《农田生态系统调查》PPT课件.ppt

农田生态系统地球化学调查与评价 (研究文献综述读书报告) 2006年5月 内容提要 一、绪论绪论 地球化学应用于农业研究的发展简史 及调查研究的主内容 二、农田生态系统中元素的地球化学分布 三、农田系统中元素的来源及其迁移转化规律 (一)元素分布的来源及成因 (二)元素的迁移转化规律及作用机制 (三)元素迁移转化结果富集贫化的判断方法 四、农田系统重金属污染程度评价 五、重金属元素的生物有效性研究 (一)元素有效性的概念及含义 (二)生物有效性的研究方法 (三)元素有效性研究的相关问题讨论 六、农田生态系统调查研究中存在的问题 一、绪论绪论 ：地球化学应用于农业研究的发 展简史 Webb于1964年在爱尔兰等国的研究中发现，以花岗岩为母质的水 系沉积物和土壤中的Co含量与食用该区草料的羊和牛的消瘦具有相关 性(Webb，1964)，为此，他提出了“多目标地球化学填图”的观点， 从而揭开了全世界范围内地球化学应用于农业领域研究的序幕。 在60、70、80年代，农业生态地球化学调查主要是调查田间条件 下，土壤中微量元素的丰缺对人和动物健康的影响。美国地质调查局 (USGS)于上世纪70年代和80年代在联邦国土布置1000个采样点，调查 土壤、表层沉积物、植物和不同作物中的元素总量，这在当时将农业 地球化学的调查研究推向了高潮（Jeffrey等，1999） 一、绪论绪论 ：地球化学应用于农业研究的发 展简史 在这一时期，环境地球化学一直集中于某些元素 （Cu, Co,Se,等）的不足和某些元素（Mo, Cd, Zn Pb 和As）的过量研究 。同时，通过调查研究发现，微量 元素的养分供给与其存在的化学形态有直接的关系。 因此，开始了土壤中植物必需微量元素的有效态含量 与植物生长关系的研究，用不同的化学提取剂分析元 素的存在形态及提取元素的有效态的方法开始出现。 如1979年Tessier等提出了六步七项提取方案，1978 年，Lindsay and Norvell提出了一种目前被广泛接受 的微量元素提取方法，即用0.05 M DTPA提取元素的 有效态。 一、绪论绪论 ：地球化学应用于农业研究的发展简 史 随后的研究中，有效态含量是生态地球化学填图 中的一个重要指标，国际粮农组织（FAO）曾在这方 面开展了一个非常宏大的项目，调查的目的是为了在 世界范围内查明微量营养元素不足的区域及生态条件 。调查中，在30个国家（包括中国）共采集7488个土 壤和作物样品，分别用DTPA和EDTA提取Cu、Fe、 Mn和Zn的有效态含量，同时分析土壤理化特征，如 粒度分布、CEC、pH、EC、有机炭等，随后定量研 究微量营养元素对作物产量的影响（Jeffrey等，1999 ）。 一、绪论：地球化学应用于农业研究的发展简史 1991年在瑞典召开了主题为“90年代的环境 地球化学与健康”的第二届环境地球化学年 会，评价了多目标地球化学调查在农业和 野生动植物营养中的应用，并预测了这种 调查在未来研究中的优势。 实践表明，随着分析技术水平的不断提高，地球化 学在以下方面的研究中具有不可取代的优势： (i) 提供元素在岩石、土壤、植物中的背景或基准 含量；(ii) 提供元素空间分布信息； (iii) 通过提高分析测试技术，尤其是对土壤中化学 元素的 特征和矿物形态的分析；提供元素地球化 学控制因素信息； (iv) 在以上基础上，对“岩石土壤植物动物” 中微量营养必需元素和植物毒性元素的溶解性、生 物有效性及其迁移转化途径和作用机理提供地球化 学数据。 