水稻土氧化还原条件变化影响重金属化学形态及水稻重金属吸收的机制及预测模型

水稻土氧化还原条件周期性变化影响土壤重金属的化学形态及水稻对重金属的吸收。目前, 稻田土壤溶液重金属化学形态原位测定方法鲜有报道,现有的重金属形态预测机理模型没有考虑氧化还原条件变化引起的非平衡化学过程对土壤重金属形态的影响，因而不能直接用于水稻土。本研究拟研发适合于稻田土壤溶液离子态重金属浓度原位测定的道南膜（DMT）装置。通过研究纯化学体系和不同类型水稻土体系中氧化还原条件变化引起的非平衡过程对重金属形态的影响，获取反应动力学参数，建立考虑稻田氧化还原条件变化的重金属形态预测高级地球化学模型。采用盆栽试验比较水稻土原位DMT装置和薄层凝胶扩散技术（DGT）预测不同品种水稻重金属吸收的差异，并对本研究建立的重金属形态预测模型做必要的修正，最后进行大田试验。本研究可望能揭示水稻吸收土壤重金属的化学机制并为预测和控制土壤重金属向稻米的转移,保障稻米卫生品质提供理论依据。

本研究采用Eh及温度原位连续监测系统（HYPNOS III）、薄层凝胶扩散技术（DGT）和土壤溶液原位取样技术，并对原位道南膜装置（Field-DMT）进行改进和平衡时间探索，率先将其用于稻田土壤溶液重金属离子态浓度原位测定。通过室内土柱模拟实验，温室盆栽实验和大田小区实验，利用ECOSAT等模型工具建立考虑稻田Eh变化的重金属化学形态及水稻吸收的预测机理模型。主要研究内容与结论总结如下：（1）利用三种污染土壤开展的室内土柱模拟实验表明，土柱剖面四个层次的Eh值与干湿交替变化的响应程度不同。四个层次土壤溶液中Cu、Zn、Pb、Cd和Ni浓度在淹水时呈降低趋势而在排水时呈升高趋势，而Fe、Mn、Al浓度变化恰好相反。利用ECOSAT工具，使用考虑了pe值的NICA-Donnan模型计算淹水和排水阶段的自由态离子。结果表明，除Pb外，Cd2+、Cu2+、Ni2+和Zn2+ 离子的预测值很接近测定值。上述结果表明，水稻土重金属形态分析与预测需要考虑Eh因素。（2）采用四种污染水稻土和两种基因型水稻的温室盆栽实验表明，土壤溶液Cd浓度随淹水时间延长而降低，在烤田及成熟期，Cd浓度有较大幅度上升。利用CaCl2提取态或有效浓度预测水稻新叶中的Cd浓度是可行的。就有效浓度而言，用湿土测定的结果好于干土。但CaCl2提取态或有效浓度预测稻米中的Cd浓度并不理想。利用ECOSAT计算自由态离子浓度结果表明，CaCl2提取态预测Cd离子浓度预测数值偏高，用土壤溶液预测Cd离子浓度相对准确，自由态离子可运用于水稻籽粒重金属的预测。（3）原位DMT装置平衡时间研究表明，盆钵土层中的Cd2+ 6天时间已达到相对平衡。土柱水层中Cd2+达到平衡的时间约为4天，土层中Cd2+ 6天时间可以达到相对平衡且不同层次达到平衡的水平不一致。本研究选择6天作为原位DMT自由态离子监测的平衡时间。（4）采用台州水稻土和两种基因型水稻开展的大田小区试验表明，Eh受土壤水分和温度影响呈现规律性变化。在田间状态下土壤溶液重金属浓度在土体不同层次变化趋势无明显规律。由于室内外工作量及获取的数据量较大，大田试验结果的模型验证仍在进行中。目前，本课题已有1篇中文和1篇英文论文接受，近期将投稿2篇英文和1篇中文论文。此外，本研究阶段性成果或2012年度江苏省科学技术二等奖，本人排名第五。