CN116539844B - 一种探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法 - Google Patents
一种探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法，它涉及一种揭示稻蟹共作稻田底泥PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法。本发明的目的选择菲作为典型代表性PAHs，构建实验微宇宙系统，基于在蟹类扰动作用下，分别考察菲在稻田底泥‑根际土的化学迁移和物理迁移特征，探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律。方法：一、构建实验微宇宙系统；二、化学迁移；三、物理迁移；四、数据分析与质量控制。优点：本发明首次建立起一套同时揭示稻蟹共作稻田底泥‑根际土PAHs化学和物理迁移规律的研究方法，将为污染物在农业水土环境中相关迁移方式和迁移过程的探究提供研究方法依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种揭示稻蟹共作稻田底泥PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法。
背景技术
稻蟹综合种养殖模式是将农业水稻栽培技术与水产养殖技术相结合的一种复合型农业生产方式。在稻蟹共作农田系统中，区别于其他环境中污染物的静态自然迁移，其典型的突出特点是存在蟹生物扰动作用这一动态干扰因素。蟹类生物扰动作用可改变底泥理化性质进而影响底泥中多环芳烃(PAHs)的化学性迁移。其可利用能量和物质流动将底泥中的内源性污染物PAHs通过水层-底栖耦合界面被二次重新释放到上覆水中，加速底泥与上覆水的PAHs通量交换。同时，含有PAHs的底泥颗粒可在蟹类搬运和掘穴等活动下发生物理性迁移，致使含有PAHs的底泥颗粒发生局部位移变化。由上述蟹类扰动作用所引起的PAHs在底泥中的化学性和物理性迁移，将致使稻蟹共作农田系统中PAHs的污染状况呈现出“源”与“汇”的叠加效应，导致PAHs由底泥迁移至水稻根际部位，最终将对水稻的生长发育产生致命威胁，造成严重的生物富集生态风险。然而，关于污染物在底泥/沉积物的迁移规律探究大都集中在海洋、河口、近海岸和浅海水域，鲜有针对稻蟹共作系统中在蟹类生物扰动作用下PAHs的迁移规律进行探究。同时，常规对于污染物在环境中的迁移行为大多以污染物的浓度结果进行表征，忽略了污染物在迁移过程中的具体迁移形式探究，尤其是对所涉及的化学性迁移和物理性迁移未进行有效区分，相关迁移机制内在机理尚不明确。因此，有效理清相关PAHs化学性和物理性迁移规律将对稻蟹共作绿色农业的高质量和可持续发展具有重要意义，也将为研究相关污染物在农业生产种植场景下的迁移归趋方法提供有效借鉴与参考。
发明内容
本发明目的选择菲作为典型代表性PAHs，构建实验微宇宙系统，基于在蟹类扰动作用下，分别考察菲在稻田底泥-根际土的化学迁移和物理迁移特征，探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律。
一种探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、构建实验微宇宙系统：组建实验微宇宙系统，实验微宇宙系统设有A区和B区两个区域，A区和B区之间以隔网隔开，A区设置含有菲和荧光砂混合的稻田底泥，荧光砂用以模拟含有菲的污染物底泥颗粒；B区设置未受菲污染的稻田底泥，并种植水稻；实验共计设置2组，分别命名为蟹扰动组和无蟹扰动组，在蟹扰动组中A区放置蟹，而无蟹扰动组A区不放置蟹，实验总周期为60d；
