外源硅降低镉生物有效性的土壤化学机制

The area of farm lands polluted by cadmium (Cd) has reached 13000 hectare, and the amount of Cd-rich rice production from the Cd-polluted farm lands is up to 50 million kg. Therefore, the reclamation of Cd polluted soil has profound significance. Previous studies have shown that silicon (Si) can decrease plant Cd uptake, however, the underlying mechanisms in the soil for the decreased Cd uptake are not well developed. The application of Si fertilizer could affect the pH of soil solution and the accompanying ions, resulting in the changed forms of Cd in the soil solution. We hypothesize that Si and Cd could generate water-soluble compounds, which is not available for plant uptake. In this study, after exclusion of the effect of pH and accompanying ions, the Si-Cd constitutes will be investigated by MSC and ICP. The water-soluble compounds in the adsorption-desorption equilibrium soil solution will be identified by IR. Our study will discuss the possible mechanisms for the decreased Cd uptake by Si fertilizer, and examine the effect of applied Si on the forms of Cd in the soil. This study is of significance for understanding the mechanisms of removing and transformation of Cd in the soil-plant system.

据不完全统计，我国农田镉污染面积已达1.3万公顷，年产镉米5000万公斤。因此，开展镉污染土壤治理相关研究意义深远。业已证明，硅有减少植物吸收镉的作用，其生物学机制较为明确；但在土壤化学机制研究方面尚有不足。针对以往忽略了硅对土壤液相镉形态的影响、多数研究未排除因硅酸盐加入改变体系pH和引入伴随离子影响的不足，提出土壤溶液中硅同镉生成了植物不能利用的水溶性复合物，减少了植物吸收镉的假设。拟在消除pH和伴随离子影响的基础上，借助分子筛层析（MSC）分离、电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）测定找出硅镉浓度同时升高的特殊组分，利用红外光谱（IR）表征鉴定的方法证明吸附解吸平衡液与土壤溶液中外源硅与镉形成了水溶性复合物；结合盆栽水稻试验结果探讨硅减少水稻吸收镉的作用，明确外源硅对土壤液相以及固相镉形态的影响。对阐明硅降低土壤镉生物有效性的化学机制，揭示镉在土壤-植物系统迁移转化规律具有重要意义

镉居于我国土壤无机污染物首位，其点位超标率达到7.0%。因此，开展镉污染土壤治理相关研究意义深远。本项目在消除pH和伴随离子影响的基础上，通过水培试验、盆栽试验、吸附解吸试验相结合的方式，综合运用道南膜技术和红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射谱学技术，研究外源硅对土壤镉的吸附解吸、液相和固相中形态等化学行为以及生物有效性的影响。得到的主要结论如下：.（1）镉胁迫下，施硅提高了水稻叶片SOD和CAT活性，降低了POD活性和MDA含量，缓解了膜脂过氧化和木质化作用，使叶片细胞结构趋于完整、有序，叶绿体及淀粉粒数目增多、嗜锇颗粒减少并变小、片层排列逐渐整齐，线粒体及其嵴的数目增多、双层膜结构逐渐恢复，提高了叶片叶绿素和胡萝卜素含量，增强了其抗镉胁迫能力。.（2）Freundlich方程描述不同pH土壤镉的吸附-解吸特征效果最佳，施硅抑制碱性土壤对镉的吸附，促进中性酸性土壤对镉的吸附；加硅后加剧了吸附-解吸过程中的滞后效应。3种土壤对镉的吸附均为吸热、熵增的自发反应；加硅使碱性土壤吸附镉的自发性降低，中性酸性土壤吸附镉的自发性提高。.（3）施硅会降低不同pH土壤中镉的生物有效性，缓解水稻镉毒害，显著增加水稻的生物量和产量，降低水稻根、茎叶、籽粒中的镉含量；单施镉处理稻米镉含量均超过国家安全标准，适量施硅稻米镉含量都可降低到符合国家食品安全标准要求。.（4）外源硅降低土壤镉生物有效性的土壤化学机制主要包括三个方面：一是加硅促进了酸性和中性土壤对镉的吸附，抑制了酸性、中性和碱性土壤镉的解吸；二是加硅促进了酸性、中性，特别是碱性土壤溶液中硅-镉水溶性复合物的形成，降低了土壤溶液中自由态镉离子的浓度；三是加硅促进了土壤固相中酸可提取态镉和可还原态镉含量的降低，可氧化态和残渣态镉含量升高。.上述结论可为揭示镉在土壤-植物系统迁移转化规律提供依据，同时也可以丰富土壤和环境化学理论，对于环境和地球化学的研究也具有一定的理论和实践意义。