特征，但这种影响也依土壤性质的变化而变化。双指数模型拟合的结果表明，重金属污染的酸性土壤中稳定态有机碳的平均驻留时间显著增加了26-234％，而不稳定态有机碳受到的影响较小。
　　3、田间网袋分解试验结果表明，水稻秸秆在重金属污染稻田中的分解受到了显著的抑制。在重金属含量较低的参照稻田中，参照和污染水稻秸秆有机碳的相对分解率分别为29和22％。在重金属污染水平较高的稻田中，参照和污染水稻秸秆有机碳的相对分解率则分别为14和15％。污染稻田中水稻秸秆分解残体中的Pb、Cd、Cu和Zn较初始含量分别提高了4.7-5.5、2.4-4.0、8.1-42.5和6.9-22.1倍，而参照稻田中水稻秸秆分解残体中的Pb、Cd、Cu和Zn较初始含量分别提高了2.5-3.1、0.9-1.2、1.9-4.1和1.2-3.3倍。说明在重金属污染的稻田中，短期内秸秆分解对土壤中重金属的吸附固定作用，可能会进一步抑制秸秆的分解。
　　4、室内培养试验结果表明，重金属污染改变了水稻秸秆分解过程中土壤温室气体的产生过程。污染土壤中秸秆分解产生的CO2和CH4量较参照土壤中秸秆分解的生成量显著下降了21和79％，并且这种影响主要来自于污染秸秆。虽然秸秆添加处理的土壤N2O生成量显著低于未添加秸秆的处理，但污染土壤中秸秆分解产生的N2O量显著的高于参照土壤中秸秆分解的N2O生成量，这种影响来自于土壤和秸秆重金属污染的叠加效应。通过计算3种GHGs的全球增温潜势(GWP)发现，污染土壤中秸秆分解的GWP比参照土壤中秸秆分解的GWP增加了80％，这主要来自于土壤N2O生成量增加的贡献。因此，重金属污染可以从土壤和水稻秸秆两方面影响土壤中温室气体的生成。与参照秸秆比较，污染秸秆中的生物可利用碳含量下降。
　　5、田间监测结果表明，重金属污染对稻田土壤GHGs的排放量有显著的影响。DBS和DY样点污染稻田土壤的N2O排放量分别增加了138和58％，土壤的CH4排放量则分别增加了107和70％。与N2O和CH4不同，重金属污染稻田土壤的CO2排放量在DBS和DY样点分别下降了19和14％。通过计算三种GHGs在100年尺度上的GWP，DBS样点污染稻田土壤GWP显著增加了20％，DY样点则显著增加了9％。DBS样点污染稻田土壤GWP的增加主要来自于CH4排放量的增加，DY样点则主要来自于N2O排放量的增加。DBS样点污染土壤较高的重金属离子累积强度，使得其对GHGs排放的影响高于DY样点。DBS和DY样点稻田土壤GHGs排放的差异，还与两个样点的土壤性质、微生物活性以及田间管理措施有关。
　　综上所述，重金属污染抑制了稻田土壤有机碳矿化和水稻秸秆分解，降低土壤的CO2排放，但提高了土壤N2O的排放和温室气体的综合效应。因此，重金属污染下稻田土壤温室气体排放变化可能成为水稻可持续生产、固碳减排、防制重金属农产品污染和生态功能稳定的严峻挑战。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 文献综述

1．1 农田重金属污染

1．1．1 农田重金属污染来源

1．1．2 中国农田重金属污染状况

1．1．3 重金属污染对植物生长的影响

1．1．4 重金属污染对粮食安全健康的影响

1．2 农田土壤有机碳库与温室气体的排放

1．2．1 农田土壤有机碳库

1．2．2 农田温室气体的排放

1．3 重金属污染对土壤微生物的影响

1．3．1 土壤微生物生物量

1．3．2 土壤微生物群落结构

1．3．3 土壤酶活性

1．4 重金属污染对土壤有机质和植物残体分解的影响

1．4．1 土壤有机质形态和矿化特征

1．4．2 植物残体分解

1．4．3 土壤有机质含量

1．5 重金属污染对土壤CO2、CH4和N2O排放的影响

1．6 研究目的、内容及技术路线

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

1．6．3 技术路线

第二章 重金属污染对土壤有机碳和全氮含量的影响

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 数据搜集

2．2．2 变量分组

2．2．3 整合分析方法

2．2．4 数据分析统计

2．3 结果与分析

2．3．1 土壤有机碳和全氮对重金属污染的响应

2．3．2 自然生态系统和农田生态系统

2．3．3 不同来源重金属污染

2．4 讨论

2．5 小结

第三章 重金属污染稻田土壤有机碳的矿化特征

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 土壤样品的采集与分析

3．2．2 土壤重金属的测定及评价指标

3．2．3 土壤微生物生物量碳和氮的测定

3．2．4 土壤有机碳矿化的培养试验

3．2．5 有机碳矿化模型

3．2．6 数据统计与分析

3．3 结果与分析

3．3．1 土壤基本性质和重金属含量

3．3．2 土壤有机碳矿化

3．3．3 土壤不稳定态碳库和稳定态碳库

3．3．4 土壤微生物生物量、微生物商和代谢商

3．3．5 有机碳矿化与土壤性质、微生物活性的关系

3．4 讨论

3．5 小结

第四章 重金属污染稻田水稻秸秆的分解特征

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验田概况与田间管理

4．2．2 土壤与秸秆样品的采集和分析

4．2．3 网袋分解试验

4．2．4 数据计算与统计分析

4．3 结果与分析

4．3．1 分解过程中水稻秸秆有机碳、全氮和C／N的变化

4．3．2 分解过程中水稻秸秆Pb、Cd、Cu和Zn含量的变化

4．3．3 分解过程中水稻秸秆有机碳与重金属含量的相关性

4．4 讨论

4．5 小结

第五章 重金属污染水稻秸秆分解过程土壤温室气体排放变化

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 研究点概况

5．2．2 土壤与秸秆样品的采集与分析

5．2．3 室内培养试验

5．2．4 数据计算与统计分析

5．3 结果与分析

5．3．1 污染秸秆分解培养中土壤CO2、CH4和N2O产生动态及总生成量

5．3．2 污染秸秆分解培养中土壤温室气体的GWP

5．3．3 污染秸秆分解培养中土壤微生物生物量的变化

5．3．4 污染秸秆中易矿化态碳及DOC含量

5．4 讨论

5．5 小结

第六章 重金属污染对稻田土壤温室气体排放量的影响

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 研究地概况

6．2．2 水稻种植与田间管理

6．2．3 温室气体的田间监测

6．2．4 土壤样品的采集与分析

6．2．5 土壤酶活性的测定

6．2．6 数据计算与统计分析

6．3 结果与分析

6．3．1 土壤重金属污染状况

6．3．2 土壤温室气体排放量的变化

6．3．3 土壤温室气体的排放总量及全球增温潜势

6．3．4 土壤微生物生物量和酶活性

6．4 讨论

6．4．1 重金属污染对稻田土壤温室气体排放的影响及农业碳管理的重要性

6．4．2 土壤性质和田间管理措施对温室气体排放的影响

6．5 小结

第七章 综合讨论、全文结论、创新点及不足

7．1 综合讨论

7．2 全文结论

7．3 创新点

7．4 研究不足与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