二、化学迁移：蟹扰动组和无蟹扰动组的A区和B区之间设置的隔网在实验期间不打开，蟹扰动组内蟹将通过生物扰动作用改变A区底泥理化性质，从而影响底泥菲向根际土的化学迁移行为；实验周期设置30d，在实验过程中，采集A区底泥、B区水稻根际土样品以及实验微宇宙系统内上覆水样品；设置采样周期为10d，共计采集3次；实验结束后，分别测定底泥与根际土粒度、总有机碳、阳离子交换量和氧化还原电位理化性质指标变化特征及菲赋存含量，以及上覆水溶解性有机碳浓度和上覆水菲浓度，揭示蟹类扰动下PAHs在底泥-根际土的化学迁移规律；
三、物理迁移：化学迁移探究结束后，将蟹扰动组和无蟹扰动组的A区和B区之间设置的隔网打开，使蟹扰动组内A区蟹能够自由进入B区，进而使蟹的活动区域扩展至B区，含有荧光砂的土壤颗粒将会受蟹类生活行为影响发生位置变化，以模拟蟹类物理搬运过程。隔网打开后，实验周期设置为30d；实验进行中，采集B区水稻根际土样品；设置采样周期为10d，共计采集3次；利用荧光示踪技术，考察蟹类扰动下底泥颗粒物迁移至根际土的过程，采集水稻根际土，拍摄水稻根际处荧光砂赋存状态图像并测定根际土荧光砂数量，揭示以土壤颗粒物为载体的PAHs在稻蟹共作稻田底泥-根际土中的物理迁移规律；
四、数据分析与质量控制；对步骤二和步骤三得到的实验数据采用单因素方差法进行分析，并运用Origin8.6软件对数据进行图像处理，所有实验均采用三组平行数据分析，得出在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律，样品菲回收率在82％～98％之间。
本发明创新点与优点：本发明通过研究蟹类扰动下稻田底泥与根际土的理化性质变化及底泥土壤颗粒物的搬运过程，首次凭借化学迁移与物理迁移途径揭示PAHs在稻蟹共作稻田底泥-根际土中的迁移规律。其中，将稻田底泥与根际土的理化性质变化与相应底泥-根际土菲含量建立数量关系，揭示影响PAHs在底泥-根际土化学迁移的因素；同时，利用荧光砂与底泥混合的方式，通过将荧光砂颗粒类比为含PAHs的底泥土壤颗粒，模拟蟹类搬运过程，定量和定性的可视化揭示底泥PAHs的物理迁移途径。综上，该方法首次建立起一套同时揭示稻蟹共作稻田底泥-根际土PAHs化学和物理迁移规律的研究方法，将为污染物在农业水土环境中相关迁移方式和过程探究提供研究方法依据，也为未来相关农业水土环境修复技术的研发奠定前期基础。
附图说明
图1是实施例1中稻蟹共作实验微宇宙系统装置结构示意图；
图2是实施例1中蟹扰动组底泥与根际土沙粒粒度占比变化柱形图；
图3是实施例1中无蟹扰动组底泥与根际土沙粒粒度占比变化柱形图；
图4是实施例1中蟹扰动组底泥与根际土TOC浓度变化柱形图；
图5是实施例1中无蟹扰动组底泥与根际土TOC浓度变化柱形图；
图6是实施例1中蟹扰动组底泥与根际土CEC值变化柱形图；
图7是实施例1中无蟹扰动组底泥与根际土CEC值变化柱形图；
图8是实施例1中蟹扰动组底泥与根际土ORP值变化柱形图；
图9是实施例1中无蟹扰动组底泥与根际土ORP值变化柱形图；
图10是实施例1中蟹扰动组底泥与根际土Phe浓度变化柱形图；
图11是实施例1中无蟹扰动组底泥与根际土Phe浓度变化柱形图；
图12是实施例1中上覆水DOC浓度与Phe浓度的拟合相关性分析图；
