环境科学  2020, Vol. 41 Issue (11): 5143-5150   PDF    
硫酸亚铁和硝酸铁施用对根际土壤-水稻系统中镉运移的影响
李义纯1,2,3, 陈勇1,2,3, 唐明灯1,2,3, 李林峰1,2,3, 林晓扬1, 王艳红1,2,3, 许迪豪1,2,3, 艾绍英1,2,3     
1. 广东省农业科学院农业资源与环境研究所, 广州 510640;
2. 农业部南方植物营养与肥料重点实验室, 广州 510640;
3. 广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室, 广州 510640
摘要: 我国稻田镉(Cd)污染治理刻不容缓.氮(N)、硫(S)和铁(Fe)的生物地球化学循环,以及Fe-N和Fe-S循环耦合体系,都与土壤-水稻系统中Cd运移密切相关.以N、S和Fe对水稻生长的营养供给为切入点,研发抑制稻米Cd累积的营养型阻控技术及产品,势必能为稻田Cd污染治理提供新的解决途径.本文在前期研究成果的基础上开展根际袋-盆栽试验,分析硫酸亚铁(FeSO4)和硝酸铁[Fe(NO33]处理条件下根际土壤中Cd活性变化与水稻体内Cd转运规律,探索糙米Cd累积的影响因素及制约机制.结果表明,FeSO4和Fe(NO33处理都显著减小了根际土壤中有效态Cd(NH4Ac-Cd)含量,且前者减小的幅度(55.6%)小于后者(76.0%);FeSO4和Fe(NO33处理都明显改变了水稻体内Cd分布特征,但前者增大了糙米Cd含量(0.6mg ·kg-1),而后者却减小了糙米Cd含量(0.1mg ·kg-1).根表铁膜对Cd的吸附或与Cd共沉淀、水稻根、茎和叶对Cd的累积量增大以及根、茎和结节对Cd的转运能力增强,是导致FeSO4处理中糙米Cd含量增大的重要原因;Fe(NO33处理中糙米Cd含量减小,则可归结为无定形铁矿物对Cd的吸附或与Cd共沉淀、铁硫化物与Cd共沉淀、茎和结节对Cd的累积量减小以及根、叶和结节对Cd的转运能力减弱.本研究成果将为后期营养型阻控产品及施用技术研发提供科学依据,并为我国稻田Cd污染治理提供重要参考.
关键词: 营养元素      Cd活性      Cd转运      根际土壤-水稻系统      糙米     
Effects of Ferrous Sulfate and Ferric Nitrate on Cadmium Transportation in the Rhizosphere Soil-Rice System
LI Yi-chun1,2,3 , CHEN Yong1,2,3 , TANG Ming-deng1,2,3 , LI Lin-feng1,2,3 , LIN Xiao-yang1 , WANG Yan-hong1,2,3 , XU Di-hao1,2,3 , AI Shao-ying1,2,3     
1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640, China;
2. Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region, Ministry of Agriculture, Guangzhou 510640, China;
3. Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation, Guangzhou 510640, China
Abstract: Cadmium (Cd) contamination in the agricultural soils of China is a serious and growing environmental problem that urgently needs to be controlled and completely remediated. The biogeochemical cycles of nitrogen (N), sulfur (S), and iron (Fe), and the coupled cycles of Fe-N and Fe-S have been reported to control Cd transportation in the soil-rice system. Exploring practical remediation strategies for Cd from the perspective of the application of nutrients such as N, S, and Fe for rice growth is expected to obtain farm-specific and state-of-the-art technologies and products to reduce the accumulation of Cd in rice grains. Using our earlier study as a basis, the rhizosphere bag-pot experiment with ferrous sulfate (FeSO4) and ferric nitrate[Fe(NO3)3] treatments was conducted to investigate Cd bioavailability in rhizosphere soil and Cd translocation in rice plants, and to highlight some possible factors and mechanisms controlling Cd accumulation in rice grains. The results showed that both FeSO4 and Fe(NO3)3 treatments reduced the bioavailable Cd (NH4Ac-Cd) content in rhizosphere soil, with the decreasing extent being significantly lower in the former (55.6%) than in the latter (76.0%). Both FeSO4 and Fe(NO3)3 treatments changed the distribution characteristics of Cd in rice tissues, and the FeSO4 treatment increased the Cd content in brown rice (0.6 mg·kg-1), but the Fe(NO3)3 treatment decreased the Cd content in brown rice (0.1 mg·kg-1). Adsorption or co-precipitation of Cd by iron plaque, increased accumulations of Cd in root, stem, and leaf, and enhanced translocations of Cd from root, stem, and nodule to brown rice occurred with the increased Cd content in brown rice of the FeSO4 treatment. However, the decreased Cd content in brown rice with the Fe(NO3)3 treatment was ascribed to adsorption or co-precipitation of Cd by poorly crystalline Fe oxides and solid Fe sulfides, decreased accumulations of Cd in stem and nodule, and weakened translocations of Cd from root, leaf, and nodule to brown rice. These findings provide a scientific basis for the exploration and application of nutritive soil amendment, and will have significance in regards to the remediation of Cd-contaminated agricultural soils in China.
Key words: nutrient elements      Cd bioavailability      Cd translocation      rhizosphere soil-rice system      brown rice     

过去30年的工业化和环保措施不到位导致我国南方地区稻田土壤镉(Cd)污染较为严重[1, 2].根据2014年全国土壤污染状况调查显示, 在所有被调查的重金属(Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni)中, Cd的耕地点位超标率最大, 达到7%[3].土壤Cd污染常常会导致稻米Cd累积.摄入含Cd稻米会影响人体健康.有研究表明, Cd在人体内滞留的半衰期长达10~33 a, 人体内的Cd累积量会随着年龄的增长而增加[4]; 并且, 人群长期暴露于Cd污染环境中, 肾、肺、膀胱和乳腺等多个器官都会受到不同程度的损伤[5].因此, 我国稻田Cd污染治理刻不容缓.

