赤泥条件下水稻根际铁膜形成及镉吸收机理研究

杨俊兴，郭庆军，郑国砥，杨军，万小铭，郭俊娒，周小勇，刘志彦，曹柳，卢一富，李真理，孔令雅

1.中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心，北京 100101；2.华南师范大学生命科学学院，广东 广州 510631；3.济源市环境科学研究所，河南 济源 459000；4.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042



赤泥条件下水稻根际铁膜形成及镉吸收机理研究

杨俊兴1，郭庆军1，郑国砥1，杨军1，万小铭1，郭俊娒1，周小勇1，刘志彦2*，曹柳3，卢一富3，李真理3，孔令雅4

1.中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心，北京 100101；2.华南师范大学生命科学学院，广东 广州 510631；3.济源市环境科学研究所，河南 济源 459000；4.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042

摘要：为揭示赤泥条件下水稻（Oryza sativa L.）根表和根际铁膜形成及铁膜中重金属（Fe、Mn和Cd）分布与水稻镉（Cd）吸收的潜在关系，本文采用盆栽试验，即在2和5 mg·kg-1两种镉浓度条件下，试验设置0%、0.5%和1% 3个梯度的赤泥施用量，利用根际袋法系统研究了赤泥对水稻（浙优12号）根表和根际铁膜的形成及重金属（Fe、Mn、Cd）分布特征，探讨了赤泥条件下水稻根际效应对水稻Cd吸收转运及生物量的影响。研究结果表明，赤泥显著增加了水稻的株高、根干重、秸秆干重和籽粒重；显著降低了供试水稻根部Cd浓度、秸秆Cd和籽粒Cd的浓度，下降幅度分别为23.6%～40.2%，20.1%～48.8%和45.5%～103%；显著提高了水稻根表和根际铁膜中Fe、Mn和Cd的浓度（P ＜ 0.05），且随赤泥施用量的增加而增加。水稻根表铁膜中Fe、Mn和Cd浓度提高幅度分别为64.5%～107%、13.9%～43.7%和20.8%～69.9%；水稻根际铁膜中Fe、Mn和Cd提高幅度分别为93.8%～206%，20.1%～42.2%和17.3%～111%。与对照处理相比，添加赤泥土壤的pH值提高程度均达到显著水平（P＜0.05），DTPA提取态镉含量分别降低17.9%～47.9%和26.3%～48.6%。水稻根表和根际铁膜中Cd浓度与水稻根Cd浓度、秸秆Cd浓度、籽粒Cd浓度、根表和根际铁膜中的Fe浓度和Mn浓度呈显著正相关（P＜0.05）。结论：赤泥的添加促进了水稻的生长，且其富含铁氧化物的特性还可以促进水稻根表和根际铁膜的形成，通过铁膜中的Fe 和Mn对Cd富集作用来减少水稻秸秆和籽粒对Cd的吸收。因此，利用富含铁氧化物的赤泥作为钝化材料修复中低度Cd污染稻田有望达到较好的修复和利用效果。

关键词：水稻；赤泥；镉；根际；铁膜

引用格式：杨俊兴，郭庆军，郑国砥，杨军，万小铭，郭俊娒，周小勇，刘志彦，曹柳，卢一富，李真理，孔令雅.赤泥条件下水稻根际铁膜形成及镉吸收机理研究［J］.生态环境学报，2016，25（4）:698-704.

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目前，我国水稻（Oryza sativa L.）土壤重金属污染的特征以中低度镉（Cd）污染为主（Cheng et al.，2005；Luo et al.，2009）。重金属原位钝化技术是符合我国国情、行之有效的镉污染土壤修复技术之一（Kumpiene et al.，2008；Kirkham，2006）。赤泥（red mud，RM）是一种富含铁铝物质的工业副产品，近年来在原位钝化修复Cd污染土壤方面效果显著（Lombi et al.，2002；Liu et al.，2011）。有研究发现赤泥对Cd有很强的吸附容量，高达22250 mg·kg-1（Liu et al.，2007），还能显著降低Cd的移动性和可交换态含量，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，最近有盆栽和田间试验报道证实中低度Cd污染稻田施加赤泥能增加水稻的产量、降低土壤中Cd的活性和抑制水稻对Cd的吸收（范美蓉等，2012；刘昭兵等，2010）。

