赤泥條件下水稻根際鐵膜形成及鎘吸收機(jī)理研究

楊俊興，郭慶軍，鄭國(guó)砥，楊軍，萬(wàn)小銘，郭俊娒，周小勇，劉志彥，曹柳，盧一富，李真理，孔令雅

1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境修復(fù)中心，北京 100101；2.華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631；3.濟(jì)源市環(huán)境科學(xué)研究所，河南 濟(jì)源 459000；4.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042

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赤泥條件下水稻根際鐵膜形成及鎘吸收機(jī)理研究

楊俊興1，郭慶軍1，鄭國(guó)砥1，楊軍1，萬(wàn)小銘1，郭俊娒1，周小勇1，劉志彥2*，曹柳3，盧一富3，李真理3，孔令雅4

1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境修復(fù)中心，北京 100101；2.華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631；3.濟(jì)源市環(huán)境科學(xué)研究所，河南 濟(jì)源 459000；4.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042

摘要：為揭示赤泥條件下水稻（Oryza sativa L.）根表和根際鐵膜形成及鐵膜中重金屬（Fe、Mn和Cd）分布與水稻鎘（Cd）吸收的潛在關(guān)系，本文采用盆栽試驗(yàn)，即在2和5 mg·kg-1兩種鎘濃度條件下，試驗(yàn)設(shè)置0%、0.5%和1% 3個(gè)梯度的赤泥施用量，利用根際袋法系統(tǒng)研究了赤泥對(duì)水稻（浙優(yōu)12號(hào)）根表和根際鐵膜的形成及重金屬（Fe、Mn、Cd）分布特征，探討了赤泥條件下水稻根際效應(yīng)對(duì)水稻Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及生物量的影響。研究結(jié)果表明，赤泥顯著增加了水稻的株高、根干重、秸稈干重和籽粒重；顯著降低了供試水稻根部Cd濃度、秸稈Cd和籽粒Cd的濃度，下降幅度分別為23.6%～40.2%，20.1%～48.8%和45.5%～103%；顯著提高了水稻根表和根際鐵膜中Fe、Mn和Cd的濃度（P ＜ 0.05），且隨赤泥施用量的增加而增加。水稻根表鐵膜中Fe、Mn和Cd濃度提高幅度分別為64.5%～107%、13.9%～43.7%和20.8%～69.9%；水稻根際鐵膜中Fe、Mn和Cd提高幅度分別為93.8%～206%，20.1%～42.2%和17.3%～111%。與對(duì)照處理相比，添加赤泥土壤的pH值提高程度均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），DTPA提取態(tài)鎘含量分別降低17.9%～47.9%和26.3%～48.6%。水稻根表和根際鐵膜中Cd濃度與水稻根Cd濃度、秸稈Cd濃度、籽粒Cd濃度、根表和根際鐵膜中的Fe濃度和Mn濃度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。結(jié)論：赤泥的添加促進(jìn)了水稻的生長(zhǎng)，且其富含鐵氧化物的特性還可以促進(jìn)水稻根表和根際鐵膜的形成，通過鐵膜中的Fe 和Mn對(duì)Cd富集作用來減少水稻秸稈和籽粒對(duì)Cd的吸收。因此，利用富含鐵氧化物的赤泥作為鈍化材料修復(fù)中低度Cd污染稻田有望達(dá)到較好的修復(fù)和利用效果。

關(guān)鍵詞：水稻；赤泥；鎘；根際；鐵膜

引用格式：楊俊興，郭慶軍，鄭國(guó)砥，楊軍，萬(wàn)小銘，郭俊娒，周小勇，劉志彥，曹柳，盧一富，李真理，孔令雅.赤泥條件下水稻根際鐵膜形成及鎘吸收機(jī)理研究［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，25（4）:698-704.

YANG Junxing，GUO Qingjun，ZHENG Guodi，YANG Jun，WAN Xiaoming，GUO Junmei，ZHOU Xiaoyong，LIU Zhiyan，CAO Liu，LU Yifu，LI Zhenli，KONG Lingya.Effects of Red Mud on Iron Plaque Formation in Rhizosphere and Cadmium Uptake of Rice Grown in Cd-polluted Soils ［J］.Ecology and Environmental Sciences，2016，25（4）:698-704.

