壳聚糖改性生物炭对水稻土甲基汞生成及其稻米积累的影响

研究发现稻米易富集甲基汞（MeHg）,汞污染区稻米的食用也是人体MeHg暴露的一个重要途径.因此,如何抑制MeHg在稻田中的生成及其在稻米中的富集,是亟需解决的重要问题.为此,本文采用盆栽试验,通过对间隙水、土壤及水稻植株各组织汞含量的分析,探讨了添加壳聚糖改性生物炭对水稻生长期土壤MeHg生成及籽粒MeHg富集的影响.结果表明,添加壳聚糖改性生物炭后能明显降低土壤及间歇水中的总汞（THg）及MeHg含量,与对照相比,土壤中汞的甲基化率降低了51.1%~79.1%;水稻成熟时,添加壳聚糖改性生物炭处理（CMBC）水稻根部MeHg含量比未添加生物炭处理（CK1）低73.1%,比添加未改性生物炭处理（CK2）低62.0%;稻米MeHg含量比CK1低75.8%,比CK2低72.9%;添加生物炭能促进水稻生长,CMBC和CK2处理的植株生物量分别是CK1的1.6倍和1.7倍.盆栽模拟试验结果表明,壳聚糖改性生物炭在促进水稻生长的同时,可以抑制MeHg在稻米中的富集,有一定的推广应用价值.     

风化煤组配改良剂结合水分管理对水稻根际土壤与稻米甲基汞含量的影响

采用以风化煤、碳酸钙与亚硒酸钠为主要原料组配的土壤改良剂,结合稻田水分管理（抽穗扬花期后保持80%田间持水量）,通过盆栽试验和大田试验,研究改良剂和水分管理对稻田水稻土和水稻籽粒中甲基汞含量及水稻生产的影响.结果表明：①土壤改良剂结合稻田水分管理可以显著降低水稻根际土壤与水稻籽粒中甲基汞含量.在盆栽环境中,土壤改良剂+水分管理的处理与对照相比,水稻根际土壤甲基汞含量降低了86.6%,水稻籽粒中甲基汞含量降低了65.2%;在大田环境中,土壤改良剂+水分管理的处理与对照相比,水稻根际土壤甲基汞含量降低了77.4%,水稻籽粒中甲基汞含量降低了60.6%.②土壤改良剂显著提高了土壤pH,在盆栽环境中提高了约0.3,在大田环境中提高了约0.2.同时,土壤改良剂加入土壤后,水稻在湿润状态下有效穗、穗粒数和籽粒产量没有出现显著降低.以上研究结果显示,通过土壤改良剂配合农艺调控措施（水分管理）,能够有效降低汞污染稻田甲基汞暴露风险,且高效绿色,对于实现轻中度汞污染稻田安全利用具有可行性.     

盐渍化环境下秸秆还田对稻米汞及甲基汞累积的影响

通过盆栽试验探讨了盐渍化环境下秸秆还田对土壤中总汞（THg）、甲基汞（MeHg）含量和转化以及对水稻吸收汞的影响.试验用土采集自天津典型污灌地区,人为添加不同梯度的盐分（0、0.2%、0.5% NaCl）及外源汞（0、5mg/kg~Hg（NO₃）₂）,秸秆还田按照0.1%进行处理.结果显示：1.秸秆还田促进稻田系统中无机汞的甲基化.与未添加秸秆的处理相比,秸秆还田后土壤MeHg含量提高了56.8%~76.8%,水稻MeHg含量增加了127%~171.6%.2.在轻度盐渍化稻田开展秸秆还田,会进一步提高稻田土壤中汞的甲基化水平,进而增加水稻籽粒中甲基汞含量.与不添加盐分处理相比,轻度盐渍化环境中（0.2% NaCl）,秸秆还田处理导致土壤MeHg含量提高了92.2%~101.2%,水稻籽粒MeHg含量增长了52.8%~132.1%.更高的盐渍化水平会抑制土壤汞甲基化趋势,水稻籽粒中甲基汞含量降低.在中度盐渍化环境中（0.5% NaCl）,秸秆还田导致土壤MeHg含量降低了57.9%~88.6%,水稻籽粒MeHg含量降低了72.9%~86.8%.以上研究结果表明,在盐渍化且汞污染稻田开展秸秆还田可能大幅度增加该地区汞食物链暴露风险,因此在中轻度盐渍化的污灌区,对秸秆还田等农艺措施需要格外慎重.     