氮(N)是水稻生长必不可少的大量营养元素; 铵态氮(NH4+)和硝态氮(NO3-)是被水稻吸收和利用的主要无机N源[6, 7]; 同时, N也是烟草胺(nicotianamine)、谷胱甘肽(glutathione, GSH)和植物络合素(phytochelatins, PCs)等一类与植物体内Cd转运密切相关的化合物中的重要组成元素[8].研究表明, NO3-不仅会刺激水稻根系分泌有机酸以提高根际土壤溶液中Cd的含量[8], 而且还可能促进水稻体内OsIRT1表达和增大水稻根系伸长区Cd2+输入量以提高糙米中Cd累积量[9].并且, NH4+一方面会减少土壤固相表面对Cd2+的吸附量以增大Cd活性[8], 另一方面则可能降低水稻根毛区Cd2+输入量、抑制OsIRT1、OsNRAPM5和OsHMA2表达[10]、提高超氧化物歧化酶(SOD)活性, 以及促进谷胱甘肽-抗坏血酸循环(GSH-AsA cycle)[11], 从而抑制水稻地上部吸收Cd.其次, 硫(S)也是植物生长必需的营养元素, 在植物需求量上仅次于N、磷(P)和钾(K)[12], 对植物光合作用、呼吸以及碳水化合物代谢过程起重要作用[13].硫化镉(CdS)形成[14]、硫酸根(SO42-)参与还原反应消耗H+以提高土壤pH[15], 以及石膏或单质硫施用增大Cd的铁锰氧化物结合态和残渣态含量[16], 都会降低土壤Cd活性.此外, S肥会通过促进PCs与GSH合成[15]和阻碍Cd从水稻根部向地上部转运[17]来减少糙米Cd累积.第三, 铁(Fe)既是水稻生长必需的营养元素[18, 19], 也是稻田土壤中最为重要的氧化还原活性元素[20, 21].Fe氧化还原过程不仅可以释放原先吸附于铁矿物表面的Cd以增强其活性, 而且还可以通过改变自身无定形或晶形结构、提高土壤固相表面负电荷数量, 以及与溶液中的Cd2+或离子团发生共沉淀以降低Cd的活性[22].根表铁膜对Cd的吸附或共沉淀[23~25], 会影响水稻根系对Cd的吸收; 在缺Fe条件下, OsNRAMP1表达会增大水稻根系对Cd的吸收[26].

更为重要的是, N和S的生物地球化学循环都与Fe的氧化还原过程存在耦合关系[27, 28].并且, 这两种耦合关系分别与土壤-水稻系统中Cd运移密切相关.首先, NO3-依赖的厌氧铁氧化过程[microbial NO3--dependent Fe(Ⅱ) oxidation, NDFO]所生成的新的铁矿物对Cd2+专性吸附和与Cd2+共沉淀, 会降低土壤中有效态Cd含量; NH4+氧化与Fe(Ⅲ)还原发生的耦合过程[anaerobic NH4+ oxidation coupled to Fe(Ⅲ) reduction, Feammox]会提高土壤pH而减小Cd在土壤固相表面吸附量, 进而增大土壤Cd活性[28]. Fe(NO3)3会激发NDFO过程而增大根际土壤中无定形铁矿物含量, 其对Cd的吸附或共沉淀会降低土壤中Cd的迁移能力[29].其次, 铁硫化物与Cd共沉淀, 会降低土壤Cd活性[14]; 并且, 作为我国农业施用的主要含硫微肥[12], FeSO4在水稻分蘖期追施, 会增大水稻根表铁膜对Cd的吸附量而减少糙米Cd累积量[30].那么, 以N、S和Fe对水稻生长的营养供给为切入点, 研发抑制稻米Cd累积的营养型阻控技术及产品, 势必能为我国稻田Cd污染治理提供新的解决途径.

在以往的研究中, 作者以自主研发的改良剂为对象, 通过野外田间试验研究发现, 改良剂对Cd在根际土壤-水稻系统中的运移过程表现出明显的阻控效应; 然而, 这种阻控效应尽管减少了Cd在糙米中的分布比例, 但仍然没有显著降低糙米Cd含量以达到食品安全国家标准(Cd≤0.2mg·kg-1)[31].为此, 本文在前期研究成果的基础上开展根际袋-盆栽试验, 分析在改良剂施用前提下, FeSO4和Fe(NO3)3添加对根际土壤中Cd活性变化与水稻体内Cd转运规律的影响, 探索糙米Cd累积的影响因素及制约机制, 以期为营养型阻控产品及施用技术研发提供科学依据, 并为我国稻田Cd污染治理提供重要参考.

