稻田镉砷污染的“三重”阻控技术

稻田镉砷因环境行为差异大、污染面积大、分布广而成为重金属污染治理的重点和难点。本研究基于重(类)金属循环的生物地球化学理论，以镉砷从土壤至植物根表的迁移机制以及从根至籽粒的转运机制为关键科学问题；研究适宜于红壤区稻田镉砷污染“同步钝化-铁膜固定-生理阻隔”的三重阻控技术，探明硫铁化生物炭同步钝化+硅/硒营养生理阻隔降低稻米镉砷累积的效应与机制。该研究有望解决传统方法应用过程中成本高、效率低、效果不稳等技术难题，为中轻度镉砷污染稻田的安全生产提供新的技术支撑。

（1）硫铁化生物炭同步阻控红壤区稻田镉砷污染的效应与机理

通过硫铁化增强生物炭对镉砷的吸附固定作用，探究硫铁化生物炭对稻田镉砷污染的同步阻控效应与机制。通过根际袋盆栽实验，结合化学形态分析及分子生物学手段研究硫铁化生物炭对土壤镉砷硫铁化学形态及其形成稳定化合物形式、砷铁硫氧化还原功能微生物及功能基因丰度的影响，解析水稻镉砷累积与土壤镉砷形态、硫铁化生物炭结构特性、土壤理化性质及砷铁硫氧化还原功能微生物及功能基因丰度之间的关系，分析硫铁化生物炭对土壤镉砷迁移转化的同步阻控效应，阐明其分子化学与微生物机制。从而为稻田镉砷污染的同步阻控提供技术支持和理论依据。

（2）叶施硅/硒溶胶抑制红壤区水稻籽粒镉砷吸收转运的效应与机制

设置盆栽实验，研究叶施硅/硒溶胶对镉砷胁迫下水稻显微、亚显微结构的影响，解析叶施硅/硒溶胶后水稻组织和细胞水平上镉砷分布效应以及对镉砷质外体转运途径的影响。研究镉砷胁迫下水稻根系硅/硒转运基因表达对叶施硅/硒溶胶的响应，阐明叶施硅/硒溶胶抑制水稻镉砷吸收转运的生理机制。揭示叶施硅/硒溶胶抑制水稻镉砷吸收转运的效应与机理；为减少稻米镉砷积累提供理论依据，具有重要的水稻生理生态学意义。

（3）红壤区稻田镉砷污染“三重阻控”的效应与机制

提出土壤-水稻系统镉砷污染“同步钝化-铁膜固定-生理阻隔”的三重阻控策略，设置“硫铁化生物炭+硅/硒复合溶胶”的根际袋盆栽实验，分析土壤 pH、Eh等理化性质、土壤镉砷形态、水稻根表铁膜形成及其镉砷持留量、水稻组织镉砷累积、硅-硒转运基因表达量等在水稻全生育期的动态变化规律，探明硫铁炭耦合循环调控土-水-根界面的镉砷同步钝化过程和水稻叶面硅/硒营养抑制镉砷从根至籽粒吸收转运的生理阻隔过程降低稻米镉砷累积的效应与机制，从而为红壤区稻田镉砷复合污染稻田的高效安全利用提供技术支持与理论指导。

稻田砷镉环境行为差异大，致使镉砷复合污染成为农田重金属污染治理的重点和难点。水稻在中国的产量和消费总量约占世界的27%，但水稻也是我国重金超标极其严重的粮食作物。其中，镉和砷是国际癌症研究机构认定的Ⅰ类致癌物，也是我国农田土壤最突出的重金属和类金属污染物，其在全国点位超标率分别已经达到7.0%和2.7%以上，对农业生产、粮食安全及生态环境产生极大危害。因此，镉砷复合污染不仅是亟待解决的环境问题，更是关系到公众健康的社会安全问题，研发土壤镉砷复合污染的原位阻控技术契合“打好污染防治攻坚战、维护国家生态安全”这一重大国家战略需求。

镉和砷在土壤中的环境行为受到土壤pH、氧化还原电位（Eh）、根际效应、土壤矿物、微生物等影响，其中土壤pH和Eh是影响镉和砷在土壤中形态和价态的主要因素。稻田淹水-落干的特殊生境中，镉砷活性受Eh和pH的影响几乎表现出完全相反的行为特征，仅通过水分管理或调整pH值很难同时降低镉和砷在稻米中的累积。（1）早期研发的镉钝化功能材料主要以无机材料为主，包括石灰、碳酸钙等石灰性材料，海泡石、沸石、蒙脱石等粘土矿物，羟基磷矿粉等磷灰石族矿物；后期研发主要为腐殖质、生物炭等有机材料、微生物菌剂；以及将无机材料、有机材料、微生物菌剂的两两组合或三者组合的复合材料。但是以提高土壤pH或CEC为切入点的镉钝化技术常伴随砷活化等次生环境问题。（2）大量施用铵态氮与尿素也显著影响其钝化效果。添加碱性物质还会增强土壤母质的电负性，造成土壤对阴离子As的静电排斥，反而增强其移动性。（3）美、日、欧的工程修复模式虽然实现了土壤污染治理功能，但长期中断农业生产，不适应我国中轻度污染为主的稻田土壤治理需求，人多地少的国情决定了必须边生产边治理。