不同硒化修复剂对稻田汞污染修复效果研究

以亚硒酸钠、蒙脱土等作为材料,对蒙脱土进行硒化改性,将硒负载在经过改性的蒙脱土上制备出汞的钝化剂以降低汞和甲基汞（MeHg）在稻米中的富集.将硒化修复剂与污染土壤混合进行浸泡土试验和盆栽试验,分析土壤和稻米中THg和MeHg,探讨不同硒化修复剂对污染土壤中汞的阻控修复效果,并筛选出最佳修复剂.结果表明,4种修复剂均对污染土壤中汞有明显的钝化阻控作用,可显著降低土壤中可交换态汞和甲基汞,降低稻米中THg和MeHg含量.蒙脱土通过不同方式硒化改性后,使蒙脱土结构性能优化,吸附容量增加,并能使硒稳固在蒙脱土上,达到更好的钝化修复效果.硒化壳聚糖改性蒙脱土、亚硒酸钠改性蒙脱土、硒化纤维素改性蒙脱土、硒粉改性蒙脱土4种修复剂稻米THg的降低率依次为81.86%、79.74%、65.69%、61.78%,MeHg降低率依次为89.62%、83.91%、72.93%、63.01%.相比较而言,亚硒酸钠改性蒙脱土修复效果稍低于硒化壳聚糖改性蒙脱土,但其改性方法简单,成本低,更有利于修复剂的推广应用.     

不同氮肥策略对汞污染土壤修复效果的影响

为明确不同施氮肥策略对汞污染土壤的改良效果及其对土壤细菌群落的影响作用,该研究选取受汞污染的酸性土壤(G)和碱性土壤(S)为研究对象,分别设置未施肥空白对照（GK、SK）、仅施速效氮肥（GA、SA）、仅施缓释氮肥（GS、SS）以及生物炭配施缓释氮肥（GB、SB）8种实验处理,基于盆栽实验,探究各处理对汞污染土壤的改良作用、微生物群落的影响,并进一步明确对作物安全的作用效果。结果表明,与GK、SK相比,施肥使汞污染土壤中汞含量分别降低了20.47%～81.60%（酸性）与23.38%～75.74%（碱性）;与GA、SA相比,GS、SS处理中,土壤中汞含量分别显著降低了75.96%、69.86%;值得注意的是,生物炭配施处理（GB、SB）对汞污染土壤的改良效果与仅缓释氮肥（GS、SS）处理之间并无显著差异。生物炭配施缓释氮肥处理与其他各处理相比,对原土壤微生物群落结构影响显著,其中,酸性土壤的微生物丰度增加了6.23%,多样性下降11.36%,而碱性土壤中二者均呈下降趋势,分别下降了17.69%、16.81%。对韭菜中汞含量的研究发现,各施氮肥处理中,酸性土壤的可食用部分与根部的汞含量分别下降20.38%～66.46%、20.76%～35.22%;而在碱性土壤中,仅配施处理中作物的可食用部分与根部中的汞含量显著下降,与仅缓释氮肥相比显著下降,分别为45.05%、28.15%。根据Spearman相关性分析金属汞、pH和有机质是影响细菌群落的重要因子。由此可得,施缓释氮肥是降低汞污染土壤的最佳策略,而生物炭配施缓释氮肥在有效改良土壤汞污染（尤其酸性土壤）的同时,显著提高了土壤中细菌的丰度,降低作物中汞含量。该研究在为汞污染土壤改良提供理论依据的同时,探究了缓释氮肥及其与生物炭配施的作用效果。     

两种生物炭对稻米中砷累积的影响研究

为探究土壤添加低剂量生物炭对稻米中砷累积的影响及作用机理,使用矿区砷污染土壤添加小麦和棉花秸秆生物炭进行盆栽和模拟试验.盆栽试验结果表明:添加质量分数为0.5％的低剂量小麦和棉花秸秆生物炭,可以降低稻米(糙米)砷浓度(约10％),作用有限.糙米中砷浓度的降低主要是由于其生物量增加所致.模拟试验结果表明:添加质量分数为1％?—?5％的高剂量生物炭可以显著促进土壤中砷释放,相比对照组,生物炭添加组土壤溶液中砷浓度增加了69％?—?243％,推测其可能是生物炭促进了微生物作用下铁氧化物的还原,进而导致砷释放.研究表明:土壤中施加低剂量小麦和棉花秸秆生物炭对减少水稻砷累积作用可能有限,而高剂量可能增加水稻砷污染健康风险.     

