水淹条件下水稻土中砷的生物化学行为研究进展

水稻土中砷的氧化还原和甲基化等生物化学过程是影响水稻砷毒性的主要作用机制;同时,水淹厌氧条件是驱动水稻土中砷的生物化学过程关键环节,且是导致水稻对砷大量吸收累积的主要原因,对以水稻为主食的人们造成健康威胁。本文综述了水稻土中砷的氧化还原和甲基化现象、砷的生物化学作用机制以及影响水稻土砷迁移转化的关键因素,并探讨了水淹厌氧条件对水稻土砷代谢微生物群落、微生物基因表达水平以及对砷归趋的影响。最后,展望了未来的研究方向,以期识别不同水管理模式下土壤微环境对水稻土中砷代谢微生物群落结构与基因表达水平的影响机制,为深入理解砷的生物化学行为和降低水稻对砷的吸收累积提供科学的理论参考。     

中轻度砷污染土壤-水稻体系中砷迁移行为研究

通过土-砂根袋培养生物学模拟试验,运用砷形态分级的连续提取方法研究了水稻整个生育时期内砷在中轻度砷污染土壤-氧化性根际-水稻体系中的时空分布规律。结果表明:(1)该品种水稻(远诱一号)生长旺期(第三生长时期和第四生长时期)由于根系活化作用产生明显根际效应,根际土壤中各砷形态总量、无定形态砷含量均显著高于非根际土(p0.05),而有效性最低的残渣态则低于非根际土。(2)水稻根表铁氧化物膜(简称:铁膜)主要以无定型态铁和结晶态铁为主(90%),在生长旺盛期老化程度最高,且对砷富集能力与第一时期相比降低60%,与第二时期相比降低10%;根表铁膜对砷的富集作用并不完全随铁膜数量的增减而变化,还与铁膜中铁的组成形态(尤其无定形态铁)密切相关。(3)砷在土壤-根际-水稻(远诱一号)体系中迁移规律:砷随铁氧化物的还原由非根际向根际迁移并在氧化性根际富集,由于铁膜的缓冲层作用,砷很少进入作物根系,迁移至地上部的砷含量低于根中砷含量;生育初期(前两个生长时期),水稻根表铁膜主要起富集库作用,具有很强的富集砷能力,但富集的砷易解吸进入作物根系,生育后期(后三个生长时期),铁膜逐渐老化,主要起缓冲层作用,使根系砷含量与生育初期相比降低50%～90%。     

水稻吸收转运铁的生物地球化学机制研究进展

铁的生物吸收转移是环境中铁生物地球化学循环的重要过程之一，不仅控制着铁在稻米的累积，且影响水稻累积锌等养分元素及镉等重金属。阐明土壤-水稻体系中铁的吸收转移机制对深入理解稻田铁的环境行为与归趋具有重要的科学意义。主要介绍了水稻中铁吸收转运的功能基因、土壤-水稻系统铁同位素分馏及水稻植株中铁分布的光谱分析方法与手段，重点总结铁在水稻根部吸收及植物体内的转运过程，探讨铁对水稻根部锌和镉吸收的影响机制，可为提高水稻产量及改善稻米品质提供科学依据。     

镉砷复合污染水稻土原位钝化修复技术研究进展

随着工农业的发展,稻田土壤正面临严重的重金属污染问题,水稻作为南亚和东南亚的主要粮食作物,稻米安全问题显得尤为突出。镉和砷两者在生物地球化学循环上有明显差异,因此镉和砷复合污染水稻土的修复一直是一个棘手的问题。综述了镉砷复合污染水稻土原位钝化技术的研究现状,将钝化技术梳理为氧化还原型、微生物转化累积型、材料型和耦合钝化技术四类。氧化还原型钝化技术重点指出稻田水分调控驱动的氧化还原电位Eh和pH变化、不同元素的生物地球化学循环、有机质等对镉和砷的迁移转化机制;微生物转化累积型钝化技术重点阐明功能微生物对砷和镉的吸收、转化、区室化、菌表吸附等作用机制;材料型钝化技术重点分析现有钝化材料的分类及其与镉和砷的固定化机制;耦合型钝化技术重点总结上述三种技术综合体系下,镉和砷的协同钝化应用。同时对未来镉砷复合污染水稻土的原位钝化修复提出展望,进一步探讨了镉砷在稻田土壤生物地球化学循环过程涉及的新型机制研究方向、修复钝化技术的创新延展趋势;期望在稳产、增产的基础上,寻求一种深度融合现代农业生产模式、保障稻田安全利用的土壤钝化改良技术体系或模式。     