目前，我國(guó)水稻（Oryza sativa L.）土壤重金屬污染的特征以中低度鎘（Cd）污染為主（Cheng et al.，2005；Luo et al.，2009）。重金屬原位鈍化技術(shù)是符合我國(guó)國(guó)情、行之有效的鎘污染土壤修復(fù)技術(shù)之一（Kumpiene et al.，2008；Kirkham，2006）。赤泥（red mud，RM）是一種富含鐵鋁物質(zhì)的工業(yè)副產(chǎn)品，近年來在原位鈍化修復(fù)Cd污染土壤方面效果顯著（Lombi et al.，2002；Liu et al.，2011）。有研究發(fā)現(xiàn)赤泥對(duì)Cd有很強(qiáng)的吸附容量，高達(dá)22250 mg·kg-1（Liu et al.，2007），還能顯著降低Cd的移動(dòng)性和可交換態(tài)含量，提高植物及微生物的生物量（Garau et al.，2007；Friesl et al.，2009；Lombi et al.，2002），此外，最近有盆栽和田間試驗(yàn)報(bào)道證實(shí)中低度Cd污染稻田施加赤泥能增加水稻的產(chǎn)量、降低土壤中Cd的活性和抑制水稻對(duì)Cd的吸收（范美蓉等，2012；劉昭兵等，2010）。

有研究發(fā)現(xiàn)，水稻根部以及相關(guān)的根際微生物活動(dòng)能使其根際的Fe2+被氧化成Fe3+，并在根的表面和根際形成鐵膜（iron plaque）（St-Cyr et al.，1996）。已有的研究表明，濕地植物（包括水稻）根表和根際形成的鐵膜對(duì)重金屬耐性具有十分重要的意義，其根部和根際的鐵膜能夠排斥Fe、Mn、Zn等重金屬進(jìn)入根際區(qū)域而減少毒性（Yang et al.，2014；Cheng et al.，2014；Wang et al.，2011；Wang et al.，1999；Ye et al.，1998；Zhang et al.，1998）。到目前為止，研究富含鐵鋁氧化物的赤泥對(duì)水稻根表和根際鐵膜的形成的影響報(bào)道仍比較少見。本文通過盆栽試驗(yàn)，采用赤泥（由中國(guó)鋁業(yè)山東分公司拜耳法生產(chǎn)的富含鐵鋁氧化物的赤泥，具有較強(qiáng)的代表性）進(jìn)行研究，旨在揭示：（1）在赤泥條件下水稻根表和根際鐵膜形成及重金屬分布特征（Fe、Mn和Cd）；（2）在赤泥條件下水稻根表、根際鐵膜中重金屬（Fe、Mn和Cd）分布與水稻Cd分布的潛在聯(lián)系。

1　材料與方法

1.1供試材料

供試土壤采自湖南祁陽(yáng)市水稻土，為河流沖積物發(fā)育而來的酸性潮泥田。土壤的一些基本理化性質(zhì)為：pH值5.31，有機(jī)質(zhì)含量22.6 g·kg-1，全氮1.65 mg·kg-1，陽(yáng)離子交換量11.1 cmol·kg-1，全鎘0.11 mg·kg-1，DTPA提取態(tài)鐵、錳和鎘分別為128.7、25.4、0.014 mg·kg-1。土樣經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干后過1 mm孔徑塑料篩后，通過向土壤中均勻噴施氯化鎘（分析純），攪拌混勻后老化培養(yǎng)3個(gè)月得到鎘的添加含量為2和5 mg·kg-1的人為污染土，老化2個(gè)月后存儲(chǔ)備用。

供試赤泥（pH為11.1）取自山東省淄博市山東鋁業(yè)股份有限公司，經(jīng)X-射線衍射分析其礦物組成為：SiO2（20%），F(xiàn)e2O3（28%），Al2O3（21%），CaO（6.2%），MgO（1.3%），TiO2（3.3%），K2O （0.26%）以及Na2O（11%）。利用BET/N2法測(cè)定其比表面積為12.2 m2·g-1。赤泥樣品中鎘含量＜0.01 mg·kg-1。在105 ℃下，將赤泥樣品烘干24 h后，過1 mm篩后備用。

