STE：连续淹水条件下揭示镉从土壤向水稻转运的障碍
文章信息
第 一作者：孔繁艺
通讯作者：汪海珍
通讯单位：浙江大学
期刊：Science of the Total Environment
DOI：10.1016/j.scitotenv.2024.174265
摘要
了解控制镉（Cd）在土壤-溶液-根界面行为的时空过程对于制定有效的修复策略至关重要。本研究通过在整个水稻生长期间使用根箱（rhizotrons）对Cd污染的水稻土进行化学修复过程进行了研究。一维剖面采样以10厘米的分辨率揭示了在初始淹水期间，水稻土受到了强烈的刺激，随后孔隙水性质稳定化。对冷冻干燥的孔隙水进行X射线衍射分析，证实了在连续淹水条件下形成了如CdS这样的亚微米沉淀物，导致孔隙水中水溶性Cd离子水平低（<1 μg/L）和硫酸盐（<10 mg/L）。二维成像技术显示，在根表面20-110微米内铁-锰斑（IP）含量最高。随后，通过两个100平方厘米的膜使用平面光极连续一个月监测根际中的O2，揭示了根基部和根尖之间的显著昼夜O2变化。破坏性取样结果表明，土壤中酸可溶性Cd作为可供Cd，对连续淹水条件下水稻根吸收Cd至关重要。根表面沉积的IP作为Cd转移的屏障，随着水稻的生长而增加，并在成熟时阻断了约18.11%至25.43%的Cd从土壤到水稻的转移。硅-钙-镁复合改良剂通过增加IP浓度减少了约10%的可供Cd，并提高了约7.32%的Cd阻断效率，使得改良剂组的Cd吸收比是对照组的一半。通过揭示土壤-水稻界面的Cd相互作用，本研究为制定有效的农业实践以减轻Cd污染的稻田并确保食品安全奠定了基础。
在根箱实验中，土壤孔隙水（a）和根际土壤（b）的pH值、镉离子、铁离子和锰离子的时空变化。条形图表示平均值加上下标准差（n = 3）。采用Wilcoxon比较法测试CK组和FSY组之间孔隙水差异的显著性，其中NS表示不显著，****表示P < 0.0001，**表示P < 0.01，*表示P < 0.05（a）。使用t检验完成了三个深度之间的差异性检验，其中NS表示不显著，**表示P < 0.01，*表示P < 0.05（b）。在CK组和FSY组的不同深度之间进行了单因素方差分析（ANOVA），随后进行了Duncan's多重范围检验，最大值从A开始。
在根箱实验中，水稻根际硫酸根离子的时空变化（a），以及首次（第1次）、第四次（第4次）和最后一次（第16次）土壤孔隙水样品的冷冻干燥固体粉末的XRD分析（b）。在图3a中，条形图表示带有标准差的平均值（n = 3）；在每个深度上，使用Wilcoxon比较法，不同处理之间的硫酸根离子没有显著差异；在CK组和FSY组的不同深度之间进行了单因素方差分析（ANOVA），随后进行了Duncan's多重范围检验，最大值从A开始。
水稻根际的元素和氧的二维化学成像。使用DGT-LA-ICP-MS技术绘制了FSY组（a）和CK组（b）中铁（Fe）、锰（Mn）和镉（Cd）的高分辨率二维分布图。展示了FSY组（c）和CK组（d）中根际氧气（O2）的二维分布（在部署O2荧光膜后，图像分别在早晨和晚上连续显示了5天、10天、20天和30天的结果）。展示了FSY组（e）和CK组（f）沿着从根基部向右延伸的线（两条白色虚线向下延伸3厘米）中的氧气横截面浓度。
结论
通过在土壤-水稻系统中进行高分辨率的空间和时间分析，我们的工作阐明了铁和锰氧化物沉积和镉（Cd)转移的动态过程。在连续淹水期间，土壤孔隙水中的镉水平显著下降至稳定水平，随后形成了亚微米沉淀物CdS，降低了镉的溶解度。在不同的生长阶段（分蘖、开花和成熟）进行的破坏性取样显示，土壤中酸可溶性镉作为可供镉，是水稻吸收的关键部分。DGT和EPMA成像揭示了根表面约20-110微米处的可交换铁热点，作为镉吸收的潜在阻挡屏障。根际不同区域的氧气分泌变化导致铁锰斑（IP）浓度不一致。水稻根尖通过日间到夜间的动态氧气变化有效地增强了IP沉淀。土壤改良剂FSY的应用将可供镉转化为更稳定的分数，并增加了镉转移的阻挡屏障，从而将糙米中的镉水平降低到安全阈值。研究表明，适当的改良剂如FSY可以通过加强镉从土壤到水稻的转移屏障，在连续淹水条件下有效减少水稻谷物中的镉积累。
Fanyi Kong, Dong-Xing Guan, Pengwu Huang, Shenggao Lu, Jianming Xu, Haizhen Wang,
Unveiling the barriers of Cd translocation from soil to rice: Insights from continuous flooding,
Science of The Total Environment,
Volume 946,2024,174265,ISSN 0048-9697,
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174265.
文章链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969724044139
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