我国农业环境研究中值得关注的几个科学问题

我国农业环境保护研究经历30余年的发展,在许多方面已取得显著的成就。但随着全球化环境保护问题的出现,我国农业环境研究面临越来越严峻的挑战。因此,需要发展农业环境科学。在此背景下,本文提出我国农业环境研究中值得关注的4个科学问题:不同尺度条件下农业污染物的时空变异、有毒有害物质的生物有效性与植物毒性、以污染农田生态修复或安全生产为目标的功能作物物种选育与作物种植结构调整以及农业产地禁产区"边生产、边修复、边监测"的综合防治途径,并对以上4个科学问题的国内外研究现状进行了综述,在此基础上探讨了其今后的发展趋势。

地震震后的生态环境保护与新农村建设问题

四川汶川县2008年5月12日发生8级强烈地震,造成严重的生态破坏,突显震后的生态环境保护与新农村建设问题。本文从震后灾区生态环境保护的意义、地震灾后伴随的环境灾难问题进行了综述,并在此基础上提出了灾后重建的九点建议。

地震引发的有毒有害物质泄漏及其对生态环境的潜在危害

四川汶川县2008年5月12日发生8级强烈地震,造成严重的生态破坏,可能引发灾区有毒有害物质泄漏。本文在综述国外有关地震灾后有害物质泄漏及其对环境影响的基础上,探讨了四川地震引发的有害物质泄漏可能给当地带来的生态环境危害,提出了4条应对措施。

利用AMMI模型分析稻米镉含量的基因型与环境互作效应

以湖南推广种植的10个早稻和8个晚稻品种为基因型材料,在安全区、轻微度和轻度污染区选择4个试验点进行试验,通过AMMI模型研究基因型与环境互作效应对稻米Cd积累量及其稳定性的影响。结果表明:土壤Cd污染程度和生长季节对稻米的Cd积累量均有显著影响,污染区晚稻品种的稻米Cd超标率明显高于早稻;基因型对早稻稻米的Cd含量具有极显著影响,因而可通过选择种植稻米含量低且遗传稳定性好的低积累品种来降低稻米的Cd积累量;环境对晚稻稻米Cd积累量的影响占主导效应,可通过分析品种地点的互作效应来确定低积累品种的适宜推广区域。稳定性参数Di值的计算明晰了稻米Cd积累量的稳定性,对于正确指导低积累品种的推广应用具有重要意义。

二氧化碳联合螯合剂强化向日葵修复铜污染土壤研究

【目的】以向日葵为研究材料,探讨其在CO2浓度升高条件下修复铜(Cu)污染土壤的效率以及对比CO2与螯合剂联合诱导下向日葵对铜污染土壤修复效率的差异,并筛选出对CO2浓度升高响应显著的品种,以期为利用植物修复铜污染土壤提供数据支撑。【方法】在设置两个CO2浓度的人工气候室内(正常浓度370μmol/mol和升高浓度800μmol/mol),采用完全随机设计的盆栽土培试验,通过5个不同品种的向日葵,向铜污染水平为100mg/kg的土壤上施加不同浓度EDTA和DTPA,研究CO2浓度与螯合剂联合施用对向日葵修复铜污染土壤效率的影响。【结果】1)不同螯合剂用量对铜污染土壤的浸提效果显著不同,根据螯合剂浸提土壤铜的高含量低毒性效应,选取EDTA 3 mmol/kg土和DTPA 5 mmol/kg土作为螯合剂的施加剂量。2)施入螯合剂后,CO2浓度升高一定程度上缓解了向日葵的失绿、失水,增加了食葵3号和阿尔泰2号的总生物量,但降低了食葵4号和阿尔泰1号的总生物量。3)在相同CO2浓度下,加入螯合剂后明显提高土壤p H值,且DTPA处理的增幅明显高于EDTA处理。CO2浓度升高处理虽对土壤p H值有影响,但CO2施肥与不施肥处理间五个品种的土壤p H值无显著差异。4)试验选用的5个品种中,食葵4号、阿尔泰1号在CO2浓度升高后,向日葵地上部蓄铜量明显降低;食葵3号、油生引2号在CO2浓度升高后,向日葵地上部蓄铜量略有升高;阿尔泰2号在二氧化碳浓度升高后,向日葵地上部蓄铜量明显升高。CO2与DTPA 5 mmol/kg土联合施用,5个品种向日葵茎叶内铜含量较对照增加239%646%;铜蓄积量较对照增加230%362%。二氧化碳与EDTA 3 mmol/kg联合施用时,EDTA的活化作用未达到最佳效果,对5个品种向日葵茎、叶内铜含量的影响不一致。【结论】CO2浓度升高一定程度上可以增强向日葵的抗性。在100 mg/kg铜污染土壤上,阿尔泰2号对二氧化碳浓度升高的反应最敏感,同时二氧化碳与螯合剂联合施用时,螯合剂可能是影响土壤p H值变化的主要因子。在铜污染水平为100 mg/kg的土壤上,与EDTA施用量为3 mmol/kg土相比,5mmol/kg土的DTPA与CO2联合施用的修复效果更好。

