硫素对土壤砷生物有效性与水稻吸收的影响研究

为探讨硫素添加对土壤-水稻系统中砷迁移转化的影响,通过在添加砷的污染土壤中施加不同形态硫素,采集全生育期土壤溶液和成熟期水稻植株样品,分析硫素添加对砷移动性、生物有效性以及水稻砷吸收的影响。结果表明:微生物在影响土壤溶液中Fe(Ⅱ)和砷的移动性方面起到了重要作用,灭菌处理与不灭菌处理差异较大;硫素的添加降低了根际、非根际土壤溶液中砷的移动性,降低了As(Ⅲ)的浓度,从而降低了砷的毒性;硫素添加也降低了根际土壤中砷的生物有效性,相同硫含量的硫酸钠比单质硫的影响更显著。硫素添加促进了水稻的生长,促进了水稻根表铁膜的形成,一定程度降低了水稻地上部对砷的累积,但是过量硫素的施用可能会增加水稻米粒中砷的累积。     

土壤中不同形态铬的转化机制及其对水稻生长发育的影响

系统地研究了土壤中不同形态铬的转化机制，从理论上和实验结果上探讨了土壤中铬的氧化还原、吸附、解吸、结合作用机制和相互关系及环境因子的影响；探索了土壤中铬的迁移、转化和积累的规律，同时辅以盆栽试验，研究了土壤中不同形态的铬对水稻生长发育的影响和吸收积累的关系，初步明确了土壤中不同形态铬的污染行为和生物效应的差别。     

秸秆生物质炭对镉污染水稻土根际酶活性的影响

为了探究不同Cd污染程度下生物质炭输入对水稻根际土氧化还原类酶、碳循环酶的活性变化的影响,选取水稻作为研究对象,测定不同生物质炭量及Cd施入下水稻根际及非根际土壤酶活性的变化状况。研究表明,不同处理下,水稻根际土壤碳循环酶的综合活性指数值介于1.388~12.029之间,而非根际土壤碳循环酶的活性指数值介于0.542~1.713之间。水稻根际土壤氧化还原类酶的综合活性指数值介于0.387~1.627之间,而非根际土壤氧化还原酶指数值介于0.167~1.201之间。可见水稻根际碳循环类酶及氧化还原类酶的活性均高于非根际土壤。当生物质炭施入量为10%,Cd的含量为2.5 mg·kg~(-1)时,水稻根际土壤的碳循环类酶活性指数为12.029,氧化还原类酶活性指数为1.192,均达到最大。由此可得,该浓度的生物质炭施入对两大类酶活性值的提升均有显著作用。     

硅调控土壤—水稻中砷环境行为的研究进展

水稻是典型的湿地植被之一,淹水的生长环境使水稻积累砷的能力强于其他谷类作物,对稻米的安全性构成威胁。淹水稻田土壤溶液中砷的主要存在形态为亚砷酸,其与硅酸为化学类似物,亚砷酸可通过根细胞膜上硅酸的转运通道被吸收,因此,外源添加硅可以降低水稻对砷的吸收、累积以及稻米中砷的健康风险。本文从土壤中砷的生物地球化学过程,硅对土壤中砷环境行为的影响,水稻对砷的吸收与转运,外源硅对水稻吸收及累积砷的影响等方面进行了综述,并对今后开展的研究进行了探讨。     

土壤中不同形态铬的转化机制及其对水稻生长发育的影响

系统地研究了土壤中不同形态铬的转化机制，从理论上和实验结果上探讨了土壤铬的氧化还原，吸附，解吸，络合作用机制和相互关系及环境因子的影响；探索了土壤中铬的迁移，转化和积累的规律，同时辅以盆栽试验，研究了土壤中不同形态的铬对水稻生长发育的影响和吸收积累的关系，初步明确了土壤中不同形态铬妊为和生物效应的差别。     

镉污染土壤根际环境调节

分析了土壤中镉的基本特征及污染状况;探讨了根际pH值、根际氧化还原电位、根系分泌物、根际微生物以及施用有机肥、离子拮抗、土壤磷含量和添加沸石对土壤Cd有效性的影响,以及镉污染土壤的根际环境调节。     

