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水稻是易富集Cd的大宗类谷物,稻田Cd污染会降低稻米产量及品质,进而危害人类食品健康安全。生物炭材料含有大量的孔隙结构,表面含有丰富的含氧官能团,是优良的吸附剂及载体材料,被广泛应用于重金属污染的去除。纳米铁氧化物由于表面活性高、比表面积大、吸附位点多及机械性能出色等特性,可应用于生物炭等材料的改性过程。目前,纳米四氧化三铁(Fe3O4)负载生物炭在重金属Cd、Pb废水修复中有较好的吸附性能,但其对稻田Cd修复的作用效果及机制鲜有研究。根表铁膜是沉积在水稻根系表面的一层铁氧化物胶膜,可以通过吸附和共沉淀等作用影响多种元素在水稻根系的吸收,生物炭或含铁材料的施用会影响其形成及根际Cd迁移转运。本研究以稻壳生物炭为原料,采用化学共沉淀法在谷壳炭表面负载纳米Fe3O4制备出纳米铁生物炭(BC-Fe)。通过水稻盆栽试验,研究施用0.05-1.6%的BC-Fe对土壤Cd生物有效性以及Cd在土壤-水稻系统中的迁移转运的影响;通过水培试验,对比三种类型铁源(EDTA-Fe、BC-Fe、FeSO4)对水稻根表铁膜形成的影响与差异,深入探讨BC-Fe诱导形成根表铁膜对根系Cd吸收转运的影响及对Cd吸附阻控的作用机制。本研究将为今以后纳米铁生物炭材料应用于田间及在我国Cd污染稻田的安全利用提供新的理论与数据支撑。主要研究结果如下:(1)纳米Fe3O4负载使生物炭表面粗糙度及孔隙结构增加,比表面积增大及总孔隙体积分别增大49.4倍60.5倍,表面-OH、C=O、-COOH等官能团的数量增加,但pH值降低1.10个单位。(2)在Cd重度污染土壤中,施用0.05%-1.6%的BC-Fe使土壤pH降低了0.04-0.39个单位,土壤CEC值增加9.44%-161%,土壤有效态Cd含量(HOAc-Cd)降低了6.81%-25.0%,但对土壤有机质影响不显著。(3)施用BC-Fe提高了水稻地上部位生物量,其中0.8%-1.6%处理下糙米增产38.2%-72.5%。0.05%-0.8%的BC-Fe处理下糙米Cd含量降低了 10.4%-49.0%,而1.6%处理则使糙米Cd含量增加了55.1%。0.8%-1.6%BC-Fe处理促进了Fe、Cd向叶片的运输,增加了糙米中Cd积累的风险,BC-Fe建议施用比为0.2%-0.4%。(4)盆栽实验下,施用0.05-1.6%的BC-Fe使根表铁膜中Fe含量增加了23.5%-79.0%,根表铁膜中Cd含量呈先上升后下降的趋势。BC-Fe处理诱导根表铁膜中DCB-Fe>22.0-23.0 g·kg-1后,根表铁膜形成阻控了根系Cd吸收,但低于此区间阈值,铁膜增厚反而促进Cd向水稻根内迁移累积。(5)水培试验下,EDTA-Fe、BC-Fe及FeSO4处理均可诱导水稻根系1-2层表层细胞上形成黄棕色及棕褐色的根表铁膜,主要成分为水铁矿、纤铁矿、针铁矿和赤铁矿,其中无定形态铁膜含量显著高于结晶态铁膜,而BC-Fe诱导结晶态铁膜占比较高,为31.8%-35.9%。不同类型Fe处理下,水稻根表铁膜Fe含量呈:FeSO4>EDTA-Fe>BC-Fe,诱导的根表铁膜对Cd的吸附能力呈:BC-Fe>EDTA-Fe>FeSO4,其中无定形态铁膜吸附的Cd含量显著高于结晶态铁膜吸附的Cd含量。在40、320 mg·L-1的BC-Fe处理下,结晶态铁膜Cd含量占比随Fe处理浓度增加而增加,由15.8%增至16.4%。(6)水培试验下,施用40、320 mg·L-1不同类型Fe源(EDTA-Fe、BC-Fe和FeSO4)均增加了水稻各部位中Cd、Fe含量。在BC-Fe处理下,水稻根系Cd、Fe含量随Fe处理浓度增加而增加,而茎叶Cd、Fe含量呈相反趋势,水稻茎叶间Cd、Fe含量极显著正相关,BC-Fe处理增强了水稻根系对Cd、Fe的截留作用,却促进了茎叶间Cd、Fe的迁移转运。BC-Fe主要通过诱导根系铁膜形成及调控根Fe水平来降低水稻地上部位Cd累积。