图13是实施例1中水稻根系处荧光砂的紫外剖面图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、构建实验微宇宙系统：组建实验微宇宙系统，实验微宇宙系统设有A区和B区两个区域，A区和B区之间以隔网隔开，A区设置含有菲和荧光砂混合的稻田底泥，荧光砂用以模拟含有菲的污染物底泥颗粒；B区设置未受菲污染的稻田底泥，并种植水稻；实验共计设置2组，分别命名为蟹扰动组和无蟹扰动组，在蟹扰动组中A区放置蟹，而无蟹扰动组A区不放置蟹，实验总周期为60d；
二、化学迁移：蟹扰动组和无蟹扰动组的A区和B区之间设置的隔网在实验期间不打开，蟹扰动组内蟹将通过生物扰动作用改变A区底泥理化性质，从而影响底泥菲向根际土的化学迁移行为；实验周期设置30d，在实验过程中，采集A区底泥、B区水稻根际土样品以及实验微宇宙系统内上覆水样品；设置采样周期为10d，共计采集3次。实验结束后，分别测定底泥与根际土粒度、总有机碳、阳离子交换量和氧化还原电位理化性质指标变化特征及菲赋存含量，以及上覆水溶解性有机碳浓度和上覆水菲浓度，揭示蟹类扰动下PAHs在底泥-根际土的化学迁移规律；
三、物理迁移：化学迁移探究结束后，将蟹扰动组和无蟹扰动组的A区和B区之间设置的隔网打开，使蟹扰动组内A区蟹能够自由进入B区，进而使蟹的活动区域将扩展至B区，含有荧光砂的土壤颗粒将会受蟹类生活行为影响发生位置变化，以模拟蟹类物理搬运过程。隔网打开后，实验周期设置为30d；实验进行中，采集B区水稻根际土样品；设置采样周期为10d，共计采集3次；利用荧光示踪技术，考察蟹类扰动下底泥颗粒物迁移至根际土的过程，采集水稻根际土，拍摄水稻根际处荧光砂赋存状态图像并测定根际土荧光砂数量，揭示以土壤颗粒物为载体的PAHs在稻蟹共作稻田底泥-根际土中的物理迁移规律；
四、数据分析与质量控制；对步骤二和步骤三得到的实验数据采用单因素方差法进行分析，并运用Origin8.6软件对数据进行图像处理，所有实验均采用三组平行数据分析，得出在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律，样品菲回收率在82％～98％之间。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中组建实验微宇宙系统具体操作如下：选取长65cm，宽45cm，高35cm的塑料材质长方箱体作为微宇宙装置主体；再采用隔网分隔成两个区域，A区和B区；稻田底泥取自于黑龙江省哈尔滨市东北农业大学农业区内土层深度为0～20cm的浅层土壤，采集后的土壤去除石块、木屑后混合均匀并在自然条件下风干过60目筛；含有菲和荧光砂混合的稻田底泥是采用人工染毒的方式对稻田底泥进行染毒，并老化30d，得到含菲稻田底泥，荧光砂先进行研磨并过20目筛，再将研磨后荧光砂与含菲稻田底泥混匀，得到含有菲和荧光砂混合的稻田底泥；所述含有菲和荧光砂混合的稻田底泥中菲的浓度为50mg/kg；所述含有菲和荧光砂混合的稻田底泥中荧光砂含量为50mg/kg；将含有菲和荧光砂混合的稻田底泥置于A区，正常的稻田底泥置于B区，且A区的含有菲和荧光砂混合的稻田底泥与B区正常稻田底泥的质量相等，再添加有机肥料，其营养元素质量配比为N:P:K＝1:0.5:0.3；供试水稻采用具有优良性状的龙粳系列种子先期在人工气候室内进行培育，培育至分蘖拔节期时，在B区按照间隔为3cm进行移栽，每穴6株，共计8穴，分列B区两排，然后实验微宇宙系统静置稳定培养1d；实验开始前，向蟹扰动组A区投放蟹类2只，所述蟹类