1 材料与方法 1.1 供试土壤与水稻

供试土壤:于2019年7月, 在广东省兴宁市周边水稻田(24°18′N, 115°45′E)采集水稻土, 自然风干、研磨、过2 cm尼龙筛后备用.土壤的理化性质为:pH6.0;有机质37.2g·kg-1; 阳离子交换量(CEC)6.8 cmol·kg-1; 质地:黏粒(<0.002 mm)8.0%、粉粒(0.05~0.002 mm)32.4%、砂粒(2~0.05 mm)59.6%;碱解氮179.2mg·kg-1; 有效磷51.6mg·kg-1; 速效钾155.5mg·kg-1.土壤中总Cd的含量为1.4mg·kg-1, 是《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)中Cd风险筛选值(水田, 5.5<pH≤6.5, 0.4mg·kg-1)的3.5倍.根据文献[32]的分级方法, 可以判定本研究的供试土壤存在中度Cd污染.

供试水稻:马坝油黏, 为我国南方大规模种植的常规稻水稻品种.

1.2 根际袋-盆栽试验设计

于2019年7~11月在温室开展根际袋-盆栽试验.先将供试土壤与改良剂(主要成分为硅酸钙、熟石灰、硫酸钾和无水硫酸镁)[31]按照质量比1 000:1均匀混合, 然后装盆.在每个试验盆(PVC管材质, 高25 cm, 直径15 cm)的中央放置一个根际袋(尼龙网材质, 孔径20 μm, 高15 cm, 直径8 cm), 根际袋内、外分别装1.0 kg和3.0 kg土壤与改良剂的混合物.待装盆完毕, 再将每个试验盆淹水(淹水层厚度2~3 cm)、静置一周, 随后再依次进行秧苗移栽和试验处理设置.在每个试验盆的根际袋表层土壤中, 移栽2颗呈三叶一心且大小相近的水稻秧苗.本试验设置3种处理, 即:①不施用FeSO4或Fe(NO3)3(对照, CK); ②施用FeSO4(+FeSO4); ③施用Fe(NO3)3[+Fe(NO3)3].每种处理再设置3次重复.其中, FeSO4以七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)固体粉末形式添加, 根据我国每年水稻化肥中S素输入量(31.2kg·hm-2)换算确定用量为0.5 g·盆-1[12]; Fe(NO3)3以九水合硝酸铁[(Fe(NO3)3·9H2O]固体粉末形式添加, 根据我国每年水稻化肥中N素输入量(200kg·hm-2)换算确定用量为3.4 g·盆-1[33].分别于水稻秧苗移栽后的第7 d和第20 d, 对每个试验盆追施0.7 g水稻复合肥(广州新农科肥业科技有限公司生产, N+P2O5+K2O≥31%).从秧苗移栽到水稻收割, 各试验盆的淹水层厚度一直保持2~3 cm.

1.3 样品采集与测定方法

采用文献[34]介绍的方法测定土壤的理化性质和总Cd.采用国家土壤成分分析标准物质GBW07XXX(GSS-31)(地球物理地球化学勘察研究所IGGE生产)对整个消解和分析测定过程进行质量控制, 标样中总Cd的回收率为99.6%.

在水稻成熟期进行根际土壤和水稻植株样品的采集.

根际土壤:将样品在1 h内带回实验室、转至-80℃超低温冷藏箱(ULT1386-3-V)中保存24 h后, 再在-50℃条件下进行真空冷冻干燥处理.然后, 依次采用乙酸铵浸提法和石墨炉原子吸收光谱仪(PE AA600)浸提和测定有效态Cd含量(用NH4Ac-Cd表示, 下同)[31], 依次采用盐酸浸提法和比色法浸提和测定可浸提态Fe(Ⅱ)含量[用HCl-Fe(Ⅱ)表示, 下同][33], 依次采用草酸铵浸提法和原子吸收光谱仪(PE AA800)浸提和测定无定形Fe含量[34].

水稻植株样品:将鲜样分离出根、茎、叶、结节、壳和糙米.对于根样, 先称鲜重, 然后将其分成两部分, 一部分经杀青、烘干处理后测定含水量[34], 另一部分先依次采用DCB(dithionite-citrate-bicarbonate)法和原子吸收光谱仪(PE AA800)浸提和测定根表铁膜中Fe、Cd的含量(分别用DCB-Fe和DCB-Cd表示, 下同)[35], 然后再将其烘干、粉碎和消解, 采用石墨炉原子吸收光谱仪(PE AA600)测定消解液中Cd的含量[36].对于茎、叶、结节和壳, 先按照与根样相同的方法测定含水量, 然后再将一定质量的烘干样粉碎、消解后, 利用石墨炉原子吸收光谱仪(PE AA600)测定消解液中Cd的含量[36].将糙米依次进行粉碎、消解后, 再利用石墨炉原子吸收光谱仪(PE AA600)测定消解液中Cd的含量[36].采用国家成分分析标准物质GBW10048(GSB-26)(地球物理地球化学勘察研究所IGGE生产)对整个消解过程和分析测定过程进行质量控制, 标样中总Cd的回收率为97.8%.