供試水稻（Oryza sativa L.）品種為“浙優(yōu)12”，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理，在2和5 mg·kg-1兩種鎘含量條件下，試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)赤泥施用量，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)（W/W）：（1）Cd0-RM0（對(duì)照，CK），不施鎘污染物和赤泥；（2）Cd2-RM0，2 mg·kg-1鎘含量下不添加赤泥；（3）Cd2-RM0.5，2 mg·kg-1鎘含量下添加0.5%赤泥，即7.5 g·pot-1；（4）Cd2-RM1，2 mg·kg-1鎘含量下添加1%赤泥，即15 g·pot-1；（5）Cd5-RM0，5 mg·kg-1鎘含量下不添加赤泥；（6）Cd5-RM0.5，5 mg·kg-1鎘含量下添加0.5%赤泥，即7.5 g·pot-1；（7）Cd5-RM1，5 mg·kg-1鎘含量下添加1%赤泥，即15 g·pot-1。

赤泥于移栽前1周均勻施入土壤，除赤泥施用量不同之外，為保證水稻生長(zhǎng)養(yǎng)分充足，土壤中施入CO（NH2）2、CaH2PO4、KNO3（N、P、K含量分別為150 mg·kg-1）。

采用直徑40 μm濾網(wǎng)制成高10 cm、直徑8 cm根際袋，放入高12 cm、底徑10 cm、口徑15 cm 的PVC盆。充分拌勻后，將石英砂裝入根際袋內(nèi)，每袋400 g，視為根際，放入盆內(nèi)正中央。根際袋外（盆內(nèi)）裝土1.5 kg，視為非根際。每盆共計(jì)重1.9 kg。土壤裝好后淹水，高出土面約2 cm，平衡2周，備用。

水稻種子用30%的雙氧水浸泡殺菌15 min，用去離子水洗凈后，直播于根際袋中的石英砂中。每盆2株苗，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，共計(jì)28盆，在溫室培育120 d后收獲。試驗(yàn)期間溫度為18～28 ℃，光照為自然光，相對(duì)濕度為65%～85%。整個(gè)水稻生長(zhǎng)過程根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田管理習(xí)慣進(jìn)行管理，自來水澆灌。

1.3樣品的采集與測(cè)定

水稻成熟后，每個(gè)處理分別取水稻植株進(jìn)行測(cè)定株高。然后將水稻從根際袋中取出，并分別在各盆取根際袋中的石英砂樣品，用超純水洗干凈水稻根部和石英砂樣品，然后用DCB法（Taylor et al.，1983）提取濕地植物根表和石英砂中的鐵膜，提取液定容后用ICP-MS（Elan 5000，Perkin Elmer，USA）進(jìn)行測(cè)定溶液中的Cd、Fe和Mn元素含量。

水稻提取鐵膜后將植物用超純水洗凈，于65 ℃烘箱中烘干至恒重，將地上部和地下部分分開，分別稱量并計(jì)算其地上和地下部分干重。 稱量植物樣約0.5 g放入消化管中，加入5 mL濃硝酸（超級(jí)純），浸泡過夜；放入消化爐內(nèi)進(jìn)行消化后用超純水定容；然后用ICP-MS測(cè)定消解溶液中Cd的濃度。為了進(jìn)行質(zhì)量控制，測(cè)試樣品中包含空白和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSV-2（灌木葉片）（中國(guó)地礦部物化探研究所）。

水稻鐵膜及體內(nèi)對(duì)重金屬的吸收根據(jù)以下公式進(jìn)行（Liu et al.，2004）計(jì)算。

其中TDCB-m、TRoot-m、TStraw-m和TGrain-m表示為鐵膜、根部、秸稈和籽粒部分的Cd積累量（μg），分別由鐵膜、根部、秸稈和籽粒部分的Cd含量（mg·kg-1）和對(duì)應(yīng)的生物量相乘所得。

水稻收獲后，分別在各盆采集根際袋中的非根際土壤樣品，自然風(fēng)干，磨碎，過0.149 mm的尼龍篩。測(cè)定土壤的pH值和DTPA態(tài)鎘濃度（Lindsay et al.，1978）。