稻壳生物炭对污染土壤中稀土元素生物有效性的影响

利用农业秸秆制备了污染土壤修复材料稻壳生物炭和稻壳灰,在模拟稀土（REE）污染的酸性土壤中,添加0、5%和10%的稻壳灰（RHA）稻壳生物炭（RHB）,通过栽培实验考察RHA和RHB对REEs的形态和生物有效性的影响.春秋两季的盆栽实验结果表明,RHA和RHB的添加有效的降低了稀土的弱酸可提取态,随着添加量的增加效果越明显,10% RHA和10% RHB土壤中REEs的弱酸（乙酸）提取态较对照组分别降低了31.65%、19.915%,弱酸可提取态转化为了可还原态,与对照组相比,RHA和RHB的土壤中稀土元素的可还原态分别增加了26.367%、10.321%.两种修复材料显著降低了胡萝卜和茼蒿对稀土元素的富集,10% RHA处理组胡萝卜和茼蒿REEs含量分别较对照组降低了98.08%、93.41%,10% RHB胡萝卜和茼蒿REEs含量分别较对照组降低了68.61%、66.75%.研究结果表明,稻壳生物炭和稻壳灰的施用,能够有效的改善污染土壤的理化性质,降低稀土元素生物可利用态的含量,从而遏制植物对稀土元素的富集.     

不同有机物料对水稻根表铁膜及砷镉吸收转运的影响

通过盆栽试验研究了油菜秸秆、蚕豆秸秆、泥炭、猪粪堆肥和生物炭这5种有机物料对贵州石灰岩黄壤区某砷（As）和镉（Cd）复合污染稻田土壤As/Cd有效性、水稻根表铁膜及As/Cd吸收转运的影响.结果表明,施用有机物料显著提高了有机质和水稻生物量;除油菜秸秆对土壤pH值影响不明显外,施用有机物料显著提高土壤pH值,使土壤有效Cd含量降低34.77%~82.69%;猪粪堆肥和生物炭使土壤有效As含量显著提高,油菜秸秆和泥炭处理使土壤有效As含量显著降低;施用有机物料有助于水稻根表铁膜的形成,并使其中Cd、As含量分别提高17.73%~151.03%和28.49%~94.86%,使水稻糙米Cd含量降低15.87%~79.45%,As含量降低27.04%~82.51%,降幅以生物炭处理最大;有机物料还显著降低Cd在根-茎-叶-籽粒的转运系数及As从茎向籽粒转运系数.相关分析表明,土壤pH、有效Cd和铁膜Cd含量是影响籽粒Cd累积的主要因素,土壤pH、有机质和铁膜As含量是影响籽粒As累积的主要因素.有机物料通过改变土壤pH、有机质含量及铁膜中As和Cd含量,影响水稻对As和Cd的吸收和转运.     

污灌区稻田汞污染特征及健康风险评价

选择天津北排污河灌区作为研究区域,调查了土壤和水稻总汞和甲基汞的含量及分布特征,评估污灌区稻米食用汞暴露风险,并对污灌区土壤-稻米甲基汞的影响因素进行了初步分析.结果表明,1.调查的29个污灌区稻田,土壤总汞含量为(367.04 ± 129.36) μg/kg,显著高于区域土壤Hg背景值73 μg/kg,甲基汞含量为(0.87 ± 0.77) μg/kg;水稻各部位总汞含量依次为稻叶 > 稻根 > 稻茎 > 稻米,稻米总汞含量为(12.80 ± 5.14) μg/kg,甲基汞含量依次为稻米 > 稻根 > 稻茎 > 稻叶,稻米对甲基汞具有很强的富集能力,甲基汞含量为(2.09 ± 1.20) μg/kg,甲基化率均值超过10%.污灌区稻米总汞每周摄入量为0.068~1.25μg/(kg·bw),甲基汞每周摄入量为0.0095~0.49μg/(kg·bw),污灌区稻米总汞及甲基汞暴露对居民健康风险总体仍在安全阈值内,但个别汞污染较严重地块甲基汞暴露风险值得高度关注.土壤甲基汞含量仅与土壤总汞含量及黏粒含量的相关性达到显著性水平,稻米甲基汞含量与土壤总汞含量、土壤甲基汞含量、稻米总汞含量及黏粒含量的相关性达到显著性水平.     

