外源矿物硅对镉在土壤-水稻系统迁移转化的阻控机制研究

Cadmium contamination in cropland soil seriously threatens national food security and human health, its control is imminent. Exploration of new and efficient soil-improving agents, such as silicon fertilizer, is one of important ways for solving the problem of current cadmium contamination in cropland soil. Previous reports have shown that exogenous silicon can effectively inhibit cadmium uptake and transformation in rice, but the effects of exogenous silicon on cadmium migration and transformation in soil-rice system, especially on redox environment and cadmium transformation in rice rhizosphere soil, formation of iron plaques on rice root surface, and existence form and interacting model of Si/Cd in rice cells, are not well understood. Therefore, the study on control mechanisms of cadmium migration and transformation in soil-rice system by exogenous silicon, especially on the effect of exogenous silicon on the formation of iron plaques on rice root surface, existence form and interacting model of Si/Cd in the rice rhizosphere soil and rice roots and leaves, is of creativity and high scientific significance. The present study will systematically analyze the effects of exogenous mineral silicon (diatomite) on cadmium transformation in rice rhizosphere soil, morphology and constituents of iron plaques on rice root surface, and uptake, translocation and distribution of cadmium in rice by pot tests and use of advanced analytical methods, such as FTIR, EDAX and STEM. It is expected that the proposed study will provide an important theoretical basis for the application of exogenous mineral silicon for the remediation of the cadmium contaminated cropland soil.

农田土壤镉污染严重威胁国家粮食安全和国民身体健康，其治理迫在眉睫。探索硅肥等新型改良剂是解决当前农田土壤镉污染问题的重要途径之一。研究表明外源硅可以有效抑制水稻对镉的吸收、转运，但外源硅对镉在土壤-水稻系统迁移转化的影响，特别是对水稻根际土壤氧化还原环境及镉形态转化、水稻根表铁膜形成、水稻体内硅/镉的存在形式与结合方式的影响不明确。因此，探究外源硅对镉在土壤-水稻系统迁移转化的阻控机制，尤其是对水稻根表铁膜和硅/镉在水稻根际土壤以及根/叶片细胞中存在形式与结合方式的影响，具有一定的创新和重要的科学意义。本项目拟通过盆栽试验，运用傅里叶红外光谱（FTIR）、Ｘ射线能谱（EDAX）、扫描透射电镜（STEM）等先进分析手段，系统研究外源矿物硅（硅藻土）对水稻根际土壤镉形态的转化、水稻根表铁膜的形成，镉在水稻体内吸收/转运/分配的影响，为外源矿物硅在镉污染农田土壤改良中的应用提供重要的理论依据。

农田土壤镉污染严重威胁国家粮食安全和国民身体健康，其治理迫在眉睫。探索硅肥等新型改良剂是解决当前农田土壤镉污染问题的重要途径之一。研究表明外源硅可以有效抑制水稻对镉的吸收、转运，但外源硅对镉在土壤-水稻系统迁移转化的影响，特别是对水稻根际土壤氧化还原环境及镉形态转化、水稻根表铁膜形成、水稻体内硅/镉的存在形式与结合方式的影响不明确。因此，探究外源硅对镉在土壤-水稻系统迁移转化的阻控机制，尤其是对水稻根表铁膜和硅/镉在水稻根际土壤以及根/叶片细胞中存在形式与结合方式的影响，具有一定的创新和重要的科学意义。本项目通过盆栽试验，运用傅里叶红外光谱（FTIR）、Ｘ射线能谱（EDAX）、扫描透射电镜（STEM）等先进分析手段，系统研究外源矿物硅（硅藻土）对水稻根际土壤镉形态的转化、水稻根表铁膜的形成，镉在水稻体内吸收/转运/分配的影响，主要研究结果如下：① 施用外源矿物硅为水稻根际土壤带入了大量的无定型SiO2，促进了针铁矿、水铁矿的形成，在Cd和Si协同作用下，可以诱导针铁矿、水铁矿表层Fe-O分别与Cd和Si配位形成新的官能团(Fe-O-Cd, Fe-O-Si)，最终在针铁矿和水铁矿表面形成了以Fe-O-Si-O-Cd为结构单元的铁氧化物-硅-镉配位复合物，降低Cd的生物有效性；② 外源矿物硅可以促进根系泌氧，增加根表面积，促进土壤中的Fe、Mn向有利于镉固定的形态转化，进而促进镉在根表铁膜中的固定；③ 外源矿物硅提高了水稻根部富集系数，降低其转移系数，抑制了镉向地上部迁移运输的能力；④ 外源矿物硅促进了水稻根、茎、叶细胞壁对镉的固定，降低了镉在可溶性组分和细胞器中的含量；⑤ 外源矿物硅促进了细胞中的镉由游离态向结合态转化，降低了水稻体内镉的迁移转运能力；⑥ 外源矿物硅可以增强细胞结构的稳定性，促进木质素、半纤维素、果胶及多糖类物质的合成，提供更多的配体，与镉形成稳定的螯合或络合物。研究结果可为外源矿物硅在镉污染农田土壤改良中的应用提供重要的理论依据。