1.4 数据处理

水稻某一组织器官的干重(g·kg-1)为单位质量的水稻植株干样中该组织器官的质量; 水稻某一组织器官中Cd含量(mg·kg-1)为单位质量的该组织器官干样中Cd的质量; 水稻某一组织器官中Cd累积量(mg·kg-1)为单位质量的水稻植株干样中该组织器官内Cd的质量, 也即是该组织器官中Cd含量与该组织器官干重的乘积; 水稻某一组织器官对Cd的转运系数为糙米中Cd含量与该组织器官中Cd含量的比值.此外, 采用SPSS17.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和T检验(Paired-Samples T test), 显著性检验采用Duncan法; 采用OriginPro 8.1对数据作图; 采用Excel 2010进行表格制作.

2 结果与分析 2.1 根际土壤中有效态Cd和根表铁膜中Cd的含量

FeSO4和Fe(NO3)3处理都显著减小根际土壤中有效态Cd含量.与CK相比, FeSO4和Fe(NO3)3处理中NH4Ac-Cd含量较CK相比分别减少55.6%和76.0%(图 1).FeSO4处理导致DCB-Cd含量增大36.9%, 但Fe(NO3)3处理使得DCB-Cd含量减小56.5%(图 2).

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05), 下同 图 1 根际土壤中NH4Ac-Cd含量 Fig. 1 Contents of NH4Ac-Cd in rhizosphere soils at different treatments

图 2 根表铁膜中DCB-Cd含量 Fig. 2 Contents of Cd in Fe plaques at different treatments

2.2 根际土壤中Fe(Ⅱ)和根表铁膜中Fe的含量

在FeSO4处理中, HCl-Fe(Ⅱ)含量较CK减小14.9%(图 3), 而DCB-Fe含量较CK增大44.2%(图 4).在Fe(NO3)3处理中, HCl-Fe(Ⅱ)含量较CK增大32.2%(图 3), 但DCB-Fe含量与CK相比无显著差异(图 4).

图 3 根际土壤中HCl-Fe(Ⅱ)含量 Fig. 3 Contents of HCl-Fe(Ⅱ) in rhizosphere soils at different treatments

图 4 根表铁膜中DCB-Fe含量 Fig. 4 Contents of Fe in Fe plaques at different treatments

2.3 根际土壤中无定形Fe的含量

FeSO4处理没有显著影响根际土壤中无定形Fe含量(图 5).相比而言, Fe(NO3)3处理中无定形Fe含量较CK增大13.4%(图 5).

图 5 根际土壤中无定形Fe含量 Fig. 5 Contents of poorly crystalline Fe oxides in rhizosphere soils at different treatments

2.4 水稻组织器官的干重

在CK中, 水稻组织器官的干重呈现为:糙米>茎>叶>壳>根>结节(表 1).当FeSO4处理后, 水稻组织器官的干重则呈现为:糙米>茎>叶>根>壳>结节; Fe(NO3)3处理没有显著影响水稻组织器官的干重所呈现的特征(表 1).此外, 如表 1所示, 在FeSO4处理中, 根和茎的干重较CK显著增大, 而叶、结节、壳和糙米的干重较CK显著减小; 在Fe(NO3)3处理中, 根和壳的干重较CK显著增大, 而叶和结节的干重较CK显著减小, 且没有显著影响茎和糙米的干重.

表 1 水稻组织器官的干重1)/g·kg-1 Table 1 Dry weight of rice tissues by different treatments/g·kg-1

2.5 水稻组织器官中Cd的含量及累积量

FeSO4处理较CK提高了糙米Cd含量(0.6mg·kg-1), 其幅度为128.6%;相反, Fe(NO3)3处理较CK降低了糙米Cd含量(0.1mg·kg-1), 其幅度为59.3%[图 6(a)].并且, CK(0.3mg·kg-1)和FeSO4处理的糙米中Cd含量显著超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中Cd的限量值(0.2mg·kg-1)(P < 0.05).此外, 与CK相比, FeSO4处理的根、茎、叶、结节和壳中Cd含量分别增大38.2%、77.0%、249.0%、74.7%和69.2%; Fe(NO3)3处理的叶中Cd含量增大30.2%, 而茎、结节和壳中Cd含量分别减小62.0%、49.2%和54.4%[图 6(a)].Fe(NO3)3处理对根系Cd含量影响不大[图 6(a)].

图 6 水稻组织器官中Cd的含量及累积量 Fig. 6 Cd contents and accumulations in rice tissues by different treatments

图 6(b)可知, 在FeSO4处理中, Cd在根、茎、叶、壳和糙米中的累积量分别增大165.3%、74.8%、203.6%、49.3%和112.0%;在Fe(NO3)3处理中, Cd根中的累积量增大70.4%, 但Cd在茎、结节、壳和糙米中的累积量却分别减小61.2%、85.2%、50.0%和58.0%.FeSO4处理没有显著影响Cd在结节中的累积量, 而Fe(NO3)3处理没有显著影响Cd在叶中的累积量.

2.6 水稻体内Cd的分布特征

FeSO4和Fe(NO3)3处理都显著改变了水稻体内Cd的分布特征.如图 7所示, CK的水稻体内Cd分布特征表现为茎>糙米>根>叶、壳>结节(P < 0.05);然而, FeSO4和Fe(NO3)3处理后, 水稻体内Cd的分布特征分别表现为:茎>糙米>根>叶>壳>结节和茎>根>糙米>叶>壳>结节(P < 0.05).由图 7还可以发现, FeSO4和Fe(NO3)3处理都增大了Cd在根和叶中的分布比例(P < 0.05), 但减小了Cd在茎、结节和壳中的分布比例(P < 0.05).重要的是, FeSO4处理导致糙米中Cd的分布比例较CK显著增大7.6%(P < 0.05), 而Fe(NO3)3处理却使得糙米中Cd的分布比例较CK显著减小26.5%(P < 0.05, 图 7).