水稻土中氧化还原过程的研究——Ⅳ.红壤性水稻土中铁锰的活动性

(一)红壤性水稻土中铁、锰的含量以淀积层最高,潜育层最低。铁、锰在土层中的分化程度,随土壤发育的程度而增加;锰的分化趋势,较铁更为明显。(二)能被氢醌还原的锰量,占全锰中的很大百分数,最高者可达70%,而能被氢醌还原的铁量,不超过全铁量的0.5%。能与EDTA形成络合物的锰量,也较铁量为高。(三)土壤经交互干湿处理以后,酸溶性和易于还原的铁、锰数量都大大降低,说明脱水作用可使铁、锰的活动性减低。(四)作者根据试验结果而认为,锰对氧化还原条件的感应较为灵敏,而铁则对酸碱条件较为敏感,这对于水稻土剖面中铁、锰的移动和分化具有一定意义。铁、锰的移动程度,在一定程度上可作为水稻土发育程度的一个指标。     

水稻土和潮土中铁锰氧化物形态与稀土元素地球化学特征之间的关系研究

稀土元素在土壤中的含量和分馏特征对它们在环境中的分布、迁移、转化、归宿以及生态效应都有重要的影响。铁锰氧化物矿物的表面作用已被认为是表生环境中元素活化迁移和污染的重要机制之一。本研究以亚热带北端的长江三角洲地区和亚热带南端的珠江三角洲地区的典型水稻土和潮土剖面为例,探讨了铁锰体系对土壤稀土元素含量和地球化学分馏的影响。研究结果表明:铁锰氧化物中以晶质态氧化铁与土壤稀土元素的结合作用为主,并且对潮土的作用要比水稻土更为显著。游离态氧化铁对水稻土Ce富集和Eu亏缺均有积极贡献;锰氧化物可能会通过对二价Eu的氧化而减少其在土壤中的亏缺程度。水稻土和潮土中稀土元素在剖面中的分馏程度也受到铁锰氧化物含量的影响,低含量的铁锰氧化物会使不同发生层之间稀土元素的分馏差异增大。Eu在铁游离度高的南亚热带水稻土中会通过还原并随Sr元素一起淋失。     

水稻根际中铁的形态转化

本文以熟化红壤性水稻土、淀浆白土、红壤和赤红壤为样品,研究了植稻后根际中铁的形态转化.结果表明,两种水稻土根际中无定形氧化铁、游离氧化铁、络合态铁、土壤中氧化铁的活化度及两种红壤上根际中的络合态铁均低于非根际土;而两种红壤上其余各项在根际内外分布趋势均与水稻土相反.用穆斯堡尔谱仪分析表明,所有根际土与非根际土相比,四极矩分裂增大,内磁场下降,说明根际中氧化铁被活化.同时,水稻土上根际中Fe²⁺增多,赤红壤中根际出现新矿物磁赤铁矿.根际中铁被活化,可能会影响根际中重金属等污染物的吸附和解吸特性、植物的铁素营养及对其它养分的吸收.     

微生物影响稻田土壤中砷转化研究进展

稻田砷污染是一个全球性环境问题。稻米是以大米为主食的人群砷暴露的主要途径，稻米砷含量超标，会对动物和人体健康造成威胁。微生物是影响砷环境生物化学行为的重要角色，在植物-土壤-微生物系统的砷循环中发挥着重要作用。了解微生物对砷在土壤-水稻系统中的生物化学循环的影响，能够为稻田砷污染的有效治理提供理论基础。本文综述了砷氧化微生物、砷还原微生物以及砷甲基化微生物分别对砷氧化、还原和甲基化过程的影响（直接作用），并总结了微生物通过间接影响铁、硫的环境生物化学循环，进而影响稻田-水稻系统中砷的赋存形态及其转化与迁移的过程。最后，本文归纳了砷污染农田微生物修复技术的相关研究进展，并提出了研究展望。     

