生物炭对水稻-再生稻体系吸收土壤中Cd和Pb的影响

以矿区周边Cd—Pb复合污染的农田土壤为供试材料,设置0,2.5%和5%(w/w)3个生物炭添加处理,通过盆栽试验探讨生物炭对再生稻吸收土壤中Cd和Pb的影响。结果表明,生物炭施加提高土壤pH和有机质含量,使Cd和Pb从移动性较强的弱酸提取态转化为较稳定的可还原态,且土壤CaCl2提取的有效态Cd和Pb含量分别降低33.23%~53.23%和66.52%~91.45%。同时,生物炭抑制Cd在头季和再生季水稻叶到糙米中的迁移,降低Pb从茎到叶和糙米的迁移,从而减少Cd和Pb在糙米中的累积;在5%生物炭处理下,再生季糙米Cd含量为0.15mg/kg,低于食品安全国家标准限量值(0.2mg/kg);Pb含量比对照处理降低68.18%。此外,再生季糙米中Cd和Pb含量低于头季稻糙米中相应的含量。因此,生物炭可以抑制Cd和Pb在再生稻体内的累积,降低糙米的重金属污染风险。     

基于低场核磁共振的热风干燥猕猴桃切片含水率预测模型

为研究猕猴桃切片热风干燥过程中水分迁移规律,该试验通过对猕猴桃切片进行热风干燥,考察不同干燥温度(70、80、90℃)、切片厚度(3、4、5 mm)下的干燥特性。试验采用直接干燥法测定含水率,运用低场核磁共振技术(Low-Field Nuclear Magnetic Resonance,LF-NMR)分析热风干燥过程中猕猴桃切片内部水分分布状态与变化规律,建立动力学模型,验证并预测。结果表明:猕猴桃切片热风干燥开始为外部控制,随后属于内部扩散控制,水分有效扩散系数范围为1.58×10-7～4.18×10-7 m2/s,扩散效率随温度升高而增大。升高温度能显著提高猕猴桃干燥速率,可加快结合水、不易流动水以及自由水的迁移。自由水和结合水先于不易流动水发生变化,自由水含量在干燥前期逐渐下降,此过程中不易流动水和结合水含量均表现为先升高后降低的趋势。当自由水被脱除后,不易流动水和结合水含量依次达到最大值;此后,随着干燥的进行,不易流动水逐渐被脱除,此时结合水含量开始下降直至干燥结束。整个干燥过程中,猕猴桃切片部分自由水先转化为不易流动水和结合水,结合水与不易流动水相互转化,循环往复伴随整个干燥过程。以干燥过程中的自由水、结合水、不易流动水的核磁峰值总和、切片厚度和干燥温度为自变量,猕猴桃切片含水率为因变量,进行多元线性回归分析,建立含水率预测模型,模型的拟合优度为0.982。结果表明,低场核磁共振技术结合数学模型可用于描述猕猴桃切片热风干燥过程,可实现对猕猴桃切片干燥过程中含水率的快速、无损检测,研究结果可为猕猴桃热风干燥工艺和过程设计提供理论依据。     

抽水蓄能机组低水头起动过渡过程压力脉动分析

抽蓄机组在低水头起动时易进入其全特性曲线的反S不稳定区,从而导致机组并网失败,严重影响机组的安全稳定运行。其中机组内部复杂流动演变导致的剧烈压力脉动是影响机组动态特性的关键。该研究基于计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模拟方法对水泵水轮机低水头起动过程进行研究,重点分析了导叶与尾水管区域的压力脉动特性及产生原因。结果表明：机组起动过程中,无叶区时均压力幅值是固定导叶与活动导叶间的6倍,且时均压力幅值在无叶区沿周向分布不均。动静干涉主导了无叶区时均压力和脉动压力的变化,而在上游固定导叶与活动导叶间的动静干涉作用主要影响的是压力脉动幅值。尾水管直锥段压力脉动在机组起动过程不同阶段表现出不同的波动特征,PID(proportion integration differentiation)调节阶段压力波动较为明显。通过内部流动对比发现,活动导叶开启会引起无叶区水流速度的分布变化和波动,活动导叶小开度下转轮进口和无叶区存在明显的大尺度旋涡,这些和动静干涉联合作用是导致无叶区时均压力和脉动压力波动幅值高的原因。尾水管涡带在起动过程经历了从边条状涡...     