水稻砷污染健康风险与砷代谢机制的研究

水稻是人类主要的粮食作物之一，然而，目前稻米主要生产区（东南亚地区）的土壤和灌溉水砷污染严重，导致稻米中砷的积累；砷在稻米中的积累通过食物链传递，对人体健康构成严重威胁。所以，稻米砷污染问题已成为东南亚地区比较突出且急需解决的环境问题之一，而减少水稻对砷的吸收、控制水稻体内砷向籽粒转移、降低籽粒中砷的生物有效性是解决这一问题的关键途径。因此，深入理解水稻对砷的吸收、体内转运和转化等代谢机制非常有必要。近年来有关水稻对砷的吸收和体内砷代谢机制的研究取得了很大进展。研究表明，水稻根系通过磷吸收通道吸收五价砷（As（Ⅴ）），水通道吸收三价砷（As（Ⅲ））。进入水稻体内的砷，一部分由地下部转运到地上部，其中一部分进一步被转运到水稻籽粒中。根表铁膜能抑制水稻对As（Ⅴ）的吸收和向地上部的转运。在水稻的地下部和（或）地上部还存在着As（Ⅴ）还原、As（Ⅲ）甲基化等砷形态的转化过程。最近，水稻砷酸盐还原酶基因已经被克隆和表征。     

含铁材料修复砷污染土壤的研究进展

介绍了含铁材料修复砷污染土壤的研究进展,对土壤中砷的不同形态以及含铁材料固砷的效果、机理及其影响因素进行了分析.分析表明,含铁材料治理砷污染土壤具有较好的效果,且含铁材料固化砷的效果顺序大致为三价铁＞二价铁＞铁的氢氧化物、铁的氧化物、聚合硫酸铁;固砷的机理主要是铁砷沉淀、离子交换和吸附等作用;影响含铁材料固砷效果的因素主要有含铁材料的种类及添加量、土壤pH和氧化还原电位以及离子竞争等作用.     

元素硫在水稻根际氧化特征及其对水稻吸收铁锰磷硫的影响

通过65 d水稻根际盒培养试验,研究了两种水分管理下(淹水1 cm、80%田间持水量)元素硫在石灰岩和花岗岩母质发育的水稻土根际氧化特征及其对水稻生长和铁锰磷硫吸收的影响.结果表明,元素硫氧化率有以下规律,根际＞非根际(特别是石灰性土壤);80%WHC处理＞淹水1cm处理;花岗岩发育的水稻土非根际＞石灰性水稻土非根际,而根际土壤之间没有差异.元素硫施用能增加水稻根长、根体积和生物量,其增加幅度依次为:80%WHC处理＞淹水1 cm处理;石灰岩发育的水稻土＞花岗岩发育的水稻土.施元素硫能显著提高水稻铁锰磷硫吸收总量,而对这些元素在水稻植株体浓度的影响,则与水分、土壤和元素种类有关.花岗岩母质发育的水稻土施用元素硫能弥补水分不足对水稻生长的影响,而石灰性水稻土则不然.     

不同农作物对根际土壤环境及铜的形态转化的影响

采用盆栽试验研究了在重金属污染土壤中种植几种常见农作物对根际土壤理化性质、Cu的形态转化及植物有效性的影响。结果表明，种植作物引起根际土壤有机质、CEC的增高和pH值的下降，同时也导致了不同作物根际Cu含量的增高及其形态转化的差异。相对于非根际土壤，8种农作物根际土壤中Cu含量都相应地增加了4．8％～14．3％，可交换态Cu的增量十分明显，增量最高的作物——水稻达到900％以上，大部分作物氧化物态Cu也增加了20％左右，而其他各态，不同作物的变化趋势有所差异；对Cu的形态与农作物Cu含量的相关性分析表明，碳酸盐态Cu的植物有效性较大。研究表明，种植作物并没有改变根际土壤Cu的基本赋存状态。     

