稻田生态系统中镉污染及环境风险管理

稻田生态系统是一个由土壤-水稻构成的人工生态系统,该系统中的镉(Cd)由于受土壤淹水、频繁农业活动及被水稻富集等影响,在土壤-水稻系统中具有很强的迁移转化特性,对人体健康具有高度危害性。围绕稻田系统中Cd的主要来源、生物和地球化学特性、Cd在稻田系统中的迁移转化特性及其影响因素(如土壤pH、稻田氧化-还原反应、土壤有机质、土壤质地及共存离子等)和稻田Cd污染综合防治措施等进行论述,并从源头控制、过程阻断及末端治理工程管理等层次对稻田Cd污染的综合防治研究进行了展望,以期为我国水稻Cd污染防治提供参考。     

田间环境下土壤-水稻系统重金属的迁移特征

为阐明土壤重金属(Cd、Pb、Cr、As、Hg)对水稻的迁移转化,采集福建闽西地区的水稻主产区土壤、水稻植株样品,对土壤-水稻系统中重金属含量特征、水稻对土壤重金属的富集性、重金属在土壤-水稻系统中的迁移转化特性及其与土壤理化性质的关系进行了分析。结果表明:水稻籽粒中5种重金属均在不同程度上超过国家食品安全标准,污染排序为PbCdAsCrHg,土壤中5种重金属的污染排序为HgCdPbCrAs;水稻籽粒对土壤中5种重金属的富集能力基本为CdAsCrHgPb,5种元素在水稻植株各器官的迁移特征一般呈现根部茎叶籽粒的现象,其中Cd元素最容易向水稻植株迁移,Pb元素最不易迁移。土壤理化性质均不同程度影响水稻的迁移系数,其中土壤pH的作用相对明显,低pH可促进重金属在土壤-水稻中的迁移吸收。     

土壤改良剂对Cd污染石灰性稻田土壤Cd形态与水稻Cd积累的影响

【目的】镉(Cd)是一种有毒重金属，稻田Cd污染和稻米中Cd的积累已严重影响了现代农业高质量发展。研究不同土壤改良剂对南方Cd污染石灰性稻田中土壤Cd化学形态变化及水稻吸收积累Cd的影响，为选择适合修复南方石灰性稻田Cd污染的钝化材料和保障粮食安全生产提供理论依据。【方法】研究以Cd污染石灰性稻田为研究对象，通过大田原位修复试验，在等量氮磷钾养分投入条件下，研究了添加土壤调理剂(AF)、炭基微生物菌剂(CMF)和复合微生物肥+RBM微生物液体菌剂(RBM)对Cd污染稻田土壤化学性质、Cd形态含量变化以及水稻各部位Cd富集与转移的影响。【结果】施用土壤改良剂在一定程度上能保证水稻产量。与单施化肥处理相比，添加炭基微生物菌剂可以提高土壤有机碳含量，增幅为13.19%，而且施用土壤改良剂的处理均能增加土壤CEC，同时降低水稻成熟期土壤DTPA有效态Cd含量和土壤酸可提取态Cd含量，其中AF和CMF处理土壤酸可提取态Cd含量显著降低了8.84%和8.37%，促进了土壤Cd由活性强的形态向稳定态转化；通过BCR法分析土壤中Cd的4种化学形态发现，各处理土壤化学形态Cd含量大小均表现为残渣态>...     

上海市闵行区稻田土壤-水稻系统中重金属含量水平及富集特征

采集上海市闵行区5个乡镇(浦江镇、颛桥镇、吴泾镇、马桥镇、梅陇镇)水稻种植合作社的土壤和稻谷样本各71个,利用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对土壤中Cu、Zn、Cd、As、Hg 5种重金属的含量水平进行了综合评价,并通过富集因子(PUF)法对其在稻谷中的富集水平进行了评价。结果表明:闵行区稻田土壤和稻谷中5种重金属元素的平均含量均在标准限量范围内,个别土壤(N31°04′24.3,″E121°26′01.7″)中Cd含量接近标准限量临界值;稻田土壤中Cd的单因子污染水平(0.64)较其他元素高,梅陇镇稻田土壤的各项单因子污染水平(除Hg外)及综合污染指数均较高,其次为吴泾镇;稻谷富集Cu、Zn、Cd的能力较强,As次之,Hg最弱。综合来看,研究区域土壤-水稻系统中重金属累积程度低,但个别区域稻田土壤中重金属含量接近临界值,应该引起足够的重视并采取相应的措施。     