选取体态均匀、鲜活健硕的中华绒螯蟹，单体平均重量为26g～32g，单体平均体积约为280cm3～340cm3；中华绒螯蟹在投入微宇宙系统前进行投食喂养7d以适应微宇宙环境，相应无蟹扰动组A区不再投放蟹，作为无蟹扰动的对照实验组；系统灌溉用水选取自来水作为水稻生长所需上覆水，每天均向系统内定期灌水，始终保持装置内上覆水水层高度为10cm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二中采集A区底泥、B区水稻根际土样品以及实验微宇宙系统内上覆水样品，设置采样周期为10d，共计采集3次；B区根际土样取样方法为先将水放干，除去表层泥，将根系带泥挖出，以附着在根系上1.8mm～2.2mm范围内的土壤作为根际土，取3～5株水稻的根际土，混合得到B区水稻根际土样品；A区底泥样品采用三点取样法取表层深度0～4cm处底泥，得到A区水稻根际土样品；A区水稻根际土样品和B区水稻根际土样品经冷冻干燥以及研磨过筛步骤后，进行相应指标测试；上覆水样品采集后利用直径为0.22μm水系滤膜进行过滤前处理，而后放置于3℃的恒温冰箱中冷藏保存待测；底泥、根际土和上覆水中菲浓度采用气相色谱仪/质谱仪测定；底泥和根际土理化性质指标分别采用激光粒度分析仪测定粒度，采用平板式水质-土壤理化性质检测仪测定阳离子交换量和氧化还原电位，采用TOC分析仪测定样品中总有机碳和上覆水中溶解性有机碳浓度。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤三中采集B区水稻根际土样品，设置采样周期为10天，共计采集3次；B区根际土样取样方法为先将水放干，除去表层泥，再将根系带泥挖出，以附着在根系上1.8mm～2.2mm范围内的土壤作为根际土，取3～5株水稻的根际土，然后利用UV紫外灯照射根际土获得荧光砂在根际土分布图像；再将3～5株水稻的根际土混合，经冷冻干燥以及研磨过筛步骤后，利用体式显微镜统计根际土荧光砂数量。其他与具体实施方式一至三相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
采用下述试验验证本发明效果：
实施例1：一种探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、构建实验微宇宙系统：组建实验微宇宙系统，实验微宇宙系统设有A区和B区两个区域，A区和B区之间以隔网隔开，A区设置含有菲和荧光砂混合的稻田底泥，荧光砂用以模拟含有菲的污染物底泥颗粒；B区设置未受菲污染的稻田底泥，并种植水稻；实验共计设置2组，分别命名为蟹扰动组(DG组)和无蟹扰动组(BLK组)，在蟹扰动组中A区放置蟹，而无蟹扰动组A区不放置蟹，实验总周期为60d；
二、化学迁移：蟹扰动组和无蟹扰动组的A区和B区之间设置的隔网在隔网不打开，蟹扰动组内蟹将通过生物扰动作用改变A区底泥理化性质，从而影响底泥菲向根际土的化学迁移行为；实验周期设置30d，在实验过程中，采集A区底泥、B区水稻根际土样品以及实验微宇宙系统内上覆水样品；设置采样周期为10d，共计采集3次。实验结束后，分别测定底泥与根际土粒度、总有机碳(TOC)、阳离子交换量(CEC)和氧化还原电位(ORP)理化性质指标变化特征及菲赋存含量，以及上覆水溶解性有机碳(DOC)浓度和上覆水菲(Phe)浓度，揭示蟹类扰动下PAHs在底泥-根际土的化学迁移规律；