田间条件下不同钝化材料对玉米吸收镉的影响研究

选取4种钝化材料(赤泥、海泡石、钙镁磷肥和磷矿粉)开展田间试验,研究它们对玉米吸收镉与土壤有效态镉的影响。结果表明,除海泡石外,施用其他3种钝化材料均能促进玉米生长,增加玉米叶、茎与籽粒的重量。4种钝化材料都能降低玉米对镉的吸收,其中:高量赤泥(用量1.5%)能明显降低玉米茎、叶片及籽粒中镉的含量,较对照分别降低60.6%、33.6%与49.3%;高量钙镁磷肥(用量900kg·hm-2)明显降低玉米籽粒中镉含量,较对照降低57.4%。4种钝化剂明显降低土壤EDTA提取态镉、DGT提取态镉的含量。其中,高量海泡石处理的EDTA提取态镉含量最低,高量赤泥次之;高量赤泥处理的DGT提取态镉含量最低。本试验结果表明,1.5%用量的赤泥是最佳的功能钝化材料。

生物炭-锰氧化物复合材料吸附砷(Ⅲ)的性能研究

以生物炭为对照,采用吸附试验,考察了炭-锰复合材料和生物炭对砷(Ⅲ)的吸附性能,应用Langmuir、Freundlich方程和吸附动力学方程分析了其对砷(Ⅲ)的吸附特征,并结合不同时间、吸附剂加入量及p H条件下对砷的吸附效果来探讨其吸附性能。结果表明,生物炭与炭-锰复合材料对砷(Ⅲ)的吸附均较迅速,在30 min内对砷(Ⅲ)的吸附即可达到最大,且吸附过程较符合准二级动力学方程(R2>0.99)。利用粒子分散模型进行拟合,发现炭-锰复合材料和生物炭吸附过程符合多过程吸附模型,炭-锰复合材料对砷的吸附能力明显提高,最大吸附容量从11.41 mg·g-1(生物炭)增加到20.08 mg·g-1(炭-锰复合材料),其吸附机制可能是炭-锰复合材料中的锰氧化物增加了复合材料表面的吸附位点;p H在3~7的范围内对复合材料吸附砷的影响作用不大。实验结果表明,炭-锰复合材料是一种很有发展前景的功能吸附材料。