稻田土壤重金属赋存形态·运移规律及灌溉的影响

简述土壤重金属赋存形态及影响因素,水稻植株对土壤重金属的吸收、分布和富集,以及土壤重金属运移及其影响因素的研究进展。针对不同灌溉导致的稻田土壤环境和水稻生长吸收功能等差异,提出不同灌溉模式下稻田重金属迁移转化规律有待研究的问题。     

蚕沙与海泡石联合施用对水稻根际土壤Cd生物有效性及籽粒Cd富集的影响

矿区重金属稻田土壤治理对水稻粮食安全意义重大,为探索蚕沙与海泡石联合施用对矿区重金属Cd污染稻田土壤的生态修复效果,明确其对水稻根际土壤Cd生物有效性和植株不同部位Cd富集及稻米安全性的影响,进行稻田原位土壤修复试验,早稻设置蚕沙+海泡石(T1)、蚕沙+腐植酸钠+海泡石(T2)、蚕沙(T3)3种钝化处理及不添加改良剂为对照(CK)处理,晚稻进行老化效果跟踪试验。采用梯度扩散薄膜(DGT)技术研究稻田根际土壤Cd生物有效性,探讨水稻植株不同部位Cd富集、籽粒Cd累积与其相关性。结果表明,蚕沙单独施用及与其他钝化材料联合施用均可降低Cd污染稻田根际土壤Cd生物有效性,与CK相比,早稻T1、T2、T3处理Cd生物有效性显著下降,分别下降88.36%、82.00%、74.18%;晚稻T3处理下降29.71%。蚕沙与海泡石联合施用减少水稻对Cd的吸收。水稻根系、茎秆、叶片、谷壳和籽粒Cd含量下降31.71%～55.54%、17.01%～84.60%、18.21%～57.09%、44.94%～49.69%和47.62%～53.84%。蚕沙与海泡石联合施用改变土壤理化性质,土壤pH提升0.13～0.27,电导率提高16.45%～121.54%,土壤有机质提高15.51%～39.64%。在老化效果跟踪试验中,蚕沙与海泡石施用处理下水稻籽粒的Cd含量达到安全水平,符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中的相关标准,对稻田Cd污染作用的持续影响效果最久。蚕沙与海泡石联合钝化有效阻控了土壤-水稻Cd之间的传递,可作为一种稻田Cd污染逆境生态调控的应用技术。     

地质高背景区镉污染稻田中低累积水稻品种筛选

【目的】探究地质高背景区镉（Cd）污染稻田水稻对Cd的富集转运特征,筛选适用于稻田安全生产的Cd低累积水稻品种,为该地区的水稻安全生产提供参考。【方法】以贵州开阳县10个主栽水稻品种为材料,采用田间小区试验的方法,测定土壤、水稻不同组织部位Cd含量,对比不同水稻品种对Cd的富集和转运特征,并结合水稻产量和聚类分析,筛选Cd低累积水稻品种。【结果】参试水稻品种的稻田土壤pH为5.88~6.37、全Cd含量为0.89~1.30 mg/kg、有效态Cd含量为0.40~0.58 mg/kg,不同品种间土壤pH及Cd含量无显著差异（P>0.05,下同）。水稻不同组织部位间的Cd含量以茎部和根部积累较高。相对于根际土,Cd在水稻茎、根中呈明显的富集特征,富集系数均超过1.00,但多数品种谷壳、糙米对Cd的富集系数小于1.00。Cd转运系数以糙米/谷壳、茎/根转运系数较高,其中,水稻体内Cd从根向茎、谷壳向糙米的转运能力相对较强,接近或超过1.00。在水稻品种间产量无显著差异的前提下,结合聚类分析可将10个水稻品种划分为三类:第Ⅰ类（较低值类）包括成优1479和天优1177;第Ⅱ类（中间值类）包括C两U华占、黑糯80、川华优320、红优2号、C两优华占和泸香优110;第Ⅲ类（较高值类）包括金优2017和宜香优2115。【结论】10个参试水稻品种中,本地主栽水稻品种各部位相对易于富集Cd,其中,金优2017和宜香优2115糙米Cd含量严重超标,不建议在Cd污染稻田中种植;成优1479和天优1177的糙米Cd含量较低,可作为Cd低累积水稻品种推广种植。     