三、物理迁移：化学迁移探究结束后，将蟹扰动组和无蟹扰动组的A区和B区之间设置的隔网打开，使蟹扰动组内A区蟹能够自由进入B区，进而使蟹的活动区域将扩展至B区，含有荧光砂的土壤颗粒将会受蟹类生活行为影响发生位置变化，以模拟蟹类物理搬运过程。隔网打开后，实验周期设置为30d；实验进行中，采集B区水稻根际土样品；设置采样周期为10d，共计采集3次；利用荧光示踪技术，考察蟹类扰动下底泥颗粒物迁移至根际土的过程，采集水稻根际土，拍摄水稻根际处荧光砂赋存状态图像并测定根际土荧光砂数量，揭示以土壤颗粒物为载体的PAHs在稻蟹共作稻田底泥-根际土中的物理迁移规律；
四、数据分析与质量控制；对步骤二和步骤三得到的实验数据采用单因素方差法进行分析，并运用Origin8.6软件对数据进行图像处理，所有实验均采用三组平行数据分析，得出在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律，样品菲回收率在82％～98％之间。
实施例1步骤一中组建实验微宇宙系统具体操作如下：选取长65cm，宽45cm，高35cm的塑料材质长方箱体作为微宇宙装置主体；再采用隔网分隔成两个区域，A区和B区；稻田底泥取自于黑龙江省哈尔滨市东北农业大学农业区内土层深度为0～20cm的浅层土壤，采集后的土壤去除石块、木屑后混合均匀并在自然条件下风干过60目筛；含有菲和荧光砂混合的稻田底泥是采用人工染毒的方式对稻田底泥进行染毒，并老化30d，得到含菲稻田底泥后，荧光砂先进行研磨并过20目筛，再将研磨后的荧光砂与含菲稻田底泥混匀，得到含有菲和荧光砂混合的稻田底泥；所述含有菲和荧光砂混合的稻田底泥中菲的浓度为50mg/kg；所述含有菲和荧光砂混合的稻田底泥中荧光砂含量为50mg/kg；将含有菲和荧光砂混合的稻田底泥置于A区，正常的稻田底泥置于B区，且A区的含有菲和荧光砂混合的稻田底泥与B区的正常的稻田底的质量相等，再添加有机肥料，其营养元素质量配比为N:P:K＝1:0.5:0.3；供试水稻采用具有优良性状的龙粳系列种子先期在人工气候室内进行培育，培育至分蘖拔节期时在B区按照间隔为3cm进行移栽，每穴6株，共计8穴，分列B区两排，然后实验微宇宙系统静置稳定培养1d；实验开始前，向蟹扰动组A区投放蟹类2只，所述蟹类选取体态均匀、鲜活健硕的中华绒螯蟹，单体平均重量为26g～32g，单体平均体积约为280cm3～340cm3；中华绒螯蟹在投入微宇宙系统前进行投食喂养7d以适应微宇宙环境，相应无蟹扰动组A区不再投放蟹，作为无蟹扰动的对照实验组；系统灌溉用水选取自来水作为水稻生长所需上覆水，每天均向系统内定期灌水，始终保持装置内上覆水水层高度为10cm。
实施例1步骤二中采集A区底泥、B区水稻根际土样品以及实验微宇宙系统内上覆水样品，设置采样周期为10d，共计采集3次；B区根际土样取样方法为先将水放干，除去表层泥，将根系带泥挖出，以附着在根系上1.8mm～2.2mm范围内的土壤作为根际土，取4株水稻的根际土，混合得到B区水稻根际土样品；A区底泥样品采用三点取样法取表层深度0～4cm处底泥，得到A区底泥样品；A区底泥样品和B区水稻根际土样品经冷冻干燥以及研磨过筛步骤后，进行相应指标测试；上覆水样品采集后利用直径为0.22μm水系滤膜进行过滤前处理，而后放置于3℃的恒温冰箱中冷藏保存待测；底泥、根际土和上覆水中菲浓度采用气相色谱仪/质谱仪测定；底泥和根际土理化性质指标分别采用激光粒度分析仪测定粒度，采用平板式水质-土壤理化性质检测仪测定阳离子交换量和氧化还原电位，采用TOC分析仪测定样品中总有机碳和上覆水中溶解性有机碳浓度。