1.4數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS 14.0和Microsoft Excel進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)處理，統(tǒng)計(jì)方法采用LSD多重比較法，差異顯著性水平為5%。

2　結(jié)果與分析

2.1不同赤泥施用量對(duì)水稻株高和生物量的影響

由表1所示，與對(duì)照相比，2 mg·kg-1鎘處理提高了水稻的株高和降低了水稻的生物量（根、秸稈和籽粒），其中，只有籽粒重減少幅度達(dá)到了顯著水平；5 mg·kg-1鎘處理則顯著降低了水稻的株高、根干重、秸稈干重和籽粒重（P＜0.05）。與未添加赤泥處理相比，赤泥施用量的添加顯著提高了水稻的株高、根干重、秸稈干重和籽粒重，2 mg·kg-1鎘處理?xiàng)l件下提高幅度為6.5%～9.3%、31.3%～42.2%、34.9%～48.5%和132.0%～152.0%；5 mg·kg-1鎘處理?xiàng)l件下提高幅度為7.4%～10.7%、59.5%～67.6%、50.0%～ 56.5%和216.0%～261.0%。

2.2不同赤泥施用量對(duì)水稻根、秸稈和籽粒鎘含量的影響

由表2所示，在兩種鎘處理?xiàng)l件下，水稻根、秸稈和籽粒中鎘的含量隨著赤泥施用量的添加有逐漸下降的趨勢(shì)，且隨赤泥施用量的增加其下降幅度增大。與未添加赤泥處理相比，赤泥的施用顯著降低了水稻根、秸稈和籽粒中鎘的含量。在2 mg·kg-1鎘處理?xiàng)l件下水稻根、秸稈和籽粒中鎘含量下降幅度為27.8%～40.2%、23.8%～48.8%和45.5%～66.7%；5 mg·kg-1鎘處理?xiàng)l件下下降幅度為23.6%～27.1%、20.1%～34.1%和68.3%～103.0%。

表2　赤泥施用量對(duì)水稻根、秸稈和籽粒鎘含量的影響Table 2 Effects of application of red mud on Cd concentrations in root，straw and grain of rice grown in Cd-contaminated soils

2.3不同赤泥施用量對(duì)水稻根表和根際鐵膜的影響

由表3所示，在兩種鎘處理?xiàng)l件下，與未添加赤泥處理相比，赤泥的添加顯著提高了水稻根表和根際鐵膜中鐵、錳和鎘的含量，且隨赤泥施用量的增加而增加。水稻根表鐵膜中鐵、錳和鎘含量提高幅度分別為64.5%～107.0%、13.9%～43.7%和20.8%～69.9%；水稻根際鐵膜中鐵、錳和鎘提高幅度分別為93.8%～206.0%、20.1%～42.2%和17.3%～111.0%。根表和根際鐵膜中鐵、錳和鎘的含量高低順序?yàn)椋鸿F＞錳＞鎘。根表鐵膜中的鐵、錳和鎘含量顯著高于非根際。此外，與對(duì)照相比，兩種鎘處理也顯著提高了水稻根表和根際鐵膜中鐵和錳的含量（P＜0.05）。

表1　赤泥施用量對(duì)水稻株高和生物量的影響Table 1 Effects of application of red mud on height and biomass of rice grown in Cd-contaminated soils

表3　赤泥施用量對(duì)水稻根表和根際鐵膜鐵、錳和鎘含量的影響Table 3 Effects of application of red mud on Fe，Mn and Cd concentrations in Fe plaque on root surface and in the rhizosphere of rice grown in Cd-contaminated soils

表4　赤泥施用量對(duì)水稻非根際土壤pH和DTPA態(tài)鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 4 Effects of application of red mud on pH and DTPA-extractable Cd concentrations in non-rhizosphere soils of rice grown in Cd-contaminated soils

