淹水土壤-水稻系统中Cr的根际过程研究

湿地植物能够吸收并积累重金属，阐明淹水土壤-植物系统中重金属的迁移转化过程具有重要意义，而植物根际特征、土壤性质和重金属化学形态则是其根际过程的关键因子。以水稻和铬（Cr）为例，污染土壤淹水盆栽与水培试验相结合，通过根际土壤及原位土壤溶液的理化性质（Eh、pH、有机质等）和Cr化学形态（Ⅲ/Ⅵ各价态的DGT有效态和自由离子态）分析，水稻根表铁膜的扫描电镜形貌观测和DCB浸提元素分布分析，植株Cr价态含量以及透射电镜和差速离心分离亚细胞元素分布分析：从化学形态角度和亚细胞层次阐明Cr在淹水土壤-溶液-水稻根表铁膜-根-地上部的迁移转化，揭示根际过程中根表铁膜以及可溶性有机质和Ca2+、Mg2+阳离子等土壤溶液因子对水稻吸收Cr的作用机制，首次探讨生物配体模型（BLM）对变价重金属和具有根表铁膜的湿地植物的适用性，完善植物-重金属作用理论，为淹水土壤重金属污染的风险评估和植物修复提供科学依据。

湿地植物能够吸收并积累重金属，而植物根际特征、土壤性质和重金属化学形态则是其根际过程的关键因子，显著有别于旱地系统。本项目以主要粮食作物水稻（Oryza sativa L.）和可变价态元素铬（Cr，Ⅲ/Ⅵ）为例，污染土壤淹水盆栽与水培试验相结合，通过根际土壤溶液的理化性质分析，根表铁膜的DCB元素浸提，植株各组织生物量及Cr含量分布分析，深入探讨了重金属在淹水土壤-植物系统分配中根表铁膜的作用机制和根际土壤（溶液）因子的影响机制。（1）阳离子对水稻吸收重金属的效应及其根表铁膜作用机制：以Cu2+为例测试了水稻根表分别有、无铁膜（Fe2+处理诱导形成）时的重金属吸收及生长状况，模拟了土壤溶液Ca2+、Mg2+等阳离子对其影响（竞争），表明水稻根表铁膜及土壤溶液中的主要阳离子会影响重金属的水稻吸收。（２）Fe2+和根表铁膜对水稻Cr吸收的影响机制：水培和土壤盆栽苗期试验结合探索了不同铁膜量供给条件下（Fe2+梯度处理）对不同浓度Cr（Ⅵ）的吸附能力及其向植株中迁移的影响，表明土壤中Fe2+通过形成根表铁膜对水稻吸收Cr影响显著，高浓度的铁膜可能会缓解Cr的毒害作用。（3）土壤-水稻系统Cr的迁移分配及土壤性质影响机制：选用东北、湖南、福建3种不同类型及理化性质（pH、SOM等）差异较大的水稻土进行不同形态（Ⅲ/Ⅵ）及浓度梯度（本底29.6/39.5/4.7、150、300 mg kg-1）的多种组合Cr处理下的水稻全生育期温室盆栽试验，表明Cr在根及其表面铁膜、茎叶和谷壳中的富集，缓解了Cr毒性和可食用部分的吸收；土壤性质（pH）、Cr性质以及植物自身特征等多种因素在土壤-水稻系统迁移过程中起作用；六步法（根际土壤-溶液-根表铁膜-根-秸秆-谷壳-稻米）解析了土壤-水稻系统Cr的迁移。总之，根际作为重金属进入植物体内的门户，本项目基于水稻根际特征和土壤性质，从化学形态和植物生理角度阐明了Cr在淹水土壤-水稻的迁移转化，揭示了根际过程中根表铁膜和阳离子等土壤溶液因子对水稻吸收Cr的作用机制，并首次验证了生物配体模型（BLM）对于预测淹水土壤-植物系统即湿地植物重金属毒性和生物有效性的适用性，有助于完善植物-重金属作用理论，为淹水土壤重金属污染的风险评估和植物修复提供了科学依据。成果方面，本基金项目资助协助培养了2名研究生，已发表SCI论文4篇，其它结果将陆续投稿发表。