原位研究凹凸棒石钝化土壤-根际微界面Cd再活化特征与机制

The long-term stability of Cd in passivated soils is of great concern being vigorously studied in the remediation of Cd polluted soils. It has been well-established that the Cd migration and bioavailability in the passivated soils can be strongly affected by roots, while the relevant mechanisms has not been fully explored so far. In this study, several advanced monitoring techniques such as the diffusive gradient in thin films (DGT) and planar optode (PO) will be used to in situ investigate the fine-scale variations of micro-environmental conditions and Cd factions within the rhizosphere of rice, and then quantitatively explore the major mechanisms responsible for rhizosphere Cd remobilization by combining the field experiments. Furthermore, DGT-induced fluxes in soil (DIFS) model will also be applied to reveal a dynamic release-resupply process and assess the release risk of those passivated Cd in the rhizosphere. It is expected that this work will provide the technical and theoretical supports for the remediation of Cd contaminated soils.

钝化土壤中Cd长期稳定性是Cd污染土壤修复领域研究热点，植物根系活化作用会显著影响钝化土壤Cd迁移和生物有效性，然而目前对该过程及其微观机制研究尚不明确。本项目以凹凸棒石钝化修复的不同程度Cd污染农田为研究对象，主要利用薄膜扩散梯度和平面光电极等先进技术手段，原位高分辨获取水稻根系影响钝化土壤-微界面Cd形态和相关环境参数变化的时空分布特征，定量分析两者间的驱动响应关系，结合野外大田试验，阐明钝化土壤-根系微界面Cd再活化特征与受控因子，进一步结合DIFS模型研究水稻根系扰动钝化土壤中Cd的吸附/解吸动力学过程，评估钝化土壤Cd的再活化风险，为钝化剂修复治理Cd污染农田土壤提供新的技术和理论支撑。

通过室内与连续4年的野外大田试验，考察了凹凸棒石对土壤Cd污染钝化效果的持久性探究了，揭示不同钝化时间后Cd在水稻中的富集特征和生物响应，进一步利用薄膜扩散梯度(DGT)和微电极等原位技术手段，高分辨率获取水稻根系土壤环境中有效态Cd的含量变化规律及其关联环境因子响应，解析两者间的驱动响应关系，阐明凹凸棒石对土壤中有效态Cd的钝化稳定性、再活化及影响机制，为土壤重金属污染修复提供数据支撑。（1）原位监测精细刻画土壤-根系微界面pH值和O2的同步变化特征，研究结果首次直观和定量证实不同钝化土壤剖面pH值和O2在毫米尺度呈高度的空间异质性并具有显著的差异(P < 0.01)，添加凹凸棒石粘土使土壤pH值升高但对O2微环境影响不显著,钝化土壤-根系2~5 mm范围内pH值降低0.31~0.87个单位,而O2含量增加至58.56~82.01 μmol/L,靠近根基部位为根系分泌有机酸和O2的热点区域,与CK相比,中、高Cd污染钝化土壤-根系微界面酸化和释氧能力较强,在一定程度上会促进钝化Cd的再活化和水稻根系的吸收，相关结果为深入认识土壤微界面过程与机制提供新的理论与技术参考。（2）室内与大田试验结果显示，施加凹凸棒石可以通过驱动根际土壤中的多重环境因素变化而降低土壤中的有效态Cd含量并产生钝化效果，进而抑制其向水稻中的迁移和累积。凹凸棒石在施加1-2年内，大田土壤的pH值、阳离子交换量（CEC）和有机质含量均有一定程度升高，根际土壤中的有效态Cd含量也较对照组降低了50%，呈现出良好的钝化效果，在钝化两年后达到最佳抑制效果（72%），可以有效降低水稻籽粒中Cd的含量，但在钝化3-4年后，随着钝化时间的延长，土壤pH、CEC和有机质含量逐年下降，DGT提取的土壤中有效态Cd含量相较对照组升高了41%，其钝化效果有所下降（47%），稳定性减弱，富集在水稻籽粒中的Cd含量明显升高。因此，土壤中钝化的Cd有再活化的风险，需密切关注钝化修复效果的长期稳定性。.