土壤调理剂对不同成土母质Cd污染稻田的修复效果

选择不同成土母质发育的典型Cd污染稻田,研究土壤调理剂对土壤Cd形态及水稻Cd吸收的效果,为修复不同成土母质Cd污染稻田土壤提供科学依据。研究结果表明,施用土壤调理剂对水稻产量无显著影响,但能显著降低水稻稻米和植株Cd含量,并显著提高土壤p H值,有效降低土壤有效态Cd含量。施用土壤调理剂主要受其强碱性对土壤的调酸及降低土壤Cd有效性的影响,并受成土母质的调节。     

矿区Cd污染稻田生物炭生态原位钝化及Cd形态转化

为探究生物炭对矿区Cd污染稻田土壤原位钝化生态修复效果,进行稻田土壤Cd污染修复试验,设置海泡石（BC1）、生物炭（BC2）、空白对照（BC3）3种处理。采用梯度扩散薄膜（DGT）技术研究水稻根际土壤Cd生物有效性,明确其对水稻根际土壤Cd生物有效性和土壤Cd形态转化的影响。结果表明：生物炭影响矿区Cd污染稻田水稻根际土壤Cd形态比率。生物炭改变稻田土壤中Cd形态,明显提高土壤中残渣态Cd含量占比,提高幅度达27.84%,利于其他形态Cd向更稳定的残渣态转变。生物炭改变矿区Cd污染稻田水稻根际土壤Cd生物有效性。与空白对照相比,生物炭使水稻收获期的根际土壤Cd生物有效性降低了40.90%,土壤中有效态Cd含量降低了9.53%;海泡石处理的土壤Cd生物有效性比生物炭处理的土壤Cd生物有效性降低了83.90%,海泡石处理的土壤有效态Cd含量比生物炭处理的土壤有效态Cd含量降低了7.73%。生物炭可提升矿区Cd污染稻田土壤质量。生物炭改善了水稻土壤质量;与空白对照相比,生物炭处理的土壤有机质提高了6.75%,土壤阳离子交换量升高了8.44%,土壤pH值提升了7.44%;与海泡石对照相比,生物炭处理的土壤有机质提高了2.95%,土壤阳离子交换量升高了9.22%,土壤pH值降低了13.33%。研究表明,生物炭原位钝化能有效降低矿区Cd污染稻田土壤Cd生物有效性,提升生态修复水平。     

冶炼企业影响的土壤-水稻系统中重金属分布特性及污染评价

以苏南某冶炼厂原址场地附近土壤、水稻为对象,研究了土壤及水稻籽粒中重金属(Cu、Pb、Cd)污染状况及其迁移、累积特征.结果表明.研究区土壤重金属综合污染指数均大于3,污染等级超过5级,属重度污染且各重金属间污染程度呈现Cd>Cu>Pb的特征,水稻籽粒中重金属Pb、Cd超标严重.在迁移、累积方面.表层土壤重金属呈现出由东南向西北方向扩散的趋势,且向下迁移及在水稻籽粒中累积的趋势明显,各重金属在水稻籽粒中富集能力的大小顺序为Cu>Cd>Pb.     

叶面阻控剂对黔中喀斯特地区水稻Cd富集特征的影响

为优选适用于贵州喀斯特地区Cd污染农田水稻生产的叶面阻控剂,在贵州中部典型Cd超标稻田开展田间试验,于水稻分蘖期、抽穗期喷施不同叶面阻控剂作为处理(编号分别为SI、SE、GWY、FE、ZN),以不施叶面阻控剂的处理为对照(CK),在成熟期采集水稻植株样品,探讨不同叶面阻控剂对水稻各部位Cd迁移转化的影响。结果表明:与CK相比,喷施叶面阻控剂对土壤pH、有机质、Cd含量无显著影响。SE、GWY、ZN、SI处理下,水稻产量分别较CK显著(P<0.05)增加13.56%、5.77%、5.74%、7.30%。与CK相比,ZN处理下糙米镉含量降幅最大(56.5%),其次是SE、GWY处理,降幅分别为52.3%和39.4%。与CK相比:SE处理下,水稻茎节的Cd富集系数下降44.8%;ZN处理下,水稻穗轴、糙米中的Cd富集系数分别下降55.0%、58.0%;SI处理下,水稻叶的Cd富集系数提高133.7%。SE、SI处理下,枝梗-稻壳的Cd转移因子分别较CK降低65.8%、40.8%。综上,SE、GWY、ZN能提高水稻产量,降低糙米中的Cd含量,调节Cd在水稻植株各部位的富集与转运,可以用作保障黔中地区Cd污染耕地安全利用的水稻叶面阻控剂。     

