土壤-水稻根系微界面镉、锌竞争作用机制及其对镉生物有效性影响研究

It shows that the bioavailability predicting of soil cadmium to paddy rice was not accurate and coincident enough, according to amounts of field investigation. The interaction effect of coexistent element in soil, especially of zinc, was one important influencing factor, besides of the effect of soil heterogeneity and method limitation. The interaction mechanism of cadmium–zinc in soil has not been clarified, although competition effect, shielding effect or antagonistic effect of zinc on cadmium has been observed by many researchers in soil-plant system. The interaction effect can be governed by Cd-Zn competitive sorption/desorption on soil particle and competitive adsorption on root. It is necessary to study migration characteristics of Cd and Zn in root-soil interfaces for revealing the interaction mechanism of cadmium–zinc and its effect on Cd bioavailability. Metal uptake by plants can be governed by both soil and plant processes, therefore, in this study the metal migration can be separated to two processes: from soil solution to root and from soil solid to soil solution. The interaction mechanism of cadmium–zinc will be studied in two micro-interfaces: root-soil solution interface and soil solution-solid interface, which depend on hydroponics paddy rice experiment and pot experiment, respectively. And the DGT-DIFS will be used to study the fundamental kinetics and capacity properties of the soils. Moreover, the numerical model of Cd uptake content by paddy rice will be stablished with the parameters of Cd content in soil, the ratio of available content of Cd and Zn, and soil physico-chemical parameters of soil.

土壤-水稻系统镉有效性研究虽已持续多年，但大量野外数据表明土壤中镉对水稻生物有效性的预测仍难得到准确结果，除受土壤异质性和有效态检测方法局限外，根系微环境元素间的相互作用也是重要影响因素，其中镉-锌间的竞争作用最为显著，但二者相互作用机制仍无定论。在土壤-水稻根系微环境中研究镉、锌迁移特征可深入理解二者相互作用机制及其对镉生物有效性的影响，可为镉-锌复合污染土壤自修复和强化修复、降低稻米镉危害提供理论依据。本项目将土壤-水稻根系微环境中重金属的迁移分解为土壤溶液→作物根系和土壤固→液分配两个过程，拟通过开展水培试验和盆栽试验，并结合DGT-DIFS技术分别研究镉、锌在土壤溶液-根系界面与土壤固-液界面上的作用机制、影响因素及最终对镉生物有效性的影响。同时根据试验结果拟合得到以土壤镉浓度、镉锌浓度比和土壤性质参数为主要因子的水稻根系镉吸收数值模型，明确镉、锌共存条件下对镉生物有效性的影响。

锌镉在土壤吸附和水稻根系吸收中存在竞争，因此锌的存在和含量水平会对镉的生物有效性产生影响。为探究锌对水稻镉累积和镉生物有效性的影响及其机制，通过水稻水培试验及土壤盆栽试验，利用梯度薄膜扩散技术（DGT）阐明水稻根系吸收重金属的两个过程（土壤固-液分配和根系吸收）中Cd 与Zn 的竞争机制，揭示Zn对Cd 生物有效性的影响，利用数值模拟描述水稻蓄积Cd 的量与土壤性质，镉、锌含量及镉锌浓度比等因子的相关关系。为探究DGT技术评估镉生物有效性的可靠性，开展田野调查与室内试验研究。结果显示DGT测定的Cd与谷粒中Cd 含量存在良好的相关性，表明DGT能够较为准确地预测糙米镉含量，在评估镉生物有效性中较为可靠。水培实验选择中9优547（Z547，镉高累积型）和金优402（J402，镉低积累型）两个水稻品种，土培实验选择中9优547，分别研究溶液-水稻和土壤-水稻系统中锌对水稻镉累积的影响及机制。水培实验中，当锌浓度为5~20 μmol/L时，水稻幼苗镉含量不断增加，表明此时锌浓度的增加促进水稻对镉的累积，这与土培实验中锌添加量为0~400 mg/kg时锌对水稻镉累积的影响相同。水培实验中根表铁膜生成量远低于土培实验，而水培实验中水稻幼苗各部位镉含量与根表铁膜中的铁呈显著的正相关，土培实验中水稻幼苗各部位镉含量与根表铁膜中的铁呈显著的负相关，表明锌能够通过控制根表铁膜的生成来影响水稻幼苗对镉的累积，铁膜生成量较低时铁膜促进水稻镉积累，铁膜生成量较高时则抑制水稻镉累积。土壤栽培实验显示，随着土壤锌含量的增加，锌对镉在土壤吸附位点上的竞争替代使土壤溶液中的镉含量不断增加。土壤溶液中的镉锌比不断降低，使得镉在根系吸收的竞争中更具优势。当施锌量在400 mg/kg以下时，水稻对镉的吸收和累积主要受锌镉在土壤固-液分配中的竞争控制，而当施锌量超过400 mg/kg，锌镉在根系吸收中的竞争逐渐占据主导地位。