持续淹水对水稻镉吸收的影响及其调控机理

【目的】研究持续淹水对不同镉(Cadmium,Cd)积累水稻品种Cd含量的影响,通过分析持续淹水条件下土壤有效性Cd、植株Cd含量以及水稻根系Cd吸收转运关键基因表达,揭示持续淹水对水稻Cd积累的作用及其调控机制。【方法】采用水稻品种辐品36(FP36,Cd高积累品种)和中嘉早17(ZJZ17,Cd低积累品种),盆栽条件下(外源加入1.5 mg·kg-1 Cd Cl2)于水稻分蘖始期开始持续淹水处理,分蘖盛期取样分析植株Cd含量及Cd转运相关基因表达情况,测定土壤中有效性Cd、Fe、Mn含量和根膜Cd、Fe和Mn含量。相同处理继续培养至水稻完熟期,收获植株和稻米并测定Cd含量和产量。【结果】在Cd污染土壤条件下,与正常灌溉处理相比,持续淹水显著降低了分蘖盛期水稻FP36和ZJZ17的Cd含量,根部降幅分别为39.5%和33.9%,地上部降幅分别为62.1%和71.7%。在完熟期也表现相同作用效果,持续淹水显著降低完熟期水稻FP36和ZJZ17根部、地上部和稻米中Cd含量,FP36根部、地上部和稻米分别降低36.4%、43.7%和36.8%,ZJZ17分别降低62.5%、61.5%和55.4%。研究发现,持续淹水显著降低了两个水稻品种的土壤有效性Cd含量(降幅分别为12.1%和17.7%)和根膜中Cd的含量(降幅分别为52.2%和43.1%)。Cd胁迫下,持续淹水增加了土壤有效性Fe(增幅分别为23.7%和10.3%)和有效性Mn含量(增幅分别为24.5%和43.9%),也使根膜中Fe(增幅分别为83.1%和81.5%)和Mn含量(增幅分别为41.5%和27.7%)显著增加。更为重要的是,持续淹水显著下调了两个水稻品种根部Os Nramp1(58.3%和58.0%)和Os LCD(21.6%和17.8%)基因的相对表达量。【结论】持续淹水通过降低土壤有效性Cd含量和抑制Cd吸收基因表达(Os Nramp1和Os LCD)的双重调控作用,降低了水稻对Cd的吸收和积累。     

水稻黄叶生理病与硅肥施用效果

新垦红壤植稻后发生的黄叶生理病与铁毒缺硅有关。施用硅肥能提高土壤有效硅含量,并提高土壤水溶性及活性Si/Fe值,抑制黄叶生理病症,改善水稻生长状况,提高水稻产量。电子探针分析根内元素表明:施用硅肥可减少铁在根表皮层的积累,增加根内皮层硅钙的含量。     

干湿交替条件下铁氧化对水稻土CO_2排放的影响

以湖北省2种典型水稻土[咸宁市的中稻-冬闲水稻土(第四世纪红壤,XR)和潜江市的中稻-冬闲水稻土(钙质潮土,QR)]为材料,研究土壤干湿交替条件下[土壤落干(孔隙含水率55%)到完全淹水(土水比1∶1)]添加Fe2+对土壤Fe3+、可溶性有机碳(DOC)含量及CO2排放的影响,拟揭示水分转变过程中土壤活性铁氧化对土壤有机碳固持的影响。结果表明,整个培养期间,与CK(不添加Fe2+)相比,添加Fe2+促进了XR和QR土壤中活性铁的氧化,XR和QR土壤中Fe3+平均含量分别较CK提高了133.87%和95.66%。落干期间,与CK相比,添加Fe2+促进了CO2的排放,XR和QR土壤CO2累积排放量分别增加了59.77%和124.48%;促进了土壤DOC的积累,XR和QR土壤DOC平均含量分别提高了42.57%和23.71%。淹水期间,与CK相比,添加Fe2+抑制了CO2的排放,XR和QR土壤CO2累积排放量分别降低了54.03%和35.27%;培养前期促进了土壤DOC的积累,培养后期抑制了土壤DOC含量的积累,总体上XR土壤DOC平均含量降低了35.29%,QR土壤DOC含量提高了16.59%。整个培养期间,添加Fe2+后,XR和QR土壤CO2累积排放量分别降低了43.87%和22.14%。综上,我国南方富含铁氧化物的红壤具有更高的固碳减排潜力。     

