FeSO_(4)对水稻根表铁膜及污染稻田土中镉迁移转运影响研究

选取湖南某污染稻田耕作层土壤,通过盆栽实验外源施加硫酸亚铁(FeSO_(4)),研究FeSO_(4)对水稻根表铁膜及污染稻田土中镉(Cd)迁移转运的影响。结果表明,随着FeSO_(4)施加量增加(0~320 mg/kg),水稻根际土壤pH值呈下降趋势,最高下降了0.70;水稻盆栽土壤TCLP-Cd含量与对照组相比出现一定程度上升;施加FeSO_(4),降低了水稻茎叶、谷壳、糙米中Cd含量,增加了水稻植株根表铁膜的数量,一定程度上控制了水稻对土壤中Cd的吸收。但施加外源铁影响了土壤pH值及Cd的生物有效性,在实际稻田施加FeSO_(4)时建议与石灰等其他碱性修复材料进行组配,以获得更好的阻控效果。

根表铁膜对水稻体内重金属迁移积累影响的研究进展

水稻作为全球重要的粮食作物之一,在保障粮食安全、促进经济社会发展等方面起着重要作用。稻田重金属(HMs)污染会影响水稻正常生长,导致产量和品质下降,甚至危害人类身体健康。根表铁膜是在水稻根表面形成的铁锰(氢)氧化物胶膜,能够通过氧化-还原、吸附-解吸、共沉淀等物理化学作用,影响重金属自水稻根部到籽粒的迁移和积累。本文阐明了植物通过根表铁膜对重金属的外源性抵抗和内源性耐受机制,综述了水分管理、施肥(有机肥、化肥、叶面肥等)、根系通气能力等对根表铁膜形成的影响,及对重金属在水稻体内积累与迁移的影响。促进高重金属积累量的红褐色铁膜形成的钝化剂或修复手段可作为未来重金属污染土壤安全利用的研究方向。

不同生育期水稻根表铁膜的形成及其对水稻吸收和转运Cd的影响

采用盆栽试验,研究不同生育期水稻根表铁膜的形成及其对水稻吸收和转运Cd的影响。结果表明,水稻根表铁膜的形成受到不同品种和不同生育期影响。随着生育期的延长,两种水稻(YD6和NK57)根表铁膜形成量均呈下降趋势。与分蘖期相比,YD6和NK57根表铁膜量孕穗期分别减少82.9%和44.4%,成熟期分别减少85.2%和82.52%。两种水稻根系和茎叶Cd含量随着水稻生育期的延长而增加。YD6籽粒Cd含量显著高于NK57。Cd在水稻植株的富集系数和分配比率随着不同品种和生育期产生较大变化。YD6品种从根表铁膜和根系向籽粒转运Cd的能力显著大于NK57。水稻成熟期,根表铁膜量与茎叶和籽粒Cd含量呈极显著的负相关(P<0.01),说明根表铁膜形成可抑制Cd向水稻地上部转运。研究结果暗示可通过不同生育期的管理调节水稻根表铁膜的形成,减少Cd向稻谷中转运,从而降低Cd对人体健康的危害。

不同铁形态对水稻根表铁膜及铁吸收的影响

通过溶液培养试验研究了FeCl2.4H2O和FeCl3.6H2O对水稻根表铁膜数量及铁吸收的影响。结果表明,FeCl2处理时水稻根表铁膜浓度是FeCl3处理的197%～233%。利用EDTA-BPDS对铁膜形态分析看出,根表铁膜中Fe3+占85%～92%,Fe2+占8%～15%。水稻天优998(TY998)根表铁膜数量显著高于培杂泰丰(PZTF),其铁吸收是培杂泰丰的115%～138%。两种铁形态处理明显提高了水稻的根系活力,其中,FeCl2处理时水稻根系活力增加24%～69%,FeCl3为16%～54%。FeCl2处理时水稻根系SOD、POD和CAT活性分别增加11%～32%、15%～30%和30%～31%,但FeCl3处理没有明显影响。上述结果表明,一定浓度铁处理明显增加水稻根表铁浓度和铁吸收;与FeCl3处理相比,FeCl2处理能提高根系抗氧化酶活性,增加水稻的铁吸收和根表铁膜数量。