适于轻度Cd、As污染土壤种植的水稻品种筛选

对重金属具有高耐性、低富集的水稻品种可用于轻度重金属污染的水稻土。采用温室盆栽试验研究2种水稻土(红泥田和黄泥田)中Cd、As污染对9种水稻生长的影响,分析不同水稻品种对Cd、As富集能力的差异。结果表明,As污染处理下所有水稻品种的生物量均显著降低,在红泥田上,水稻生物量降低幅度为29.4%～54.3%;在黄泥田上,降低幅度为29.5～53.3%。不同水稻品种对As耐性有显著差异(P<0.05),晚粳9707(粳稻)生物量降幅较小,耐性较高;浙1500(籼稻)降幅较大,耐性较低。对于Cd污染处理,在2种类型土壤上9种水稻对Cd耐性差异不显著。不同水稻品种对土壤Cd、As的富集能力有显著差异(P<0.05)。在2种类型土壤上,德农2000(杂交稻)和浙1500(籼稻)分别对As、Cd的富集系数最高,对As、Cd污染敏感;南粳32(粳稻)对Cd、As的富集系数均较低,对Cd、As污染不敏感。在9个水稻品种中,南粳32对Cd、As的富集能力最低,并且对As耐性较高,适合在Cd、As轻度污染的水稻土上种植。     

生物菌肥与单硅酸混用对水稻子粒的降镉效果

通过田间试验研究了中低水平土壤镉背景值情况下,水稻(Oryza.sativa L.)对重金属Cd吸收富集情况及探索采用生物和化学等方法治理Cd污染的效果。结果表明,通过对土壤添加特定微生物肥、叶面喷施融地美能降低水稻子粒中镉含量19%以上,最高增产达26.74%。该技术为中轻度Cd污染水稻田土壤修复新技术的应用提供指导。     

不同水分管理模式对水稻生长及重金属迁移特性的影响

通过水泥池小区试验,研究了淹水(CF)和干湿交替(IF)两种水分管理模式对常规稻(C)与杂交稻(H)生长及重金属Pb、Cr、Cd富集的影响。结果表明,干湿交替(IF)处理能显著提高水稻的生物量及产量,增强了Pb、Cr、Cd在土壤-水稻系统中的迁移能力,并显著促进水稻根系对Cd的富集,提高米粒中Cr的含量。研究结果还表明,水分管理对Cr在水稻体内的迁移特性的影响明显不同于Pb和Cd。Pb、Cd在水稻体内含量呈现根茎叶米粒,而Cr则为米粒/茎叶根,且不同水分管理模式对常规稻(C)米粒富集Cr的影响较杂交稻(H)大。可见,干湿交替模式虽能促进水稻生长和增产,同时却显著提高了Cd和Cr的生物有效性。因此,在采取相应水分管理模式降低重金属生物有效性时应充分考虑水稻对不同重金属类型的响应差异,才能更有效地控制当前农田环境的重金属污染。     

不同磷肥浓度下土壤-水稻系统重金属的时空累积特征

针对磷肥是水稻田重金属污染的主要来源,采用田间试验与室内分析相结合的研究方法,在吉林省九台市饮马河老稻田区,开展5种磷肥浓度处理对土壤-水稻系统重金属Cd和Pb的时空累积、分布特征研究.结果显示,磷肥中Cd和Pb含量高于土壤背景值,但没有超出国家土壤环境质量(二级)限定范围.磷肥施入土壤后,部分滞留在土壤里,少量向地上部分迁移.水稻根部累积重金属含量较高.随水稻生育期的变化,成熟期重金属在根、叶和籽实累积量最大,茎的重金属累积量在孕穗期达到最大.重金属Cd在水稻各器官的迁移能力为根>籽粒>叶>茎,Pb的迁移能力为根>叶>籽粒>茎,Cd在水稻地上部分的迁移能力要明显强于Pb.磷肥施用量和重金属含量的关系可用线性回归方程来模拟,相关性检验显示重金属累积量与磷肥施用浓度均达到显著相关(P＜0.01)(除根中Cd含量与磷肥浓度达到0.05显著水平),说明水稻栽培生产中过量使用磷肥,能产生重金属对土壤和稻米的污染,进而导致重金属对人畜健康的潜在威胁.     

