水稻秸秆还田对土壤砷生物有效性和籽粒砷积累的影响

In China, the carcinogenic risk from rice arsenic contamination cannot be ignored.Straw incorporation can enhance soil fertility and dispose massive straw, which is widely performed in arsenic countermined fields. While rice straw incorporation may significantly decrease soil oxidation reduction potential and increase organic matter content. These effects will increase arsenic bioavailability in paddy soil, and consequently increase arsenic accumulation in rice grains. On the other hand, rice straw incorporation may increase silicon concentration in paddy soil, which will inhibit arsenic uptake and translocation by/in rice. However, so far, whether rice straw incorporation will increase or decrease arsenic accumulation in rice grains is still unclear. In this project, we will investigate the effects of different amount of straw application on soil physic-chemical properties, and explore how these soil properties influence arsenic mobilization. In addition, the effects of straw incorporation on the key functional genes controlling As transformation in paddy soils will be determined, and the contribution of functional genes and functional microbe to arsenic transformation and volatilization will be evaluated. Furthermore, the dynamic processes of arsenic migration and transformation in the systme of soil- microorganism -rice will be investigated after different amount of straw application. This project will evaluate the effects of rice straw incorporation on rice arsenic contamination, propose reasonable amount of straw application for arsenic contaminated fields.Results of this study will provide theoretical and practical guidance for both safe rice production and rational rural resources recycle.

大米砷污染的致癌风险不可忽视。秸秆还田是重要的农业培肥增产措施，在我国砷污染的稻区广泛采用。然而，秸秆还田可能会通过降低土壤的氧化还原电位、提高有机质含量等途径提高土壤中砷的生物有效性，进而可增加水稻籽粒中砷的积累。同时，秸秆还田也可通过提高土壤中硅的含量来抑制水稻对砷的吸收和积累。但目前国内外尚缺乏秸秆还田如何影响砷污染土壤中砷的生物有效性和大米中砷的积累。在本项目中，我们将研究不同秸秆量还田对砷活化关键因子的影响, 并阐明砷活化关键因子的变化对土壤砷迁移转化的影响；表征秸秆还田对土壤中砷转化功能基因和功能微生物的影响，并揭示功能基因和功能微生物对土壤砷形态转化和砷挥发的贡献；最终诠释水稻秸秆还田如何影响砷在土壤-微生物-水稻系统中的迁移转化及归趋动力学，为砷污染稻区提出秸秆还田的合理用量与还田方式。研究成果将为大米的安全生产和农村可再生资源的合理利用提供理论和实践指导。

砷（As）作为一种典型的有毒类金属，广泛地存在于周围环境中，砷污染也已经成为一个全球性的环境问题。近年来，秸秆还田在砷污染稻区广泛实施，但秸秆还田对土壤砷生物有效性及水稻砷吸收积累的影响尚不清楚。本项目研究了秸秆及秸秆生物炭还田是如何在整个稻田-微生物-水稻系统中对砷的命运产生影响的。我们的结果表明，秸秆生物炭的添加显著增加了根际土壤孔隙水的pH、DOM浓度、Si浓度以及As的移动性，但是却降低了精米中As(III)的浓度，并对其总砷浓度无显著影响；秸秆的添加显著降低了根际的Eh，却显著增加了孔隙水中的Fe、DOC、DOM、Si和As的浓度，显著促进了土壤砷的挥发，同时也显著增加了精米中DMA的浓度，但显著降低了精米中As(III)的浓度。比如4%秸秆添加后，砷的挥发量及精米中DMA的浓度分别增加了166倍和8倍，而精米中As(III)的浓度却降低至对照的四分之一。通过线性回归分析发现，秸秆生物炭及秸秆添加后，对水稻根际砷移动性贡献率最大的因子分别为pH值和Fe浓度。高通量测序的结果显示，秸秆生物炭及秸秆添加分别显著增加了水稻根际Bacillus和Clostridium_sensu_stricto_1的相对丰度。秸秆添加后，微生物参与的Fe/As的释放及还原溶解和砷的甲基化是控制水稻籽粒中砷积累的主要过程。综合所述，我们建议在砷污染稻区采用直接还田的方式，如果在南方酸性土壤条件下，建议秸秆还田的同时添加石灰，但秸秆还田量不宜过高，否则过高的DMA积累能导致水稻减产，建议不超过1%。该研究为秸秆还田是如何影响土壤-水稻系统中砷的命运提供了一个全面的认识，而且找到了秸秆还田后在水稻根际对砷的迁移转化起重要作用的微生物类群，能够为砷污染稻田的修复以及降低大米中砷的健康风险提供一定的理论与实践指导。