土壤施硒对水稻根表铁膜形成和汞吸收的影响

采用土—砂根际袋联合培养,研究控制条件下土壤施硒对水稻根表铁膜形成,水稻生长以及对硒、汞吸收的影响.结果表明:土壤中施加低质量分数硒(1.0mg/kg)能促进根表铁膜形成,施加高质量分数硒(8.0mg/kg)反而抑制了根表铁膜的形成.无论施汞与否,硒对水稻生长都没有显著影响,说明施硒对水稻的生长没有产生毒害作用.硒能抑制水稻根表铁膜对汞的吸附,能显著降低水稻对汞的吸收和累积,随着硒处理浓度的增加,水稻根部、茎、叶、稻壳和稻米中汞的含量均显著下降.

Fe^(2+)和Mn^(2+)对水稻根表铁膜及镉吸收转运的影响

采用水培实验,研究外源添加Fe^(2+)和Mn^(2+)对水稻幼苗根表铁膜形成、抗氧化酶活性及镉吸收转运的影响。结果表明:(1)添加Fe^(2+)使水稻幼苗根表铁膜中铁元素显著增加114.9%(质量分数,下同),锰和镉元素则分别显著降低了55.2%和42.3%(P<0.05);添加Mn^(2+)使铁膜中锰元素显著增加180.1%,镉元素则显著降低了18.0%。(2)添加Fe^(2+)能显著降低水稻幼苗叶片中活性氧(ROS),缓解ROS对水稻幼苗的毒害;添加Mn^(2+)使得叶片中ROS、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽转移酶增加,Mn^(2+)处理引起的ROS升高可能起到诱导水稻胁迫应答,缓解镉毒害作用。

不同栽培方式对籼、粳稻根表铁膜和根铁、镉含量的影响

在Cd污染土壤中研究淹水、覆膜、覆草和湿润栽培对籼、粳稻不同生育时期根表铁膜Fe、Cd含量和根Cd含量的影响 .结果表明 ,在分蘖期 ,粳稻根表铁膜Fe含量和根Cd含量在 4种栽培方式中平均为6 .37和 2 5 .49mg·kg- 1 ,分别比籼稻的 4 .52和 1 6 .37mg·kg- 1 增加 1 .85和 9.1 2mg·kg- 1 .在孕穗期 ,粳稻根表铁膜Fe、Cd含量和根Cd含量在 4种栽培方式中平均为 1 .60、1 6 .35和 54 .68mg·kg- 1 ,分别比籼稻的 1 .0 6、9.56kg和 43 .31mg·kg- 1 增加 0 .54、6 .79和 1 1 .37mg·kg- 1 .在灌浆期 ,粳稻根表铁膜Fe含量覆草和湿润栽培为 0 .89和 1 .0 0mg·g- 1 ,分别比籼稻的 0 .63和 0 .30mg·g- 1 增加 0 .2 6和 0 .70mg·g- 1 ;粳稻根表铁膜Cd和根Cd含量在 4种栽培方式中平均为 1 5 .2 3和 73 .68mg·kg- 1 ,分别比籼稻的 3 .46和52 .38mg·kg- 1 增加 1 1 .77和 2 1 .30mg·kg- 1 .收获时 ,根表铁膜Fe含量淹水栽培的籼稻为 1 .2 1mg·g- 1 ,比粳稻的 0 .65mg·g- 1 增加 0 .56mg·g- 1 ,覆草栽培的粳稻为 0 .94mg·g- 1 ,比籼稻 0 .55mg·g- 1 增加 0 .39mg·g- 1 ;根表铁膜Cd含量湿润栽培的粳稻为 7.96mg·kg- 1 ,比籼稻的 5 .0 9mg·kg- 1 增加 2 .87mg·kg- 1 ;根Cd含量粳稻在

