农艺措施对次生富集型农田重金属向水稻迁移转化的影响机制

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本论文以广西横县次生富集型农田中的水稻种植区早稻、晚稻两季水稻为研究对象,通过开展野大田实验和室内模拟实验,旨在研究不同的农艺措施(水分管理和肥料管理)对水稻各部位内金属镉砷的分布状况及镉砷向水稻中迁移转化的影响机制。本文主要得到以下几点结论:(1)在广西横县次生富集型农田中,水稻种植区的稻米总镉分布呈现由西南向东北递减的趋势,总砷呈现由西南向东北递增的趋势。稻米中的总镉与总砷高出食品安全国家标准,存在污染情况。(2)在不同的农艺措施下,水稻中各部位的镉砷的富集状况大致相同,呈现由根、茎、叶到糙米中递减的趋势。但总镉、总砷在水稻不同部位的转运系数不同,且转运速率并不一致。在水分管理下,总镉在全程淹水灌溉条件下地下部到地上部的转运系数以及转运速率最低;而在总砷中,干湿交替灌溉下地下部到地上部的转运系数和各个部位中的转运速率最低。在肥料管理下,施加不同肥料转运系数并未有明显变化规律,但转运速率由根至糙米呈增加趋势。(3)不同的农艺措施对重金属镉砷转运有不同的效果,各个部位间的转运存在地下部大于地上部的规律,根部富集了55%的砷和44.5%的镉。地下部活化的镉、砷直接影响糙米中总镉、总砷浓度。因此保证次生富集型水稻种植区内稻米安全,关键在于控制重金属镉、砷由地下部到地上部的转运。(4)重金属镉、砷向水稻中迁移转化会受到水分管理和肥料管理的影响,且在相同的农艺措施下镉砷会呈现不同的变化规律。其中,在水分管理下,全程淹水灌溉能够有效降低水稻各个部位内镉的转运,但提高了水稻各个部位内砷的转运。穗期前淹水、穗期后排水能够有效降低稻米中砷的浓度,却会使得镉在稻米中大量富集。在肥料管理下,施加硅肥能够有效降低水稻各个部位内砷浓度,却提高了稻米中镉浓度。在高镉地区,加强田间水分管理、施加无机肥保持全程淹水灌溉,能够有效抑制镉的转运。在高砷地区,在穗期后保证产量的情况下进行排水晒田,施加硅肥降低土壤中砷向稻米中的富集。(5)结合当地水稻种植区内籽实总镉浓度分布呈现由西南高东北低的趋势,西南部水稻种植区应该加强田间的水分管理,采用全程淹水灌溉。总砷呈现由西南低东北高的趋势。在相同的情况下,相比较于肥料管理,水分管理下的镉砷从水稻地下部到地上部转运系数更低,治理效果更好。(6)全程淹水灌溉的水分管理方式能够将土壤溶液保持在较高的pH和较低的Eh中,使得农田中的水稻土处于还原状态下,大量的Cd2+在土壤溶液中被有效的以残渣态的CdS(硫化镉)固定下来,从源头减少了镉向水稻中运输。而湿干交替灌溉或干湿交替灌溉的排水晒田都会激活土壤中的Cd2+向水稻中转运。当土壤处于还原状态下,较高的pH和较低的Eh使得亚砷酸根离子解离,不但使得砷的价态由五价被还原成三价,并且促进了土壤中铁氧化物中的砷向土壤溶液中大量转移转化,土壤溶液中砷的生物有效性被大大提高。
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