论文部分内容阅读
土壤重金属污染及其引发的生态环境和食品安全问题是近年来我国突出的环境问题之一。我国是水稻生产大国,水稻土是我国主要耕地类型之一,而耕地污染导致粮产区稻米镉、砷富集,部分地区重金属超标率已高达10%。鉴于水稻种植前期多处于淹水环境,而后期因排水烤田须经历特有的淹水-落干过程;有研究表明淹水处理Cd与S2-反应生成CdS沉淀而显著降低土壤中Cd的生物有效性,但是会促进As(Ⅷ)还原成As(Ⅲ)而提高As的生物有效性。新近研究发现,适当调控水稻淹水-落干时间,可同时降低水稻对Cd、As的吸收,但是其反应机制仍很不清楚。本论文通过利用高精度土壤微反应器模拟Eh梯度变化过程研究其耦合的土壤Cd/As及相关元素(Fe/Al/Ca/S/P/DOC)的释放特征,并结合同步辐射微区X射线荧光光谱技术(μ-XRF)探讨了不同Eh条件下稻田土壤As释放机制。在此基础上利用土柱实验模拟水稻田的淹水-落干过程中砷镉形态转化过程。同时,通过盆栽实验研究不同的淹水-落干时间组合对作物吸收重金属的影响,研究结果如下:(1)随着Eh的升高,土壤溶液的pH与DOC值均呈降低趋势,而土壤溶液中Cd与S、Al浓度呈相似的增长趋势,As与P、Fe浓度呈相似的增长趋势,这间接表明Cd主要被金属硫化物控制,As主要收受铁锰氧化物或铁的硫化物影响。同步辐射μ-XRF分析进一步发现,在低Eh条件下,土壤颗粒上As、Fe和S的高含量点信号重合且相关性较高,说明铁的金属硫化物是As的主要固定相。(2)无论是淹水还是落干条件,土壤中砷不同形态占比均为:专性吸附态>晶态铁锰结合态砷>残渣态>无定型结合态>非专性吸附态,在淹水前期晶态铁锰结合态砷向专性吸附态砷及非专性态吸附态砷转化,淹水后期专性吸附态砷向晶态铁锰结合态砷转化。淹水-落干条件对砷的形态影响主要是改变专性吸附态砷的变化;在淹水条件下,不同形态镉占总镉百分比为可还原态镉>可氧化态镉>酸溶态镉>残渣态镉,而在落干条件下,酸溶态、可氧化态及可还原态的镉所占含量无显著性差异。在淹水10天时,酸溶态和可还原态镉含量最高,此时有最高的生物潜在风险。在落干条件下,镉在5天内完成形态转化。(3)在淹水条件下,淹水6天-落干6天处理组(Int-F6D6)酸溶态和可还原态镉的含量比全生育期淹水处理组(Flooded)镉含量分别提高14%、5%,明显提高镉的移动性。而在落干条件下,两个处理组的各个形态镉含量几乎相等,表明通过适当的水分管理能够明显的提高镉的移动性。通过水分管理不仅能提高镉的移动性和生物有效性,同时能提高水稻的生物量。虽然本实验中镉的生物富集系数较低,但相较其他镉超累积植物,水稻具有生物量大,易种植等优点,经核算,Int-F6D6处理组一季水稻的镉去除量的理论值为405.52mg,非常可观。