不同投入模式下的农田土壤重金属累积效应及其风险模拟

The intensive agricultural region will be selected as the study areas on the issue of soil heavy metals contamination, and on the cumulative effects of heavy metals in farmland as well as on its risk simulation and controlling methods in different input models of agricultural factors. Based on the space-time dynamic model by combining GIS and SD model, a few main studies will be conducted in this project in terms of the perspective of system analysis of "process-effect". Specifically, this project will make some efforts as follows: 1) revealing the spatiotemporal rule of dynamic change, risk sources of soil heavy metals accumulation in farmland, and its processes; 2) simulating the cumulative risk of heavy metals in farmland under different input models of agricultural factors in different periods; 3) exploiting the sustainable input models of agricultural factors by integrating input models of agricultural factors and formation, mechanism and development of soil heavy metals risk, based on risk simulation, feedback and control of cumulative effects of soil heavy metals. This study will aim at providing the theoretical and methodological including risk assessment and early-warning of heavy metals in farmland with different input models of agricultural factors.

针对我国高集约化农区的土壤重金属污染问题，研究不同投入模式下的农田土壤重金属累积效应及其风险模拟与控制途径。从"过程-效应"的机制，通过系统动力学模型（SD）与GIS相结合的定量模拟方法，揭示不同投入模式下的农田土壤重金属累积的时空动态规律及其主要风险源和控制环节；模拟不同投入模式下土壤重金属在不同时间周期内的累积风险；将土壤重金属累积风险的形成、发生机理、发展规律及未来的演变趋势与土地投入模式相耦合，探索基于土壤重金属累积风险模拟、反馈和控制的可持续农田投入模式。旨在为我国高集约化农业生产模式下的区域农田土壤重金属累积风险评价、预警控制提供理论和方法依据。

本项研究针对我国高集约化农区的土壤重金属污染问题，研究不同投入模式下的农田土壤重金属累积效应及其风险模拟与控制途径。长期大量施用含重金属的有机肥会对蔬菜的生产造成十分严重的食品安全问题。如果有机肥施用不当，会对蔬菜造成亚硝酸盐、重金属超标问题及生物污染。本项研究以有机肥及重金属为核心，采用ICP-MS和同步辐射等方法重点研究不同有机肥投入模式对于蔬菜、土壤中重金属含量及形态的影响。通过大田和温室盆栽实验相结合，研究发：田间实验综合不同有机肥投入量对乌塌菜重金属含量和干重的影响得出:2534.6kg/亩（667m2）是一个最优施肥量。不仅增产显著且有效降低重金属在乌塌菜中的累积。采用同步辐射技术，表明施肥量增加能够降低乌塌中Zn3(PO4)2含量。施加各类有机肥可降低生菜根部大多数重金属的含量，其中1.5%猪粪和1.5%污泥肥的效果最显著。由于有机肥自身特点以及其对重金属较强吸附能力，长期施用累积在生菜中对食品安全影响极大。.在研究传统施肥方式的同时，本项研究还关注了新型纳米材料用于控制、缓解重金属污染问题。在该项研究中，我们使用纳米二氧化钛缓解重金属镉对水稻的毒理效应，研究表明纳米二氧化钛降低了镉对水稻的毒害作用。ICP-MS显示纳米二氧化钛降低了镉元素在植物体内的积累量，同时改变了植物体内抗氧化酶活性、叶绿素含量以及植物激素浓度。作为新型材料，在探究纳米材料应用的同时我们还较为全面评估了其对植物、土壤微生物的毒理效应。最后，我们还基于纳米材料自身优良性质探究了其在农业领域潜在的应用空间，包括作为高效肥料为植物生长提供养分，作为高效抗真菌剂，提升插花品质防止真菌侵染。.该项研究为我国高集约化农业生产模式下的区域农田土壤重金属累积风险评价、预警控制提供理论和方法依据。