施用生物炭对土壤Cd形态转化及烤烟吸收Cd的影响

采用盆栽试验模拟Cd污染土壤,研究施用烟秆炭(0、10、20 g·kg~(-1))对土壤pH、有机质含量、土壤Cd形态分布及烤烟Cd含量和Cd累积量的影响.结果表明:随着生育期的延长,土壤pH和有机质含量均呈现升高的趋势.在同一Cd污染水平下,土壤pH和有机质含量均随生物炭施用量的增加而升高.随生物炭施用量的增加,土壤有效态Cd和可交换态Cd含量显著降低,土壤碳酸盐结合态Cd、铁锰氧化物结合态Cd、有机结合态Cd和残渣态Cd含量升高.移栽后30 d,处理G2T2和G2T1的土壤有效态Cd含量的降幅分别达到45.59%和24.56%.外源添加Cd的土壤中,土壤pH和有机质含量均与土壤有效态Cd和可交换态Cd含量呈显著负相关关系(p0.01),与土壤碳酸盐结合态Cd、铁锰氧化物结合态Cd和有机结合态Cd含量呈显著正相关关系(p0.01).在Cd污染土壤上,施用生物炭能明显降低烟株各部位Cd含量,烟株各部位干物质积累量随生物炭施用量的增加显著升高,烟株各部位Cd累积量和总Cd累积量随生物炭施用量的增加呈降低的趋势.由此说明,在Cd污染的土壤上施用生物炭能够使土壤中可被植物吸收利用的有效态Cd转化为潜在的无效态Cd,从而达到修复土壤并减轻作物受Cd毒害的目的.     

Biochar affects methylmercury production and bioaccumulation in paddy soils: Insights from soil-derived dissolved organic matter

Biochar has been used increasingly as a soil additive to control mercury (Hg) pollution in paddy rice fields. As the most active component of soil organic matter, soil dissolved organic matter (DOM) plays a vital role in the environmental fate of contaminants. However, there are very few studies to determine the impact of biochar on the Hg cycle in rice paddies using insights from DOM. This study used original and modified biochar to investigate their effect on DOM dynamics and their potential impact on methylmercury (MeHg) production and bioaccumulation in rice plants. Porewater DOM was collected to analyze the variations in soil-derived DOM in paddy soils. The results showed that the addition of biochar, whether in original or modified form, significantly reduced the bioaccumulation of MeHg in rice plants, especially in hulls and grains (p<0.05). However, MeHg production in soils was only inhibited by the modified biochar. Biochar addition induced a significant increase in DOM's aromaticity and molecular weight (p<0.05), which decreased Hg bioavailability. Furthermore, enhanced microbial activity was also observed in DOM (p<0.05), further increasing MeHg production in the soil. Thus, the effect of biochar on the fate of Hg cycle involves competition between the two different roles of DOM. This study identified a specific mechanism by which biochar affects Hg behavior in rice paddy soil and contributes to understanding the more general influence of biochar in agriculture and contaminant remediation.     

汞在酸性紫色水稻土的转化与水稻汞富集特征

采用盆栽模拟试验,对汞(Hg)及甲基汞(MeHg)在酸性紫色水稻土中不同水稻生长期的动态变化进行了研究,并分析对比了总汞(THg)和MeHg在水稻体中的富集特征.结果表明:在水稻生长期间,土壤总汞含量变化较小,MeHg含量随时间增加而增加,土壤MeHg/THg值的变化趋势和土壤中MeHg含量变化一致.完熟期THg在水稻中植株的分布状况为:根籽粒茎叶穗壳,MeHg的分布为:籽粒根茎叶穗壳.水稻植株中MeHg/THg均值为24.03%,大于土壤均值3.05%,说明水稻植株中具有较强的MeHg累积能力.在水稻生长周期内,水稻体内MeHg富集系数均值为8.16,远大于THg富集系数的均值2.31,且籽粒中的MeHg富集系数大于根、茎、叶,说明水稻对MeHg的富集能力强于THg,且籽粒更易于富集MeHg.水稻体内的MeHg的转移系数大于THg,且籽粒中MeHg的转移系数大于1,进一步说明MeHg比THg更易在水稻体内转移.     