2.4不同赤泥施用量對(duì)非根際土壤pH和DTPA提取態(tài)鎘的影響

由表4可以看出，施赤泥能顯著提高土壤pH值，且隨赤泥施用量的增加而增加；與對(duì)照處理相比，在兩種鎘處理?xiàng)l件下，RM-0.5%和RM-1%兩個(gè)處理土壤的pH值提高程度均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。施赤泥顯著降低了鎘處理土壤中的DTPA提取態(tài)鎘含量（P＜0.05），且隨赤泥施用量的增加其降低幅度加大；與對(duì)照處理相比，在2和5 mg·kg-1鎘處理?xiàng)l件下，添加赤泥土壤的DTPA提取態(tài)鎘含量分別降低17.9%～47.9%和26.3%～48.6%。

2.5不同赤泥施用量對(duì)水稻鎘分布的影響

由表5可知，在未添加赤泥的鎘污染處理?xiàng)l件下，鎘在水稻中的分布順序?yàn)椋航斩挘靖靖龛F膜＞籽粒。隨著赤泥的添加，鎘從水稻根部向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)的量明顯降低，且隨赤泥施用量的增加這種趨勢(shì)更為明顯。在2 mg·kg-1鎘處理?xiàng)l件下，添加RM-1%處理后，鎘在水稻中的分布順序?yàn)椋焊龛F膜＞秸稈＞根＞籽粒。在5 mg·kg-1鎘處理?xiàng)l件下，添加RM-1%處理后，鎘在水稻中的分布順序?yàn)椋航斩挘靖龛F膜＞根＞籽粒。

2.6施用赤泥后水稻體內(nèi)鎘含量與根表和根際鐵膜的相關(guān)關(guān)系

對(duì)施加赤泥后水稻不同部位鎘含量和根表及根際鐵膜中的鐵、錳和鎘濃度做相關(guān)分析，得到表6。由表6可知，水稻根表和根際鐵膜中鎘濃度與水稻根、秸稈和籽粒的鎘含量、根表和根際鐵膜中的鐵濃度和錳濃度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。此外，水稻根表和根際鐵膜中的鐵濃度與錳濃度也呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

3　討論

表5　赤泥施用量對(duì)Cd在水稻籽粒、秸稈、根和根表鐵膜中鎘分布的影響Table 5 Effects of application of red mud on Cd concentrations in root，straw and grain of rice grown in Cd-contaminated soils

表6　水稻根，秸稈和籽粒的鎘濃度與根表和根際鐵膜中鐵，錳和鎘濃度相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlation among concentrations of Cd in root，straw，grain，and DCB-extractable Fe，Mn and Cd on root surface and in the rhizosphere of rice

本研究結(jié)果顯示，在2和5 mg·kg-1鎘處理?xiàng)l件下，添加赤泥后，水稻株高和生物量（根、秸稈和籽粒）均有不同程度的增加，且隨赤泥施用量的增加而增加，說明本試驗(yàn)所選用的山東鋁廠赤泥對(duì)水稻生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用。山東鋁廠曾將經(jīng)過赤泥處理后配制而成的硅鈣肥施用于缺硅土壤，可使水稻、花生和玉米等作物增產(chǎn)8%～10%（楊俊興等，2013）。蔡德龍等（1998）利用鄭州鋁廠赤泥為主要原料配制成的硅肥試驗(yàn)表明，黃河沖積平原土壤施用該肥料后花生的增產(chǎn)率在10%以上。劉昭兵等（2010）利用鄭州鋁廠赤泥為鈍化劑施加到鎘污染稻田后發(fā)現(xiàn)，水稻的增產(chǎn)率達(dá)到12.4%。盆栽條件下，范美蓉等（2012）將鄭州鋁廠赤泥施加到鎘污染水稻土后發(fā)現(xiàn)，水稻株高、有效穗數(shù)和產(chǎn)量分別提高了5.02%、1.12%和6.93%。雖然本試驗(yàn)所用赤泥有較高的pH、較大的比表面積和成分復(fù)雜的特點(diǎn)，但其含有較高的硅、鐵等礦物元素，對(duì)土壤具有一定的增肥作用。從本試驗(yàn)結(jié)果可知，施加低劑量的赤泥對(duì)提高土壤肥力具有一定的作用，但赤泥施加到土壤中對(duì)土壤理化性質(zhì)和肥力等因素的長(zhǎng)期影響仍需要深入研究。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加赤泥能有效降低水稻對(duì)Cd的吸收，與對(duì)照相比，添加赤泥后，水稻根、秸稈和籽粒中鎘濃度下降幅度分別為23.6%～40.2%、20.1%～48.8%和45.5%～103%。在本研究中，赤泥降低水稻對(duì)鎘的吸收的主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）pH的提高。赤泥富含大量K、Na、Ca、Mg、Si、Fe、Al等成分，堿性較強(qiáng)，pH一般可達(dá)11～13，本研究所用赤泥pH為11.1，施入土壤中可有效提高土壤pH值。大量研究表明，赤泥可通過顯著提高土壤pH來降低重金屬活性。Gray et al.（2006）研究發(fā)現(xiàn)，添加3%和5%（W/W）的赤泥均能顯著提高土壤pH，降低污染土壤中可交換態(tài)Cd含量及供試植物Cd的吸收量。Friesl et al.（2004）的研究表明，施加5%（W/W）的赤泥可使污染土中交換態(tài)Cd含量降低91%，玉米Cd含量降低幅度可達(dá)54%。本試驗(yàn)中，所添加0.5%和1%（W/W）赤泥也顯著提高供試酸性土壤的pH（P＜0.05），而土壤pH升高將直接使大量易溶性Cd向難溶態(tài)轉(zhuǎn)化。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著赤泥用量的增加，土壤pH的增加與土壤有效態(tài)鎘濃度的降低也顯著相關(guān)（P＜0.05），這表明pH的升高是導(dǎo)致土壤鎘活性降低的主要原因之一。