超高压和超声波预处理对蒜片热风干燥过程及品质的影响

为缩短蒜片热风干燥时间,提高干制蒜片品质,将超高压与超声波技术应用到蒜片干燥前处理,并利用低场核磁共振技术(Low Field Nuclear Magnetic Resonance, LF-NMR)分析预处理对蒜片干燥过程中内部不同状态水分迁移的影响。结果表明:干燥前超声或超高压预处理有利于加快干燥过程,超声、超高压和超高压-超声预处理的干燥时间分别比没有预处理的对照组降低了37.50%、43.75%、62.50%;三种预处理均可以降低干燥能耗,尤以超高压-超声最为显著(P0.05),相比对照降低了32.31%。低场核磁共振测定结果表明,预处理后蒜片中存在三种状态的水分,自由水占的比例最大,不易流动水次之,结合水最少。干燥过程中脱除的主要是自由水,超声和超高压均降低了自由水的脱除时间,超高压-超声预处理脱除自由水的时间最少,为90 min,说明超高压和超声联合更有利于减弱蒜片组织对水分的束缚并增强水分的流动性。通过扫描电镜发现,超高压使蒜片细胞间隙增大,细胞壁破坏严重,而经超声预处理的蒜片组织出现疏松多孔的结构,超高压-超声扩增了蒜片的显微通道,验证了超高压-超声更有利于提高水分的流动性。经超高压或超声预处理后,干制蒜片的色差降低,复水比和蒜素含量显著提高(P0.05),超高压与超声联合预处理得到的干制蒜片品质较优,色差值为16.11,大蒜素含量为2.67 mg/g,复水比为2.90 g/g。研究结果为高效节能、高品质的大蒜干燥技术提供理论参考。     

不同林龄刺槐和栓皮栎群落土壤种子库研究

为揭示土壤种子库在植被恢复中的作用,以太行山低山丘陵区的刺槐和栓皮栎2种乔木群落为研究对象,研究不同林龄刺槐、栓皮栎群落土壤种子库的组成、多样性特征以及种子库物种与地上植被的关系。结果表明:1)各群落草本层的共有科为菊科和禾本科,且所占比例较大;刺槐(30 a)群落地上物种的科数和种数最多,栓皮栎(20 a)最少,物种科数和种数随生长年限的增加而提高;多年生草本是刺槐(10、20、30 a)和栓皮栎(20、30、40 a)6个群落的主要生活型,群落间相似性系数为0～1.0。2)芸香科和禾本科在各群落土壤种子库中占有较大比例;种子库密度随林龄的增加而提高。刺槐群落土壤种子库的多样性随林龄增加而升高,而栓皮栎则呈现降低的趋势。3)土壤种子库中植物的科数和物种数都低于地上,且与地上物种类型不尽相同;土壤种子库对地上植被更新和演替贡献不大。     

共存阳离子（Ca、Zn、K）对土壤镉有效性的影响

采用盆栽与吸附试验,研究了镉污染赤红壤上,施用相同摩尔浓度的钙、钾与锌对小油菜生物量、镉吸收量及土壤镉吸附的影响。结果表明,低和高镉污染赤红壤上,施用锌明显增加小油菜地上部生物量,较对照分别增产21.1%和7.82%。不同阳离子（钠、钙、钾和锌离子）共存改变土壤吸附镉能力的程度不同,与钠体系相比,钙、钾和锌体系中土壤镉吸附量分别降低65.6%、72.0%和96.9%,共存离子降低土壤镉吸附量的次序为锌离子〉钾离子和钙离子,锌离子的影响最为明显。高镉污染赤红壤上,钙和钾使小油菜吸镉量分别增加5.5%和14.4%,低于低镉污染赤红壤上钙和钾使小油菜吸镉的增加量（分别为16.6%和19.6%）;锌明显降低小油菜吸镉量,高和低镉污染赤红壤上,较对照分别减少45.8%和35.0%。3种阳离子与镉共存时,对土壤镉生物有效性的影响差异取决于竞争吸附与竞争吸收的大小,其机制有待进一步探讨。     

镉在针铁矿、针铁矿-腐植酸复合胶体中吸附解吸行为比较研究

采用批平衡试验法,比较研究了重金属镉在针铁矿和针铁矿-腐植酸复合胶体中的吸附热力学和动力学行为。结果表明,在试验浓度范围内,两种吸附剂对Cd2＋的等温吸附特征均可用Langmuir、Freundlich和Linear方程加以描述。其中以Langmuir方程的拟合效果最佳,线性相关系数为：0.991、0.999,由此推导出的最大吸附量分别为41.667和45.455mg·g^-1,表明腐植酸与针铁矿复合胶体较单一针铁矿的吸附力有所提高,且所吸附的镉均难以解吸,平均解吸率分别为5.871%和1.068%。胶体对Cd^2＋的吸附是一个快速反应过程,4h达到吸附平衡。Elovich方程是拟合吸附动力学过程的最优方程（相关系数分别为0.987和0.997）。通过计算镉在针铁矿和针铁矿-腐植酸复合胶体中的吸附自由能变化量（ΔG的绝对值均〈40kJ·mol^-1）,推测镉在两种胶体中的吸附为物理吸附过程,其吸附机理可能有氢键、偶极作用力和范德华力等作用,而不存在化学键合作用。     