有研究发现，水稻根部以及相关的根际微生物活动能使其根际的Fe2+被氧化成Fe3+，并在根的表面和根际形成铁膜（iron plaque）（St-Cyr et al.，1996）。已有的研究表明，湿地植物（包括水稻）根表和根际形成的铁膜对重金属耐性具有十分重要的意义，其根部和根际的铁膜能够排斥Fe、Mn、Zn等重金属进入根际区域而减少毒性（Yang et al.，2014；Cheng et al.，2014；Wang et al.，2011；Wang et al.，1999；Ye et al.，1998；Zhang et al.，1998）。到目前为止，研究富含铁铝氧化物的赤泥对水稻根表和根际铁膜的形成的影响报道仍比较少见。本文通过盆栽试验，采用赤泥（由中国铝业山东分公司拜耳法生产的富含铁铝氧化物的赤泥，具有较强的代表性）进行研究，旨在揭示：（1）在赤泥条件下水稻根表和根际铁膜形成及重金属分布特征（Fe、Mn和Cd）；（2）在赤泥条件下水稻根表、根际铁膜中重金属（Fe、Mn和Cd）分布与水稻Cd分布的潜在联系。

1　材料与方法

1.1供试材料

供试土壤采自湖南祁阳市水稻土，为河流冲积物发育而来的酸性潮泥田。土壤的一些基本理化性质为：pH值5.31，有机质含量22.6 g·kg-1，全氮1.65 mg·kg-1，阳离子交换量11.1 cmol·kg-1，全镉0.11 mg·kg-1，DTPA提取态铁、锰和镉分别为128.7、25.4、0.014 mg·kg-1。土样经室内风干后过1 mm孔径塑料筛后，通过向土壤中均匀喷施氯化镉（分析纯），搅拌混匀后老化培养3个月得到镉的添加含量为2和5 mg·kg-1的人为污染土，老化2个月后存储备用。

供试赤泥（pH为11.1）取自山东省淄博市山东铝业股份有限公司，经X-射线衍射分析其矿物组成为：SiO2（20%），Fe2O3（28%），Al2O3（21%），CaO（6.2%），MgO（1.3%），TiO2（3.3%），K2O （0.26%）以及Na2O（11%）。利用BET/N2法测定其比表面积为12.2 m2·g-1。赤泥样品中镉含量＜0.01 mg·kg-1。在105 ℃下，将赤泥样品烘干24 h后，过1 mm筛后备用。

供试水稻（Oryza sativa L.）品种为“浙优12”，由中国农业科学研究院提供。

1.2试验设计与实施

试验共设7个处理，在2和5 mg·kg-1两种镉含量条件下，试验设置3个赤泥施用量，以质量分数计（W/W）：（1）Cd0-RM0（对照，CK），不施镉污染物和赤泥；（2）Cd2-RM0，2 mg·kg-1镉含量下不添加赤泥；（3）Cd2-RM0.5，2 mg·kg-1镉含量下添加0.5%赤泥，即7.5 g·pot-1；（4）Cd2-RM1，2 mg·kg-1镉含量下添加1%赤泥，即15 g·pot-1；（5）Cd5-RM0，5 mg·kg-1镉含量下不添加赤泥；（6）Cd5-RM0.5，5 mg·kg-1镉含量下添加0.5%赤泥，即7.5 g·pot-1；（7）Cd5-RM1，5 mg·kg-1镉含量下添加1%赤泥，即15 g·pot-1。

赤泥于移栽前1周均匀施入土壤，除赤泥施用量不同之外，为保证水稻生长养分充足，土壤中施入CO（NH2）2、CaH2PO4、KNO3（N、P、K含量分别为150 mg·kg-1）。

采用直径40 µm滤网制成高10 cm、直径8 cm根际袋，放入高12 cm、底径10 cm、口径15 cm 的PVC盆。充分拌匀后，将石英砂装入根际袋内，每袋400 g，视为根际，放入盆内正中央。根际袋外（盆内）装土1.5 kg，视为非根际。每盆共计重1.9 kg。土壤装好后淹水，高出土面约2 cm，平衡2周，备用。