图 7 水稻体内Cd的分布特征 Fig. 7 Distribution proportion of Cd in rice tissues by different treatments

2.7 水稻组织器官对Cd的转运系数

与CK相比, FeSO4处理中根、茎和结节对Cd的转运系数显著增大, 而叶对Cd的转运系数显著减小; 然而, Fe(NO3)3处理中根、叶和结节对Cd的转运系数显著减小, 而茎对Cd的转运系数变化不大(表 2).

表 2 水稻组织器官对Cd的转运系数 Table 2 Translation factors of Cd in different rice tissues by different treatments

3 讨论 3.1 根际土壤中Cd活性变化及制约机制

不论FeSO4还是Fe(NO3)3处理, 根际土壤中NH4Ac-Cd含量较CK都显著减小(图 1).这说明, FeSO4和Fe(NO3)3施用, 都会显著降低根际土壤Cd活性.

最近的研究表明, Fe(NO3)3会激发根际土壤中NDFO过程的发生, 从而增大根际土壤中无定形铁矿物的含量, 其对Cd的吸附或共沉淀则会降低根际土壤Cd活性[29].Fe(NO3)3处理在减小NH4Ac-Cd含量(图 1)的同时, 无定形Fe含量却显著增大(图 5).无定形铁矿物对Cd的吸附或共沉淀[29], 则导致Fe(NO3)3处理的根际土壤中Cd活性下降.此外, 铁硫化物的形成, 不仅会减少土壤溶液中Fe(Ⅱ)含量而减弱Fe(Ⅱ)从根际土壤向根表迁移的能力, 根表铁膜中Fe含量随之下降[26], 而且还会与Cd发生共沉淀[14], 致使土壤Cd活性降低.Fe(NO3)3尽管显著增大了根际土壤中HCl-Fe(Ⅱ)含量(图 3), 但是并没有显著影响根表铁膜中DCB-Fe含量(图 4).由此可以推测, Fe(NO3)3处理在一定程度上制约了Fe(Ⅱ)从根际土壤向根表的迁移.考虑到SO42-为所施用底肥的主要组成成分(见1.2节), 本研究将其归结为铁硫化物的形成对根际土壤中Fe(Ⅱ)迁移能力的制约.铁硫化物与Cd共沉淀[14], 则导致Fe(NO3)3处理的根际土壤中NH4Ac-Cd含量减小(图 1).根际土壤中Cd活性下降, 致使Cd从根际土壤向根表的迁移量减小, 因此Fe(NO3)3处理的根表铁膜中DCB-Cd含量较CK相比显著减小(图 2).

在FeSO4处理中, 因为根际土壤pH与CK相比并没有发生显著变化(结果未报道), 所以SO42-参与还原反应消耗H+以提高土壤pH而导致土壤固相表面对Cd的吸附量增大[15], 不可能是FeSO4处理的根际土壤中Cd活性降低的主要原因.FeSO4处理在减少根际土壤中HCl-Fe(Ⅱ)含量(图 3)的同时, 也增大了根表铁膜中DCB-Fe含量(图 4).根表铁膜中更多的无定形和晶形铁矿物[20]对Cd的吸附或与Cd共沉淀[23~25]则加速了Cd在根表铁膜中的分配, 最终导致FeSO4处理中NH4Ac-Cd含量减小(图 1)、而根表铁膜中DCB-Cd含量增大(图 2).

由以上的讨论可知, 在FeSO4处理中, 根表铁膜对Cd的吸附或与Cd共沉淀可能是导致根际土壤中Cd活性降低的关键因素.然而, 在Fe(NO3)3处理中, 根际土壤中无定形铁矿物对Cd的吸附或与Cd共沉淀, 以及铁硫化物与Cd共沉淀, 则很可能是导致根际土壤中Cd活性大幅度降低的主要原因.因为FeSO4和Fe(NO3)3处理的根际土壤Cd活性的制约机制截然不同, 所以导致这两种处理中Cd活性降低的幅度存在显著差异(图 1).在FeSO4和Fe(NO3)3处理中, 因为NH4Ac-Cd含量(图 1)相对于HCl-Fe(Ⅱ)含量(图 3)要低至少2个数量级, 所以纯CdS形成的可能性较小[37].因此, 本研究中由于CdS的形成[14]而导致根际土壤中Cd活性降低的可能性不大.

3.2 水稻体内Cd转运及制约机制

有研究表明, 水稻糙米中Cd含量与土壤中Cd含量密切相关[36, 38, 39].尽管FeSO4和Fe(NO3)3处理都显著降低了根际土壤Cd活性(见3.1节), 但是, 前者增大了糙米Cd含量, 而后者却减小了糙米Cd含量[图 6(a)].而且, FeSO4和Fe(NO3)3处理都显著改变了水稻体内Cd的分布特征(图 7).这些结果暗示, 糙米中Cd累积, 除了与根际土壤中Cd活性有关外, 还会受水稻对Cd的吸收及转运所制约.

