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。     

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-水稻体系总砷含量的测定及其相关性研究

对韶关地区土壤及其水稻不同部位的砷含量进行了采样测定,分析了水稻中重金属砷含量与土壤的关系。结果表明：水稻不同部位中砷的含量不尽相同,其根、茎、叶及米粒中的砷含量依次为：根〉茎〉叶〉大米,且与土壤中的砷含量呈正相关,说明水稻中金属砷含量与其生长环境密切相关,水稻对金属砷具有一定的富集性。     

硅、硫对水稻砷吸收、积累的影响研究进展

综述了近年来硅、硫对水稻砷吸收、积累及其相关生理、分子机制影响的研究进展,重点阐述了硅和水稻吸收砷以及硫和水稻砷转运积累之间的关联,并对今后研究的主要方向进行了展望。     

砷污染土壤的生物修复研究进展

综述了国内外对砷污染土壤微生物修复、植物修复及微生物-植物修复技术的应用等方面的研究进展,并对该领域存在的问题和今后的发展趋势作了具体的分析。     

叶面施硅对水稻吸收和转运无机砷和甲基砷的影响

为探讨叶面施硅对水稻吸收和转运不同形态砷[As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA(Ⅴ)和DMA(Ⅴ)]的影响,采用水培模式和高效液相-原子荧光光度计(HPLC-AFS)相结合的方法,探究了水稻幼苗叶面施硅后其吸收不同形态砷的能力及其体内不同形态砷含量的变化。结果表明:4种砷形态处理下,叶面施硅可降低水稻地上部和根部砷含量,其中As(Ⅴ)、MMA(Ⅴ)处理下,叶面施硅水稻根中砷含量显著低于对照,降幅分别为26.16%、35.32%(P0.05),As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理下,叶面施硅后,水稻地上部砷浓度显著低于对照(P0.05),降幅分别为23.03%和42.98%;叶面施硅处理还可降低水稻对砷的吸收能力,其中As(Ⅴ)、MMA(Ⅴ)处理下,叶面施硅水稻对砷的吸收显著低于对照,降幅分别为29.08%、35.17%(P0.05);此外,叶面施硅可以降低水稻地上部与根系砷形态含量,其中As(Ⅴ)处理下,叶面施硅的水稻地上部As(Ⅲ)含量比对照显著降低32.60%(P0.05),As(Ⅴ)和MMA(Ⅴ)处理下,水稻根系As(Ⅴ)和MMA(Ⅴ)含量分别比对照显著降低55.30%和30.61%。但是,叶面施硅对不同形态砷在苗期水稻体内的转运没有显著影响。总之,叶面施硅可抑制水稻对不同形态砷的吸收与累积,在一定程度上降低水稻砷毒害。     

秸秆还田和水分管理方式对土壤砷形态及水稻砷吸收的影响

为了解农艺措施对砷污染农田水稻安全生产的影响,设置了4种秸秆还田方式与4种水分管理方式的组合盆栽试验,探讨了不同秸秆还田与水分管理方式对土壤砷形态及水稻砷吸收的影响。结果表明:秸秆全量炭化还田有利于土壤pH值的提高,而秸秆全量还田与秸秆半量还田会导致水稻生长前期土壤pH值的下降;深水淹灌可显著降低土壤Eh值,增加土壤交换态砷、铝结合态砷和水溶性砷含量,从而提高水稻稻谷中砷的含量;薄水淹灌与干湿交替有利于土壤Eh值的提高,从而降低交换态砷和水溶性砷含量,提高As(Ⅴ)/As(Ⅲ)比值,降低稻谷中砷的积累;秸秆全量炭化还田有利于钙结合态砷的形成,轻微增加水稻的产量,其稻谷中砷含量明显低于秸秆全量还田和秸秆半量还田处理的。因此,秸秆全量炭化还田比秸秆全量还田更有利于砷污染农田水稻的安全生产。     