基于梯度薄膜扩散技术的广西环江流域桑田土壤中铅的生物有效性研究

梯度薄膜扩散技术(Diffusive gradients in thin-films,DGT)是一种原位连续环境采样和测量方法,自20世纪90年代中期被报道以来,一直以固态结合相采集和测量水体、沉积物和土壤中有效态重金属,目前液态结合相的DGT多应用于水体中金属离子的检测。分别采用固态结合相(chelex100)和改进的液态结合相(sodium polyacrylate,PAAS)的DGT装置,对广西桑田土壤中有效态Pb进行了累积和测定。简单分析结果表明,两种装置提取的土壤有效态Pb含量与桑树老叶和嫩叶中的Pb含量都呈极显著相关关系,改进的PAAS-DGT装置对土壤中有效态Pb的提取能力更强。融合土壤pH、阳离子交换量(CEC)、有机质(OM)和土壤颗粒组成等理化指标影响,运用多元统计分析,建立了逐步回归模型。多元统计分析表明,两种结合相的DGT技术所构建的回归模型是可靠的,其调整判定系数R2adj分别为0.87、0.89、0.96和0.95,且预测结果融合了影响土壤有效态Pb含量的pH、CEC、有机质和土壤质地等主要因素。研究结果表明两种结合相的DGT装置均能较好预测桑田土壤中Pb的生物有效性,拓展了DGT技术的应用范围。关键词:梯度扩散薄膜技术(DGT);聚丙烯酸钠(PAAS);铅(Pb);生物有效性;桑田;

水稻镉离子流速的基因型差异及其与镉积累量的关系研究

为了研究水稻镉(Cd)积累量与其流速之间的关系,采用非损伤微测技术对四种基因型水稻根系不同部位和根茎维管束组织中的镉离子(Cd2+)流速进行了测定。结果表明,根系不同部位的Cd2+流速存在显著差异,伸长区的Cd2+流速显著大于根冠,根毛区和根毛,且在基因型间存在明显差异。根系伸长区维管束组织的最大Cd2+流速比其表皮细胞的流速大1倍以上,基因型间的差异较小。茎秆维管束组织中的Cd2+流速在基因型间的差异非常显著,T优705各部位的Cd2+流速都明显大于其他品种,且稳定性较好,致使其根系和地上部的Cd积累量也显著大于其他品种。根茎维管束组织中的Cd2+流速能够准确地反映不同水稻品种转运和积累Cd的潜力。

土壤-甘蔗作物系统中镉的生物有效性研究

采用田间调查及ICP-MS等技术手段结合,在广西采集田间甘蔗和甘蔗根际土,分别用乙酸(HAc)、乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)、氯化镁(MgCl2)3种化学提取方法和梯度扩散薄膜技术(DGT)提取甘蔗根际土中有效态镉(Cd)含量,研究其与甘蔗根、叶和茎中Cd含量之间的关系。简单相关分析表明,4种方法提取的有效态Cd含量都与甘蔗根和茎中Cd含量显著相关,但DGT的相关性优于化学提取方法。综合土壤pH、阳离子交换量(CEC)、有机质(OM%)和土壤颗粒组成等理化指标对土壤有效态Cd含量的影响,运用多元统计分析,确定两种主成分因子,建立了多元回归模型。结果表明,DGT技术模型融合了影响土壤Cd生物有效性的主要因子,预测结果几乎不受本研究所选取的土壤基本理化指标影响,因而是一种预测Cd生物有效性的较好方法。

基于梯度薄膜扩散技术评估黑麦草吸收Cd的研究

分别采用固态结合相(Chelex100)和液态结合相(聚丙烯酸钠,PAAS)的梯度薄膜扩散技术(DGT)对盆栽黑麦草实验中的土壤有效态Cd进行了提取,结果表明2种不同结合相的DGT技术提取的土壤有效态Cd含量与黑麦草地上部和地下部的Cd含量都呈显著相关关系,其相关系数分别为0.90,0.89(Chelex100-DGT)和0.90,0.87(PAAS-DGT).运用多元统计分析方法研究土壤pH值、阳离子交换量(CEC)、有机质(OM)和土壤颗粒组成等理化指标的影响,提取出2种主成分因子,建立逐步回归模型.第1主成分与OM和黏粒组成之间呈显著相关,定义为代表土壤中影响重金属生物有效性的"有机指标",第2主成分则土壤pH值和CEC相关程度较高,定义为代表土壤中影响重金属生物有效性的"无机指标".研究表明Chelex100-DGT和PAAS-DGT技术均能较好预测黑麦草对Cd的吸收,且包含了土壤理化性质的影响.