农田生态系统调查研究的主要内容 1、元素在农田系统中的分布、分配特征； 2、元素在农田系统中的迁移转化规律； 3、异常元素的来源及成因； 4、污染程度评价； 5、生态效应研究； 6、生态地球化学预警模型的建立 农田系统中元素的来源及其迁移转化规律 ：元素分布的来源及成因 一、元素分布的自然源 土壤中的微量元素大部分来源于 岩石的风化，元素在土壤系 统中的含量可通过其在母质 的含量来进行预测，也即母 质是元素分布最重要的控制 因。Araki and Kyuma (1985)根据土壤矿物组成，将 其分成四种类别 。 农田系统中元素的来源及其迁移转化规律 ：元素分布的来源及成因 二、元素分布的人为来源 农田生态系统中，人类活动强烈地改变着元 素在土壤中的分布，存在着许多影响元素分布 的人为源因素，如Nicholson et al.（2003） 列出了英格兰和威尔士输入农业土壤重金属的 污染源清单，它们包括：大气沉降、污泥、动 物肥料、无机肥料和石灰、农用化学品、灌溉 水、工业 三废以及复合肥料。对于农田生态系 统，影响比较严重的因素是农用化学品的施用 。 图8 部分元素在农业土壤和非农业土壤中表层与深层含量对比图 （注：为p0，则表示该元素富集 ，反之，富5Cd,ZnMo,Se,Sr,Te,V 富Fe的氧化条件5无Cd,Zn 还原条件5Se,MoCd,Zn,Cu,Mn,Pb,Sr 含H2S的还原条件5无Mn,Sr 不同土壤条件下元素的生物有效性 元素有效性研究的相关问题讨论 3、元素的有效性与其成因的关系 土壤中重金属元素的形态强烈地依赖于它们的来源，微 量元素的成因影响它们在土壤中的行为，从而在一定 程度上控制着生物有效性（Kabata-Pendias，2004） 。来源于母质的元素不是存在于原生矿物中，就是存 在于化学风化的次生矿物中。成土过程中形成的微量 元素主要存在于土壤固相组分中，它们大部分被粘土 矿物固定和土壤有机质(SOM)络合，因而其生物有效 性不高。而人为源元素主要以活动态存在于土壤表面 ，因此，污染地区的重金属较非污染地区有较大的溶 解性 。 表4 土壤中元素的成因对其地球化学行为的影响 元素 成因 赋存载体形态存在形态生物有效性 母质矿物固定固体残留态非常弱 成土 过程 粘土矿物，土壤有机质和 氧化物 固体 被粘土矿物、土壤有 机质和氧化物固定 弱 人为 源 土壤有机质及土壤颗粒表 面 固体离子交换态 和螯合态较高 成土 过程 和 人为 源 简单 或复合离子流体易溶态高 （引自Kabata-Pendias2004） 元素有效性研究的相关问题讨论 4、有效性随时间演化的一般倾向 有证据表明，以活动态存在于土壤表面的人为源元素， 主要被吸附在土壤颗粒的外表面或以内表面配位体形 式存在（Wolfgang et al.，1998），并随着时间的延 长逐渐向稳定态转化。Han 等通过实验研究发现，人 为加入到土壤中的元素很快被土壤吸收，并缓慢地在 土壤各固相组分中进行分配，并逐步过渡到类似于非 污染土壤的稳定形态 。 污染元素的这种随时间演化的作用给元素的有效性研究 赋予时间的含义 图1 Cu, Pb和Cd元素的存在形态随时间演化的规律 （注：图中符号为：FeOx-铁铝氧化物, OM-在机质, WS-土壤溶液, EXC-可交换态, EDTA-EDTA提取态, ERMn-易还原锰）（引自Ma et al.,1998）。 元素有效性研究的相关问题讨论 5 生物有效性指示物的选择 在环境地球化学研究中用生物富集系数作为衡量元素生 物有效性大小的指标，其计算公式为： 对有害重金属元素来说，生物富集系数越大，毒性越高 。在同在同样的生长条件下，不同物种对重金属元素 的富集能力不同，如Cd的毒性和物种有关，通过试验 ，高粱和黄瓜是对Cd敏感的作物，可用来作为Cd毒性 的指示作物 。 元素有效性研究的相关问题讨论 但对于同一作物来说，其生长的不同部位具有不同的富集能 力。