根系对根际土壤中固定态Cd的活化与吸收, 是水稻吸收Cd的关键过程[26]; 被根系吸收的Cd再经木质部装载随蒸腾流向地上部转运, 最后累积在各组织器官中[40]; Cd在水稻茎、结节中微管组织之间重新分配与向糙米转运, 以及Cd通过韧皮部从叶部到糙米的重新分配与转运, 最终导致Cd在糙米中累积[1, 2].因此, 水稻根、茎、叶和结节对Cd的累积与向糙米直接转运, 深刻地影响着糙米Cd含量[41].一方面, 水稻某一组织器官对Cd的累积, 是该组织器官将Cd转运至糙米的前提条件[1, 2, 26].在FeSO4处理中, 水稻根、茎和叶对Cd的累积量增大[图 6(b)], 可能导致糙米Cd累积量增大[图 6(b)], 加之糙米的生物量减小(表 1), 所以糙米Cd含量增大[图 6(a)]; 然而, 在Fe(NO3)3处理中, 茎和结节对Cd的累积量减小[图 6(b)], 则可能致使糙米Cd累积量减小[图 6(b)], 加之糙米的生物量变化不大(表 1), 所以糙米Cd含量减小[图 6(a)].另一方面, 水稻组织器官对Cd的转运, 是Cd在糙米中逐渐累积的重要途径[1, 2, 26].水稻某一组织器官转运Cd至糙米的能力可根据糙米Cd含量与该组织器官Cd含量的比值, 即转运系数进行表征和评估; 转运系数越大, 表明该组织器官对Cd的转运能力越强[42].在本研究中, FeSO4处理显著增大了水稻根、茎和结节对Cd的转运系数(表 2), 而Fe(NO3)3处理却显著减小了水稻根、叶和结节对Cd的转运系数(表 2).所以, FeSO4处理的糙米Cd含量增大可能与根、茎和结节对Cd的转运能力增强有关, 而Fe(NO3)3处理的糙米Cd含量减小, 则可能因根、叶和结节对Cd的转运能力减弱所致.在后期的研究中, 将进一步探究从根、茎、叶和结节直接转运的Cd占糙米Cd累积的比例, 以明确水稻糙米中Cd的主要来源.

Cd在水稻组织器官间转运, 以及在糙米中累积, 涉及一系列连续动态的生理生化过程[1, 2, 26].最近研究表明, Cd主要是通过搭便车的形式, 利用营养元素转运蛋白被水稻吸收[4]; 并且, NO3-、SO42-和Fe有可能通过影响OsIRT1表达[9]、PCs和GSH合成[15]、以及OsNRAMP1表达[26]而制约水稻对Cd的累积及转运.因此, 后期深入研究NO3-、SO42-和Fe影响水稻Cd累积与转运的分子机制, 势必能为进一步揭示N、S和Fe调控糙米Cd累积的机制提供重要的理论依据.

4 结论

(1) 根表铁膜对Cd的吸附或与Cd共沉淀, 降低了FeSO4处理的根际土壤Cd活性; 无定形铁矿物对Cd的吸附或与Cd共沉淀, 以及铁硫化物与Cd共沉淀, 降低了Fe(NO3)3处理的根际土壤Cd活性.根际土壤中Cd活性制约机制的不同, 导致FeSO4和Fe(NO3)3处理Cd活性下降的幅度出现明显差异.

(2) 水稻根、茎和叶对Cd的累积量增大, 以及根、茎和结节对Cd的转运能力增强, 可能是导致FeSO4处理的糙米Cd含量增大的重要原因.Fe(NO3)3处理的糙米Cd含量减小, 可能因茎和结节对Cd的累积量减小, 以及根、叶和结节对Cd的转运能力减弱所致.

