改性稻壳生物炭对水稻镉积累及其根际土壤镉生物有效性的影响机理

A number of studies have shown that biochar could reduce the bioavailability of heavy metals in soil, thereby reducing the concentration of heavy metals in plants accumulated from the soil. However, in order to reduce the bioavailability of soil heavy metals effectively, the application dosages of biochar were relatively high, while the effect of biochar on the content of heavy metals in edible parts of crops is only statistically significant. There are few results that the cadmium content of crop grain can reach the safety standard due to the addition of biochar. Therefore, this study intends to use Fe-Mn noxide and chitosan to modify rice husk biochar. The effects of modified biochar on the Cd bioavailability in rice rhizosphere soil would be studied. Under different soil types, different rice genotypes, different rice growth stages and different rice rhizosphere soil microlevels, the effects of modified rice husk biochar on the Cd bioavailability in rice rhizosphere soil, the Cd fractions in soil, the soil physical and chemical properties, rice rhizosphere exudates, root growth physiology, Cd uptake and accumulation in rice would be studied. The purpose of this study was to clarify the effects of modified rice husk biochar on Cd bioavailability in rice rhizosphere soil and the effect of biochar on microecological environment of rice rhizosphere. It woud provides a theoretical basis for the application of biochar to the remediation of inorganic contaminated soil.

诸多研究证明生物炭能够降低土壤中重金属的生物有效性，进而降低植物重金属积累量。然而，以目前大多数研究的结果而言，为达到降低土壤重金属生物有效性的目的，生物炭的添加量已相对很高，但仍少有因生物炭添加而使作物籽粒镉含量达到安全标准的研究结果。为此，本研究拟利用铁锰氧化物和壳聚糖对稻壳生物炭进行负载改性，试图提高生物炭钝化土壤镉活性减少水稻镉积累的效率，并围绕水稻根际开展系统研究。主要研究改性稻壳炭在不同水稻基因型、不同水稻生育时期、不同土壤类型、不同水稻根际土壤微域层次等条件下，对水稻镉吸收积累、水稻根际分泌物，水稻根系生长生理、根际土壤镉生物有效性、土壤镉赋存形态、土壤相关理化性质的影响规律和机制。旨在明确镉污染条件下改性稻壳生物炭对水稻镉积累和土壤镉生物有效性的影响，尤其是水稻根际微域土壤环境下的改善机制，为生物炭应用于无机污染土壤修复提供一定理论依据。

为进一步提升生物炭降低水稻镉吸收积累、钝化土壤中镉生物有效性的作用效果，开展了改性稻壳等生物炭的试制、改性炭物理化学特性表征及吸附能力的研究；同时，进行了改性物质配施生物炭对水稻镉吸收积累影响的根系代谢和转录机制相关研究内容。稻壳等生物质改性炭制备、表征与吸附能力研究方面，设计并试制了10余种铁/锰/壳聚糖组配的改性生物炭；进行了系统性的物理和化学表征研究，包括比表面积、孔隙体积、孔径分布、表面官能团、表面形态、元素组成、化学成分和价态等；发现锰、壳聚糖2种单独改性稻壳生物炭均显著提升了对溶液中Cd（Ⅱ）的吸附能力，最大吸附量相比于未改性生物炭分别提高了242.66%、139.24%，均为均相、单层化学吸附过程等，此外，发现碱造孔壳聚糖改性稻秆生物炭可能提升对亚甲基蓝吸附能力约400%以上。生物炭与改性物质配施栽培水稻方面，利用含硫改性物质与稻壳等生物炭配施可有效钝化土壤镉生物有效性、减低水稻体内镉积累，如0.75%（m/m）稻壳生物炭与60mg/kg盐形式硫素配施，土壤有效态镉含量、水稻苗期根部镉含量及水稻苗期地上部分镉含量均较单施生物炭进一步改善；对水稻根系进行代谢组学和转录组学分析发现，生物炭配施改性物质或可通过调控镉吸收转运蛋白（巨噬细胞蛋白NRAMP、重金属转运ATP酶HMA、锌铁调控转运蛋白ZIP、ATP结合盒ABC、黄条纹样YSL和多药毒性复合挤压蛋白MATE等）的有关基因表达、影响水稻根系代谢物质（氨基酸及其衍生物、有机酸及其衍生物、酚酸类和类黄酮）合成的方式降低水稻对土壤镉的吸收积累、提升水稻对土壤镉的耐受性。本研究积累了具备较强污染物吸附能力的稻壳等改性生物炭的制备方法和基础特性数据，验证了稻壳生物炭与改性物质配施钝化土壤有效性镉、缓解水稻镉吸收积累的作用，初步探索了生物炭及改性物质对水稻根系基因转录和物质代谢的影响，为改性生物炭应用于土壤改良、污染修复和作物健康栽培提供了一些新的科学性参考。