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土壤—水稻体系中砷的迁移转化及其影响机制研究

薛培英  
【摘要】: 近年来我国政府及专家对土壤环境和食品中砷污染问题日趋重视,而砷在土壤-植物体系中的迁移转化是重要的化学行为过程,也是决定农产品质量安全的源头。因此本研究采用土(中度砷污染土)-土根袋培养的方法研究了不同浓度的外源磷对苗期小麦和水稻根际环境中砷(As)形态分布及其生物有效性的影响;通过土(中度砷污染土)-砂根袋培养生物学模拟试验,运用砷形态分级的连续提取方法明确了砷在含铁量不同两种土壤-氧化性根际-水稻体系的时空分布规律;通过根表富砷铁氧化物膜(简称铁膜)的吸附解吸试验,从化学角度初步探索铁膜中固定砷在后茬耕作土壤中的化学行为。综上研究结果,旨在为筛选出降低砷生物有效性的可行途径,为污染稻区建立砷污染控制指标体系提供科学理论依据。整个论文分为三个部分,主要研究结果如下: 一:外源磷对苗期水稻和小麦根际砷形态及其生物有效性的影响 (1)两种作物(水稻、小麦)土壤中各砷形态的分配比例大小依次为:结晶铁锰或铁铝水化氧化物结合态(45%~52%)>无定形和弱结晶铁铝或铁锰水化氧化物结合态(26%~34%)>专性吸附态(12%~14%)>残渣态(4%~7%)>非专性吸附态(0.09%~0.25%)。(2)两种作物根际-非根际土壤中主要铁形态:无定形和弱结晶铁铝或铁锰水化氧化物结合态(77%~82%)>结晶铁锰或铁铝水化氧化物结合态(20%~24%)。(3)添加外源磷浓度为50mg/kg,小麦根系对砷和磷的吸收能力最低并且二者从根系向地上部转运系数也较低;当施入高浓度磷时(100mg/kg),生物量最高,根系对磷和砷的吸收能力显著增大,磷由根系向地上部的转运能力也相应急剧增强,而砷在小麦植株体内的转运系数却是最低的。因此,小麦通过地上部超积累磷可在一定程度上降低砷的生物毒性。(4)各种磷处理下,水稻对砷、磷的吸收能力以及对砷的转运能力均高于小麦,添加外源磷浓度为50mg/kg,水稻磷和砷的吸收能力均最低。因此,在轻中度砷污染土壤上与水稻相比更适宜种植小麦(或其他旱作植物),通过添加外源磷肥(100mg/kg)降低砷的生物毒性;而在水稻种植季,可以通过添加适量磷肥(50mg/kg)来减缓水稻对砷的吸收。 二:砷在铁含量不同的两种土壤-根际-水稻体系中的迁移转化及其作用机制 (1)两种土壤根际土pH值低于非根际土,根际Eh值高于非根际。土壤CAT酶活性越高土壤pH值也越高。(2)郴州土(铁含量低)外加Fe(OH)_3,并未显著增加土壤铁活性,但降低了土壤砷活性。土壤有效态铁含量(尤其无定形结合态)越高,砷有效性越低。(3)生长在两种土壤的水稻根表铁膜主要以无定型态铁和结晶态铁为主(>90%),郴州土-水稻(郴州土生长的水稻)根表铁膜在成熟期老化,上虞土-水稻根表铁膜在生长旺盛期老化程度最高,且对砷富集能力相应降低;铁膜的数量主要受介质中铁供应以及介质氧化环境的影响,低pH值不利于铁膜形成。生长在两种土壤的水稻根表铁膜对砷的富集作用并不完全随铁膜数量的增减而变化,还与铁膜中铁的组成形态密切相关。(4)砷在上虞土壤-根际-水稻体系中迁移规律:砷随铁的氧化还原由非根际向根际迁移并在氧化性根际富集,由于铁膜的缓冲层作用,砷很少进入作物根系,地上部砷含量最低;生育初期(前两个生长时期),水稻根表铁膜主要起富集库作用,具有很强富集砷能力但富集的砷易解吸进入作物根系,生育后期(后三个生长时期),随铁膜逐渐老化,主要起缓冲层作用,阻止根系对砷的吸收。 铁含量不同的两种土壤比较得出结论: (5)含铁量高的砷污染土壤更适宜种植水稻,水稻可通过根表铁膜对砷的缓冲作用来减轻砷污染对作物的毒害。铁含量低的砷污染稻田施铁也要慎重,虽然外加铁可以降低土壤中As活性,但是水稻对砷的吸收能力却增加。 三:水稻根表铁氧化物中富集态砷的吸附解吸研究 (1)水稻根表形成的铁氧化物对砷的等温吸附过程用Langmuir方程拟合结果最佳(P<0.01)。生物成因的铁氧化物对As(V)的吸附能力很强,吸附率达到51~96%。但此试验条件下并未达到根表铁氧化物对砷的最大吸附量,通过Langmuir方程计算获得最大吸附量为4.74mg/g,而试验获得最大吸附量仅为2.56mg/g。(2)水稻根表铁氧化物中富集态砷的等温解吸过程用Freundlich方程拟合结果最佳(P<0.05)。随磷添加浓度的增加,铁氧化物中砷的解吸量逐渐增加,解吸率也逐渐增加,但最大解吸率仅为7.7%。因此,生物成因的铁氧化物对砷的吸附能力很强但其富集的砷在短时间内的解吸能力并不高。


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