（2）赤泥降低了土壤有效態(tài)Cd的濃度。赤泥可以通過自身的鐵鋁氧化物與土壤中水溶態(tài)Cd和可交換態(tài)Cd發(fā)生專性吸附而降低其有效性。Lombi et al.（2003，2002a，2002b）的研究結(jié)果認(rèn)為赤泥的主要成分鐵鋁氧化物對(duì)Cd產(chǎn)生專性吸附是赤泥高效吸附Cd的主要原因。Luo et al.（2011）通過吸附實(shí)驗(yàn)，Cd連續(xù)提取技術(shù)和XANES法（X射線近邊吸收譜學(xué)）對(duì)Cd在赤泥中的吸附方式進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，雖然Cd在赤泥表面的吸附是以外層吸附（約65% Cd）為主，但是存在以XCdOH（X表示赤泥表面的氧化物官能團(tuán)）形式的內(nèi)部吸附（約35% XCdOH）。丁瓊等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，在pH較高（pH 8.9）的潮土中添加0.5%（W/W）的赤泥后，雖然土壤pH沒有明顯變化，但赤泥處理顯著降低了土壤中水溶態(tài)Cd和可交換態(tài)Cd的含量，提高了殘?jiān)鼞B(tài)Cd的含量，從而降低了土壤中Cd的活性。

