土壤-水稻體系中砷的遷移轉化及其影響機制研究.pdf

1、近年來我國政府及專家對土壤環(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化是重要的化學行為過程，也是決定農產品質量安全的源頭。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)生物學模擬試驗，運用砷形態(tài)分級的連續(xù)提取方法明確了砷在含鐵量不同兩種土壤-氧化性根際-水稻體系的時空分布規(guī)律；通過根表富砷鐵氧

2、化物膜(簡稱鐵膜)的吸附解吸試驗，從化學角度初步探索鐵膜中固定砷在后茬耕作土壤中的化學行為。綜上研究結果，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體系提供科學理論依據。整個論文分為三個部分，主要研究結果如下: 一、外源磷對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:結晶鐵錳或鐵鋁水化氧化物結合態(tài)(45％～52％)>無定形和弱結晶

3、鐵鋁或鐵錳水化氧化物結合態(tài)(26％～34％)>專性吸附態(tài)(12％～14％)>殘渣態(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):無定形和弱結晶鐵鋁或鐵錳水化氧化物結合態(tài)(77％～82％)>結晶鐵錳或鐵鋁水化氧化物結合態(tài)(20％～24％)。 (3)添加外源磷濃度為50mg/kg，小麥根系對砷和磷的吸收能力最低并且二者從根系向地上部轉運系數也較低；當施入高濃度磷時(10

4、0mg/kg)，生物量最高，根系對磷和砷的吸收能力顯著增大，磷由根系向地上部的轉運能力也相應急劇增強，而砷在小麥植株體內的轉運系數卻是最低的。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，水稻對砷、磷的吸收能力以及對砷的轉運能力均高于小麥，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化及其作用機制 (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(尤其無定形結合態(tài))越高，砷有效性

6、越低。 (3)生長在兩種土壤的水稻根表鐵膜主要以無定型態(tài)鐵和結晶態(tài)鐵為主(>90％)，郴州土-水稻(郴州土生長的水稻)根表鐵膜在成熟期老化，上虞土-水稻根表鐵膜在生長旺盛期老化程度最高，且對砷富集能力相應降低；鐵膜的數量主要受介質中鐵供應以及介質氧化環(huán)境的影響，低pH值不利于鐵膜形成。生長在兩種土壤的水稻根表鐵膜對砷的富集作用并不完全隨鐵膜數量的增減而變化，還與鐵膜中鐵的組成形態(tài)密切相關。 (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，砷很少進入作物根系，地上部砷含量最低；生育初期(前兩個生長時期)，水稻根表鐵膜主要起富集庫作用，具有很強富集砷能力但富集的砷易解吸進入作物根系，生育后期(后三個生長時期)，隨鐵膜逐漸老化，主要起緩沖層作用，阻止根系對砷的吸收。 (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砷的緩沖作用來減輕砷污染對作物的毒害。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砷的等溫吸附過程用Langmuir方程擬合結果最佳。生物成因的鐵氧化物對.As(v)的吸附能力很強，吸附率達到51～96％。但此試驗條件下并未達到根表鐵氧化物對砷的最大吸附量，通過Langmuir方程計算獲得最大吸附量為4.74mg/g，而試驗獲得最大吸附量僅