光照对水稻土中氧化铁还原的影响

选择不同地区的水稻土样品,采用泥浆厌氧恒温培育方法,在避光和光照条件下,测定了培养过程中土壤泥浆的Fe(Ⅱ)浓度及叶绿素a含量的变化。结果表明:光合微生物的产氧作用是影响水稻土中铁还原的主要原因,而光照对铁还原微生物没有直接影响;光合微生物仅在某些水稻土中大量繁殖,其叶绿素a含量随着光照时间延长由逐渐增加到趋于稳定。通过微生物镜检和光谱分析发现,由天津和四川水稻土中分离的光合微生物主要是念珠蓝细菌(Nostocsp.)和鱼腥蓝细菌(Anabaenasp.),其吸收光谱曲线均具有664 nm的叶绿素a吸收峰,表明其具有利用光合系统Ⅱ进行产氧光合作用的特征。在厌氧培养过程中Fe(Ⅱ)浓度与土壤中叶绿素a含量变化有着明显的负相关关系。     

水稻土中铁氧化还原循环的光照水分效应

水稻土中铁的氧化还原循环与CO2和CH4排放关系密切。采用恒温厌氧培养试验分别在黑暗、光照条件下研究了不同水分状况对水稻土中铁氧化还原过程、水溶性碳含量及CO2和CH4排放的影响。结果表明,水分和光照是调控土壤铁氧化还原过程及其耦合的碳转化过程的关键环境因子。避光时增加含水量缩短铁还原最大速率出现的时间,促进CH4排放。光照条件下含水量小于50%时增加含水量可促进亚铁的再氧化,大于50%时则抑制了亚铁的再氧化。避光时增加含水量可增加体系的水溶性无机碳含量(WSIC),WSIC与CH4的排放存在显著正相关关系。光照可显著降低体系的WSIC,降低幅度随含水量的增加而增大。在含水量25%～200%范围内,光照可使CO2和CH4排放量分别降低95.80%和96.08%。     

Arsenic from Groundwater to Paddy Fields in Bangladesh: Solid–Liquid Partition, Sorption and Mobility

The arsenic contamination of Bangladesh groundwater involves heavy arsenic inputs to irrigated rice fields. Beside adsorption on soil colloids, iron–arsenic co-precipitation phenomena can affect arsenic retention in soils. In paddy fields of Satkhira District, Bangladesh, the study of the arsenic and iron forms in the irrigation waters and in soils at different times and distances from the irrigation well evidenced that a higher Fe/As ratio in the well water was related to a faster oxidation of Fe(II) and As(III) in water and to a close Fe–As association in soils, together with a greater accumulation of arsenic and poorly ordered iron oxides. The concentration of arsenic and of labile iron forms decreased with the distance from the well and with the depth, as well as the reversibility of arsenic binding. The fate of the arsenic added to the soils by irrigation hence resulted strongly influenced by iron–arsenic co-precipitation, depending on the Fe/As ratio in water. Irrigation systems favouring the sedimentation of the Fe–As flocks could help in protecting the rice from the adverse effects of dissolved arsenic.     

Silicon decreases the arsenic level in rice grain by limiting arsenite transport

Silicon (Si) reduces arsenic (As) levels in rice shoot and grain. However, the underlying mechanisms remain unclear. In this study, we examined the effect of Si application to three rice paddy soils on the dynamics of Si, iron (Fe), phosphorus (P), and As in the soil solution, As accumulation in rice straw, flag leaf, husk, brown rice, and polished rice, and on As speciation in polished rice. Silicon application to soil increased the concentrations of Si, Fe, As, and P in the soil solution, while the redox potential was unaffected. Arsenic concentrations of straw, flag leaf, and husk were reduced by half by Si application, while As concentrations of brown and polished rice were decreased by 22%. The main As species in polished rice was arsenite, As(III), with a fraction of 70%, followed by dimethylarsinic acid (DMA) and arsenate, As(V), with 24% and 6%, respectively. Silicon application to the soil did not affect DMA or As(V) concentration of polished rice, while the As(III) concentration was reduced by 33%. These results confirm that Si reduces As(III) uptake and translocation into the shoot. Furthermore, data indicate that decrease of As concentration of polished rice is due to decreased As(III) transport into grain. Possible underlying mechanisms are discussed.     