基于空间聚类与随机森林的稻米富集镉影响因素筛选研究

以湖南省某县为例,通过空间聚类筛选研究热点区,并对热点区筛选的土壤样品进行多参数检测获取分析数据,通过随机森林回归锁定影响稻米富集Cd的主控因子。结果表明:研究区高高、高低聚类区稻米Cd富集系数差异达9倍,低低、低高聚类区稻米Cd富集系数差异达16倍;影响稻米富集Cd的最主要因素为Ca、pH、Mn,其次是Fe、Si,再次是Zn、DOC、Cl、K、P、Mg、S、Cd、Na、Cu,影响程度逐渐减小,最后是SOM影响程度最小。通过调控Ca含量可显著影响土壤pH,进而影响稻米对Cd的吸收。随着土壤Fe、Mn的升高稻米Cd含量呈指数下降。土壤Si含量与土壤Fe、pH等均呈负相关,Si含量增加,稻米Cd含量相应升高。有机质对稻米富集Cd的影响不显著。研究表明,双变量空间聚类与随机森林相结合可以有效筛选出稻米富集Cd的土壤主控因子,从而为稻米Cd污染的修复治理及污染源解析热点筛查提供基础支撑。     

旱稻矿质养分吸收与施肥效应

 早稻和水稻的养分吸收规律不同。施氮肥可明显提高旱稻产量,并促进养分吸收;豆科植物与旱稻间套作会增加早稻的氮素养分吸收,对提高早稻产量有重要作用。热带酸性土壤缺磷是限制早稻产量的主要因素之一,施磷肥有显著的增产效果。早稻主要吸收Mehlich-1法浸提形态的磷,但基因型之间对磷的利用效率有明显差异。酸性土壤施入石灰能改善磷的有效性,促进旱稻对磷、钙和镁的吸收而提高产量;但石灰量的增加导致旱稻对钾、锌、铜、锰和铁的吸收减少。旱稻钾的营养和施肥研究结论不一,与各地土壤有效钾含量不同有关。其它元素中锌和硅的研究较多,硅肥和锌肥能提高旱稻产量。我国对旱稻矿质营养及施肥研究仍未引起重视,尤其对国内培育的新品种矿质营养的研究和当前旱稻的主栽区北方碱性土壤中旱稻对氮、磷、钾吸收利用的研究更为薄弱。     

Strategies to manage the risk of heavy metal(loid) contamination in agricultural soils

Soil contamination with heavy metal(loid)s threatens soil ecological functions, water quality and food safety; the latter is the focus of this review. Cadmium (Cd) and arsenic (As) are the toxic elements of most concern for food safety because they are relatively easily taken up by food crops. Rice is a major contributor of both Cd and As intakes to the Chinese population. Contamination and soil acidification are the main causes of high Cd levels in rice grains produced in some areas of southern China. The risk of Cd and As accumulation in food crops can be mitigated through agronomic practices and crop breeding. Liming is effective and economical at reducing Cd uptake by rice in acid soils. Paddy water management can produce opposite effects on Cd and As accumulation. Many genes controlling Cd and As uptake and translocation have been characterized, paving the way to breeding low accumulating crop cultivars through marker-assisted molecular breeding or genetic engineering. It is important to protect agricultural soils from future contamination. Long-term monitoring of anthropogenic additions and accumulation of heavy metal(loid)s in agricultural soils should be undertaken. Mass-balance models should be constructed to evaluate future trends of metal(loid)s in agricultural soils at a regional scale.     

