水硫耦合对镉在水稻根际微域迁移转化的作用机理

Effects of water management and sulfur fertilizer application on availability of Cd in paddy soil has been attracted wide attention. Therefore, it’s important to study the movement and transformation of Cd and its mechanisms in the rice rhizosphere related to the integrated water and sulfur management. A combination of technical route will be used as pot experiments, rhizobox experiments, field plot trial and indoor analysis. And the SEM-EDS, XRD and Miseq high throughout sequencing technology will be used. The movement and transformation of Cd in rice rhizosphere under the integrated water and sulfur management conditions will be studied by determining of Cd fraction and available Cd in bulk soil and rhizosphere soil, the formation of Fe-Mn plaque on root and its Cd concentration, the absorption of Cd by rice root. Further, the relationships between the movement and transformation of Cd in rice rhizosphere and the transformation of sulfur and iron in soil will be analysis. Moreover, the redox enzyme activity and the abundance, diversity and microbial community structure of sulfur and iron redox will be analyzed. Based on the changes of sulfur and iron formation, microbial characteristics soil physic-chemical properties, the physicochemical and microbiological mechanisms of Cd movement and transformation in rice rhizosphere related to the integrated water and sulfur management will be revealed. These results of this proposal will provide a scientific basis for the sustainable of rice farming and assurance of rice quality in Cd-contaminated paddy region.

水分管理和硫肥施用对水稻吸收镉的控制效果受到广泛关注。研究二者协同作用下，镉在稻田土壤，尤其是根际微域中的迁移转化特征及其作用机理，对于镉污染稻田环境风险的控制具有重要意义。申请项目拟采用盆栽试验、根箱栽培试验、田间小区试验与室内分析相结合的技术路线，利用SEM-EDS、XRD和高通量测序等研究手段，从根际和非根际土壤镉赋存形态与有效性、根表胶膜形成与镉积累、水稻根系镉吸收等角度，研究水硫耦合作用下镉在水稻根际微域的迁移转化特征；系统分析硫和铁的形态转化以及土壤理化性质变化与水稻根际微域镉迁移转化的关联性；结合水稻根际氧化还原酶活性、硫和铁的氧化还原微生物群落结构和功能活性，阐释水硫耦合作用下，水稻根际微域中镉环境行为变化的物理化学机理和关键微生物驱动机制。项目研究结果可为镉污染稻作区的农业绿色发展和保障稻米质量安全提供科学依据。

本项目的目标是阐明水分管理配合硫素供应对水稻根际土壤镉赋存形态、生物有效性，根表胶膜形成及其镉含量，根系吸收镉等的影响，揭示水硫耦合调控水稻根际微域镉迁移转化的物理化学和微生物学机理，探讨削减水稻镉积累的水分管理和硫肥施用技术。围绕项目研究目标，选取典型镉污染水稻土为对象，研究了长期淹水、干湿交替和湿润灌溉3种水分管理方式下，施硫对水稻根际微域镉迁移转化的调控效应，并探讨了其作用机理。主要取得如下几个方面的重要进展：（1）水分管理配施硫酸根形态硫较单质硫能更为有效削减水稻吸收积累镉。3种水分管理方式下，施硫酸根态硫10~40 mg/kg可降低稻米镉含量8.0%~56.3%，但施用单质硫无明显降镉效果，甚至会促进稻米镉的累积。（2）3种水分管理方式配施硫肥（SO42-）均有效降低根际土壤镉有效性，促进根表铁膜形成及其镉固持，阻控水稻吸收积累镉。3种水分管理方式下施硫肥10~160 mg/kg，根际土壤DTPA提取镉降低11.9%~52.4%；根表铁膜镉含量最大增幅81.1%；稻米镉含量最高降低63.2%，长期淹水配施高量硫肥处理稻米镉含量最低。（3）水分管理配施硫肥（SO42-）提高根际土壤pH值和促进根表铁膜的形成，是其调控根际镉有效性和阻隔水稻根系镉吸收的重要原因。（4）发现了淹水还原与弱还原/部分氧化（干湿交替、湿润灌溉）条件下施硫调控水稻根际微域镉行为的差异化微生物作用机理。在长期淹水条件下，施硫显著提高了硫还原微生物Desulfovibrio相对丰度，促进硫酸根还原和CdS沉淀，降低根际土壤镉有效性；弱还原/部分氧化条件下，施硫降低了铁还原微生物Geobacter相对丰度，抑制铁还原和促进根表铁膜形成与镉固持，限制了水稻根系对镉的吸收。（5）施硫抑制水稻根系吸收镉向地上部转运可能与其极大提高水稻根部巯基化物形成与累积有关。这些研究结果为镉污染稻田低成本水肥调控技术的研发提供了重要的理论依据。.项目执行过程中发表学术论文10篇，其中SCI收录论文8篇，获得发明专利1项，制定地方标准1项，培养博士后1名、硕士研究生3名。