生物炭是生物质高温限氧裂解产生的高度芳香化且富含碳的固态物质，具有多孔、丰富的官能团和表面负电荷等特征，有较强的吸附性和抗分解能力，不仅能提高土壤肥力，还能钝化土壤重金属镉。但是已有大量研究表明生物炭含有大量醌基和芳环结构，可通过电子穿梭或还原作用促进土壤As的还原释放，而且申请人前期实验也证实生物炭在降低土壤Cd有效性的同时提高了As在土壤中的移动性和有效性，因此，迫切需要对生物炭进行改性以提高其对镉砷的同步钝化能力。硫-铁生物地球化学循环及其矿化过程对土壤镉砷活性具有定向调控作用（如图1）。申请团队前期通过硫铁化增强生物炭对镉砷的吸附固定作用，但是仍需要进一步探明硫铁化生物炭对稻田镉砷污染同步阻控的效应与机制，该研究有望突破生物炭不能同步阻控稻田镉砷污染这一技术瓶颈，从而更好的保障粮食安全和人体健康，推进生态文明建设和维护国家生态安全。

我国稻田总面积的90%都在红壤地区，红壤具有酸性强，铁自由度高、有效硅含量低的区域地球化学特征。以酸碱中和、吸附固定为思路的传统技术，容易带来次生环境风险。Cd/As是从土壤颗粒-根表-根-茎叶-籽粒逐步迁移的，而铁是红壤区稻田最为重要的活性元素，稻田铁循环也是连接养分循环与镉/砷行为的枢纽；因此本研究提出土壤-水稻系统镉砷污染同步钝化-铁膜固定-生理阻隔的三重阻控策略，即以农产品安全为目标，以Cd/As从土壤矿物至植物根表的迁移机制以及从根至籽粒的转运机制为两个关键科学问题。拟通过调控铁与碳/氮循环的耦合过程研发降低土壤中Cd/As向水稻根系迁移的钝化技术，减少水稻根部对Cd/As的吸收；同时硅与硒等营养元素与水稻Cd/As吸收转运密切相关，研发硅/硒营养调控的生理阻隔技术，阻隔Cd/As通过韧皮部向水稻籽粒转运，通过靶向调控Cd/As在水稻组织的分配降低稻米Cd/As累积；此外，针对中度镉砷污染土壤，单一的钝化技术和叶面阻控技术仍然难以高效使稻米中Cd/As含量降低至国家食品标准值以下，而联合土壤钝化与叶面阻控的组合技术可能会更有效的解决稻田Cd/As污染难以同步阻控的技术难题。

（1）发明了具有镉砷同步钝化功能的硫铁化生物炭重金属钝化剂，有望突破基于吸附固定与酸碱中和钝化技术的技术瓶颈，解除了“生物炭降低镉有效性的同时提高土壤砷移动性”的困境，提高生物炭对土壤镉砷污染的同步阻控作用。

（2）提出土壤-水稻系统镉砷污染“同步钝化-铁膜固定-生理阻隔”的三重阻控策略。建立硫铁化生物炭钝化+硅硒营养阻隔的组合技术，直接高效降低农产品重金属含量，有望解决重金属移除技术高成本、难大面积应用的技术瓶颈。

  一、技术路线

二、拟解决的关键问题

 （1）硫铁化强化生物炭同步阻控稻田镉砷污染的化学与微生物机制。

 （2）硫铁化生物炭联合硅/硒叶面阻隔剂降低稻米镉砷累积的三重阻控效应。

三、预期成果

（1）阐明硫铁化生物炭联合硅/硒叶面阻隔剂对稻田镉砷污染“三重阻控”的效应与机制；

（2）在国际、国内核心期刊上发表学术论文1-2篇

（3）申请发明专利1项“红壤区稻田镉砷污染的三重阻控技术”。

第一阶段（2024.06—2024.10）：开展室内盆栽实验

设置盆栽实验，共6个处理（CK、硫铁化生物炭、硅溶胶、硒溶胶、硫铁化生物炭+硅溶胶、硫铁化生物炭+硒溶胶），每个处理三个平行，采集孔隙水、土壤和植物样品，分析土壤理化性质、孔隙水中镉砷含量、土壤镉砷形态、根表铁膜形成及其镉砷持留量。

第二阶段（2024.11—2025.02）：数据分析+论文投稿+专利申请

分析土壤硫铁砷氧化-还原功能微生物及功能基因丰度、镉砷硅硒在水稻组织和细胞水平上硅硒分布、硅和硒转运基因的表达量，进行数据处理与分析，撰写并发表国内外核心期刊1篇，申请发明专利1项。

第三阶段（2025.03—2025.04）：项目结题

    分析水稻镉砷累积与土壤理化性质、土壤镉砷形态、铁膜形成、功能微生物及功能基因、硅硒转运基因的相关性，剖析稻田土壤-水稻系统中镉砷同步钝化-铁膜固定-生理阻隔的三重阻控效应与机制。撰写结题报告，完成项目结题。