水稻种子用30%的双氧水浸泡杀菌15 min，用去离子水洗净后，直播于根际袋中的石英砂中。每盆2株苗，每个处理4个重复，共计28盆，在温室培育120 d后收获。试验期间温度为18～28 ℃，光照为自然光，相对湿度为65%～85%。整个水稻生长过程根据当地农田管理习惯进行管理，自来水浇灌。

1.3样品的采集与测定

水稻成熟后，每个处理分别取水稻植株进行测定株高。然后将水稻从根际袋中取出，并分别在各盆取根际袋中的石英砂样品，用超纯水洗干净水稻根部和石英砂样品，然后用DCB法（Taylor et al.，1983）提取湿地植物根表和石英砂中的铁膜，提取液定容后用ICP-MS（Elan 5000，Perkin Elmer，USA）进行测定溶液中的Cd、Fe和Mn元素含量。

水稻提取铁膜后将植物用超纯水洗净，于65 ℃烘箱中烘干至恒重，将地上部和地下部分分开，分别称量并计算其地上和地下部分干重。 称量植物样约0.5 g放入消化管中，加入5 mL浓硝酸（超级纯），浸泡过夜；放入消化炉内进行消化后用超纯水定容；然后用ICP-MS测定消解溶液中Cd的浓度。为了进行质量控制，测试样品中包含空白和标准物质GSV-2（灌木叶片）（中国地矿部物化探研究所）。

水稻铁膜及体内对重金属的吸收根据以下公式进行（Liu et al.，2004）计算。

其中TDCB-m、TRoot-m、TStraw-m和TGrain-m表示为铁膜、根部、秸秆和籽粒部分的Cd积累量（μg），分别由铁膜、根部、秸秆和籽粒部分的Cd含量（mg·kg-1）和对应的生物量相乘所得。

水稻收获后，分别在各盆采集根际袋中的非根际土壤样品，自然风干，磨碎，过0.149 mm的尼龙筛。测定土壤的pH值和DTPA态镉浓度（Lindsay et al.，1978）。

1.4数据分析

应用SPSS 14.0和Microsoft Excel进行有关数据计算和统计处理，统计方法采用LSD多重比较法，差异显著性水平为5%。

2　结果与分析

2.1不同赤泥施用量对水稻株高和生物量的影响

由表1所示，与对照相比，2 mg·kg-1镉处理提高了水稻的株高和降低了水稻的生物量（根、秸秆和籽粒），其中，只有籽粒重减少幅度达到了显著水平；5 mg·kg-1镉处理则显著降低了水稻的株高、根干重、秸秆干重和籽粒重（P＜0.05）。与未添加赤泥处理相比，赤泥施用量的添加显著提高了水稻的株高、根干重、秸秆干重和籽粒重，2 mg·kg-1镉处理条件下提高幅度为6.5%～9.3%、31.3%～42.2%、34.9%～48.5%和132.0%～152.0%；5 mg·kg-1镉处理条件下提高幅度为7.4%～10.7%、59.5%～67.6%、50.0%～ 56.5%和216.0%～261.0%。

2.2不同赤泥施用量对水稻根、秸秆和籽粒镉含量的影响

由表2所示，在两种镉处理条件下，水稻根、秸秆和籽粒中镉的含量随着赤泥施用量的添加有逐渐下降的趋势，且随赤泥施用量的增加其下降幅度增大。与未添加赤泥处理相比，赤泥的施用显著降低了水稻根、秸秆和籽粒中镉的含量。在2 mg·kg-1镉处理条件下水稻根、秸秆和籽粒中镉含量下降幅度为27.8%～40.2%、23.8%～48.8%和45.5%～66.7%；5 mg·kg-1镉处理条件下下降幅度为23.6%～27.1%、20.1%～34.1%和68.3%～103.0%。

表2　赤泥施用量对水稻根、秸秆和籽粒镉含量的影响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不同赤泥施用量对水稻根表和根际铁膜的影响