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。     

砂壤水稻土添加砷对水稻生长发育和残留的研究

在吉林省砂壤水稻土添加不同浓度砷对水稻生长发育和残留规律进行盆栽试验研究。结果表明，砷对水稻的毒害作用极大，能严重地抑制其生长发育，土壤投加砷１５－５０ｍｇ／ｋｇ条件下，可使水稻减产３０－６５％。     

秸秆直接还田与炭化还田对热带土壤-水稻系统氨挥发的影响

氨挥发是稻田氮损失的主要形式之一。本研究采用温室土柱试验方法,设置不施氮肥(0N)、秸秆还田(ST)、生物炭(秸秆炭化)还田(BI)、常规施肥(CF)、秸秆还田配施氮肥(NST)、生物炭还田配施氮肥(NBI)6个处理,研究等量氮素投入条件下秸秆还田及其炭化还田对热带土壤-水稻系统氨挥发排放的影响。结果表明,与CF处理相比,NST处理在分蘖期显著(P<0.05)降低了田面水的pH值,提高了田面水的NH⁺₄-N含量;NBI处理显著(P<0.05)提高了水稻成熟期的土壤pH值和土壤NH⁺₄-N含量,降低了土壤NO^-₃-N含量。总的来看,NBI处理在试验条件下对土壤氨挥发具有较好的抑制作用,氨累积挥发量较CF处理显著(P<0.05)降低28.9%。     

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。     

施加脱硫石膏对紫色土壤-水稻系统重金属累积的影响

采用田间试验研究了施加不同用量（2、4、8、16 t·hm^-2）的脱硫石膏对紫色水稻土重金属（Cd、Pb、Zn、Cu）全量、形态分布和水稻重金属吸收及分配的影响,为脱硫石膏农用的安全性提供科学依据。结果表明：施加脱硫石膏后,土壤Pb全量较对照显著增加14.00%~68.77%（P<0.05）,脱硫石膏用量低于4 t·hm^-2时土壤Cd全量与对照差异不显著,超过该用量时Cd全量较对照显著增加16.28%~19.94%,而土壤Zn、Cu全量与对照无显著差异,且土壤重金属全量均符合《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）;同时施加脱硫石膏后,土壤中Cd可交换态占比降低,残渣态占比增高,并促进Pb的可交换态向有机结合态和铁锰氧化态转化,Zn铁锰氧化态占比增高,对Cu的赋存形态无明显影响;脱硫石膏处理组水稻根、茎叶和籽粒中重金属含量有不同程度的降低,水稻根、茎叶及籽粒对Cd、Pb的富集系数下降,且籽粒中Cd、Pb、Zn、Cu含量均符合我国《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762-2012）。水稻各部分对Cd、Pb的积累与其可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态和有机结合态含量均呈正相关,其中籽粒Cd含量与可交换态Cd含量呈极显著正相关（P<0.01）。在脱硫石膏2~16 t·hm^-2用量范围内,稻田土壤Cd、Pb全量有所增加,Zn、Cu全量无变化,Cd、Pb赋存形态向稳定态转化,水稻各部分Cd、Pb、Zn、Cu含量有不同程度降低,脱硫石膏可在水稻田安全利用。     

土壤环境中砷污染防治的研究——Ⅱ.绍兴银山畈水稻田砷污染治理

通过田间和室内试验,探讨了绍兴银山贩水稻田砷污染防治的一些措施。结果表明:(1)施用铁、锰和石灰能不同程度地减少土壤中水溶性砷含量;铁、锰的加入在土壤淹水的情况下,使产量增加不显著,在搁田的情况下,使产量低于对照:石灰的加入引起土壤pH过高,导致减产68％。(2)搁田能显著提高土壤Eh,降低土壤中水溶性砷和其中的As(Ⅰ)％以及糙米含砷量,并增产22Ⅱ;施用紫云英能显著降低土壤Eh,可增加土壤中水溶性砷和其中的As(Ⅲ)％,使水稻前期生长较差。(3)在砷污染地区。宜种植552、沪红早一号等水稻品种,而不宜种植浙辐802、85—149等品种。(4)在绍兴银山畈,在土壤含全砷70mg/kg和100mg/kg以上时,浙辐802和二九丰的糙米含砷置分别超过了卫生标准。     