放射性核素污染土壤修复标准的若干问题

随着我国核武器试爆基地逐步对外开放、铀矿勘探和采冶活动增加以及越来越多的铀矿退役,放射性核素污染场地的治理与修复问题已初露端倪。无论是用物理、化学、生物还是工程的方法修复放射性核素污染场地,土壤修复标准或基准的制定始终是要解决的关键问题之一。虽然近年国际上有关放射性核素污染土壤修复的基础理论研究和应用研究进展很快,但放射性核素污染土壤修复标准的建立相对滞后,有待达成统一认识。而在我国,基本上没有人开展过相应的专项研究。为推动我国有关放射性核素污染土壤修复标准的建立,本文对建立放射性核素污染土壤修复标准的必要性、放射性核素污染土壤修复标准的内涵与分类、国外放射性核素污染土壤修复标准等进行了回顾与讨论,首次提出放射性核素污染土壤修复标准或基准应包括三重含义,即放射性核素污染土壤的剂量/比活度标准(第一层次)、放射性核素污染土壤的生物多样性标准(第二层次)和美学标准(第三层次)。

微生物砷甲基化及挥发研究进展

砷(As)是一种全球关注的有毒元素。在自然环境中,砷主要以无机形态存在。环境微生物对无机砷的甲基化及挥发对砷的生物地球化学循环有重要影响。利用微生物砷挥发来削减土壤砷浓度,是具有应用前景的土壤修复技术。本文综述了砷甲基化机理、砷甲基化基因起源和进化的最新进展,不同物种之间砷甲基化基因的水平转移是该基因传播的主要途径;阐述了目前报道的砷甲基化过程的几种可能机制。鉴于微生物砷甲基化在生物地球化学循环及环境健康方面的重要作用,该综述对未来该领域研究有重要指导意义。

一株富集铯的微生物及其在植物修复中的应用

利用一株分离自重金属污染土壤的伯克霍尔德菌（Burkholderia）,研究其对放射性核素铯的耐性、富集,并在水培籽粒苋（Amaranthus cruentus L）并接种伯克氏菌,研究接种伯克氏菌对籽粒苋生长和吸收铯的影响。结果表明：伯克氏菌D54在铯浓度达到50 mmol.L-1的培养基中能正常生长,含铯1 mmol.L-1的100 mL液体培养基中接种1%活化菌液培养3 d后,收集到0.173 7 g干重菌体,菌体铯的质量分数达到45 mg.g-1,培养基中铯的去除率达58.77%。接种伯克氏菌促进籽粒苋生长,在Cs浓度分别为0、200、500、1 000μmol.L-1条件下,籽粒苋地上部的生物量分别增加30.91%,9.29%,42.71%,74.50%,根的干物质量分别增加36.01%、62.89%、55.17%、63.50%。籽粒苋的根、茎、叶中铯含量分别增加27.94%~43.58%、14.9~34.51%、6.31%~11.48%。接种伯克氏菌籽粒苋的耐受指数（TI%）增加11%~28%,生物富集率（BR）增加5%~9%。

CO_2浓度升高对农作物品质影响的研究进展

农作物品质受农作物遗传发育特征和环境因素的双重影响。在相似的遗传背景条件下,CO2浓度持续升高影响农作物中碳水化合物合成、有益和有害元素吸收的权重逐渐加大,从而引发所谓的"隐形饥饿"和农产品卫生品质下降。本文在回顾国内外有关CO2浓度升高影响农作物中碳水化和物合成、有益和有害成分吸收研究的基础上,结合本团队近年的研究结果,提出:随着产地环境污染由局部向整体扩延,CO2浓度持续升高对农作物卫生品质的潜在影响不断加剧,包括增加或减少农作物对有毒有害物质的吸收;强化农作物对土壤中有益或有害物质的非均衡吸收等。本文还对比了目前国内外CO2浓度升高对农作物品质影响研究的常用手段与方法,并对相关研究结果的差异进行了分析,着重指出这一研究方向今后工作的重点。

玉米对重金属胁迫的响应及其在植物修复中的应用

综述了玉米作为潜在植物修复材料对单一和复合重金属污染的胁迫响应及其机理、各种辅助措施(接种菌根,添加螯合剂,适当农艺措施等)促进玉米对重金属的修复效率等,提出了玉米用于重金属污染修复存在的问题及今后的研究方向。

