Assessment of Cd availability in rice cultivation(Oryza sativa): Effects of amendments and the spatiotemporal chemical changes in the rhizosphere and bulk soil  

鎘在水稻種植（Oryza sativa）中的可利用性評估：改良劑的影響及根際和主體土壤的時空化學變化  

來源：Ecotoxicology and Environmental Safety, 196 (2020) 110490

《生態毒理學與環境安全》，第196卷，2020年，文章編號 110490  

 

摘要  

摘要研究了鎘（Cd）污染水稻土壤中改良劑（水合石灰和羥基磷灰石）對鎘可利用性的影響，重點關注根際和主體土壤的時空化學變化。通過無植物和有植物（水稻）盆栽實驗，使用非侵入性采樣器（rhizon samplers）和丹麥Unisense微電極系統原位測量土壤pH、氧化還原電位（Eh）、溶解性有機碳（DOC）及水溶性Cd、Fe、Mn、Ca濃度。結果表明，水合石灰顯著提高土壤pH、降低Eh和Cd溶解度，減少水稻對Cd的吸收；羥基磷灰石對Cd可利用性影響較小。根際土壤的pH梯度（低于主體土壤）和Eh梯度（高于主體土壤）導致Cd在根際的溶解度增加，促進Cd在水稻組織中的積累。鐵膜（iron plaque）在Cd吸收中起促進作用，水合石灰可有效降低Cd的環境風險。  

 

研究目的  

研究目的包括：(1) 調查水合石灰和羥基磷灰石改良劑在根際和主體土壤區引起的時空化學變化；(2) 闡明根際化學變化對Cd可利用性、水稻Cd吸收和積累的影響，旨在評估改良劑在減少Cd污染土壤風險中的有效性。  

 

研究思路  

研究思路包括：進行盆栽實驗，分為無植物和有植物（水稻）兩組，土壤添加水合石灰或羥基磷灰石改良劑。使用根袋（rhizobags）分離根際和主體土壤區，插入rhizon采樣器和Unisense微電極系統原位連續監測不同區域（D1根際、D2-D4主體土壤）的pH、Eh、DOC、水溶性Cd、Fe、Mn、Ca濃度。實驗周期60天，定期收集孔隙水樣品和水稻組織樣本，分析Cd含量、鐵膜Cd和Fe濃度，并通過統計方法（ANOVA、相關性分析）評估數據。  

 

測量的數據及研究意義  

1. pH和Eh數據：使用丹麥Unisense微電極系統測量，來自圖1（pH時空變化）和圖2（Eh時空變化）。研究意義：提供高分辨率原位測量，揭示根際pH低于主體土壤、Eh高于主體土壤的梯度特征，幫助理解土壤環境動態如何影響Cd溶解度（例如，低pH促進Cd溶解）。  

  

2. DOC、Ca、Fe、Mn濃度數據：孔隙水中的濃度，來自表1（隨時間變化）。研究意義：評估改良劑對土壤溶液化學的影響（如DOC增加可能促進Cd絡合），揭示Ca2?競爭吸附位點、Fe/Mn氧化物對Cd的吸附機制，幫助解釋Cd移動性。  

 

3. 水溶性Cd濃度數據：來自表2（不同土壤區時空變化）。研究意義：直接反映Cd的生物可利用性，顯示根際Cd濃度高于主體土壤，證明根際環境（pH和Eh梯度）增加Cd溶解度，為植物吸收提供依據。  

 

4. Cd在水稻組織中的濃度數據：來自表3（根、莖、葉、鐵膜中Cd含量）。研究意義：量化改良劑對Cd植物累積的影響（如水合石灰顯著降低組織中Cd），結合鐵膜數據評估Cd轉移機制。  

 

5. 相關性數據：來自表4（孔隙水Cd與水稻組織Cd的相關性）。研究意義：驗證水溶性Cd作為植物吸收主要來源，并揭示鐵膜在促進Cd累積中的作用，指導風險管理策略。  

 

結論  

結論包括：(1) 水合石灰通過提高pH、降低Eh和DOC-Cd絡合，顯著減少土壤水溶性Cd和水稻組織中Cd積累；(2) 羥基磷灰石對降低Cd可利用性效果不顯著；(3) 根際土壤的pH和Eh梯度導致Cd溶解度增加，促進Cd吸收；(4) 鐵膜在Cd累積中起促進作用，水合石灰可減少鐵膜Cd含量；(5) 水合石灰在淹水條件下是降低Cd污染土壤風險的有效方法。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極系統測量的pH和Eh數據具有關鍵研究意義。該系統提供原位、高時空分辨率的數據，能捕捉根際和主體土壤的微小變化（如根際pH降低0.5-0.9單位、Eh升高梯度）。這種動態監測揭示了土壤化學環境的實時變化：在根際區，pH梯度（低于主體土壤）和Eh梯度（高于主體土壤）共同促進了Cd的溶解和釋放，增加了Cd的生物可利用性。例如，測量顯示根際Eh升高加速了CdS和CdCO?的氧化溶解。這幫助驗證了pH和Eh是控制Cd移動性的主導因素（而非DOC或陽離子競爭），為理解Cd在植物-土壤系統中的行為提供了機制基礎。同時，數據證實了改良劑（如水合石灰）通過改變pH和Eh來調控Cd溶解度，支持了其在原位修復中的應用。Unisense電極的高精度測量彌補了傳統方法的不足，提高了風險評估的準確性。