（3）赤泥中的鐵氧化物促進(jìn)了水稻根表和根際鐵膜的增加。鐵膜的形成一般需要滿足兩個(gè)條件：（1）植物生長(zhǎng)介質(zhì)中必須要有充足的鐵、錳元素；（2）鐵膜形成部位有局部的氧化環(huán)境。在本研究中，這兩個(gè)條件均滿足，且赤泥添加量和水稻根表和根際鐵膜中的鐵和錳濃度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0.05）。由此可見，所添加赤泥促進(jìn)了水稻根表和根際鐵膜的增加。此外，研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，水稻根表和根際鐵膜中鎘含量與水稻根鎘含量、秸稈鎘含量、籽粒鎘含量、根表和根際鐵膜中的鐵濃度和錳濃度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），這表明水稻根表和根際形成的鐵膜對(duì)生長(zhǎng)介質(zhì)中的Cd有一定的富集作用。根據(jù)前人對(duì)鐵膜富集重金屬的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)一些以陽(yáng)離子形態(tài)存在的重金屬元素（Zn、Pb、Cd、Cu和Ni等）來說，吸附在根表鐵膜上的比例均小于總量的50%，大部分累積在根部組織中（Ye et al.，1997，2001；Mao et al.，1998）。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在未施赤泥條件下，水稻總Cd約18%沉積在根表鐵膜，添加赤泥后，這一比例增加到30%～38%，這表明隨著鐵膜的數(shù)量增加，根表鐵膜富集的Cd也增加。有研究認(rèn)為鐵膜對(duì)重金屬的富集作用可能在一定程度上取決于鐵膜的數(shù)量。Otte et al.（1991）發(fā)現(xiàn)濕地植物Aster tripolium根表鐵膜能富集Zn，當(dāng)鐵膜Fe在 500～2000 nmol·cm時(shí)能促進(jìn)植物對(duì)Zn的吸收，當(dāng)鐵膜數(shù)量不在這個(gè)范圍時(shí)則植物對(duì)Zn的吸收較低。Zhang et al.（1999）對(duì)水稻研究也發(fā)現(xiàn)鐵膜對(duì)Zn的富集作用受一定數(shù)量范圍的鐵膜限制。最近，有研究發(fā)現(xiàn)，滲氧能力強(qiáng)的濕地植物（水稻）品種可在根表和根際形成較厚的鐵膜，從而具有較強(qiáng)的重金屬（Cd、Pb、Zn）耐性和較低的吸收能力（Yang et al.，2014；Cheng et al.，2014；Wang et al.，2011）。同樣，有研究發(fā)現(xiàn)鐵膜誘導(dǎo)形成寬葉香蒲根表沉積的Cu濃度明顯高于對(duì)照（Otte et al.，1991），但Liu et al.（2008）研究發(fā)現(xiàn)，在水培條件下，水稻根表鐵膜沉積的Cd濃度未明顯高于對(duì)照。造成這種不同結(jié)果的原因可能是鐵氧化物膜在不同的環(huán)境條件下，如不同土壤pH值、不同植物種類、不同土壤類型、不同微生物種群等環(huán)境因素，其根表形成的鐵膜對(duì)以不同陰離子和陽(yáng)離子形態(tài)存在的污染物的結(jié)合方式和吸附能力的不同所造成的（Batty et al.，2000）。

綜上所述，赤泥的添加促進(jìn)了水稻的生長(zhǎng)，提高了土壤pH，且赤泥中的鐵氧化物促進(jìn)了水稻根表和根際鐵膜的增加，水稻根表和根際形成的鐵膜對(duì)土壤中的Cd有一定的富集作用，這種吸附可能取決于根表和根際鐵膜形成的數(shù)量。同時(shí)，赤泥可能存在對(duì)Cd的專性吸附來降低水稻對(duì)Cd的吸收。因此，赤泥的添加顯著降低了土壤鎘的活性。此外，由于原料不同，生產(chǎn)工藝不同可能導(dǎo)致赤泥成分差異較大，在利用赤泥修復(fù)稻田時(shí)可以考慮采用富含鐵氧化物含量較高的赤泥作為鈍化材料，提高水稻根表和根際鐵膜形成的數(shù)量，以達(dá)到較好的修復(fù)效果。另外，在研究方法和研究手段上，應(yīng)注重新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，如一些微觀分析技術(shù)的應(yīng)用，特別是同步輻射X射線吸收結(jié)構(gòu)光譜分析能夠?yàn)樗靖龛F膜對(duì)Cd吸附微觀結(jié)構(gòu)提供最直接的證據(jù)，將對(duì)施加赤泥后對(duì)水稻根表和根際Cd形態(tài)變化的認(rèn)識(shí)提高到分子水平。

4　結(jié)論

（1）赤泥顯著增加了水稻的株高、根干重、秸稈干重和籽粒重；顯著降低了供試水稻根部Cd濃度、秸稈Cd和籽粒Cd的濃度，下降幅度分別為23.6%～40.2%、20.1%～48.8%和45.5%～103%。同時(shí)也增加水稻的根表和根際鐵膜中Fe、Mn和Cd的濃度。與對(duì)照相比，水稻根表鐵膜中Fe、Mn和Cd濃度提高幅度分別為64.5%～107%、13.9%～43.7% 和20.8%～69.9%；水稻根際鐵膜中Fe、Mn和Cd提高幅度分別為93.8%～206%、20.1%～42.2%和17.3%～111%。根表和根際鐵膜中鐵、錳和鎘的含量高低順序?yàn)椋鸿F＞錳＞鎘。根表鐵膜中的鐵、錳和鎘含量顯著高于非根際。