由表3所示，在两种镉处理条件下，与未添加赤泥处理相比，赤泥的添加显著提高了水稻根表和根际铁膜中铁、锰和镉的含量，且随赤泥施用量的增加而增加。水稻根表铁膜中铁、锰和镉含量提高幅度分别为64.5%～107.0%、13.9%～43.7%和20.8%～69.9%；水稻根际铁膜中铁、锰和镉提高幅度分别为93.8%～206.0%、20.1%～42.2%和17.3%～111.0%。根表和根际铁膜中铁、锰和镉的含量高低顺序为：铁＞锰＞镉。根表铁膜中的铁、锰和镉含量显著高于非根际。此外，与对照相比，两种镉处理也显著提高了水稻根表和根际铁膜中铁和锰的含量（P＜0.05）。

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

表3　赤泥施用量对水稻根表和根际铁膜铁、锰和镉含量的影响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　赤泥施用量对水稻非根际土壤pH和DTPA态镉质量分数的影响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不同赤泥施用量对非根际土壤pH和DTPA提取态镉的影响

由表4可以看出，施赤泥能显著提高土壤pH值，且随赤泥施用量的增加而增加；与对照处理相比，在两种镉处理条件下，RM-0.5%和RM-1%两个处理土壤的pH值提高程度均达到显著水平（P＜0.05）。施赤泥显著降低了镉处理土壤中的DTPA提取态镉含量（P＜0.05），且随赤泥施用量的增加其降低幅度加大；与对照处理相比，在2和5 mg·kg-1镉处理条件下，添加赤泥土壤的DTPA提取态镉含量分别降低17.9%～47.9%和26.3%～48.6%。

2.5不同赤泥施用量对水稻镉分布的影响

由表5可知，在未添加赤泥的镉污染处理条件下，镉在水稻中的分布顺序为：秸秆＞根＞根表铁膜＞籽粒。随着赤泥的添加，镉从水稻根部向地上部分转运的量明显降低，且随赤泥施用量的增加这种趋势更为明显。在2 mg·kg-1镉处理条件下，添加RM-1%处理后，镉在水稻中的分布顺序为：根表铁膜＞秸秆＞根＞籽粒。在5 mg·kg-1镉处理条件下，添加RM-1%处理后，镉在水稻中的分布顺序为：秸秆＞根表铁膜＞根＞籽粒。

2.6施用赤泥后水稻体内镉含量与根表和根际铁膜的相关关系

对施加赤泥后水稻不同部位镉含量和根表及根际铁膜中的铁、锰和镉浓度做相关分析，得到表6。由表6可知，水稻根表和根际铁膜中镉浓度与水稻根、秸秆和籽粒的镉含量、根表和根际铁膜中的铁浓度和锰浓度呈显著正相关（P＜0.05）。此外，水稻根表和根际铁膜中的铁浓度与锰浓度也呈显著正相关（P＜0.05）。

3　讨论

表5　赤泥施用量对Cd在水稻籽粒、秸秆、根和根表铁膜中镉分布的影响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，秸秆和籽粒的镉浓度与根表和根际铁膜中铁，锰和镉浓度相关关系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

本研究结果显示，在2和5 mg·kg-1镉处理条件下，添加赤泥后，水稻株高和生物量（根、秸秆和籽粒）均有不同程度的增加，且随赤泥施用量的增加而增加，说明本试验所选用的山东铝厂赤泥对水稻生长有一定促进作用。山东铝厂曾将经过赤泥处理后配制而成的硅钙肥施用于缺硅土壤，可使水稻、花生和玉米等作物增产8%～10%（杨俊兴等，2013）。蔡德龙等（1998）利用郑州铝厂赤泥为主要原料配制成的硅肥试验表明，黄河冲积平原土壤施用该肥料后花生的增产率在10%以上。刘昭兵等（2010）利用郑州铝厂赤泥为钝化剂施加到镉污染稻田后发现，水稻的增产率达到12.4%。盆栽条件下，范美蓉等（2012）将郑州铝厂赤泥施加到镉污染水稻土后发现，水稻株高、有效穗数和产量分别提高了5.02%、1.12%和6.93%。虽然本试验所用赤泥有较高的pH、较大的比表面积和成分复杂的特点，但其含有较高的硅、铁等矿物元素，对土壤具有一定的增肥作用。从本试验结果可知，施加低剂量的赤泥对提高土壤肥力具有一定的作用，但赤泥施加到土壤中对土壤理化性质和肥力等因素的长期影响仍需要深入研究。