根表铁膜对水稻铅吸收转运的影响

通过温室土壤盆栽试验研究不同生育期水稻根表铁膜形成对水稻吸收和转运Pb的影响。结果表明,两种水稻根表铁膜形成量(以DCB-Fe含量计)及铁膜中吸附的Pb量均随着生育期的延长而减少。水稻根表铁膜Fe含量与铁膜吸附的Pb量呈显著的正相关关系(r=0.798,p<0.01)。水稻根系和茎叶吸收积累Pb随着不同品种和不同生育期而变化。品种NK57籽粒Pb含量显著高于品种YD6,前者为后者的1.9倍。从富集系数和分配比率来看,Pb主要富集在水稻的铁膜和根系中,而积累在茎叶和籽粒中的比率较少。Pb从水稻根表铁膜、根系和茎叶向籽粒中的转运系数在两个水稻品种间差异均不显著。水稻分蘖期和孕穗期根表铁膜量与根系Pb含量均呈显著的正相关关系(p<0.05),但是成熟期水稻根表铁膜量与根系、茎叶和籽粒中Pb含量相关性均不显著,说明根表铁膜形成对水稻分蘖期和孕穗期吸收积累Pb有一定影响,但对水稻成熟期根系、茎叶和籽粒吸收积累Pb影响不大。

砷-铅交互作用对水稻根表铁膜富集及根系吸收砷铅的影响

采用土-砂联合培养方法诱导水稻根表自然形成铁氧化物膜,研究了As-Pb交互作用对水稻根表铁膜吸附砷铅及根系吸收As和Pb的影响.结果表明,As和Pb的添加显著地影响水稻根表铁膜对As和Pb的吸附,并且As-Pb交互作用显著地影响水稻根系对两元素的吸收及根表铁膜对As的吸附.添加Pb可促进水稻根系对As的吸收.当As浓度为25μmol.L-1时,浓度为25μmol.L-1Pb处理与对照相比导致水稻根系吸收As提高了53.3%.同样,施用As也可以促进水稻根系对Pb的吸收,当Pb的浓度为25μmol.L-1和50μmol.L-1时,50μmol.L-1As处理与对照相比,水稻根系吸收Pb分别提高20.2%和28.6%.添加As显著地促进Pb由铁膜向根系中转运,而添加Pb对As由铁膜向根系中的转运影响不大.因此,在重金属复合污染情况下,水稻根表铁膜对重金属的吸附及根系对重金属的吸收均存在着复杂的交互作用.

砷污染土壤中不同基因型水稻根表铁膜的形成及其对砷吸收和转运影响

采用土壤盆栽试验法,研究6个不同基因型水稻品种根表铁膜形成及其对As吸收、转运的影响。结果表明,水稻形成根表铁膜在不同基因型品种之间差异显著(P<0.001),其中品种94D-22形成铁膜量(以Fe含量计)是品种圭630的1.5～1.8倍,添加As处理对水稻根表铁膜形成影响不显著。低As含量的对照土壤中,水稻根表铁膜量与根系As含量存在着显著的正相关关系(r=0.657,n=24,P<0.01),与As转移系数呈显著的负相关关系(r=-0.612,n=24,P<0.01)。土壤添加As后,水稻根表铁膜量与茎叶As含量存在显著的正相关关系(r=0.653-0.673,n=24,P<0.01),与As转运之间无显著相关性。比较生长于As污染土壤的不同水稻品种,科优1360茎叶积累As较少,且其根系转运As能力也较差,而品种94D-22正好相反。研究结果表明,在As含量较低的土壤中,水稻根表铁膜的存在可成为根系As的障碍层,阻止As向地上部转运;但在As含量较高的土壤,根表铁膜的存在却促进了水稻茎叶对As的积累,其对As的转运没有显著影响。人们可通过作物品种筛选来防治土壤As污染危害、降低As对人体健康的威胁。

有机酸与根表铁膜对茶树吸收和富集氟的影响

采用溶液培养法,研究了Fe2+质量浓度、Fe2+诱导时间、pH值、外源有机酸(草酸、苹果酸、柠檬酸)对根表铁膜形成及茶树吸收、富集氟的影响。结果表明:茶树根表铁膜主要集中在离根尖0.2～0.5 cm区域;茶树根表铁膜含量随Fe2+诱导时间的延长呈现先升高后降低的趋势,随Fe2+质量浓度的增加显著升高,与溶液pH、有机酸浓度呈负相关。当铁膜含量为2.40～13.60 mg.g-1,根表铁膜含量与茶树吸收、富集氟的能力呈正相关。与根表无铁膜的茶树单加氟处理的对照(CK1)相比,加Fe2+诱导形成铁膜后,茶树体内氟的含量增加了42.3%～103.7%;有机酸与Fe2+共同作用时,茶树体内氟含量显著增加了101.7%～243.0%。