镉胁迫对拟南芥幼苗形态生理和错配修复相关基因表达的影响研究

以拟南芥为供试材料,从形态指标、生理指标、分子指标3个层次研究了镉（Cd）的毒理效应,筛选Cd敏感生物标记物。分子指标的研究以18S rRNA为看家基因, 错配修复基因MutS 2 homolog（atMSH2）, atMSH3,atMSH7,细胞增殖核抗原1 和2（atPCNA1和atPCNA2）为检测目的基因,采用半定量反转录-聚合酶链式反应（RT-PCR）技术研究Cd胁迫对上述错配修复相关基因表达的影响。结果表明,不同浓度（0、0.125、0.25、1.0、3.0 mg·L^-1）Cd 处理7 d后,根长随Cd胁迫强度的增加而降低; 0.125 mg·L^-1 Cd处理下,地上部可溶性蛋白含量显著增加,而在0.25、1.0和3.0 mg·L^-1 Cd时降低,但仍高于对照;幼苗叶片数、地上部鲜重、叶绿素含量变化与对照相比差异均不显著。地上部atMSH2,atPCNA1,atPCNA2基因表达量的变化与Cd胁迫浓度呈明显的倒U字型关系,分别在0.125,0.25和0.125 mg·L^-1 Cd时达到最大值。以上结果表明,地上部可溶性蛋白含量变化与上述3个错配修复相关基因表达量的改变趋势相符,且均对Cd污染胁迫较敏感,可以作为检测Cd污染及其相关生物学效应的潜在生物标记物。     

不同中微量及有益元素对小麦吸收镉的影响

采用盆栽试验,研究了不同中微量元素及有益元素对小麦生长和吸收Cd的影响。结果表明,与对照相比,硫酸钙、硫酸锰和氯化铜处理提高了小麦籽粒产量,而氯化镁、硫磺粉、硫酸铜、硫酸亚铁和硼酸处理却显著降低了小麦籽粒产量。在受Cd污染的土壤上施用不同中微量及有益元素肥料对土壤Cd的有效性具有一定的调节作用。镁、锰、铁、硼砂、硅酸钠和亚硒酸钠处理降低小麦对Cd的吸收;而钙、铜、锌和硼酸处理增加了小麦对Cd的吸收,特别是氯化钙。中量及微量元素的盐酸盐比硫酸盐处理促进小麦对Cd的吸收;小麦秸秆中Cd的积累量远远大于籽粒。因此,建议在Cd污染的旱作土壤上要避免施用硫磺粉、硼酸、氯化钙、锌肥和铜肥;施用铁、锰、镁肥及硼砂、硅酸钠和亚硒酸钠对降低土壤Cd的活性有明显效果,能在一定程度上降低小麦对Cd的吸收。     

长期定位试验点土壤镉的吸附解吸及形态分配

以中国生态系统研究网络和国家土壤肥力和肥料效应长期定位监测网络5个农业生态实验站的表层土壤为材料,研究了不同区域农田土壤对Cd的吸附解吸特性;同时,在研究长期定量施肥对封丘潮土和祁阳红壤Cd积累及其有效性影响的基础上,对不同施肥处理进行了土壤Cd形态分级。结果表明,5种农田土壤中,中厚黑土的吸附量较大,旱地红壤的吸附量较小,土壤的最大吸附量与土壤有机碳含量、土壤CEC及土壤pH有关;长期施用化肥对封丘黄潮土和祁阳红壤Cd积累的作用不明显,长期施用有机肥可增加土壤Cd的积累,但内源性有机肥(秸秆)使黄潮土Cd含量增加的幅度远低于外源性有机肥(猪粪)使红壤Cd含量增加的幅度,长期施用有机肥对土壤Cd有"活化"作用。黄潮土和红壤中Cd的形态分配顺序均为:残渣态弱酸提取态可还原态可氧化态,但黄潮土中残渣态Cd的比例显著高于红壤中残渣态Cd的比例。化肥和有机肥均可影响Cd在黄潮土和红壤中的形态分配。