实施例1步骤三中采集B区水稻根际土样品，设置采样周期为10天，共计采集3次；B区根际土样取样方法为先将水放干，除去表层泥，再将根系带泥挖出，以附着在根系上1.8mm～2.2mm范围内的土壤作为根际土，取4株水稻的根际土，然后利用UV紫外灯照射根际土获得荧光砂在根际土分布图像；再将4株水稻的根际土混合，经冷冻干燥以及研磨过筛步骤后，利用体式显微镜统计根际土荧光砂数量。
图1是实施例1中稻蟹共作实验微宇宙系统装置结构示意图；如图1所示，实施例1中实验微宇宙系统设有A区和B区两个区域，A区和B区之间以隔网隔开。
图2是实施例1中蟹扰动组底泥与根际土沙粒粒度占比变化柱形图；图3是实施例1中无蟹扰动组底泥与根际土沙粒粒度占比变化柱形图；图4是实施例1中蟹扰动组底泥与根际土TOC浓度变化柱形图；图5是实施例1中无蟹扰动组底泥与根际土TOC浓度变化柱形图；图6是实施例1中蟹扰动组底泥与根际土CEC值变化柱形图；图7是实施例1中无蟹扰动组底泥与根际土CEC值变化柱形图；图8是实施例1中蟹扰动组底泥与根际土ORP值变化柱形图；图9是实施例1中无蟹扰动组底泥与根际土ORP值变化柱形图；图10是实施例1中蟹扰动组底泥与根际土Phe浓度变化柱形图；图11是实施例1中无蟹扰动组底泥与根际土Phe浓度变化柱形图；如图2至图12所示，在BLK组中，底泥与根际土各理化性质指标变化幅度较小。但在DG组中，蟹生物扰动作用显著改变了A区底泥理化性质(p<0.05)。对比水稻根际土，经蟹扰动作用后，呈现底泥砂粒粒度百分比含量减少，TOC浓度、CEC值和ORP值增大的特点。在DG组中，底泥砂粒百分含量占比介于62.42％～60.38％，较根际土平均降低9.64％；TOC浓度数值介于0.98mg/kg～3.61mg/kg，较根际土平均增大43.63％；CEC数值介于1.62cmol/kg～1.90cmol/kg，较根际土平均增大12.53％；ORP数值介于220mV～342mV，较根际土平均增大38.52％。总体而言，蟹扰动作用对上述底泥理化性质的改变程度较根际土大，这直接促进了底泥Phe向上覆水中的二次释放。
图12是实施例1中上覆水DOC浓度与Phe浓度的拟合相关性分析图；如图12所示，在DG组中，因受蟹生物扰动作用影响，底泥最大Phe浓度为21.30mg/kg，其向上覆水释放的最大浓度可达33.02ng/L。而在上覆水中，由于Phe浓度与DOC浓度的线性相关性为r2＝0.94(p<0.05)，即二者的强相关性关系表明受蟹生物扰动作用影响，底泥Phe将不断被释放至上覆水中，致使含有Phe的DOC随上覆水介质扩散至水稻种植B区，致使水稻根际处Phe浓度升高，其最大值可达16.52mg/kg。由BLK组的数据可知，在无蟹类扰动时，其水稻根际处菲浓度仅有4.04mg/kg。相比较DG组而言，蟹类生物扰动作用促使底泥理化性质改变所引起的Phe从底泥向根际土迁移的浓度是无蟹生物扰动的4.09倍，揭示了生物扰动作用对稻蟹共作底泥PAHs迁移的重要影响性。实施例1揭示了Phe在稻蟹共作稻田底泥-根际土中的化学迁移规律与影响机制。
图13是实施例1中水稻根系处荧光砂的紫外剖面图；如图13所示，基于荧光砂示踪技术，模拟Phe在稻田底泥中因蟹生物扰动作用发生的物理迁移行为。实验结束后，依据荧光砂踪迹判定DG组蟹类在底泥中的竖向扰动范围为0～8cm，水稻根际处的荧光砂浓度介于0.01mg/kg～10.15mg/kg。相对BLK组而言，由于没有蟹类扰动作用影响，未在水稻根际处荧光砂踪迹，以此证实了蟹对PAHs的物理搬运作用。同时，水稻根系的紫外荧光砂剖面图像也为监测和模拟蟹扰动情况下PAHs的迁移路径提供了一种可视化方法。