本研究结果发现，添加赤泥能有效降低水稻对Cd的吸收，与对照相比，添加赤泥后，水稻根、秸秆和籽粒中镉浓度下降幅度分别为23.6%～40.2%、20.1%～48.8%和45.5%～103%。在本研究中，赤泥降低水稻对镉的吸收的主要原因有以下几点：

（1）pH的提高。赤泥富含大量K、Na、Ca、Mg、Si、Fe、Al等成分，碱性较强，pH一般可达11～13，本研究所用赤泥pH为11.1，施入土壤中可有效提高土壤pH值。大量研究表明，赤泥可通过显著提高土壤pH来降低重金属活性。Gray et al.（2006）研究发现，添加3%和5%（W/W）的赤泥均能显著提高土壤pH，降低污染土壤中可交换态Cd含量及供试植物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换态Cd含量降低91%，玉米Cd含量降低幅度可达54%。本试验中，所添加0.5%和1%（W/W）赤泥也显著提高供试酸性土壤的pH（P＜0.05），而土壤pH升高将直接使大量易溶性Cd向难溶态转化。此外，本研究发现，随着赤泥用量的增加，土壤pH的增加与土壤有效态镉浓度的降低也显著相关（P＜0.05），这表明pH的升高是导致土壤镉活性降低的主要原因之一。

（2）赤泥降低了土壤有效态Cd的浓度。赤泥可以通过自身的铁铝氧化物与土壤中水溶态Cd和可交换态Cd发生专性吸附而降低其有效性。Lombi et al.（2003，2002a，2002b）的研究结果认为赤泥的主要成分铁铝氧化物对Cd产生专性吸附是赤泥高效吸附Cd的主要原因。Luo et al.（2011）通过吸附实验，Cd连续提取技术和XANES法（X射线近边吸收谱学）对Cd在赤泥中的吸附方式进行研究发现，虽然Cd在赤泥表面的吸附是以外层吸附（约65% Cd）为主，但是存在以XCdOH（X表示赤泥表面的氧化物官能团）形式的内部吸附（约35% XCdOH）。丁琼等（2012）研究发现，在pH较高（pH 8.9）的潮土中添加0.5%（W/W）的赤泥后，虽然土壤pH没有明显变化，但赤泥处理显著降低了土壤中水溶态Cd和可交换态Cd的含量，提高了残渣态Cd的含量，从而降低了土壤中Cd的活性。

（3）赤泥中的铁氧化物促进了水稻根表和根际铁膜的增加。铁膜的形成一般需要满足两个条件：（1）植物生长介质中必须要有充足的铁、锰元素；（2）铁膜形成部位有局部的氧化环境。在本研究中，这两个条件均满足，且赤泥添加量和水稻根表和根际铁膜中的铁和锰浓度呈现显著正相关（P＜0.05）。由此可见，所添加赤泥促进了水稻根表和根际铁膜的增加。此外，研究结果还发现，水稻根表和根际铁膜中镉含量与水稻根镉含量、秸秆镉含量、籽粒镉含量、根表和根际铁膜中的铁浓度和锰浓度呈显著正相关（P＜0.05），这表明水稻根表和根际形成的铁膜对生长介质中的Cd有一定的富集作用。根据前人对铁膜富集重金属的研究发现，对一些以阳离子形态存在的重金属元素（Zn、Pb、Cd、Cu和Ni等）来说，吸附在根表铁膜上的比例均小于总量的50%，大部分累积在根部组织中（Ye et al.，1997，2001；Mao et al.，1998）。本实验结果还发现，在未施赤泥条件下，水稻总Cd约18%沉积在根表铁膜，添加赤泥后，这一比例增加到30%～38%，这表明随着铁膜的数量增加，根表铁膜富集的Cd也增加。有研究认为铁膜对重金属的富集作用可能在一定程度上取决于铁膜的数量。Otte et al.（1991）发现湿地植物Aster tripolium根表铁膜能富集Zn，当铁膜Fe在 500～2000 nmol·cm时能促进植物对Zn的吸收，当铁膜数量不在这个范围时则植物对Zn的吸收较低。Zhang et al.（1999）对水稻研究也发现铁膜对Zn的富集作用受一定数量范围的铁膜限制。最近，有研究发现，渗氧能力强的湿地植物（水稻）品种可在根表和根际形成较厚的铁膜，从而具有较强的重金属（Cd、Pb、Zn）耐性和较低的吸收能力（Yang et al.，2014；Cheng et al.，2014；Wang et al.，2011）。同样，有研究发现铁膜诱导形成宽叶香蒲根表沉积的Cu浓度明显高于对照（Otte et al.，1991），但Liu et al.（2008）研究发现，在水培条件下，水稻根表铁膜沉积的Cd浓度未明显高于对照。造成这种不同结果的原因可能是铁氧化物膜在不同的环境条件下，如不同土壤pH值、不同植物种类、不同土壤类型、不同微生物种群等环境因素，其根表形成的铁膜对以不同阴离子和阳离子形态存在的污染物的结合方式和吸附能力的不同所造成的（Batty et al.，2000）。