植物吸收重金属的量依赖于：(i)元素在土壤溶液中的 相态和含量；(ii)元素从土壤向根部表面迁移的能力； (iii) 从根表面向根内部迁移；(iv) 由根向芽迁移(Manomita et al.,2004)。金属离子从污染土壤向食物链迁移要受到“土 壤植物”障的制约 。 Brun等在研究受Cu污染的土壤时，以玉米作为指示物，结 果发现，根中的Cu含量与EDTA、DTPA和醋酸铵提取量 具明显的正相关性。但无论根中的含量如何，地上部分的 含量均相对较低。因此，玉米地上部分的含量与根中的积 累量没有多少联系。受污染的土壤中，Cu主要积累在根 部，只有有限部分向地上迁移 。 元素有效性研究的相关问题讨论 因此，选择作物的不同部位作为元素有效性的指示物可 能会得出不同的结果。如Cu元素在根部有明显积累， 但并没有向地面迁移，若以地上部分作为指标物，可 能会得出该土壤中Cu元素生物有效性低的结论，而事 实上，Cu元素具有较高的生物可利用组分，只是作物 的根阻止了其向地上部分迁移，但这并不表明该元素 没有生物有效性。实践中，可以考虑从不同的层次来 研究有效性问题，一方面从元素的存在形态方面研究 其生物有效性，另一方面，从植物对有害元素的吸收 富集角度研究其毒性，同时还要考虑不同的物种及同 一作物的不同部位。 农田生态系统调查研究中存在的问题 1、缺少土-水-植物系统中元素迁移转化机制的研 究 农田生态系统中，发生元素在土-水-植物系统中的迁移转化。岩石风 化形成的化学元素是土壤中元素的主要来源，除此之外，各种人 类活动，尤其是农业生产管理活动向农田系统中输入大量的重金 属元素，这些元素或是被土壤吸附，或是进入土壤溶液被作物吸 收，还有的向土壤深部渗透进入地下水。在这些迁移转化过程中 ，土壤-水-植物系统的迁移转化直接关系到作物对重金属的吸收 和积累。但在农田生态系统调查中，还没有建立起元素在该系统 内的循环演化模型，对重金属元素从土壤-水-植物根系-植物体进 行迁移的机理研究不够。 农田生态系统调查研究中存在的问题 2、植物的生态效应研究程度不够 同一植物对不同元素的吸收能力不同。元素的毒性效应 多在盆栽试验中研究，缺少农田实践资料。很多研究 人员对农田土壤的污染程度进行调查，并有相应的标 准，如地质积累指标Igeo5即为高度污染(Mller， 1981) ；EF5为明显污染，大于40为极度污染 (Sutherland(2000），但这样的污染对作物会产生何 种程度的影响缺乏研究，在污染的土壤中，农作物对 污染元素的利用程度以及作物的不同部位对该种元素 的积累效应还缺乏系统的研究。 农田生态系统调查研究中存在的问题 3、研究方法多样，有些概念含糊，结果不便于对比。 作为一门新兴的学科，环境地球化学出现了大量的名词术语，但在 应用上有些不太规范，如前文所述的地球化学背景一词。另外， 对同一问题的研究方法各异，而研究方法的规范和标准又不统一 ，如质量标准值的确定，元素存在形态的分析方法等，使得研究 结果不便比较。 4、调查成果的表示方法欠缺，数据处理薄弱。 在多目标、多介质的地球化学调查中，具有海量的分析数据，如何 从大量的数据中提取尽可能多的地球化学信息，并用直观的图示 方法表示出来，是调查研究的关键性环节。如何将微观的规律通 过宏观的图示或参数方法表示出来还非常不够。 农田生态系统调查研究中存在的问题 5、污染指示物及污染指标的选择不一 通常是用土壤中的重金属元素总量作为评价污染的指标。但真正具 有环境生态含义的是指以溶解态、可交换态等有效态部分 。从生 物有效性的角度，用偏提取法所提取的部分含量更适于作为评价 指标。但提取剂的选择标准不统一。 即使是同一污染指示物，如土壤，由于分析的粒度不同而产生了不 同的评价