Assessment of Cd availability in rice cultivation(Oryza sativa): Effects of amendments and the spatiotemporal chemical changes in the rhizosphere and bulk soil  

鎘在水稻種植（Oryza sativa）中的可利用性評估：改良劑的影響及根際和主體土壤的時(shí)空化學(xué)變化  

來源：Ecotoxicology and Environmental Safety, 196 (2020) 110490

《生態(tài)毒理學(xué)與環(huán)境安全》，第196卷，2020年，文章編號(hào) 110490  

 

摘要  

摘要研究了鎘（Cd）污染水稻土壤中改良劑（水合石灰和羥基磷灰石）對鎘可利用性的影響，重點(diǎn)關(guān)注根際和主體土壤的時(shí)空化學(xué)變化。通過無植物和有植物（水稻）盆栽實(shí)驗(yàn)，使用非侵入性采樣器（rhizon samplers）和丹麥Unisense微電極系統(tǒng)原位測量土壤pH、氧化還原電位（Eh）、溶解性有機(jī)碳（DOC）及水溶性Cd、Fe、Mn、Ca濃度。結(jié)果表明，水合石灰顯著提高土壤pH、降低Eh和Cd溶解度，減少水稻對Cd的吸收；羥基磷灰石對Cd可利用性影響較小。根際土壤的pH梯度（低于主體土壤）和Eh梯度（高于主體土壤）導(dǎo)致Cd在根際的溶解度增加，促進(jìn)Cd在水稻組織中的積累。鐵膜（iron plaque）在Cd吸收中起促進(jìn)作用，水合石灰可有效降低Cd的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。  

 

研究目的  

研究目的包括：(1) 調(diào)查水合石灰和羥基磷灰石改良劑在根際和主體土壤區(qū)引起的時(shí)空化學(xué)變化；(2) 闡明根際化學(xué)變化對Cd可利用性、水稻Cd吸收和積累的影響，旨在評估改良劑在減少Cd污染土壤風(fēng)險(xiǎn)中的有效性。  

 

研究思路  

研究思路包括：進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)，分為無植物和有植物（水稻）兩組，土壤添加水合石灰或羥基磷灰石改良劑。使用根袋（rhizobags）分離根際和主體土壤區(qū)，插入rhizon采樣器和Unisense微電極系統(tǒng)原位連續(xù)監(jiān)測不同區(qū)域（D1根際、D2-D4主體土壤）的pH、Eh、DOC、水溶性Cd、Fe、Mn、Ca濃度。實(shí)驗(yàn)周期60天，定期收集孔隙水樣品和水稻組織樣本，分析Cd含量、鐵膜Cd和Fe濃度，并通過統(tǒng)計(jì)方法（ANOVA、相關(guān)性分析）評估數(shù)據(jù)。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1. pH和Eh數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測量，來自圖1（pH時(shí)空變化）和圖2（Eh時(shí)空變化）。研究意義：提供高分辨率原位測量，揭示根際pH低于主體土壤、Eh高于主體土壤的梯度特征，幫助理解土壤環(huán)境動(dòng)態(tài)如何影響Cd溶解度（例如，低pH促進(jìn)Cd溶解）。  

  

2. DOC、Ca、Fe、Mn濃度數(shù)據(jù)：孔隙水中的濃度，來自表1（隨時(shí)間變化）。研究意義：評估改良劑對土壤溶液化學(xué)的影響（如DOC增加可能促進(jìn)Cd絡(luò)合），揭示Ca2?競爭吸附位點(diǎn)、Fe/Mn氧化物對Cd的吸附機(jī)制，幫助解釋Cd移動(dòng)性。  

 

3. 水溶性Cd濃度數(shù)據(jù)：來自表2（不同土壤區(qū)時(shí)空變化）。研究意義：直接反映Cd的生物可利用性，顯示根際Cd濃度高于主體土壤，證明根際環(huán)境（pH和Eh梯度）增加Cd溶解度，為植物吸收提供依據(jù)。  

 

4. Cd在水稻組織中的濃度數(shù)據(jù)：來自表3（根、莖、葉、鐵膜中Cd含量）。研究意義：量化改良劑對Cd植物累積的影響（如水合石灰顯著降低組織中Cd），結(jié)合鐵膜數(shù)據(jù)評估Cd轉(zhuǎn)移機(jī)制。  

 

5. 相關(guān)性數(shù)據(jù)：來自表4（孔隙水Cd與水稻組織Cd的相關(guān)性）。研究意義：驗(yàn)證水溶性Cd作為植物吸收主要來源，并揭示鐵膜在促進(jìn)Cd累積中的作用，指導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)管理策略。  

 

結(jié)論  

結(jié)論包括：(1) 水合石灰通過提高pH、降低Eh和DOC-Cd絡(luò)合，顯著減少土壤水溶性Cd和水稻組織中Cd積累；(2) 羥基磷灰石對降低Cd可利用性效果不顯著；(3) 根際土壤的pH和Eh梯度導(dǎo)致Cd溶解度增加，促進(jìn)Cd吸收；(4) 鐵膜在Cd累積中起促進(jìn)作用，水合石灰可減少鐵膜Cd含量；(5) 水合石灰在淹水條件下是降低Cd污染土壤風(fēng)險(xiǎn)的有效方法。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測量的pH和Eh數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵研究意義。該系統(tǒng)提供原位、高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)，能捕捉根際和主體土壤的微小變化（如根際pH降低0.5-0.9單位、Eh升高梯度）。這種動(dòng)態(tài)監(jiān)測揭示了土壤化學(xué)環(huán)境的實(shí)時(shí)變化：在根際區(qū)，pH梯度（低于主體土壤）和Eh梯度（高于主體土壤）共同促進(jìn)了Cd的溶解和釋放，增加了Cd的生物可利用性。例如，測量顯示根際Eh升高加速了CdS和CdCO?的氧化溶解。這幫助驗(yàn)證了pH和Eh是控制Cd移動(dòng)性的主導(dǎo)因素（而非DOC或陽離子競爭），為理解Cd在植物-土壤系統(tǒng)中的行為提供了機(jī)制基礎(chǔ)。同時(shí)，數(shù)據(jù)證實(shí)了改良劑（如水合石灰）通過改變pH和Eh來調(diào)控Cd溶解度，支持了其在原位修復(fù)中的應(yīng)用。Unisense電極的高精度測量彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，提高了風(fēng)險(xiǎn)評估的準(zhǔn)確性。