Intensification of arsenic toxicity to paddy rice by hydrogen sulfide and ferrous iron

Abstract

The phytotoxicity of arsenic to paddy rice was examined by the pot culture method using Utsunomiya grey lowland soil which had received nutrient salts including ammonium sulfate with or without additional rice straw powder as a reducing agent.

By treatment with 50 ppm of arsenic and straw, plant growth was retarded from the beginning of culture, and about 6 weeks later, at the middle of July, small reddish black spots emerged near the tips of expanded green leaves. The spots then increased and spread over the whole leaves resulting in bronzing and final dieback in about the mid-August. On treatment with higher concentrations of arsenic and straw, the plants were more severely injured and died through bronzing at earlier stages. All such dead plants were found to have accumulated abnormally high iron in their leaf tissues. On treatment with lower concentrations of arsenic and straw or in the case of higher arsenic without straw, plant growth and grain yield were reduced with the occurrence of partial bronzing or oranging of leaves and the iron content of the plants was somewhat increased.

These results indicate that arsenic may induce ferrous iron toxicity which intensifies the toxicity of arsenic to paddy rice.     

华南地区不同品系水稻积累砷特征及其影响因素

选用华南地区较为常见的杂交稻、优质常规稻2个水稻品系,16个水稻品种,通过土壤盆栽试验,待其成熟收获后,分析水稻根表、根部、秸秆、糙米中砷含量及相关影响元素的含量,旨在研究不同水稻品系（种）对砷吸收、转运和积累规律以及其影响因素,为低积累、高耐性水稻品系（品种）的选择及相应的农业措施提供科学的理论依据。结果表明,砷在水稻中的分布情况为根表〉根部〉秸秆〉糙米;供试的糙米中砷含量为0.18~0.47mg.kg-1,均符合国家卫生标准（GB4810—1994）。水稻根表铁锰膜中砷含量随根表中铁、锰的增加而富集,相关分析表明,根表铁锰膜形成可以有效降低糙米砷积累,而秸秆磷可以有效降低秸秆中砷的积累。杂交稻各部位的砷含量及转移系数均高于常规稻,且秸秆和糙米砷含量差异达到显著水平;天优122的糙米砷积累能力高于其他品种,美香占2号低于其他品种。     

Studies on soils of Peaty paddy fields II

Chemical changes ordinarily occuring in flooded paddy soils in Japan had been investigated in detail by Dr. SHIOIRI and his coworkers (1). The problem of degraded paddy soils had also been discussed by them on the basis of the experimental results on the deficiency of free iron oxides which affect the root of rice plant. As described in the previous report (2), causes for low rice production in the peaty Paddy fields seemed to be different from those in the degraded paddy ones. Thereupon, for a comprehensive understanding of the properties of peaty paddy soils, many important aspects such as the nature and role of each soil layer, and the behaviour of iron and nitrogen in soil Will have to be studied.     