参考文献
[1] Wang P, Chen H P, Kopittke P M, et al. Cadmium contamination in agricultural soils of China and the impact on food safety[J]. Environmental Pollution, 2019, 249: 1038-1048. DOI:10.1016/j.envpol.2019.03.063
[2] Zhao F J, Wang P. Arsenic and cadmium accumulation in rice and mitigation strategies[J]. Plant and Soil, 2020, 446(1-2): 1-21. DOI:10.1007/s11104-019-04374-6
[3] 陈宏坪, 戴碧川, 杨新萍, 等. 土壤与水稻籽粒镉含量相关性分析及水稻产地土壤镉临界值的研究[J]. 土壤, 2018, 50(2): 361-368.
Chen H P, Dai B C, Yang X P, et al. Cadmium (Cd) threshold values of paddy soils to brown rice as determined by Cd concentrations in soils and rice grains as well as soil properties[J]. Soils, 2018, 50(2): 361-368.
[4] 汪鹏, 王静, 陈宏坪, 等. 我国稻田系统镉污染风险与阻控[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(7): 1409-1417.
Wang P, Wang J, Chen H P, et al. Cadmium risk and mitigation in paddy systems[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(7): 1409-1417.
[5] Schaefer H R, Dennis S, Fitzpatrick S. Cadmium:mitigation strategies to reduce dietary exposure[J]. Journal of Food Science, 2020, 85(2): 260-267. DOI:10.1111/1750-3841.14997
[6] 陈沂岭, 赵学强, 张玲玉, 等. 铵硝营养对水稻氮效率和矿质养分吸收的影响[J]. 土壤, 2019, 51(2): 243-250.
Chen Y L, Zhao X Q, Zhang L Y, et al. Effects of NH4+ and NO3- on nitrogen efficiency and mineral nutrient contents of rice[J]. Soils, 2019, 51(2): 243-250.
[7] Wang M, Chen S B, Zheng H, et al. The responses of cadmium phytotoxicity in rice and the microbial community in contaminated paddy soils for the application of different long-term N fertilizers[J]. Chemosphere, 2020, 238: 124700. DOI:10.1016/j.chemosphere.2019.124700
[8] Yang Y J, Xiong J, Tao L X, et al. Regulatory mechanisms of nitrogen (N) on cadmium (Cd) uptake and accumulation in plants:a review[J]. Science of the Total Environment, 2020, 708: 135186. DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.135186
[9] Yang Y J, Xiong J, Chen R J, et al. Excessive nitrate enhances cadmium (Cd) uptake by up-regulating the expression of OsIRT1 in rice (Oryza sativa)[J]. Environmental and Experimental Botany, 2016, 122: 141-149. DOI:10.1016/j.envexpbot.2015.10.001
[10] Wu Z C, Zhang W J, Xu S J, et al. Increasing ammonium nutrition as a strategy for inhibition of cadmium uptake and xylem transport in rice (Oryza sativa L.) exposed to cadmium stress[J]. Environmental and Experimental Botany, 2018, 155: 734-741. DOI:10.1016/j.envexpbot.2018.08.024
[11] Wu Z C, Jiang Q, Yan T, et al. Ammonium nutrition mitigates cadmium toxicity in rice (Oryza sativa L.) through improving antioxidase system and the glutathione-ascorbate cycle efficiency[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2020, 189: 110010. DOI:10.1016/j.ecoenv.2019.110010
[12] 王利, 高祥照, 马文奇, 等. 中国农业中硫的消费现状、问题与发展趋势[J]. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(6): 1219-1226.
Wang L, Gao X Z, Ma W Q, et al. Sulphur consumption in Chinese agriculture:situation and outlook[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(6): 1219-1226.
[13] Liu J H, Hou H, Zhao L, et al. Protective effect of foliar application of sulfur on photosynthesis and antioxidative defense system of rice under the stress of Cd[J]. Science of the Total Environment, 2020, 710. DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.136230
[14] Wang G X, Hu Z Y, Li S Y, et al. Sulfur controlled cadmium dissolution in pore water of cadmium-contaminated soil as affected by DOC under waterlogging[J]. Chemosphere, 2020, 240: 124846. DOI:10.1016/j.chemosphere.2019.124846
[15] Zheng H, Wang M, Chen S B, et al. Sulfur application modifies cadmium availability and transfer in the soil-rice system under unstable pe+pH conditions[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2019, 184: 109641. DOI:10.1016/j.ecoenv.2019.109641
[16] Zhang D X, Du G H, Chen D, et al. Effect of elemental sulfur and gypsum application on the bioavailability and redistribution of cadmium during rice growth[J]. Science of the Total Environment, 2019, 657: 1460-1467. DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.12.057
[17] Liu T T, Huang D Y, Zhu Q H, et al. Increasing soil moisture faciliates the outcomes of exogenous sulfate rather than element sulfur in reducing cadmium accumulation in rice (Oryza sativa L.)[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2020, 191: 110200. DOI:10.1016/j.ecoenv.2020.110200
[18] 李芳柏, 李勇珠. 稻田体系中铁的生物地球化学过程及铁同位素分馏机制研究进展[J]. 生态环境学报, 2019, 28(6): 1251-1260.
Li F B, Li Y Z. Biogeochemical process of iron and its isotope fractionation mechanism in paddy field system:a review[J]. Ecology and Environment Sciences, 2019, 28(6): 1251-1260.
[19] Qin S Y, Liu H G, Nie Z J, et al. Toxicity of cadmium and its competition with mineral nutrients for uptake by plants:a review[J]. Pedosphere, 2020, 30(2): 168-180. DOI:10.1016/S1002-0160(20)60002-9
[20] Yu H Y, Li F B, Liu C S, et al. Iron redox cycling coupled to transformation and immobilization of heavy metals:implications for paddy rice safety in the red soil of South China[J]. Advances in Agronomy, 2016, 137: 279-317. DOI:10.1016/bs.agron.2015.12.006
[21] 于焕云, 崔江虎, 乔江涛, 等. 稻田镉砷污染阻控原理与技术应用[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(7): 1418-1426.