Effects of fulvic acid and humic acid from different sources on Hg methylation in soil and accumulation in rice

Humus is often used as an organic modifier to reduce the bioaccumulation of heavy metals in plants, but the effects of different humus components from different sources on the fate of mercury (Hg) in paddy fields are still unclear. Here, fulvic acid (FA) and humic acid (HA) extracted from composted straw (CS), composted cow dung (CCD), peat soil (PM) and lignite coal (LC) were used to understand their effects on the methylation and bioaccumulation of Hg in paddy soil by pot experiments. Amendments of both FA and HA largely increased the abundance of Hg-methylating microbes and low-molecular-weight organic matters (e.g, cysteine) in paddy soil. They were also found to change the aromaticity, molecular size and Chromophoric DOM concentration of DOM, and resulted in heterogeneous effects on migration and transformation of Hg. All the FA-amended treatments increased the mobility and methylation of Hg in soil and its absorption in roots. Nevertheless, FA from different sources have heterogeneous effects on transport of Hg between rice tissues. FA-CCD and FA-PM promoted the translocation of MeHg from roots to rice grains by 32.95% and 41.12%, while FA-CS and FA-LC significantly inhibited the translocation of inorganic Hg (IHg) by 52.65% and 66.06% and of MeHg by 46.65% and 36.23%, respectively. In contrast, all HA-amended treatments reduced the mobility of soil Hg, but promoted Hg methylation in soil. Among which, HA-CCD and HA-PM promoted the translocation of MeHg in rice tissues by 88.95% and 64.10%, while its accumulation in rice grains by 28.43% and 28.69%, respectively. In general, the application of some FA and HA as organic modifiers to reduce Hg bioaccumulation in rice is not feasible.     

生物炭与氮肥复施对镉污染水稻土修复效应及机制

重金属镉(Cd)污染已严重影响土壤健康,威胁农产品生产安全利用.因此采用盆栽试验,以Cd污染水稻土为供试土壤,研究生物炭(BC)、不同氮肥施用水平2.6 g·pot^-1(N1)、 3.5 g·pot^-1(N2)、 4.4 g·pot^-1(N3)和生物炭配施氮肥(BCN1、 BCN2、 BCN3)对土壤Cd形态、水稻体内Cd富集和转运以及土壤酶活性的影响,并通过高通量测序分析土壤微生物菌群变化和微生物间复杂的相互作用关系.结果表明,生物炭配施氮肥处理下土壤Cd由活性较高的可交换态向活性低的残渣态转化,可交换态Cd含量较对照降低了6.2%～14.7%,残渣态Cd含量提高了18.6%～26.4%.单一氮肥处理增强了水稻根部Cd的富集能力,提高了22%～33.5%,单一生物炭和配施氮肥处理下水稻根部Cd的富集能力、 Cd从茎叶向稻壳和稻壳向稻米的转运系数均下降.BCN处理总体上促进了土壤酶活性(脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶),MiSeq测序显示生物炭配施氮肥提高了土壤细菌主要物种相对丰度(如Acidobacteriale...     