水稻品种和砷污染对土壤溶解性有机碳氮的影响

选取有机质含量和pH不同的2种水稻土(黄泥田和红泥田),通过盆栽实验研究砷(As)污染条件下,种植9个水稻品种对土壤溶解性有机碳(DOC)和溶解性有机氮(DON)含量的影响,分析水稻品种、As污染和土壤类型的相对影响与交互作用.结果表明,水稻品种显著影响了土壤DOC和DON的变化,在水稻收获后,DOC平均含量的大小顺序为杂交稻(41.09±0.92 mg kg-1)＞籼稻(38.10±1.53 mg kg-1)＞粳稻(37.74± 1.37 mg kg-1);DON平均含量的大小顺序为粳稻(2.94± 0.40 mg kg-1)＞杂交稻(2.61±0.42 mg kg-1)＞籼稻(1.45± 0.17 mg kg-1).As污染降低了土壤DOC和DON的含量,但不同品种水稻的响应不同.与对照相比,As污染条件下,黄泥田和红泥田中DOC平均含量分别下降了14.4％和11.1％,DON平均含量分别下降了65.0％和44.7％;DOC在种植杂交稻后降幅最小,而DON在种植籼稻后降幅最小.在两种水稻土中,黄泥田的DOC和DON平均含量高于红泥田,在没有As污染条件下,分别高22.4％和45.8％,这与黄泥田有机质含量和pH高有关.水稻品种、As污染和土壤类型对DOC和DON变化的影响不同,3个因子对DOC变化的相对贡献率分别为7.7％、15.5％和27.6％,对DON变化的相对贡献率分别为14.7％、24.2％和2.0％.     

不同土壤的还原状况对铁镉形态转化和水稻吸收的影响

采用土壤-蛭石联合培养,以填充蛭石的网袋模拟根际,置于红壤、水稻土、盐土中后淹水栽培水稻13 d.试验结果表明,水稻栽培期问,红壤、水稻土、盐土pH变化范围分别为6.05 ～6.78、6.47 ～7.33、6.42 ～7.44;有机质处理下,除红壤根际pH明显升高外,其余土壤根际和非根际pH均有所下降.各土壤对照根际Eh保持在233 ～ 385 mV;有机质处理使根际Eh下降,同时也导致除盐土外的非根际Eh上升.土壤还原溶解Fe与蛭石吸附Fe的90％以上均米自铁锰氧化物结合态铁(Oxide-Fe)组分,与溶液Eh、pe+ pH均有显著相关性,表明两表面同为Fe的氧化还原反应,但方向相反.水稻根表Fe膜的形成与根际氧化还原状况有关,在对照根际(高Eh)环境下,根表Fe含量随pH升高而降低,在有机质处理根际(低Eh)环境下则随pH升高而升高;在红壤中,根表Fe膜阻碍Fe的吸收,在水稻土和盐土中,根表Fe膜促进Fe吸收.根表Cd含量与根内Cd、地上部Cd有显著正相关;在红壤中,根表Fe膜阻碍了水稻Cd的吸附和吸收;水稻土和盐土中,根表Fe膜促进了水稻Cd的吸附和吸收.     

旱改水对水稻幼苗生长的影响及秸秆的改良作用

本研究以江汉平原旱改水为研究背景,采用土壤盆栽试验和室内淹水培养相结合的方法,以多年水稻土为对照,研究了多年棉田土旱改水及添加秸秆(9 g·kg-1)对水稻幼苗生长和矿质元素吸收的影响以及土壤氧化还原电位和有效态铁、锰、铜、锌含量变化,为旱改水水稻的种植提供参考。结果表明,棉田土旱改水后,水稻幼苗生长缓慢并出现失绿黄化症状,其地上部干重和叶绿素含量仅分别约为水稻土处理的30%和20%。旱改水处理水稻植株Fe含量显著低于、而Cu和Zn含量则显著高于水稻土处理。棉田土旱改水土壤氧化还原电位(Eh)显著高于水稻土;淹水处理10 d,土壤DTPA-Fe含量仅为水稻土的7%左右,而DTPA-Cu和DTPA-Zn含量则分别是水稻土的1.4~2.5倍和1.6~1.8倍。随着淹水时间的延长,棉田土旱改水土壤有效态铁含量逐渐增加,有效态锰、铜和锌含量呈先升高后降低趋势;到淹水处理的第28 d,棉田土旱改水土壤有效态铁、锰、铜和锌含量与水稻土之间的差异逐渐缩小。Fe不足及Cu过量可能是导致旱改水水稻幼苗生长缓慢、失绿黄化的主要原因。旱改水条件下添加秸秆可以降低土壤的Eh值,提高土壤DTPA-Fe含量及降低土壤DTPA-Cu和DTPA-Zn含量,显著提高旱改水初期水稻幼苗叶绿素含量,但对水稻生物量无显著影响。添加秸秆并不能完全消除旱改水对水稻幼苗生长的抑制作用。