施硅抑制水稻吸收铅的土壤化学机制

调查显示，我国局部地区耕地土壤铅污染十分严重，铅是稻米中超标最严重的元素。开展铅污染土壤修复工作非常必要。应用含硅物料修复重金属污染土壤已成共识；其生物学机制较为清楚；但土壤化学机制尚不明确。我们研究发现：加硅促进酸性土壤对铅的吸附，抑制碱性土壤对铅的吸附，但都能减少水稻植株体内铅含量。为此，提出在酸性土壤中，硅促进铅的专性吸附、改变土壤固相铅的形态，在碱性土壤中，硅和铅形成了不能被水稻吸收的水溶性复合物的假设。拟通过室内模拟试验和生物试验，将土壤-植物作为一个整体，在消除pH和伴随离子影响的基础上，系统研究硅对土壤铅的吸附解吸的影响，采取IR表征鉴定、ISE-AAS联合测定技术研究硅对土壤液相、固相铅化学形态的影响，结合盆栽水稻试验结果探讨硅减少水稻吸收铅的作用，验证硅对土壤液相及固相铅形态的影响。对阐明硅抑制植物吸收铅的土壤化学机制，揭示铅在土壤-植物系统迁移转化规律具有重要意义。

按照计划书，在消除pH和陪伴离子影响的基础上，采取室内培养和盆栽试验相结合的手段，应用尺寸排阻色谱法（SEC）、电感耦合等离子光谱发生仪(ICP)和红外（IR）分析方法，开展了硅对土壤铅化学行为影响及其机制研究和硅抑制水稻吸收铅的效应研究。取得的成果如下：1. 应用不同等温吸附模型对所得数据进行拟合，以Freundlich模型为最优；土壤吸附铅的容量参数k与土壤黏粒含量、pH、CEC均呈显著线性正相关关系。同一硅水平下，碱性土壤对铅的吸附量高于酸、中性土壤；加硅促进酸、中性土壤对铅的吸附，但抑制碱性土壤对铅的吸附；3种土壤对铅的吸附均是吸热、熵增的物理过程为主；加硅后碱性土壤吸附铅反应的△G变大、△H变小、△S变小，中、酸性土壤吸附铅反应的△G变小、△H变大、△S变大。2. 应用尺寸排阻色谱法(SEC)分离碱性土壤吸附平衡液至第10至20分钟的组分是硅铅浓度同时升高的组分，说明溶液中有形成硅酸铅复合物的可能；进一步分析加硅与不加硅条件下土壤吸附铅后溶液红外吸收光谱的变化特点，发现加硅后1158 cm-1处的Si-O-Si反对称伸缩振动峰消失，说明硅溶胶与铅形成了水溶性的硅铅复合物。3. 施硅不改变土壤中不同形态铅的含量分布规律，但可促进土壤中的铅向无效态转化；3种土壤施硅处理酸可提取态铅降低9.93%～11.18%；可还原态铅降低10.91%～18.54%；可氧化态铅提高17.44%～117.91%；残渣态铅提高3.45%～26.60%。4. 施硅不改变土壤溶液pH、Eh和硅浓度的变化趋势，但在一定程度上提高了土壤溶液pH、Eh和硅浓度，这有利于土壤铁锰氧化物与水稻根系铁锰胶膜形成，促进了铅的吸附从而降低其生物活性。5. 铅胁迫下水稻生长受到抑制，施硅则缓解了抑制效应；施硅可降低水稻植株铅含量，3种土壤施硅处理植株铅含量降低6.73%～67.44%。6. 施硅处理产量明显高于铅胁迫处理，3种土壤施硅处理产量增加99.40%～154.73%；施硅能降低稻米铅含量，3种土壤施硅处理稻米铅含量降低2.79%～39.87%。综上，施硅在酸、中性土壤中促进铅的吸附，在碱性土壤中形成了硅铅水溶性复合物；施硅提高了土壤溶液pH、Eh和土壤溶液硅浓度，有利于土壤铁锰氧化物与水稻根系铁锰胶膜形成，同时施硅促进土壤中的铅向无效态转化转化，这是施硅减少水稻吸收铅的土壤化学机制。