铁硫联合体系对我国南方稻田镉砷固定及水稻吸收的影响、作用机制与调控

It is a very important and significant environmental and food safety issue to control heavy metal pollution in paddy soil and its accumulation in paddy rice for human health and agricultural sustainability.It is found that paddy soil in mining area of Southern China was often polluted by multi-metal(loid) of Cd and As. Remediation of multi-metal(loid) pollution of cadmium and arsenic in paddy soil is difficult theoretically. Theoretically iron and sulphur may immobilize Cd and As synergistically under reducing conditon.This study is aimed to investigate the influence, remediation mechanisms, key influencing factors and boundary conditions of sulphur and iron on immobilization and rice uptake of soil Cd and As, by tracing the changes in partitioning, distribution and speciation of Cd and As in solid-liquid phases of paddy soil and rice uptake, using chemical analysis, chemical extraction and SEM-EDS, XRD, XAF, XANES analysis methods in pot experiments and soil incubation experiments.On the basis of that, to propose an optimized remediation strategy for controlling As and Cd rice uptake. This study will provide novel method and important theoretical basis for remediation practice and safety production on multi-metal(loid) of Cd and As polluted paddy soil in Southern China.

控制我国稻田重金属污染与水稻重金属吸收是关系人群健康和农业可持续发展的重大环境与食品安全问题。我国南方金属矿区周边稻田镉、砷复合污染普遍。但稻田镉、砷的同步修复与调控在理论上是一个难点。理论上铁硫联合体系在还原条件下对土壤镉砷可能具有协同固定阻控效应。本研究拟通过水稻栽培和土壤模拟试验,以化学提取及SEM-EDS,XRD,XAF,XANES等多种分析手段,跟踪研究铁硫联合体系在淹水还原条件下对南方镉砷复合污染稻田镉、砷在固-液相的分配、存在形态和水稻吸收的影响，探索铁硫联合体系作用下土壤固-液相中镉、砷的形态变化、数量分配与植物吸收的关系，揭示铁硫联合体系在控制我国南方稻田镉砷活性及水稻吸收的核心反应过程、作用机理以及关键影响因素和反应边界条件，在此基础上提出利用铁硫联合体系调控我国南方稻田镉、砷水稻吸收的修复策略，为镉、砷复合污染农田修复实践与安全生产提供新的方法和重要的理论依据。

控制我国稻田重金属污染与水稻吸收是关系人群健康和农业可持续发展的重大环境问题。我国南方金属矿区周边稻田镉、砷复合污染普遍, 但由于镉、砷化学性质迥异，稻田镉、砷的同步修复在理论上是一个难点。理论上铁硫联合体系在还原条件下对土壤镉砷可能具有协同固定阻控效应。本研究通过水稻栽培和模拟试验,以化学提取及SEM-EDS,XRD,XPS等分析手段, 跟踪研究铁硫联合体系在淹水还原条件下对南方镉砷复合污染稻田镉、砷在固-液相的分配、存在形态和水稻吸收的影响，探明铁硫联合体系对土壤镉砷协同固定阻控的关键反应过程、作用机理以及重要影响因素和反应边界条件。通过探讨石灰与不同形态硫的联合运用对镉砷复合污染稻田水稻Cd、As吸收的影响、作用机制及调控途径，发现石灰和还原性有机碳诱导的K2SO4对水稻籽粒Cd的显著抑制效应，土壤施加石灰+K2S可同时显著降低糙米Cd、As含量。通过探讨土施石灰与叶面喷施不同硫形态(K2S, K2SO4)对水稻吸收、转运和累积Cd、As的影响及机制，发现与单施石灰相比，土施石灰+叶面施用K2S 可分别显著降低籽粒Cd、As 44.4% and 24.7%, 土施石灰+叶面施用K2SO4可显著降低籽粒Cd 55.5%, 但对As 无显著抑制作用。通过吸附热力学与动力学、X射线光电子能谱（XPS）技术，探明还原条件下具有热力学稳定性的亚铁矿物磁铁矿、菱铁矿、蓝铁矿、黄铁矿对Cd2+、As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的表面吸附特征和表面吸附固定机制；通过水稻盆栽实验探讨了磁铁矿与不同形态S对还原条件下土壤-水稻体系Cd、As的固-液相再分配、赋存形态转变及水稻吸收、转运的影响、关键影响因素及调控机制，发现石灰+磁铁矿+K2SO4+还原性有机碳、石灰+磁铁矿+K2S处理可同时显著抑制水稻籽粒镉砷累积。基于以上结果提出利用铁硫联合体系调控我国南方稻田镉砷水稻吸收的修复策略，为镉砷复合污染稻田修复实践与安全生产提供了新的方法和重要理论依据。此外，本研究发现富含Fe,S,Ca,Si,Mn,P的铁硫硅钙复合材料（CIS）具备多重重金属修复固定机制，对Cd、As等多金属表现了优异的共固持能力及环境稳定性。