不同来源生物黑炭特性对比及其在农业环保中的应用

生物黑炭是生物有机体转化的稳定性碳物质,作为土壤添加剂近年来在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复等方面具有广阔的应用前景。虽然近年国际上对生物黑炭的农业应用研究进展很快,但关于不同来源生物黑炭理化性质的调控及其在农业环境保护方面的应用研究还不够深入,未达成统一认识。而我国在该领域的研究才刚刚起步。为推动我国生物黑炭农业应用技术的开展,文章从生物黑炭的来源、不同生物炭理化特性的对比,及其在农业环境保护中的应用等方面进行了综述与探讨,并对生物黑炭的开发和利用存在的潜在问题和今后的研究热点进行了简要的展望,以期为我国发展低碳农业和循环农业提供依据和参考。

CO_2浓度升高对重金属污染下稻米品质影响的研究进展

目前研究CO2浓度升高对农作物的影响主要集中在光合作用、生理生态反应和产量形成等方面,对重金属污染胁迫下CO2浓度升高对水稻生长发育和品质影响的研究甚少。本文通过详述Cu、Cd等重金属污染条件下,CO2浓度升高对水稻生长发育及稻米品质的影响,揭示重金属污染条件下CO2浓度升高影响Cu、Cd在土壤-水稻系统中的运移状况及其稻米营养品质方面的相关机制,为CO2浓度持续升高背景下复合污染农田风险评估、农产品安全调控提供科学依据,也对于预测未来气候条件下人类稻米品质变化及水稻品种的选育意义重大。

杨树和柳树富集Cd、Zn、Pb的品种差异性

利用土培试验,以14个杨树和柳树(Populus,Salix babylonica)品种为材料,研究了Cd、Zn、Pb复合污染对不同杨树、柳树品种生物量、重金属含量和总吸收量、富集系数(BCF)和转运系数(TF)的影响。结果显示,杨树、柳树在叶、茎、根生物量、株高、重金属含量和总吸收量、BCF和TF上均存在显著的品种差异,随着土壤重金属含量的增加,杨树、柳树重金属含量和总吸收量显著增加,BCF显著降低,TF变化不明显。南林895(Populus×euramericana(Dode)cv.‘Nanlin-895’)、61-1(Salix jiangsuensis CL.‘61-1’)和795(Salix jiangsuensis CL.‘795’)重金属含量较高,重金属含量最高的61-1叶片Cd和Zn的含量分别达到29.23、1410mg·kg-1,但这些品种耐性较低,生物量较小。综合考虑生物量和重金属含量,61-1和南林95(Populus×euramericana(Dode)cv.‘Nanlin-95’)重金属总吸收量较高,富集能力较强,富集能力最强的南林95叶片Cd和Zn的总吸收量分别达到205.62、5897.94μg·株-1。61-1和南林95是有潜力的修复材料。

大麦中镉的亚细胞分布和化学形态及PCs合成的基因型差异

为探明不同基因型大麦对镉耐性和转运能力差异，选取大麦耐镉品种华10118和敏感品种华2255进行水培试验，比较不同镉处理下大麦根系和地上部中镉的亚细胞分布和化学形态的差异，并研究了根系和叶片中PCs含量对镉转运能力的影响。结果表明：华10118对镉的转运能力较差，地上部镉含量较低；镉在两个大麦品种中主要分布于细胞壁和胞液中，基本各占35％-44％，细胞器占5％-26％，华2255的细胞器组分中镉含量显著大于华10118，可能是华2255耐镉性差的原因。两个基因型大麦根系中的镉以醋酸提取态为主，而地上部中以NaCl提取态最多；华2255的乙醇提取态、去离子水提取态和NaCl提取态的镉含量较高，可能是其对镉转运能力较强和耐受性差的原因。华2255根系和叶片中的PC2和PC3含量都显著高于华10118，根系合成较多的Pc：和PC，有助于镉从根部向地上部的转运。