基于水稻秸秆的硅材料对土壤中Cd的固定机制和生物有效性的影响研究

Heavy metal pollution in soil is the key work of soil remediation in China, especially the remediation of Cd contaminated soils. In-situ stabilization is a common method, which affects the species of heavy metal in soils, reduces the uptake of heavy metal and alleviates the toxicity of heavy metal. Due to the numerous source and non-toxicity, silicate material is a common material used to stabilize heavy metals. As a silicon pool, rice straw has a brilliant application prospect to be employed to remediate heavy metal contamination soils. However, there were fewer researches about heavy metal stabilization by silicon material originated from rice straw, especially the molecular mechanism of the effect of silicon on heavy metal immobilization, so far. In this project, the silicon in rice straw would be extracted by different chemical methods. Combined macroscopic experiment including batch equilibrium experiment, desorption kinetics experiment, soil incubation experiment, soil column experiment, pot experiment with molecular methods including EXAFS、TEM、NMR etc., our research would illustrate the molecular mechanism of Cd in contaminated soil immobilized by silicon in rice straw and reveal the effect of silicon in rice straw on the bioavailability of Cd in contaminated soils. This research would make a foundation for the development of green passivation material based on rice straw.

硅酸盐材料是目前常用的重金属化学稳定剂之一，水稻秸秆作为一个庞大的硅库，利用秸秆中的硅治理土壤重金属污染具有良好的应用前景。然而，目前关于水稻秸秆中的硅对土壤重金属钝化研究较少，其分子作用机理尚不清晰。本项目拟以“机制研究—生物有效性评价”为主线，将宏观实验（吸附/解吸实验、土壤室内培养实验、盆栽实验）与分子手段（同步辐射、核磁共振等）相结合，明确水稻秸秆中的硅对Cd在土壤上的固定和形态转化的影响机制，从而揭示水稻秸秆中的硅对Cd在污染土壤上的迁移性能和生物有效性的影响，建立分子形态与迁移性、生物有效性之间的相互关系，最终从机理上阐明水稻秸秆中的硅对重金属的钝化作用。本研究将为基于水稻秸秆开发绿色型重金属污染土壤钝化材料奠定理论基础。

我国是农业大国，秸秆资源量大面广、十分丰富。作为富硅材料的水稻秸秆的施用不仅可以促进作物生长、缓解生物逆境，促进硅的生物地球化学循环，还在治理农田重金属污染方面也具有较好的应用前景，是一种环境可持续性的新趋势。本研究梳理了Cd污染农田中Cd的输入输出途径，发现我国Cd污染农田的主要输入途径是大气沉降，其次是灌溉和畜禽粪便，其差异受各省产业结构的影响，而输出途径主要是作物收获，其次是淋溶。为了考察秸秆在重金属污染农田治理方面的可行性及作用机制，以秸秆和Cd作为研究对象，考察不同秸秆处理对Cd在土壤上的吸附影响，结果表明在高有机质土壤中秸秆还田抑制Cd的吸附；秸秆灰可以显著促进Cd在土壤上的吸附，增加的是金属氧化物结合态Cd；而直接粉碎和发酵的秸秆则增加土壤中水溶态和交换态Cd。通过污染土壤培养实验，考察秸秆处理和水分管理条件对实际污染土壤中Cd、Si有效性的影响，结果表明，秸秆灰可以显著增加土壤中pH和有效Si的释放，促进土壤中的Cd形成硫化镉、硅酸镉、磷酸镉等难溶性化合物，而降低有效态Cd含量；而直接粉碎和腐熟的秸秆则会降低土壤pH，增加有效态Cd的含量。进一步，考察硅对Cd固定机制的影响，开展硅对Cd在金属氧化物上影响的批平衡实验和硅对Cd污染土壤的淋溶实验，结果表明，硅酸盐可以与Cd和金属氧化物形成三元复合物或共沉淀，从而促进Cd在金属氧化物上的吸附，且淋溶实验也表明硅酸盐的存在不会促进污染土壤中Cd的淋溶，但硅酸盐浓度增高或有小分子酸存在时则会促进污染土壤中Cd的淋溶。.综上，本研究的结果表明对于Cd污染地区对本地秸秆应采取安全处置的措施，而不建议秸秆还田处理。若采用无Cd的秸秆对Cd污染农田进行治理时，应采用焚烧后的方式进行还田，一方面可以降低污染土壤中Cd的有效性，另一方面可以增加土壤中有效Si的含量，从而增加作物对镉的阻控效率，还可以促进硅的生物地球化学循环。