添加生物质炭对污染稻田土壤Cd有效性及水稻吸收影响的后效应研究

Rice paddies from southern China has been increasingly polluted with Cd. Moreover, rice in these regions has been grown in acid soils that poor in organic matter, increasingly of hybrid rice cultivars, which had been considered enhancing Cd bioavailability to rice grains. Biochar soil amendment is considered to be an effective solution to prevent this problem. But, its continues effects and mechanisms on soil Cd immobilization still unknown. This program will be carried out in field experiment sites with biochar treatments in Cd contaminated paddy soil of southern China and study the continues effects (6-8 years) of biochar on the soil Cd immobilization. The changes of soil physico-chemical properties, soil Cd speciation, rice iron plaque formation, micro-characters of biochar surface will be analyzed and used to explain the residual effects and mechanisms of biochar on soil Cd immobilization and rice Cd uptake. This research work will provide scientific and practice evidences for Cd contaminated paddy soil remediation with biochar amendment.

土壤酸化、有机质降低和超级稻推广种植等水稻生产背景下，我国南方稻田产区重金属镉污染程度日益加重，稻米安全风险日益加大。生物质炭输入被认为是缓解该问题的有效途径，但其对稻田土壤Cd的持续钝化效果和作用机理的研究仍鲜有报道。本项目拟以我国南方Cd污染稻田为研究对象，利用南方多个田间定位实验，研究生物质炭输入对污染稻田土壤镉的持续钝化效果(6-8年)，并从土壤理化性质、镉化学形态、水稻根表铁膜及生物质炭表面性质变化等方面揭示生物质炭施入多年后对污染稻田土壤镉生物有效性和水稻镉吸收的长期作用机制。本研究可为生物质炭应用于我国镉污染稻田治理提供可靠的理论依据和实践基础。

为了解生物质炭对土壤中重金属镉的长期钝化效果及作用机制，本项目通过对已发表相关文献数据的荟萃分析并结合田间的长期试验观测，分析了生物质炭钝化土壤重金属钝化的影响因素，研究了生物质炭对土壤重金属的生物有效性及稻米镉吸收的长期作用效果，进而探讨了生物质炭老化效应及其与土壤重金属的相互作用机理。在项目实施过程中，我们明确了不同原料制备的生物质炭均有效降低土壤中Cd、Pb、Cu的生物有效性，但对土壤中Zn和As的影响有较大的不确定性，而绿色废弃物生物质炭和污泥炭能显著降低植物中As的含量；小麦生物质炭一次施用20-40吨/公顷可持续多年有效降低土壤镉的生物有效性并保证或促进水稻的产量；生物质炭在土壤中的老化效应增加了表面含氧官能团，并且通过其表面对重金属的络合及孔隙封闭作用持续固定和钝化重金属；进一步发现利用铁锰氧化物负载生物质炭可增强生物质炭对重金属镉和铅的吸附和钝化效果。此外，本项目进一步探索了重金属污染农田作物秸秆离田碳化再利用的潜在途径，并且发现热裂解处理不仅有效钝化作物秸秆中的重金属活性并且利用其表面可溶性组分可作为叶面肥料促进蔬菜的产量和品质。本项目的研究结果为土壤重金属镉污染修复提供了可靠的数据支撑，对探索土壤-生物质炭-作物系统相互作用的潜在机制具有重要的科学意义。