根际有机酸对土壤中砷、镉溶出及水稻吸收砷、镉的影响

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受到工农业生产等活动的剧烈影响,土壤重金属污染情况愈加严重,其中砷(As)、镉(Cd)复合污染尤为突出。水稻是东南亚乃至全世界重要粮食作物之一,全球约有一半人口以大米作为主食。相比于其它作物,水稻因其独特的生长过程,对土壤中的砷、镉具有更高的积累能力,从而更容易富集砷、镉。有机酸在土壤重金属污染修复方面的研究近年来备受关注,且水稻根系就可以分泌多种有机酸,因其可以与土壤中的重金属发生酸化、络合和交换等多种反应,进而使土壤中的重金属发生迁移。本文通过微宇宙试验和土壤盆栽试验两种方式,系统的研究了有机酸种类、组合与浓度对土壤中砷、镉溶出的影响,探究了水稻根际有机酸对水稻吸收砷、镉的影响,旨在为筛选砷、镉低积累水稻品种,以及砷、镉在食物链中的富集提供理论依据。主要研究结果如下:1.在探究有机酸种类对土壤中砷、镉溶出影响的试验中,结果表明,试验结束时从土壤中溶出的砷、镉浓度,对照组分别为0.25 mg/L、2.5 ug/L,柠檬酸处理组分别为1.28 mg/L、16.6 ug/L,苹果酸处理组分别为1.20 mg/L、14.1 ug/L,草酸处理组分别为0.96 mg/L、11.7 ug/L,柠檬酸+苹果酸处理组分别为1.64 mg/L、29.0 ug/L,柠檬酸+草酸处理组分别为1.22 mg/L、20.6 ug/L,苹果酸+草酸处理组分别为1.33 mg/L、15.4 ug/L,柠檬酸+苹果酸+草酸处理组分别为1.37 mg/L、30.2 ug/L,有机酸处理组溶出的砷、镉浓度均显著高于对照组(P<0.05),但组合有机酸在溶出土壤中砷、镉的过程中未能体现出叠加性。在探究有机酸浓度对土壤中砷、镉溶出影响的试验中,结果表明,从土壤中溶出砷、镉的量由高至低依次是柠檬酸、苹果酸和草酸,且同一有机酸,随着浓度的提高,从土壤中溶出的砷、镉的量也越多,但这种浓度效应随着反应的进行逐渐减弱。试验过程中,低浓度(0.1 mmol/L和0.5 mmol/L)有机酸处理组从土壤中溶出的砷是对照组的0.9~1.4倍,溶出的镉是对照组的1.0~24.0倍;高浓度(5 mmol/L、10 mmo/L、20 mmol/L和40 mmo/L)有机酸处理组从土壤中溶出的砷是对照组的0.1~8.9倍,溶出的镉是对照组的5.5~275.5倍。2.在微宇宙试验结果的基础上,通过土壤盆栽试验来研究根际有机酸对水稻吸收砷、镉的影响。结果表明,水稻种植过程中,对照组根际总有机酸分泌量的范围为23.5~30.7 mg/L,砷镉处理下根际总有机酸分泌量的范围为30.6~46.4 mg/L,各水稻品种在砷镉胁迫下,水稻根系分泌的总有机酸量增多,且均显著高于对应对照组(P<0.05)。水稻种植过程中,与对照组相比,砷镉胁迫下根际分泌的各有机酸含量占比发生变化,但分泌的有机酸种类组成不变,主要为草酸、苹果酸、乙酸和柠檬酸,以及少量的甲酸和酒石酸。丰两优4根际总有机酸分泌量为46.36 mg/L,显著高于特优63的28.70 mg/L,而丰两优4根际土有效态砷、镉含量分别为1.21 mg/kg、0.60 mg/kg,显著低于特优63的1.44 mg/kg、0.73 mg/kg(P<0.05);地下部分的砷、镉含量,丰两优4分别为196.67 mg/kg、9.31 mg/kg,特优63分别为557.55 mg/kg、25.85 mg/kg,地上部分的砷、镉含量,丰两优4分别为7.48 mg/kg、2.66 mg/kg,特优63分别为15.49mg/kg、4.38 mg/kg,均是丰两优4显著低于特优63(P<0.05)。通过对土壤中重金属有效态含量、根际有机酸分泌量及水稻植株中砷、镉含量进行相关性分析,发现砷镉胁迫下水稻茎中砷含量与根中砷含量呈极显著正相关关系(P<0.01)、与土壤有效态砷含量呈显著正相关关系(P<0.05)、与根际总有机酸含量呈极显著负相关关系(P<0.01),水稻根中砷含量与土壤有效态砷含量呈显著正相关关系(P<0.05)、与根际总有机酸含量呈极显著负相关关系(P<0.01),土壤有效态砷含量与根际总有机酸含量呈极显著负相关关系(P<0.01);砷镉胁迫下水稻茎中镉含量与根中镉及土壤有效态镉含量均呈极显著正相关关系、与根际总有机酸含量呈极显著负相关关系(P<0.01),水稻根中镉含量与土壤有效态镉含量呈显著正相关关系、与根际总有机酸含量呈显著负相关关系,土壤有效态镉含量与根际总有机酸含量呈显著负相关关系(P<0.05)。
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