水旱轮作下土壤汞迁移转化及影响因素研究

The rice field-upland field rotation (RFUFR) is not only an important agricultural measure, but also greatly affects heavy metal speciation transformation in soil and heavy metal accumulation by crops. Previous studies have proven that the RFUFR will induce mercury speciation transformation in soil, leading to accumulation/hyper-accumulation of methylmercury (MeHg) by rice. Recently, the contamination of rice with MeHg and human exposure to MeHg by consumption of these MeHg contaminated rice has become one of prominent environmental issues in China. Currently, How the Hg speciation transformation in soil and which mercury speciation will enter food chain under RFUFR still remain unclear. Therefore, this project will use different speciation of single Hg isotope tracers, synchrotron radiation technique, transmission electron microscope-energy dispersive spectroscopy (TEM-EDS) and sequential extraction procedure to explore: the characteristics of Hg transformation and migration and their influence factors under RFUFR in natural environment; the characteristics of different speciation of Hg isotopes transformation under RFUFR; the transformation of Hg speciation and its influence factors under different Eh condition. Based on the above study, we will understand the characteristics of transformation and migration of Hg and their influence factors under RFUFR. The outcomes of this project will not only provide the basic theory for safety cultivation of crops in Hg contaminated area, but also be useful for scientists to understand the mechanism of biogeochemical transformation of Hg in soil.

水旱轮作不仅是重要的耕作措施，而且深刻影响土壤重金属的形态转化以及作物对重金属的富集。水旱轮作会引起土壤汞形态转化并导致甲基汞在水稻中的富集/超富集。水稻甲基汞污染并导致人体甲基汞暴露成为近几年我国最突出的环境问题之一。目前，仍然不清楚水旱轮作下土壤汞形态到底是如何转化以及哪些形态汞会进入食物链。因此，本项目拟以不同形态单一汞同位素示踪技术、同步辐射技术、透射电镜-能谱技术、连续化学浸提技术为研究手段，探究自然环境下水旱轮作农田土壤汞的迁移转化特征及影响因素；水旱轮作环境下不同形态单一汞同位素的迁移转化特征；土壤Eh变化对汞形态的转化影响及机制。通过以上研究阐明水旱轮作下土壤汞的迁移转化特征及影响因素。本研究成果不仅为汞污染区域作物安全种植提供理论基础，同时有助于研究人员深入理解土壤汞的生物地球化学转化机理。

本项目严格按照项目合同任务书开展工作，基本完成了预定的研究内容并达到预期的研究目标。项目围绕旱田和水稻田土壤汞的地球化学形态分布特征、不同形态无机汞在稻田的活化、甲基化及在水稻中的富集特征以及动态氧化还原条件下土壤汞的地球化学转化特征开展工作。主要研究发现有：发现旱田和水稻田中不同形态汞分布差异明显，尤其是铁锰氧化态汞的含量。该形态的含量要明显高于水稻田，这可能是由于水稻田强的铁锰氧化物还原作用使得该部分形态汞的含量降低。进一步研究发现，土壤中Hg(II)易被甲基化以及被水稻富集，具有很高的环境风险；α-HgS、β-HgS、Hg-DOM和纳米HgS在一定程度上被活化和甲基化，并被水稻富集而且这些无机汞的含量越高，其风险越大。在还原条件下，汞的甲基化细菌（土壤梭菌属和脱硫杆菌）丰度增加、铁锰氧化物的还原和酸化溶解以及其矿相的转化导致了汞的释放和活化。这些被活化汞与溶解有机碳结合，影响其对甲基化微生物的有效性。汞甲基化细菌丰度和有效态汞含量的增加，导致了土壤甲基汞浓度的增加。在氧化环境下，土壤胶体增加，它们通过吸附和共沉淀等降低土壤溶解态汞的浓度，因此用于被甲基化的有效态汞含量降低。此外，去甲基化微生物的丰度也随氧化还原电位的升高而增加，进一步加速了甲基汞的降解。本研究结果对实施耕作制度调整来控制农田汞污染提供了理论基础。将水稻田改为旱田来升高土壤氧化还原电位，从而降低了稻田中汞的活性及甲基汞的浓度，能从源头控制汞的输出。此外，研究发现土壤中Hg(II)的活性和环境风险最高，因此土壤汞污染修复要优先考虑降低Hg(II)的活性。