土壤-水稻體系中砷的遷移轉(zhuǎn)化及其影響機(jī)制研究.pdf

1、近年來我國(guó)政府及專家對(duì)土壤環(huán)境和食品中砷污染問題日趨重視，而砷在土壤-植物體系中的遷移轉(zhuǎn)化是重要的化學(xué)行為過程，也是決定農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的源頭。因此本研究采用土(中度砷污染土)-土根袋培養(yǎng)的方法研究了不同濃度的外源磷對(duì)苗期小麥和水稻根際環(huán)境中砷(As)形態(tài)分布及其生物有效性的影響；通過土(中度砷污染土)-砂根袋培養(yǎng)生物學(xué)模擬試驗(yàn)，運(yùn)用砷形態(tài)分級(jí)的連續(xù)提取方法明確了砷在含鐵量不同兩種土壤-氧化性根際-水稻體系的時(shí)空分布規(guī)律；通過根表富砷鐵氧

2、化物膜(簡(jiǎn)稱鐵膜)的吸附解吸試驗(yàn)，從化學(xué)角度初步探索鐵膜中固定砷在后茬耕作土壤中的化學(xué)行為。綜上研究結(jié)果，旨在為篩選出降低砷生物有效性的可行途徑，為污染稻區(qū)建立砷污染控制指標(biāo)體系提供科學(xué)理論依據(jù)。整個(gè)論文分為三個(gè)部分，主要研究結(jié)果如下: 一、外源磷對(duì)苗期水稻和小麥根際砷形態(tài)及其生物有效性的影響 (1)兩種作物(水稻、小麥)土壤中各砷形態(tài)的分配比例大小依次為:結(jié)晶鐵錳或鐵鋁水化氧化物結(jié)合態(tài)(45％～52％)>無定形和弱結(jié)晶

3、鐵鋁或鐵錳水化氧化物結(jié)合態(tài)(26％～34％)>專性吸附態(tài)(12％～14％)>殘?jiān)鼞B(tài)(4％～7％)>非專性吸附態(tài)(0.09％～0.25％)。 (2)兩種作物根際-非根際土壤中主要鐵形態(tài):無定形和弱結(jié)晶鐵鋁或鐵錳水化氧化物結(jié)合態(tài)(77％～82％)>結(jié)晶鐵錳或鐵鋁水化氧化物結(jié)合態(tài)(20％～24％)。 (3)添加外源磷濃度為50mg/kg，小麥根系對(duì)砷和磷的吸收能力最低并且二者從根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也較低；當(dāng)施入高濃度磷時(shí)(10

4、0mg/kg)，生物量最高，根系對(duì)磷和砷的吸收能力顯著增大，磷由根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力也相應(yīng)急劇增強(qiáng)，而砷在小麥植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)卻是最低的。因此，小麥通過地上部超積累磷可在一定程度上降低砷的生物毒性。 (4)各種磷處理下，水稻對(duì)砷、磷的吸收能力以及對(duì)砷的轉(zhuǎn)運(yùn)能力均高于小麥，添加外源磷濃度為50mg/kg，水稻磷和砷的吸收能力均最低。因此，在輕中度砷污染土壤上與水稻相比更適宜種植小麥(或其他旱作植物)，通過添加外源磷肥(100m

5、g/kg)降低砷的生物毒性；而在水稻種植季，可以通過添加適量磷肥(50mg/kg)來減緩水稻對(duì)砷的吸收。 二、砷在鐵含量不同的兩種土壤-根際-水稻體系中的遷移轉(zhuǎn)化及其作用機(jī)制 (1)兩種土壤根際土pH值低于非根際土，根際Eh值高于非根際。土壤CAT酶活性越高土壤pH值也越高。 (2)郴州土(鐵含量低)外加Fe(OH)3，并未顯著增加土壤鐵活性，但降低了土壤砷活性。土壤有效態(tài)鐵含量(尤其無定形結(jié)合態(tài))越高，砷有效性

6、越低。 (3)生長(zhǎng)在兩種土壤的水稻根表鐵膜主要以無定型態(tài)鐵和結(jié)晶態(tài)鐵為主(>90％)，郴州土-水稻(郴州土生長(zhǎng)的水稻)根表鐵膜在成熟期老化，上虞土-水稻根表鐵膜在生長(zhǎng)旺盛期老化程度最高，且對(duì)砷富集能力相應(yīng)降低；鐵膜的數(shù)量主要受介質(zhì)中鐵供應(yīng)以及介質(zhì)氧化環(huán)境的影響，低pH值不利于鐵膜形成。生長(zhǎng)在兩種土壤的水稻根表鐵膜對(duì)砷的富集作用并不完全隨鐵膜數(shù)量的增減而變化，還與鐵膜中鐵的組成形態(tài)密切相關(guān)。 (4)砷在上虞土壤-根際-水稻

7、體系中遷移規(guī)律:砷隨鐵的氧化還原由非根際向根際遷移并在氧化性根際富集，由于鐵膜的緩沖層作用，砷很少進(jìn)入作物根系，地上部砷含量最低；生育初期(前兩個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期)，水稻根表鐵膜主要起富集庫作用，具有很強(qiáng)富集砷能力但富集的砷易解吸進(jìn)入作物根系，生育后期(后三個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期)，隨鐵膜逐漸老化，主要起緩沖層作用，阻止根系對(duì)砷的吸收。 (5)含鐵量高的砷污染土壤更適宜種植水稻，水稻可通過根表鐵膜對(duì)砷的緩沖作用來減輕砷污染對(duì)作物的毒害。鐵含量低的砷

8、污染稻田施鐵也要慎重，雖然外加鐵可以降低土壤中As活性，但是水稻對(duì)砷的吸收能力卻增加。 三、水稻根表鐵氧化物中富集態(tài)砷的吸附解吸研究 (1)水稻根表形成的鐵氧化物對(duì)砷的等溫吸附過程用Langmuir方程擬合結(jié)果最佳。生物成因的鐵氧化物對(duì).As(v)的吸附能力很強(qiáng)，吸附率達(dá)到51～96％。但此試驗(yàn)條件下并未達(dá)到根表鐵氧化物對(duì)砷的最大吸附量，通過Langmuir方程計(jì)算獲得最大吸附量為4.74mg/g，而試驗(yàn)獲得最大吸附量?jī)H