根表铁膜对水稻吸收污灌土壤中的锌的影响

采用土-石英砂联合培养的盆栽试验, 研究两个不同基因型的水稻根表铁膜的形成情况及其对水稻吸收污灌土中的锌的影响。结果表明,两基因型水稻在不同水分条件下根表铁膜的形成情况不同:淹水条件下形成的铁膜数量最多,高于湿润和干-湿交替,后二者之间差异不明显。不同基因型水稻(金优22与90-68-2)根表铁膜的形成趋势一致,只是数量稍有差异;不同基因型秸秆及籽粒中锌的含量存在差异, 不同铁处理的根表铁膜数量、地上部锌含量均不同。

植物-生物膜氧化沟中不同形态铁及根表铁膜与除磷的关系

针对传统氧化沟投资建造成本高,脱氮除磷效率较差的问题,在污染现场建设植物-生物膜氧化沟,通过室内曝气模拟试验和室外小试试验,研究了总磷(total phosphorus,TP)的去除与铁和曝气时间的关系以及美人蕉、茭白根表铁氧化物胶膜对污水中磷的吸附去除情况,了解不同形态铁和植物根表铁膜与除磷的关系。研究结果表明:不同形态铁及植物根表铁膜与污水中磷的去除密切相关。随着曝气时间的延长,污水中铁减少量呈现出逐级递增的趋势,当曝气时间为12 h时,铁减少量达到0.45 mg/L以上,铁减少量与曝气时间之间的相关性达到极显著水平(P<0.01),而TP的减少量与铁减少量之间也呈现极显著的相关性(P<0.01)。小试试验中,3个系统出水磷含量及全Fe、Fe2+含量均有所降低,降低量表现出茭白系统>美人蕉系统>对照系统的规律;同时,美人蕉、茭白根表铁氧化物的沉积量随运行时间的延长而增加,且茭白根表铁膜数量及其吸附磷的数量均要高于美人蕉。该研究为植物-生物膜氧化沟工艺的改进及应用和推广提供了理论和实践依据。

水稻根系通气组织与根表铁膜关系的研究

采用土培试验研究了嘉花1号这种基因型水稻根系通气组织对其根表铁膜形成的影响。结果表明,这种基因型水稻在不同的水分条件下根系通气组织的大小和根表铁膜的形成情况均不同:淹水条件下根系形成的通气组织和根表铁膜均高于湿润条件。在不同的土壤条件下根系形成的通气组织和根表铁膜数也不同:加有机质的土壤水稻根系形成的通气组织多,铁膜数也多,加硫的土壤也呈此趋势,都高于对照。

根表铁膜对水稻吸收转运稀土元素Ce的影响

采用溶液培养的方法探讨根表铁膜形成对水稻吸收积累和转运稀土元素Ce的影响。结果表明,Ce污染胁迫可抑制水稻根表铁膜的形成,根表铁膜吸附的Ce量随着溶液中Ce浓度的提高而增加。根表铁膜形成可降低水稻根系但提高水稻茎叶对Ce的吸收积累。当溶液中Ce浓度为0.1、0.5和1.0 mmol·L^(-1)时,铁膜诱导组水稻根系Ce含量分别比非诱导组水稻根系Ce含量降低38.60%、45.94%和32.75%,诱导组水稻茎叶Ce含量分别比非诱导组水稻茎叶Ce含量提高42.37%、28.87%和22.62%。根表铁膜形成可影响Ce在水稻植株中的富集和转运能力。非诱导组水稻根系富集Ce的能力远大于茎叶。诱导组水稻根系对Ce的富集能力最强,其次是根表铁膜,最后是水稻茎叶。诱导组水稻根系Ce转运系数显著大于非诱导组的根系,说明根表铁膜形成可促进水稻根部Ce向茎叶中转运。可见,根表铁膜对水稻吸收转运稀土元素的影响机理比较复杂。