土壤砷有效性及其在柑桔中累积特征研究

在对全国柑桔主产区部分土壤和植株系统采样基础上,采用1.0mol/L HCl、0.5mol/L NaHCO3和1.0mol/L NH4Cl对土壤砷提取测定,结合土壤总砷、柑桔植株枝条、叶片和果肉中砷的测定结果,研究柑桔园土壤砷的总量、有效性及砷在柑桔中分布累积规律.结果表明:供试土壤总砷含量在1.77～16.0mg/kg之间,按土壤类型,黄棕壤最高,以下依次为黄壤、红壤和紫色土;砷在柑桔植株中累积分布规律为,叶片最高,枝条次之,果肉最少.其中,果肉与叶片砷含量呈极显著正相关(R=0.735 6**n=13),且叶片累积远大于果肉;三种提取剂中,0.5mol/L NaHCO3无论在酸性或石灰性土壤上提取结果均表现与柑桔果肉砷含量具极显著正相关性(R=0.541 0**n=45),可作为柑桔土壤砷有效性指标;0.5mol/L NaHCO3提取有效砷与土壤Olsen磷呈极显著正相关(R=0.600 6**n=45),且在不同酸碱性质土壤上砷的提取量与Olsen磷的大小具有相同趋势,证明砷在土壤中具有与磷相似的化学行为和吸附-解吸特征.     

土壤砷污染及其对作物的毒害研究进展

综述了土壤中砷的形态、毒性、转化、污染等研究现状和土壤砷有效性的影，响因素，以及砷对作物形态、生理、产量等的影响，总结了作物砷毒害的生理机制，分析了作物砷毒害研究中存在的问题，提出了今后的研究方向和建议。     

蚯蚓粪对镉在土壤-水稻系统中迁移转化影响

为降低稻米中镉(Cd)含量,探究了牛粪源蚯蚓粪对水稻不同时期Cd吸收积累的影响。选取中性水稻土,采用盆栽试验,对牛粪源蚯蚓粪添加下水稻生长过程中土壤氧化还原电位(Eh)、pH和土壤Cd形态的变化规律及水稻重金属Cd积累量进行测定分析。结果表明:相较于对照(不添加蚯蚓粪),施加蚯蚓粪使水稻土壤Eh显著降低,显著降低水稻分蘖期土壤pH值,进入抽穗扬花期后无显著影响;蚯蚓粪的添加改变了土壤Cd的赋存形态,在分蘖期除低添加量6.3 g C·kg~(-1)土外均显著降低环境活性态Cd含量,且添加量越大降幅越大,在水稻抽穗扬花期仅高添加量41.3 g C·kg~(-1)土有显著降低效果,在完熟期各处理组均显著降低其含量;施加蚯蚓粪能显著降低水稻糙米中Cd的含量,蚯蚓粪施用量6.3 g C·kg~(-1)土下糙米Cd含量降低48.08%,施用量达16.3 g C·kg~(-1)土时糙米Cd含量降至0.157 mg·kg~(-1),符合国家稻米Cd控制标准,继续增加施用量后糙米Cd含量无显著差异。对于水稻植株,蚯蚓粪在41.3 g C·kg~(-1)土下可显著降低全生育期各部位Cd含量,除抽穗扬花期茎部无明显规律外,其余各时期水稻根、茎及叶Cd含量均表现为蚯蚓粪添加量越大降低效果越明显。研究表明,蚯蚓粪在全生育期可通过降低土壤Eh影响土壤可交换态Cd含量从而降低水稻对Cd的吸收量。