镉在水稻秸秆炭化还田系统中的循环运移规律及其对水稻产量和稻米品质的影响研究

Carbonization and returning refers to the transfer of agro-residuals to biochar through pyrolysis at relative low temperature, and ruturn the biochar to agro-field where it comes from. Biochar is effective in Cd immobilization and in turn, reduce the Cd bioavailability and phytoxity. But up to now, mechanism still unknown on Cd cycling and allocation in the carbonization and returning cycle system, so does the effects on rice production ability and grain quality. So, via localization experiment and laboratory test, the present project would like to discover the rule of Cd cycling in the carbonization and returning system, analyze the mechanism of biochar-Cd co-transformation and allocation, elucidate the relationship between biochar physi-chemical characters and Cd status in typical Cd contaminated paddy rice field in Shenyang, Northeast China. Finally, we want to reveal the mechanism of how biochar decrease the rice Cd accumulation, discover the rule of Cd partition in rice plant and related effects on rice grain yield and quliaty. And also, observation of ageing effects of biochar on Cd immobilization in long-term will be made and be discussed. The achievements of the project could be supposed to provide a better understanding on mutual affection between biochar and Cd in cold paddy rice filed in Northeast China, and also provide a new approach for safe production of high quality japonica rice.

秸秆炭化还田是指将作物收获后的剩余物在缺氧条件下热解得到生物炭，再将生物炭返还农田的过程。生物炭对固持土壤镉等重金属,降低其生物有效性具有积极作用。但在水稻秸秆炭化还田这一循环系统中,镉的运移与分配及其对水稻产量和稻米品质的影响和作用机理尚不清楚。为此，本项目拟以沈阳为代表的东北优质粳稻区镉污染稻田为着眼点，从生物炭理化性质分析入手，通过定位实验和冻融模拟实验，揭示秸秆炭化还田系统中生物炭与镉的联合转化、运移与分配规律，分析水稻秸秆生物炭理化性质与土壤镉存在状态之间的关系，明确生物炭对水稻体内镉分布的影响及其降低水稻镉积累的机制，量化秸秆炭化还田条件下镉对水稻产量和品质的影响，观察并初步探讨生物炭陈化对土壤镉库的作用。本项目的顺利完成有望为明确东北冷凉地区水田生物炭与土壤镉的交互作用机制提供参考，也将为构建环境友好型东北优质粳稻安全生产模式提供新思路。

秸秆炭化还田是指将作物收获后的剩余物在缺氧条件下热解得到生物炭，再将生物炭返还农田的过程，以生物炭为核心的秸秆炭化还田技术是一种消减秸秆禁烧、增加土壤输入、改善耕地质量的循环农业技术，在重金属污染土壤修复治理等方面具有广阔的应用前景。为探讨生物炭降低土壤镉生物有效性的机制、明确在水稻秸秆炭化还田循环系统中镉的运移与分配规律及其对水稻产量和稻米品质的影响，本项目以沈阳为代表的东北优质粳稻区镉污染稻田为着眼点，从生物炭理化性质分析入手，通过室内模拟实验分析了其与土壤镉赋存形态的关系，通过盆栽实验研究了其对土壤镉钝化及水稻地上部分器官镉分布的影响，通过连续三年的跟踪研究评价了含镉生物质炭化还田即炭镉联合转化对土壤镉赋存状态和稻米镉含量的影响。结果表明：（1）pH、平均孔径、阳离子交换量和比表面积是影响镉吸附-解吸过程的关键因素，且相关性依次下降，不同热解温度生物炭在固持重金属方面的差异可能源自不同pH和平均孔径对“碱沉淀+物理分隔”过程的影响。在本研究中，最高热解温度对生物炭持留镉的影响不大；（2）施入生物炭有助于增加土壤中碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、尤其是有机结合态镉含量，从而降低金属可交换态镉含量。炭化温度对生物炭在土壤中吸附镉的能力没有显著影响；（3）阳离子交换量和电导率比pH更能够有效反应生物炭钝化镉的能力；（4）在土壤镉污染情况下，适量施用生物炭能够通过消减镉胁迫、提高光合能力、延缓叶片衰老等途径促进水稻生长和产量形成，但过量施用生物炭会对水稻生长产生新的胁迫，从而对产量形成负面影响；（5）施用生物炭能够在一定程度上抑制镉在水稻植株体内的转运，从而减少镉在籽粒部分的积累；（6）含镉生物质炭化还田仍是降低土壤镉生物有效性和稻米镉含量的可行途径。综上，可以初步认为，在本实验条件下，最高热解温度对生物炭与土壤镉赋存形态之间的关系无显著影响，生物炭对镉的钝化效应更主要地表现为增加土壤有机结合态镉含量，进而通过植物生物量增加引起的稀释效应和植物体内镉运输能力的抑制降低土壤镉生物有效性和稻米镉含量，且受生物质原料中镉的影响不显著，在镉污染农田中实行秸秆炭化还田是可行的。