（2）水稻根表和根際鐵膜中Cd濃度與水稻根Cd濃度、秸稈Cd濃度、籽粒Cd濃度、根表和根際鐵膜中的Fe濃度和Mn濃度呈顯著正相關(guān)，在赤泥條件下水稻根表鐵膜和根際鐵膜的厚度增加同時(shí)也增加了對(duì)鎘的吸附能力，減少了鎘從地下到地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)。

（3）赤泥可提高土壤pH和降低土壤中鎘的有效性（專性吸附），降低水稻對(duì)Cd的吸收。

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Effects of Red Mud on Iron Plaque Formation in Rhizosphere and Cadmium Uptake of Rice Grown in Cd-polluted Soils

YANG Junxing1，GUO Qingjun1，ZHENG Guodi1，YANG Jun1，WAN Xiaoming1，GUO Junmei1，ZHOU Xiaoyong1，LIU Zhiyan2*，CAO Liu3，LU Yifu3，LI Zhenli3，KONG Lingya4
1.Center for Environmental Remediation，Institute of Geographic Sciences and Natural Resources，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China；2.School of Life Sciences，South China Normal University，Guangzhou 510631，China；3.Jiyuan Environmental Science Research Institute，Jiyuan 459000，China；4.Ministry of Environmental Protection Nanjing Research Institute of Environment Science，Nanjing 210042，China

Abstract：Recently，mild cadmium （Cd）-polluted paddy soils and ‘Cd brown rice’ seriously influence the health of Chinese people.The experimental objective is to investigate the effects of red mud on iron plaque formation on root surface and in rhizosphere and Cd uptake of rice grown in Cd-polluted soils.A pot trial with the soils with two Cd levels （2，5 mg·kg-1） was conducted to apply red mud （RM） （0.5%，1%） to the rice named Zheyou12 by the method of rhizosphere bag.Compared to the control （CK） without RM application，the height and biomass （root，straw and grain） were increased significantly （P ＜ 0.05） in the RM0.5% and RM1% application under 2 and 5 mg·kg-1Cd conditions.The soil pH was significantly （P ＜ 0.05） increased and the DTPA-extractable Cd concentrations was remarkably decreased with the increasing RM application.The concentrations of Cd in root，straw and grain were significantly decreased with the increasing RM additions，ranging from 23.6%～40.2%，20.1%～48.8% and 45.5%～103%.The concentrations of Fe，Mn and Cd on root surface and in the rhizosphere were significantly increased with the increasing RM application，ranging from 64.5%～107%，13.9%～43.7% and 20.8%～69.9% on root surface，and from 93.8%～206%，20.1%～42.2% and 17.3%～111% in the rhizosphere，respectively.Positive correlations were found between Cd concentrations on root surface and in the rhizosphere and Cd concentrations in root，straw and grain，and Fe and Mn concentrations on root surface and in the rhizosphere.Furthermore，the both Cd treatments significantly improved Fe and Mn concentrations on root surface and in the rhizosphere.Besides the specific sorption of Cd by Fe oxides in RM and the reduction of Cd availability induced by an increase in soil pH，the principal mechanism might also be due to RM-induced enhancement of the formation of iron plaque on root surface and in the rhizosphere.The concentrations of Cd，F(xiàn)e and Mn in iron plaque of root surface and in the rhizosphere remarkably increased with increasing rates of RM application.The results suggest that red mud-induced enhancement of the formation of iron plaque on the root surface and in the rhizosphere of rice may be significant for the development approaches to reducing Cd accumulation in rice.

Key words：rice； red mud； cadmium； rhizosphere； iron plaque

DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.04.021

中圖分類號(hào)：X53； S511

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）04-0698-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41201312）；973項(xiàng)目（2014CB238906）；國(guó)家高技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA06A202；2013AA06A211-2；2014AA06A513）；北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目（Z131100003113008）

作者簡(jiǎn)介：楊俊興（1978年生），男，助理研究員，博士，主要從事污染生態(tài)學(xué)方面研究。Email:yangajx@igsnrr.ac.cn

*通信作者，E-mail:liuzhiyan008@126.com

收稿日期：2015-06-02