硫素对稻根表面铁锰胶膜形成及水稻吸收Cd和As有效性的影响

The influence of species of sulfur (S) on morphology and radial oxygen loss (ROL) and Fe/Mn plaque formation of rice root and soil heavy metal (Cd and As) bio-availability will be studied by field, potted and lab simulation experiments. Main research contents include the study of apical anatomical structure, morphologic architecture parameters, and secretion oxygen vitality of roots; and soil pH, Eh, dissolved oxygen and S (2-) changes measured by the online monitoring in different growth stages of rice; and to illustrate how to migrate Fe(2+) and Mn(2+) ions of soil solutions into the root surface; and root secrete oxygen area how to affect Fe/Mn plaque formation; and temporal and spatial distribution of iron manganese oxides changes in the rhizosphere and the non-rhizosphere; and to illustrate how to influence soil sulfate and elemental sulfur and S(2-) and metal sulfur content change in the roots, and chemical behaviors and bioavailability of heavy metals adsorbed and desorbed by iron and manganese plaque and metal sulfide, and heavy metal accumulation in roots and aboveground of plants. Key scientific problems will be solved in this project include to reveal mechanism of Fe/Mn plaque formation and its adsorbing heavy metals, and the relationship between morphological transformation of heavy metals (Cd and As) and its accumulation in rice by applying species of sulfur with alternating wet and dry; and the possible risk of the ecological environments. So the basis of risk of soil pollution of heavy metal could be provided.

拟采用大田、盆栽试验和室内模拟相结合的方法，开展硫（S）素对水稻根系形态学及泌氧能力、根系铁锰胶膜形成及土壤重金属(Cd和As)生物有效性影响的研究。主要研究内容：硫素对根尖细胞超微结构、根系形态特征和根系泌氧活力的影响；通过在线监测水稻不同生育期土壤pH、Eh、溶解氧和S(2-)的变化；干湿交替如何影响溶液中Fe(2+)和Mn(2+)向根系表面迁移；根系泌氧区如何影响根表铁锰胶膜形成、根际与非根际土壤铁锰氧化物形态变化的时空分布；硫酸盐、单质硫、S(2-)和金属硫化物等含量的变化；重金属在铁锰胶膜和硫化物上的吸附-解吸化学行为和有效性、植株根系和地上部重金属积累等问题。拟解决科学问题是揭示水稻土干湿交替过程中，硫素形态与转化对根表铁锰胶膜形成及吸持重金属、土壤重金属形态的转化机制与水稻吸收重金属（Cd和As）之间的关系，以及可能存在的生态环境风险，为有效控制重金属污染土壤风险提供依据。

长期以来，不平衡施肥掩盖了作物缺硫的现象，强调水稻施用硫肥的同时，水稻吸收重金属镉和砷的影响对保障粮食安全及人类身体健康有十分重要的意义。. 在水稻不同生育期内，土壤溶液Eh范围在- 200 ~ + 100mV之间；pH在6.9 ~ 7.9之间；pe+pH在4 ~ 10之间。水稻根表胶膜以Fe膜为主，Mn膜相对较少. 根系吸附的铁锰胶膜含量的差异主要表现在分蘖期，胶膜对于Fe2+过量吸收有一定阻控作用，对Mn2+作用不显著。水稻根表胶膜吸附砷和镉量与铁锰胶膜形成厚度一致；水稻体内各部位砷和镉的质量分数表现为根 > 茎叶 > 籽粒。对于根和茎叶，对于籽粒，石膏硫效果更佳。一定量的硫肥，能有效阻碍砷和镉从水稻根部向茎叶与籽粒的转移。非专性吸附态和专性吸附态砷是最有活性的，在分蘖期硫磺处理它们之和显著低于石膏处理的砷含量，而在扬花期硫磺处理非专性与专性之和高于石膏处理的As含量，或许有更多的As溶解于土壤溶液中，造成硫磺处理的生物有效性高于石膏处理。水稻根际土在总硫、有机硫、水溶性硫、吸附性硫和盐酸可溶性硫的质量分数分别是非根际土壤的3 ~ 11倍、3 ~ 5倍、5~7倍，12~20倍、2~3倍，而盐酸挥发性硫的质量分数低于非根际土。. 室内模拟水稻田的氧化还原状况，无论还原还是氧化状态，土壤溶出铁的浓度在1.2 ~ 1.6 mg•L-1，且处理不施硫 > 硫磺> 石膏。在还原态，有利于结晶态氧化铁向无定形氧化铁转化和形成Fe2+，且石膏处理<硫磺处理的；土壤溶液中砷浓度变化为不施硫> 硫磺> 石膏。在氧化状态，提高了土壤酸溶性氧化铁和结晶态氧化铁的含量，各处理氧化铁活化度为硫磺 > 石膏。土壤溶液中砷浓度变化硫磺> 不施硫>石膏。结果表明还原条件能够使氧化铁的活化度升高，砷的移动性增强，但硫酸盐体系降低氧化铁的活化度，单质硫体系的砷移动性要大于硫酸盐体系的砷移动性。