秸秆还田对稻田氮循环微生物及功能基因影响研究进展

土壤微生物对土壤变化的反应极为敏感,秸秆还田对土壤微生物产生的影响对维持稻田系统氮素循环极其重要。秸秆还田通过对土壤微生态环境的改变影响氮素在土壤中的生物化学转化过程,进而影响水稻生产的氮素管理策略。在查阅近年来发表的相关研究论文基础上,对秸秆还田下水稻土壤氮素转化过程中相关功能微生物的作用以及关键功能基因驱动机制等研究进行综述,以期厘清秸秆还田后稻田生态系统中微生物介导的氮素循环转化机制,为稻田科学施用氮肥提供理论依据。     

土壤镉污染对水稻孕穗期植株生长及镉积累的影响

为了明确Cd对水稻孕穗期植株生长的影响及其在植株体内的积累分配特征,以水稻品种中优169为试材,通过盆栽试验,研究了土壤不同含量Cd对水稻孕穗期植株根系活力、干物质量以及Cd积累和分配的影响。结果表明:水稻孕穗期根系活力和器官干物质量均随土壤Cd含量的提高而降低,当Cd含量为5 mg/kg时,水稻根系活力和器官干物质量均受到明显抑制;随着Cd含量的提高,水稻根系和地上部的Cd含量以及积累量均明显增加;1 mg/kg的Cd处理下水稻根系Cd富集系数和分配比例下降,而转运系数以及地上部的富集系数和分配比例增加;5 mg/kg的Cd处理下水稻根系和地上部的Cd富集系数、转运系数以及地上部的Cd分配比例下降,而根系的Cd分配比例增加。较高程度的Cd污染,抑制了孕穗期水稻的生长。Cd污染增加了水稻各部位对Cd的积累,但高Cd污染时Cd向水稻地上部迁移与分配的能力会降低。     

地质高背景农田土壤中水稻对重金属的富集特征及风险预测

为了解地质高背景农田重金属的行为特征,对两个不同地区(浙江北部丘陵地区和广西中部岩溶地区)土壤和水稻子实中As、Cd、Pb、Ni、Cu和Zn的含量进行了分析,研究重金属的迁移富集差异及其主要影响因素,并以土壤理化参数和有效态重金属(EDTA提取态)为变量,建立两个研究地区水稻子实中重金属含量的最优经验预测方程。结果表明,在浙江研究区土壤中Cd和As超标明显,广西研究区土壤Pb、As和Cd超标严重;但从水稻子实重金属含量结果来看,只有Cd在浙江研究区超标。两个研究区重金属元素在水稻中的生物富集因子均较低,明显低于人为污染的农田;相关性分析和回归预测表明,土壤有效态重金属、pH、有机质和CaO是影响水稻子实重金属含量的主要因子。     

重金属镉在土壤-水稻中迁移转化特征

【目的】探明不同浓度镉污染土壤条件下镉在水稻中的迁移转化特征,为控制镉在水稻中的迁移及保障粮食生产安全提供参考依据。【方法】通过人工模拟镉污染的盆栽试验,研究不同镉污染程度(轻微、轻度、中度及重度污染)土壤对分蘗期和成熟期水稻各器官镉积累、富集能力及土壤-水稻系统各部分间转运特征的影响。【结果】水稻各器官镉积累量及富集能力均随土壤镉污染程度增加而增大,镉在水稻中的富集能力表现为根系茎叶糙米。镉在土壤-水稻系统各环节转运能力表现为土壤-根系根系-茎叶茎叶-稻米。镉胁迫浓度与土壤-水稻系统各部分间转运系数无明显相关性。【结论】镉在水稻不同部位的含量与土壤中镉浓度成正相关关系。     

水旱轮作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的研究进展

汞是一种全球性有毒污染物，其具有持久性及生物累积性特点，在自然条件下，汞通常都以无机形态存在，在生物和微生物的作用下，无机汞可转化为毒性更强的甲基汞；水旱轮作是我国稻田的主要耕作模式，旱作季与水作季土壤汞微生物甲基化的生成与影响因素不同，水稻对甲基汞富集能力非常强，水稻植株内的甲基汞主要来源于稻田土壤，导致食用稻米成为汞污染区人群甲基汞暴露的主要途径。为水旱轮作稻田旱作季土壤汞微生物甲基化的生产应用及同类研究提供参考，从水旱轮作稻田旱作季不同类型土壤汞微生物甲基化及土壤微生物汞甲基化的影响因素两大方面进行综述，并对未来的研究方向进行了展望。