生物炭对酸性稻田土壤重金属的有效性与籼米品质的影响及机制

Aiming at the problems of indica rice safety and quality caused by the activationt of toxic heavy metals as a result of soil acidificationin in paddy soil of southern China, different raw material like rice straw, rice husk and other agricultural wastes will be used to produce biochar under different pyrolysis temperature and pyrolysis time, and the physical and chemical properties, adsorption characteristics of heavy metals for the biochar will be observed and tested, the effects of biochar on the soil properties of acid paddy fields and the speciation of heavy metals will be studied, and the effects of biochar on the bioavailability of heavy metals and its influencing factors will be discussed. Besides, the effects and the physiological mechanism of biochar on indica rice quality will be also explored. The purpose of this study is to provide theoretical support for the prevention of heavy metals pollution of rice grain, the recycling utilization of agricultural wastes like rice straw and the improvement of indica rice grain quality in southern China.

针对南方稻田土壤酸化严重，有毒重金属活化，严重影响籼米质量安全和品质的重大现实问题，以水稻秸秆、谷壳等农业废弃物为材料在不同条件下制备生物炭，探明不同材料、不同热解温度、不同热解时间条件下制备的生物炭的理化性状及其对土壤重金属的吸附特征，深入研究生物炭对酸性稻田土壤理化性质及重金属形态的影响，揭示生物炭对酸性稻田土壤重金属生物有效性的影响及其影响因素，探索不同材料及不同热解条件生物炭对酸性稻田土壤籼米品质的影响及相关生理机制，为南方地区稻米重金属污染防控、农业废弃物的循环利用和稻米品质的改善提供理论依据。

针对南方稻田土壤酸化严重，有毒重金属活化，严重影响籼米质量安全和品质的重大现实问题，研究了不同原料及热解条件下制备的生物炭的理化性质及其对重金属的吸附、转运和酸性稻田籼米产量、品质的影响。结果表明，热解温度对生物炭的理化性质及其对重金属Cu2+和Cd2+的吸附效果存在显著影响，而热解时间对其影响较小。生物炭的灰分含量、pH和P含量均随着热解温度的升高而显著增加，产率和N含量显著降低；生物炭对重金属Cu2+和Cd2+的吸附量和去除率随着热解温度的升高显著提高。生物炭对重金属Cu2+和Cd2+的吸附效果表现为：水稻秸秆炭>谷壳炭>药渣炭，且对Cd2+的吸附效果大于Cu2+。两种生物炭在不同水分管理模式下都能够降低稻田土壤中有效态Cu和Cd，水稻秸秆炭对其吸附固定效果优于谷壳炭。生物炭对酸化程度越低的土壤pH和有效磷含量的提高以及有效态Cd含量的降低效果较好，而有效态Cu含量的降低效果则在酸化程度越高的土壤中表现更佳。土壤初始pH是生物炭调控重金属Cu、Cd有效性的主要影响因素。淹水联合高施炭量（60g/kg）降低Cd和Cu生物有效性的效果最佳。水稻穗中Cd含量主要来自叶片的转运，而穗中Cu含量主要来自茎和叶的转运。水稻对Cd和Cu的吸收高峰期在幼穗分化期之前，分蘖期是关键期。生物炭在pH5.0和5.5的土壤中对Cd和Cu生物有效性的降低效果较好。水稻根、茎和叶对Cu的吸收与幼穗分化期土壤中的酸提取态Cu绝对含量及其相对含量有显著正相关性；而对Cd的吸收主要取决于其在土壤中的总量、有效态和酸提取态含量。施用生物炭有提高水稻产量的潜力，且结合间歇灌溉增产效果更好。总体上施炭量为20g/kg时能保持较好的加工与外观和营养品质。各施炭量显著降低了胶稠度，但提高了峰值粘度和崩解值，降低了消减值，改善了籼米的蒸煮与食味品质。研究结果可为南方地区防控稻米重金属污染、提升稻田土壤质量、促进水稻秸秆等农业废弃物的循环利用和稻米品质的改善提供理论依据。