赤泥对镉在土壤-水稻系统中钝化的过程与机理研究

Recently, contamination of cadmium (Cd) in paddy soils is a growing concern because of increased fertilizer- and biosolids-borne Cd in soils. In situ immobilization Cd in contaminated soils by adding red mud (RM), a by-product of the alumina industry, has been considered as a cost-effective measure for contaminated soil remediation. However, immobilization mechanism of red mud on Cd in soil-rice system is still unclear. To investigate the mechanism, rice varieties with different radial oxygen loss (ROL) of roots were grown in mildly Cd-contaminated soils amended by RM in pot experiments. This work will shed light on the potential application of red mud to remediate mildly Cd-contaminated soil-rice system and illustrated the promising tool of intermediate energy X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy and X-ray Diffraction (XRD) to identify sorption mechanisms of Cd in paddy soils amended by RM.

重金属镉（Cd）作为胁迫稻田作物生长发育的最主要污染物之一，对我国粮食生产和食品安全造成巨大的影响。应用富含铁氧化物的工业废弃物赤泥钝化土壤Cd，是目前Cd污染土壤修复的主流技术，而赤泥钝化土壤-水稻系统Cd的机理仍并不十分清楚。依次，本研究以不同根部渗氧能力的水稻品种和赤泥为试验材料，基于室内盆栽交叉试验结合同步辐射、X-光衍射等现代分析技术，构建特定的植物生理-土壤发育体系，微观比对土壤-水稻系统中添加赤泥后Cd的赋存形态、根际微结构和生物微群系生理、生化响应特征及变化，探讨Cd在土壤-水稻系统中的钝化过程与机理。这将对改进、完善低度Cd污染稻田土壤的修复技术及合理资源化处置工业废弃物赤泥而提供科学依据。

镉（Cd）是我国稻田中最主要的污染物，对我国粮食产量和食品安全造成巨大的负责影响。应用富含铁氧化物的工业废弃物赤泥作为土壤Cd钝化剂是Cd污染土壤修复的主流技术。本项目以不同根部渗氧能力的水稻品种为植物材料，以富含铁氧化物的赤泥为钝化材料，通过室内盆栽试验，结合根际袋、根际箱等根际研究手段，以植物生理学和土壤学的相结合的角度和微观层面上研究添加赤泥后Cd在土壤-水稻系统中的赋存形态、根际微结构和生物有效性变化，得到的结论主要有： （1）随着赤泥的添加，十种不同农田土壤的可交换态镉含量均有不同程度的下降，并且随着赤泥剂量的增加和时间的延长，下降幅度有逐渐增加的趋势。其主要原因有以下几个方面：1）赤泥添加量的增加导致的土壤pH的升高，2）此外，赤泥添加量的增加导致的土壤中柠檬酸提取态铁和柠檬酸提取态铝的增加；3）自然钝化作用。（2）赤泥显著提高了水稻根表和根际铁膜中Fe、Mn和Cd的浓度，且随赤泥施用量和水稻根部渗氧能力的增加而提高。水稻根表和根际铁膜中Cd浓度与水稻根Cd浓度、秸秆Cd浓度、籽粒Cd浓度、根表和根际铁膜中的Fe浓度和Mn浓度呈显著正相关，表明赤泥条件下水稻根表铁膜和根际铁膜的厚度增加同时也增加了对镉的吸附能力，减少了镉从地下到地上部分的转运。（3）赤泥处理条件下，三种水稻在分蘖期和抽穗期根际和非根际土的Fe3+和 Fe2+含量均有不同程度的升高，根部铁浓度、地上部分铁浓度及铁膜厚度均有显著增加，表明赤泥促进了水稻根表铁膜提高的同时，也促进植物对铁的吸收。与非根际相比，在同一赤泥处理条件下，不同渗氧能力的水稻品种之间Fe3+显著升高， Fe2+含量显著降低。随着赤泥施用量的增加，供试三种水稻根际土壤交换态Cd含量逐渐减少，碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态Cd含量逐渐增加，但对有机结合态Cd的影响不明显，在RM处理条件下，三种供试水稻根际镉活性因子均显著降低，表明在根部氧化能力强的水稻品种结合富含铁氧化物的赤泥可以显著降低根际镉活性因子，减少植物对镉的吸收。本研究为赤泥条件下水稻吸收转运镉机理的理论体系的完善提供重要依据。