综合上述：得出了如下在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移的规律与影响机制。蟹生物扰动作用显著改变了底泥理化性质，促使底泥粒度砂粒占比减少，TOC浓度、CEC值和ORP值增大。且蟹生物扰动作用对底泥理化性质的改变程度较根际土大，这直接促进了Phe在底泥向上覆水的二次释放，最终致使根际土Phe浓度达16.52mg/kg，揭示了PAHs在稻蟹共作稻田底泥-根际土中的化学迁移规律。同时，基于荧光砂示踪技术，成功模拟了Phe在稻田底泥中因蟹类生物扰动作用发生的物理迁移行为，得出蟹对底泥颗粒的搬运作用所导致水稻根际处的荧光砂浓度最高达0.15mg/kg。且水稻根系的紫外荧光砂剖面图像也为监测和模拟蟹扰动情况下PAHs的迁移路径提供了一种可视化方法。综合上述蟹扰动作用下PAHs的化学迁移和物理迁移情况，得出PAHs的化学迁移是稻蟹共作农田系统中的主要迁移方式。
Claims (3)
1.一种探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：
一、构建实验微宇宙系统：组建实验微宇宙系统，实验微宇宙系统设有A区和B区两个区域，A区和B区之间以隔网隔开，A区设置含有菲和荧光砂混合的稻田底泥，荧光砂用以模拟含有菲的污染物底泥颗粒；B区设置未受菲污染的稻田底泥，并种植水稻；实验共计设置2组，分别命名为蟹扰动组和无蟹扰动组，在蟹扰动组中A区放置蟹，而无蟹扰动组A区不放置蟹，实验总周期为60d；
步骤一中组建实验微宇宙系统具体操作如下：选取长65cm，宽45cm，高35cm的塑料材质长方箱体作为微宇宙装置主体；再采用隔网分隔成两个区域，A区和B区；稻田底泥取自于土层深度为0～20cm的浅层土壤，采集后的土壤去除石块、木屑后混合均匀并在自然条件下风干过60目筛；含有菲和荧光砂混合的稻田底泥是采用人工染毒的方式对稻田底泥进行染毒，并老化30d，得到含菲稻田底泥，荧光砂先进行研磨并过20目筛，再将研磨后荧光砂与含菲稻田底泥混匀，得到含有菲和荧光砂混合的稻田底泥；所述含有菲和荧光砂混合的稻田底泥中菲的浓度为50mg/kg；所述含有菲和荧光砂混合的稻田底泥中荧光砂含量为50mg/kg；将含有菲和荧光砂混合的稻田底泥置于A区，正常的稻田底泥置于B区，且A区的含有菲和荧光砂混合的稻田底泥与B区正常稻田底泥质量相等，再添加有机肥料，其营养元素质量配比为N:P:K＝1:0.5:0.3；供试水稻采用具有优良性状的龙粳系列种子先期在人工气候室内进行培育，培育至分蘖拔节期时在B区按照间隔为3cm进行移栽，每穴6株，共计8穴，分列B区两排，然后实验微宇宙系统静置稳定培养1d；实验开始前，向蟹扰动组A区投放蟹类2只，所述蟹类选取体态均匀、鲜活健硕的中华绒螯蟹，单体平均重量为26g～32g，单体平均体积约为280cm3～340cm3；中华绒螯蟹在投入微宇宙系统前进行投食喂养7d以适应微宇宙环境，相应无蟹扰动组A区不再投放蟹，作为无蟹扰动的对照实验组；系统灌溉用水选取自来水作为水稻生长所需上覆水，每天均向系统内定期灌水，始终保持装置内上覆水水层高度为10cm；
二、化学迁移：蟹扰动组和无蟹扰动组的A区和B区之间设置的隔网在实验期间不打开，蟹扰动组内蟹将通过生物扰动作用改变A区底泥理化性质，从而影响底泥菲向根际土的化学迁移行为；实验周期设置30d，在实验过程中，采集A区底泥、B区水稻根际土样品以及实验微宇宙系统内上覆水样品；设置采样周期为10d，共计采集3次；实验结束后，分别测定底泥与根际土粒度、总有机碳、阳离子交换量和氧化还原电位理化性质指标变化特征及菲赋存含量，以及上覆水溶解性有机碳浓度和上覆水菲浓度，揭示蟹类扰动下PAHs在底泥-根际土的化学迁移规律；