酸性土壤条件下铁膜调控技术对水稻根表铁膜和籽粒硒累积的影响

铁膜是水稻根系表面形成的铁(氢)氧化物胶膜。它不仅增强根系对水生环境的适应,而且显著影响植株养分吸收。但如何通过调控根表铁膜形成,提高水稻籽粒硒含量还有待进一步探索。本研究在弱酸性(pH 6.1)土壤盆栽条件下,对水稻植株进行不同水平的磷铁比、过氧化尿素及干湿交替处理,研究了上述3种铁膜调控技术对水稻根表铁膜形成及籽粒硒累积的影响。结果表明:与常规施肥处理相比,磷铁比1∶5处理的根表铁膜含量和籽粒硒含量均有显著提高。90 kg∙hm^(−2)过氧化尿素处理的根表铁膜含量和籽粒硒含量明显高于不施用过氧化尿素处理。另外,持续淹水处理的根表铁膜含量和籽粒硒含量显著高于对照和干湿交替处理。相关分析表明,磷铁比和过氧化尿素处理试验条件下,非结晶态和结晶态铁膜含量与籽粒硒含量都显著线性相关。正交试验当中,根表铁膜形成量最高且籽粒硒含量增加最显著的铁膜调控技术是磷铁比为1∶1、过氧化尿素用量为90 kg∙hm^(−2)、持续淹水组合处理,该条件下籽粒硒含量为0.116μg∙g^(−1),是对照的2.01倍。方差分析表明,3种调控技术对根表铁膜含量和水稻籽粒硒含量影响程度顺序为过氧化尿素处理>干湿交替处理>磷铁比处理。综上所述,铁膜调控技术能促进水稻根表铁膜形成及硒在根系累积,从而增加水稻籽粒硒累积,该研究结果对富硒水稻生产具有科学意义。

根表铁膜对水稻镉吸收的影响

为了探明根表铁膜对水稻镉吸收的影响,首先从8个水稻品种中筛选出镉低累积品种(丙0203)和高累积品种(绍糯16-72),之后采用水培试验研究了根系活力(根系分泌物)变化与根表铁膜形成的关系,以及外源铁、镉对根表铁膜形成和水稻各部位镉吸收的影响。结果表明,0.05 mg·L-1 Cd处理24 h,绍糯16-72总的Cd吸收量是丙0203的1.73倍,并且绍糯16-72根、茎、叶各部位的镉累积量均显著(P<0.05)高于丙0203。在此基础上,外源添加铁后,绍糯16-72的镉累积量显著(P<0.05)降低,仅为丙0203的59%,且根、茎、叶中镉含量均显著(P<0.05)低于丙0203。温度试验(培养液温度分别为100℃、4℃和25℃)结果表明,水稻根表铁膜的形成与水稻根系活性密切相关,25℃下绍糯16-72的根系分泌物含量和铁膜含量均显著(P<0.05)高于丙0203。外源添加铁和镉后,绍糯16-72的根系活性、根表铁膜含量和铁膜中镉的吸附量增加,且上述指标的增幅均大于丙0203。以上结果表明,根表铁膜的形成可抑制镉向水稻体内迁移。研究结果为通过外源添加铁阻控水稻镉吸收提供了理论依据。