水分管理、铁硅材料与生物炭对不同水稻品种吸收镉的影响及其机制

通过田间微区试验研究了三种水分管理模式干旱(D)、间歇淹水(IF)、持续淹水(CF)以及水分管理与钝化剂(铁硅材料及生物炭)联合修复模式对不同水稻品种吸收Cd的影响,并探讨其影响的可能机制。结果表明,从分蘖前期到成熟期CF处理各水稻品种糙米Cd的含量比IF处理降低0.20%～45.43%,比D处理降低37.67%～62.11%。三种水分条件下低累积水稻品种G8优2168糙米中Cd的含量比常规品种G8优165低35.03%～54.61%。施加铁硅钝化剂在三种水分(D、IF、CF)条件下,糙米中Cd含量比对应单一水分管理模式依次分别下降64.26%、55.74%、38.14%;施加铁硅+生物炭钝化剂降Cd效应下降。低累积品种+持续淹水联合铁硅钝化剂处理,糙米Cd含量最低。水稻根表铁膜中Cd含量在三种水分条件(D、IF、CF)下依次增加,根系和糙米中Cd含量则依次减少,表明持续淹水可以促进根表铁膜对Cd的固定,同时持续淹水使土壤CaCl2提取有效态Cd的含量显著下降,两者共同作用降低了糙米Cd的含量。施加铁硅钝化剂对根系铁膜固定Cd无显著影响,主要通过显著降低土壤有效态Cd使糙米中Cd含量下降。低累积水稻品种+持续淹水水分管理+铁硅钝化剂联合修复技术可以最大限度保障糙米安全生产。种植低累积水稻和在水稻生长关键期持续淹水水分管理对抑制水稻Cd吸收具有重要意义。在水稻缺水季节及缺水地区则更应重视低累积水稻品种和钝化剂的应用。     

土壤-水稻系统Cd-As同步钝化与吸收阻控研究进展

我国稻田土壤镉-砷(Cd-As)复合污染形势严峻,是实现农田安全利用的难点。相较于其他粮食作物,水稻积累Cd/As的能力更强,对人类健康危害更大,因此,修复Cd-As复合污染稻田土壤,降低稻米Cd/As含量,对保障我国食品安全意义重大。原位钝化技术是目前应用最广泛且治理效率较高的重金属污染土壤修复技术,本文重点阐述了针对稻田土壤Cd-As复合污染的典型钝化剂及其钝化机理,主要包括铁(Fe)+碱性无机材料复合钝化剂、Fe+有机材料复合钝化剂、Fe+有机+碱性无机材料复合钝化剂、有机+碱性无机材料复合钝化剂等;在此基础上,从根际稳定固持和体内运移阻控两方面,探讨原位钝化技术同步降低水稻Cd-As吸收的作用机制。最后,提出未来Cd-As复合钝化剂的研发方向,强调了土壤友好型Fe-Si复合钝化剂可有效从土壤钝化和生理阻隔两方面同步降低Cd/As生物毒害,应用前景广阔。     

不同改良剂和水分管理对水稻吸收积累砷的影响

为筛选出有效治理As污染农田土壤的修复模式,采用盆栽试验的方法,比较了不同混合改良剂和水分管理对As污染土壤中水稻吸收积累As的影响。结果表明,土壤以及水稻籽粒、茎叶和根系中的As含量在不淹水条件下较低,在淹水条件下较高,在孕穗期至灌浆期淹水条件下处于前两者之间。不同水分管理方式下,添加Si+Mo使籽粒As含量降低4.8%～19.9%,茎叶As含量降低16.9%～56.3%;添加Fe+Ca使籽粒As含量降低26.6%～50.6%,茎叶As含量降低40.3%～81.2%。添加改良剂还能降低水稻根系向茎叶和籽粒转运As的能力。综合而言,不淹水+Fe+Ca处理降低水稻As含量的效果最明显。     

基施钢渣及生物炭结合水分管理阻控水稻镉砷吸收研究

采用土柱实验和田间实验,研究了不同水分管理、基施钢渣及生物炭对稻田-水稻系统中镉砷污染同时阻控的效果。土柱实验结果表明,持续性淹水(CF)降低了Cd的生物有效性,但显著提高了As在土壤中的溶出,钢渣显著提高了土壤p H,降低了土壤Eh,并同时降低了Fe和Cd的溶解,增加了土壤溶液中Mn和As的含量。田间实验结果表明,糙米中Cd和As的含量呈显著负相关(R=-0.838,P0.05)。好氧环境下,基施钢渣及生物炭(A+SS、A+SS+BC)无法抑制Cd在稻米中的积累,而持续性淹水环境下基施钢渣和生物炭(CF+SS+BC)对水稻Cd和As具有同时阻控的效果,这或可成为水稻镉砷同时阻控的配套技术。