三、物理迁移：化学迁移探究结束后，将蟹扰动组和无蟹扰动组的A区和B区之间设置的隔网打开，使蟹扰动组内A区蟹能够自由进入B区，进而使蟹的活动区域扩展至B区，含有荧光砂的土壤颗粒将会受蟹类生活行为影响发生位置变化，以模拟蟹类物理搬运过程；隔网打开后，实验周期设置为30d；实验进行中，采集B区水稻根际土样品；设置采样周期为10d，共计采集3次；利用荧光示踪技术，考察蟹类扰动下底泥颗粒物迁移至根际土的过程，采集水稻根际土，拍摄水稻根际处荧光砂赋存状态图像并测定根际土荧光砂数量，揭示以土壤颗粒物为载体的PAHs在稻蟹共作稻田底泥-根际土中的物理迁移规律；
四、数据分析与质量控制；对步骤二和步骤三得到的实验数据采用单因素方差法进行分析，并运用Origin8.6软件对数据进行图像处理，所有实验均采用三组平行数据分析，得出在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律，样品菲回收率在82％～98％之间。
2.根据权利要求1所述的一种探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法，其特征在于步骤二中采集A区底泥、B区水稻根际土样品以及实验微宇宙系统内上覆水样品，设置采样周期为10d，共计采集3次；B区根际土样取样方法为先将水放干，除去表层泥，将根系带泥挖出，以附着在根系上1.8mm～2.2mm范围内的土壤作为根际土，取3～5株水稻的根际土，混合得到B区水稻根际土样品；A区底泥样品采用三点取样法取表层深度0～4cm处底泥，得到A区底泥样品；A区水稻底泥样品和B区水稻根际土样品经冷冻干燥以及研磨过筛步骤后，进行相应指标测试；上覆水样品采集后利用直径为0.22μm水系滤膜进行过滤前处理，而后放置于3℃的恒温冰箱中冷藏保存待测；底泥、根际土和上覆水中菲浓度采用气相色谱仪/质谱仪测定；底泥和根际土理化性质指标分别采用激光粒度分析仪测定粒度，采用平板式水质-土壤理化性质检测仪测定阳离子交换量和氧化还原电位，采用TOC分析仪测定样品中总有机碳和上覆水中溶解性有机碳浓度。
3.根据权利要求1所述的一种探究在稻蟹共作稻田底泥中PAHs化学迁移和物理迁移规律的方法，其特征在于步骤三中采集B区水稻根际土样品，设置采样周期为10天，共计采集3次；B区根际土样取样方法为先将水放干，除去表层泥，再将根系带泥挖出，以附着在根系上1.8mm～2.2mm范围内的土壤作为根际土，取3～5株水稻的根际土，然后利用UV紫外灯照射根际土获得荧光砂在根际土分布图像；再将3～5株水稻的根际土混合，经冷冻干燥以及研磨过筛步骤后，利用体式显微镜统计根际土荧光砂数量。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 孙楠等.稻蟹共作模式下生物对多环芳烃的富集机制.《东北农业大学学报》.2022,第53卷(第9期),80-89. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116539844A (zh) | 2023-08-04 |
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