湿地植物根系泌氧能力和根表铁膜与根系吸收重金属的关系

以纸莎草(Cyperus papyrus L.)、鸢尾(Iris tectorum Maxim.)、美人蕉(Canna indica Linn)、香蒲(Typha orientalis Presl)、再力花(Thalia dealbata Fraser)作为供试植物,矿渣土作为底泥进行植物培养试验,研究5种植物根系泌氧(ROL)和根表铁膜对植物吸收重金属的影响及差异,为湿地植物修复重金属污染提供理论。结果表明,5种供试植物在高浓度Cd、Pb、As复合污染下,香蒲的根部特征都表现为促进生长状态,其他4种植物生长均受到抑制作用;5种供试植物的ROL速率均是呈现先增加后降低的趋势,在第40天时香蒲ROL显著高于其他4种植物,因其在Cd、Pb、As复合污染下孔隙度和通气组织的增大使其具有较高的ROL速率;5种供试植物铁膜中Fe含量都呈现为先增加后降低的趋势,在试验第20天,供试植物根表铁膜中Fe质量分数达到最大,美人蕉和香蒲分别为15.63 mg·kg^(−1)和13.72 mg·kg^(−1),显著高于其他3种供试植物;5种供试植物铁膜中Cd、Pb含量都在第10—20天显著上升,后趋于稳定,而As含量则呈持续上升趋势,特别是香蒲和美人蕉根表铁膜中Cd、Pb、As含量显著高于其他3种供试植物;5种供试植物地上部和地下部Cd、Pb、As含量总体都为逐渐上升,其中纸莎草地下部重金属含量较其他4种植物多。通过相关性分析和回归性分析发现,ROL对植物吸收Cd、Pb、As的系数绝对值远大于根表铁膜抑制Cd、Pb、As吸收的系数绝对值,说明ROL对植物吸收Cd、Pb、As促进作用强于根表铁膜对Cd、Pb、As的抑制作用,ROL是作为湿地植物根部吸收重金属最主要的影响因素。

根表铁膜对水稻磷素吸收影响研究进展

磷(P)对水稻生长的影响仅次于氮。P在土壤中含量丰富,但由于其难溶性及土壤的高吸附性,可被植物直接吸收利用的活性P含量很低。根表铁膜对土壤中的P有很强的吸附作用,在一定程度上是植物的营养库,铁膜中的P是植物吸收的重要P源。有关根表铁膜与水稻P吸收的关系已有很多报道,是促进还是抑制作用情况比较复杂。本文综述了水稻根表铁膜的形成原因、对P的吸附与解吸附能力以及对水稻吸收利用的影响,并对今后开展根表铁膜对水稻P吸收的调控机理研究提出几点建议,同时对根表铁膜调控水稻P吸收的应用前景进行了展望。

氮肥对双季稻根表铁膜形成及双季稻镉积累的影响

为探究淹水条件下氮肥比例对水稻根表铁膜形成量及对镉吸收转运的影响,开展大田试验,选取早稻株两优819(低镉品种)、陆两优996(高镉品种)和晚稻湘晚籼12号(低镉品种)、玉针香(高镉品种)为试验材料,以水稻全生育期施氮量为180 kg·hm^(-2),设3个氮肥比例,基肥∶蘖肥∶穗肥∶粒肥分别为4∶4∶2∶0(T1)、8∶0∶2∶0(T2)、6∶0∶2∶2(T3)及不施氮处理(CK)。水稻分蘖期和乳熟期,整株采集水稻,测定植株各部位镉含量和根膜铁、镉含量;成熟期测定根、茎叶、糙米镉含量。结果表明,不同稻季低镉品种根膜铁含量为分蘖期>乳熟期,高镉品种根膜铁含量及镉吸附量为乳熟期>分蘖期。株两优819、陆两优996和玉针香乳熟期根膜镉含量以T1、T2处理时较CK有所降低,T3处理时最高,湘晚籼12号以不施氮情况下最高,T2处理下最低。高镉品种陆两优996不同时期根膜铁含量与根膜镉含量显著正相关(P<0.05),高镉品种玉针香分蘖期根膜铁含量与根膜镉含量显著正相关(P<0.05),乳熟期根膜铁含量与叶、穗镉含量显著负相关(P<0.05)。水稻根和茎、叶镉含量随生育期的延长而增加,施氮可降低早稻成熟期各部位镉含量,提高晚稻根和茎、叶镉含量。不同稻季糙米镉含量在氮处理下显著降低,施氮量一致情况下,改变氮肥比例对低镉品种株两优819和湘晚籼12号糙米镉含量无明显影响,高镉品种陆两优996和玉针香糙米镉含量以T3处理降低最明显,较CK分别降低52.72%和74.13%。由此可知,淹水条件下,可依据水稻品种,结合水稻镉积累关键生育期,制定合理的氮肥比例以降低糙米镉含量。