综上所述，赤泥的添加促进了水稻的生长，提高了土壤pH，且赤泥中的铁氧化物促进了水稻根表和根际铁膜的增加，水稻根表和根际形成的铁膜对土壤中的Cd有一定的富集作用，这种吸附可能取决于根表和根际铁膜形成的数量。同时，赤泥可能存在对Cd的专性吸附来降低水稻对Cd的吸收。因此，赤泥的添加显著降低了土壤镉的活性。此外，由于原料不同，生产工艺不同可能导致赤泥成分差异较大，在利用赤泥修复稻田时可以考虑采用富含铁氧化物含量较高的赤泥作为钝化材料，提高水稻根表和根际铁膜形成的数量，以达到较好的修复效果。另外，在研究方法和研究手段上，应注重新技术的开发与应用，如一些微观分析技术的应用，特别是同步辐射X射线吸收结构光谱分析能够为水稻根表铁膜对Cd吸附微观结构提供最直接的证据，将对施加赤泥后对水稻根表和根际Cd形态变化的认识提高到分子水平。

4　结论

（1）赤泥显著增加了水稻的株高、根干重、秸秆干重和籽粒重；显著降低了供试水稻根部Cd浓度、秸秆Cd和籽粒Cd的浓度，下降幅度分别为23.6%～40.2%、20.1%～48.8%和45.5%～103%。同时也增加水稻的根表和根际铁膜中Fe、Mn和Cd的浓度。与对照相比，水稻根表铁膜中Fe、Mn和Cd浓度提高幅度分别为64.5%～107%、13.9%～43.7% 和20.8%～69.9%；水稻根际铁膜中Fe、Mn和Cd提高幅度分别为93.8%～206%、20.1%～42.2%和17.3%～111%。根表和根际铁膜中铁、锰和镉的含量高低顺序为：铁＞锰＞镉。根表铁膜中的铁、锰和镉含量显著高于非根际。

（2）水稻根表和根际铁膜中Cd浓度与水稻根Cd浓度、秸秆Cd浓度、籽粒Cd浓度、根表和根际铁膜中的Fe浓度和Mn浓度呈显著正相关，在赤泥条件下水稻根表铁膜和根际铁膜的厚度增加同时也增加了对镉的吸附能力，减少了镉从地下到地上部分的转运。

（3）赤泥可提高土壤pH和降低土壤中镉的有效性（专性吸附），降低水稻对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，Fe 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

中图分类号：X53； S511

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）04-0698-07

基金项目：国家自然科学基金项目（41201312）；973项目（2014CB238906）；国家高技术研究计划项目（2012AA06A202；2013AA06A211-2；2014AA06A513）；北京市科技计划项目（Z131100003113008）

作者简介：杨俊兴（1978年生），男，助理研究员，博士，主要从事污染生态学方面研究。Email:yangajx@igsnrr.ac.cn

*通信作者，E-mail:liuzhiyan008@126.com

收稿日期：2015-06-02