生物质炭对双季稻水稻土微生物生物量碳、氮及可溶性有机碳氮的影响

生物质炭可影响土壤微生物量,但生物质炭对双季稻田土壤微生物生物量碳、氮(MBC、MBN)及可溶性有机碳、氮(DOC、DON)的影响还不清楚.基于此,本研究选取亚热带2种典型双季稻田土壤(花岗岩母质发育的水稻土S1和第四纪红壤发育的水稻土S2)作为研究对象,开展室内培养试验来研究不施氮肥条件下生物质炭添加对土壤微生物生物量碳、氮及可溶性有机碳、氮的影响.每种土壤设置3个小麦秸秆生物质炭添加量,即土重的0%、1%和2%,分别用CK、LB和HB表示.培养70 d后,2种水稻土的MBC均值:S1为877. 03、832. 11和849. 30 mg·kg~(-1),S2为902. 94、874. 19和883. 22mg·kg~(-1). S1+LB、S1+HB和S2+LB均显著降低了土壤MBC均值(P 0. 05),这可能是由生物质炭吸附土壤有机碳及其他有机物,阻碍了微生物的生长而造成的. S1土壤中低生物质炭添加量较对照显著降低了土壤MBN均值(P 0. 05),降幅达9. 45%.生物质炭对S1土壤MBC/MBN均值影响不明显,但LB降低了S2土壤MBC/MBN均值(P 0. 05).由于生物质炭本身含有部分可溶性有机碳及其高p H值,添加到2种水稻土中均增加了土壤DOC均值,增幅分别达4. 42%～22. 20%和10. 57%～35. 47%.但生物质炭(除S2+HB处理)显著降低了土壤DON均值,这可能归因于生物质炭对土壤有机氮的吸附作用及生物质炭本身有机碳分解过程中对N的消耗作用.生物质炭显著增加了2种水稻土的DOC/DON均值,且随着生物质炭添加量的增加而增加.综上所述,在双季稻田土壤中单施生物质炭虽然可增加土壤可溶性有机碳,但对土壤微生物量有一定的降低作用,且会加重土壤氮亏缺状况.因此,在亚热带双季稻田中生物质炭应与化肥等配合施用.     

秸秆源黑炭还田对水稻土生产力和固碳的影响

为揭示秸秆源黑炭连续还田对太湖平原稻麦轮作农田土壤生产力和固碳作用的影响,设黑炭施加量为0(CK)、4.5和9.0t/hm23个处理,通过2a 4个完整稻麦轮作季的盆栽试验,研究了稻秆来源黑炭每季还田下的稻麦作物产量.养分吸收状况及土壤理化性质的变化. 结果显示,土壤w(TOC)(TOC为总有机碳)和w(全N)随黑炭施加量的增加而增加. 每季黑炭施加量为9.0t/hm2时,土壤w(TOC)和w(全N)可分别提高46.7%~113.0%和9.3%~28.3%. 黑炭施入土壤后能够提高稻麦作物地上部分生物量,籽粒产量增加11.4%~60.5%,秸秆产量增加15.0%~56.8%. 黑炭处理下稻麦作物体内N、P、K、Mg和Ca的累积量显著提高,这一现象与每季结束后土壤w(全N)以及土壤有效元素含量〔w(有效P)、w(有效K)、w(有效Mg)和w(有效Ca)〕的增加相吻合. 黑炭施入可显著提高土壤pH和CEC(阳离子交换量),尤其是黑炭施加量为9.0t/hm2时,pH最高可达6.79,CEC最高达到12.7cmol/kg. 连续三季施入黑炭后,土壤容重比不施黑炭处理降低8.0%~12.2%. 试验结果表明,秸秆来源黑炭施入太湖平原稻麦农田可起到固碳增汇、增加土壤碳库容量的作用,也能改善土壤理化性质,提高土壤生产力.      

施用污泥堆肥品对土壤和植物总汞及甲基汞的影响

采用田间试验,分别施加两种不同的污泥堆肥品(含生物质炭和不含生物质炭),研究污泥堆肥土地利用过程土壤及植物总汞和甲基汞变化情况、迁移转化特征和植物富集能力.结果表明,施加污泥堆肥品会引起土壤总汞和甲基汞含量升高,但总汞含量低于国家土壤环境质量二级标准.生物质炭堆肥品可能促进土壤汞的甲基化,但不同处理土壤甲基汞/总汞(Me Hg/THg)比值较低.植物成熟后不同处理植物总汞含量明显低于幼苗期,而甲基汞含量均高于幼苗期.施加两种堆肥品对植物富集总汞没有明显差异,但对甲基汞富集影响显著.施加生物质炭堆肥品的土壤甲基汞含量明显高于施加无生物质炭堆肥品的土壤,而植物甲基汞含量则相反.生物质炭的加入可能有利于土壤甲基汞形成,但不利于甲基汞的迁移,抑制植物对土壤甲基汞的富集.植物对甲基汞的富集能力较强(富集系数为1.24~14.63),需关注长期施肥带来的土壤环境汞生态风险.