水稻土Cd生物有效性的控制过程解析与调控

Soil contamination by cadmium (Cd) is an increasingly serious concern in some areas of southern China, threating food safety and human health. Rice tends to accumulate Cd from paddy soil system which is featured with specific biogeochemical processes - this frequently resulting in excessive Cd in rice grain. Although the bioavailability of Cd is known to highly depend on soil types, the underlying mechanisms are still largely unknown. The proposed project will analyse the characteristics of Cd commination in a series of paddy soils to screen several typical soils varying with Cd activity. Using these paddy soils, advanced methodologies including synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy (XAS), an isotopic dilution technique and in situ rhizosphere technique, will be utilized to investigate changes in both Cd speciation and bioavailability as induced by soil redox dynamics. The critical process(es) controlling the bioavailability of Cd will be dissected and the key influencing factors will also be identified. Based on these results, a number of physicochemical and rhizospheric regulations will be proposed to reduce the bioavailability of Cd in both bulk and rhizosphere soils and consequently mitigate Cd uptake by rice plants. The outcomes of this project will provide a theoretical basis for developing practical strategies to mitigate Cd accumulation in rice grain.

我国南方部分农田土壤镉（Cd）污染形势严峻，危害农产品安全和人体健康。水稻易积累Cd以及稻田特有的生物地球化学过程时常会导致稻米积累Cd过高。土壤Cd生物有效性在我国不同类型的水稻土上存在着明显差异，然而目前对这差异的内在机制认识很不清楚。本研究拟结合我国稻田Cd污染特征，筛选Cd污染活性差异较大的几种典型水稻土作为研究对象，应用同步辐射X射线吸收光谱、同位素稀释、根际原位等技术，研究与土壤氧化-还原动态耦联的土壤Cd化学形态和生物有效性变化，解析Cd生物有效性的关键控制过程及其影响因素；在此基础上，通过物化、根际调控等措施，降低土壤Cd生物有效性从而减少稻米Cd的积累。本项目将为寻找稻米Cd积累的阻控策略提供理论指导。

我国南方部分地区土壤镉污染形势严峻，威胁农产品质量安全和人体健康。稻米是我国人群镉膳食摄入的主要来源，稻米中镉的80-90%主要是在水稻灌浆期，水稻根系从土壤中直接吸收的镉。水稻灌浆期通常对应稻田排水烤田阶段，在这个阶段，土壤中镉大量溶出，在不同的土壤上，镉的溶解释放速率不同，但控制机制不清。本项目采用微宇宙培养试验、电化学试验、稳定同位素标记试验、同步辐射X射线吸收光谱技术、显微和微光谱分析技术，通过一些列的室内培养、温室盆栽和大田试验，我们发现了：1）稻田还原阶段形成的不同硫化物能在土壤氧化阶段形成原电池，该效应控制着金属硫化物包括镉硫化物的氧化溶解速率；2）稻田还原阶段形成硫化亚铁和亚铁离子，在氧化阶段会产生羟基自由基，能直接氧化镉硫化物的氧化溶解，促进在氧化阶段土壤镉的释放速率；3）证明了土壤镉的溶解度（土壤孔隙水镉/土壤总镉比值）主要受pH介导的Fe/Mn氧化物吸附过程控制；4）发现了田块尺度稻米镉含量存在很大差异，该差异主要是由于农民田间管理措施-田块坡度导致了在排水氧化阶段土壤水分空间变异引起的；5）研发了多项阻控稻米镉含量的田间措施，包括添加硫酸锌和硫酸锰可显著降低水稻镉的积累；6）综述了我国稻田土壤镉污染对农产品质量安全的影响，同时分析了农产品镉污染对人体健康的危害，提出了阻控稻米镉积累和降低人体健康风险的一些有效措施。通过本项目研究，初步探明了稻田在排水氧化阶段控制土壤镉释放的过程及作用机制，并提出了一些有效的田间阻控措施。