Yu H Y, Cui J H, Qiao J T, et al. Principle and technique of arsenic and cadmium pollution control in paddy field[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(7): 1418-1426.
[22] 熊娟, 杨成峰, 陈鑫蕊, 等. 氧化铁/水界面Cd吸附研究:CD-MUSIC模型模拟[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(7): 1362-1369.
Xiong J, Yang C F, Chen X R, et al. The adsorption of Cd to iron oxide/water interface:the CD-MUSIC modeling[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(7): 1362-1369.
[23] Zhang Q, Chen H F, Xu C, et al. Heavy metal uptake in rice is regulated by pH-dependent iron plaque formation and the expression of the metal transporter genes[J]. Environmental and Experimental Botany, 2019, 162: 392-398. DOI:10.1016/j.envexpbot.2019.03.004
[24] Xiao A W, Li W C, Ye Z H. Effects of Fe-oxidizing bacteria (FeOB) on iron plaque formation, As concentrations and speciation in rice (Oryza sativa L.)[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2020, 190: 110136. DOI:10.1016/j.ecoenv.2019.110136
[25] Li S S, Chen S B, Wang M, et al. Iron fractions responsible for the variation of Cd bioavailability in paddy soil under variable pe+pH conditions[J]. Chemosphere, 2020, 251: 126355. DOI:10.1016/j.chemosphere.2020.126355
[26] Li H, Luo N, Li Y W, et al. Cadmium in rice:transport mechanisms, influencing factors, and minimizing measures[J]. Environmental Pollution, 2017, 224: 622-630. DOI:10.1016/j.envpol.2017.01.087
[27] Wang J, Wang P M, Gu Y, et al. Iron-manganese (Oxyhydro)oxides, rather than oxidation of sulfides, determine mobilization of Cd during soil drainage in paddy soil systems[J]. Environmental Science & Technology, 2019, 53(5): 2500-2508.
[28] 李义纯, 李永涛, 李林峰, 等. 水稻土中铁-氮循环耦合体系影响镉活性机理研究[J]. 环境科学学报, 2018, 38(1): 328-335.
Li Y C, Li Y T, Li L F, et al. Mechanisms of the iron-nitrogen coupled cycles controlling variations of cadmium activity in paddy soil[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2018, 38(1): 328-335.
[29] Wang X Q, Yu H Y, Li F B, et al. Enhanced immobilization of arsenic and cadmium in a paddy soil by combined applications of woody peat and Fe(NO3)3:possible mechanisms and environmental implications[J]. Science of the Total Environment, 2019, 649: 535-543. DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.08.387
[30] Huang G X, Ding C F, Hu Z Y, et al. Topdressing iron fertilizer coupled with pre-immobilization in acidic paddy fields reduced cadmium uptake by rice (Oryza sativa L.)[J]. Science of the Total Environment, 2018, 636: 1040-1047. DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.04.369
[31] 李义纯, 王艳红, 唐明灯, 等. 改良剂对根际土壤-水稻系统中镉运移的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(7): 3331-3338.
Li Y C, Wang Y H, Tang M D, et al. Effects of an amendment on cadmium transportation in the rhizosphere soil-rice system[J]. Environmental Science, 2019, 40(7): 3331-3338.
[32] 陈能场, 郑煜基, 何晓峰, 等. 《全国土壤污染状况调查公报》探析[J]. 农业环境科学学报, 2017, 36(9): 1689-1692.
Chen N C, Zheng Y J, He X F, et al. Analysis of the Report on the national general survey of soil contamination[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(9): 1689-1692.
[33] Ding L J, An X L, Li S, et al. Nitrogen loss through anaerobic ammonium oxidation coupled to iron reduction from paddy soils in a chronosequence[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(18): 10641-10647.
[34] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 1999.
[35] Cao Z Z, Qin M L, Lin X Y, et al. Sulfur supply reduces cadmium uptake and translocation in rice grains (Oryza sativa L.) by enhancing iron plaque formation, cadmium chelation and vacuolar sequestration[J]. Environmental Pollution, 2018, 238: 76-84. DOI:10.1016/j.envpol.2018.02.083
[36] Chen H P, Zhang W W, Yang X P, et al. Effective methods to reduce cadmium accumulation in rice grain[J]. Chemosphere, 2018, 207: 699-707. DOI:10.1016/j.chemosphere.2018.05.143
[37] Alloway B J. Heavy metals in soils:trace metals and metalloids in soils and their bioavailability[M]. Netherlands: Springer, 2013.
[38] 王梦梦, 何梦媛, 苏德纯. 稻田土壤性质与稻米镉含量的定量关系[J]. 环境科学, 2018, 39(4): 1918-1925.
Wang M M, He M Y, Su D C. Quantitative relationship between paddy soil properties and cadmium content in rice grains[J]. Environmental Science, 2018, 39(4): 1918-1925.
[39] Wen Y B, Li W, Yang Z F, et al. Evaluation of various approaches to predict cadmium bioavailability to rice grown in soils with high geochemical background in the karst region, Southwestern China[J]. Environmental Pollution, 2020, 258: 113645. DOI:10.1016/j.envpol.2019.113645
[40] 王学华, 戴力. 作物根系镉滞留作用及其生理生化机制[J]. 中国农业科学, 2016, 49(22): 4323-4341.
Wang X L, Dai L. Immobilization effect and its physiology and biochemical mechanism of the cadmium in crop roots[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(22): 4323-4341.
[41] 喻华, 上官宇先, 涂仕华, 等. 水稻籽粒中镉的来源[J]. 中国农业科学, 2018, 51(10): 1940-1947.
Yu H, Shangguan Y X, Tu S H, et al. Sources of cadmium accumulated in rice grain[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(10): 1940-1947.
[42] 胡雪芳, 田志清, 梁亮, 等. 不同改良剂对铅镉污染农田水稻重金属积累和产量影响的比较分析[J]. 环境科学, 2018, 39(7): 3409-3417.
Hu X F, Tian Z Q, Liang L, et al. Comparative analysis of different soil amendment treatments on rice heavy metal accumulation and yield effect in Pb and Cd contaminated farmland[J]. Environmental Science, 2018, 39(7): 3409-3417.