施锰对土壤铁锰氧化物形成及水稻累积镉砷的影响

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土壤镉砷复合污染的防治是急需解决的环境问题之一,而土壤中铁锰氧化物是影响土壤镉、砷有效性和水稻累积镉砷的重要因素。为了探究外源锰对土壤铁锰氧化物形成及其固定镉砷的影响和机制,本研究采用盆栽试验,通过添加硫酸锰,设置施Mn量分别为0、0、200、400、600、800mg·kg-1(处理编号为CK1、CK2、Mn200、Mn400、Mn600、Mn800),其中CK2为加入与Mn400处理SO42-等量的无水硫酸钠。通过分析盆栽土壤p H值、Eh值、铁锰氧化物形态及含量、镉砷形态及含量以及孔隙水相关离子含量的变化,研究施锰对土壤各形态铁锰氧化物的形成及镉砷形态的影响,分析水稻各部位以及根表铁锰膜中铁、锰、镉和砷的含量变化,研究施锰对铁锰氧化还原过程和水稻累积镉砷的影响。结果表明:1、施用硫酸锰(Mn200、Mn400、Mn600、Mn800)降低了土壤p H值、提高了Eh值,增加了土壤中各形态锰氧化物与无定形铁氧化物的含量,减少了络合态铁的含量,同时,增加了水稻生育前期土壤孔隙水中Fe2+、Fe3+、Mn2+含量;对比CK2处理,Mn400处理土壤各形态锰氧化物显著提高。表明施锰促进了土壤铁锰氧化物的形成。2、施用硫酸锰增加了水稻苗期土壤可交换态镉,抽穗期、灌浆期和成熟期铁锰氧化物结合态镉以及灌浆期残渣态镉的含量,减少分蘖期可交换态镉和成熟期碳酸盐结合态镉的含量;施用硫酸锰降低了成熟期的专性吸附态砷以及分蘖期、抽穗期、灌浆期和成熟期晶体铁氧化物结合态砷的含量,增加了苗期、抽穗期、灌浆期和成熟期无定形铁锰氧化物结合态砷以及苗期、灌浆期和成熟期残渣态砷的含量。此外,施用硫酸锰增加了土壤无定形铁锰氧化物中镉砷的含量、减少了孔隙水中As3+、As5+离子的含量。对比CK2处理,Mn400处理土壤有机质-硫化物结合态镉和晶体铁氧化物结合态砷显著降低,残渣态镉和砷虽无显著差异,但CK1处理土壤残渣态镉和砷显著减少。表明施用硫酸锰可改变土壤中镉砷的赋存形态,降低了土壤镉砷的有效性。其中锰促进了铁锰结合态镉砷的形成,硫酸根离子则促进有机质-硫化物结合态镉、晶体铁氧化物结合态砷与残渣态镉砷的形成。3、施用硫酸锰增加了根表铁锰膜中铁、锰含量,减少了镉、砷含量。在成熟期,Mn400、Mn600和Mn800处理根表铁锰膜中铁含量分别增加了80.76%、80.47%和107.99%,根表铁锰膜中镉含量分别减少了48.02%、41.85%和51.56%,根表铁锰膜中砷含量分别降低了43.88%、62.50%和56.25%。对比CK2,Mn400处理铁锰膜的铁、锰含量显著增加,镉含量显著降低。表明施锰促进了根表铁锰的形成。4、施用硫酸锰增加了水稻各部位铁、锰的含量,降低了地上部镉、砷含量和根系砷含量,其中,Mn200、Mn400、Mn600和Mn800处理糙米镉含量分别显著减少了30.01%、36.27%、36.27%和46.11%,Mn400、Mn600和Mn800处理糙米砷含量分别显著降低了30.14%、34.25%和46.58%。对比CK2,Mn400处理的糙米镉砷含量均显著降低。表明施锰可降低水稻对镉砷的积累。5、施用硫酸锰增加了水稻各时期的株高,但对水稻各时期的生物量及成熟期籽粒产量没有显著影响。
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