成果登记公示

成果名称：

红壤区稻田铁循环耦合镉行为的生物地球化学机制

登记日期：

2021-07-06

完成单位：

广东省科学院生态环境与土壤研究所

完成人员：

李芳柏,刘承帅,刘同旭,孙蔚旻,于焕云,崔江虎,王向琴,王琦,李晓敏

研究起止日期：

2015-01-01至2019-12-31

主要应用行业：

农、林、牧、渔业

高新技术领域：

环境保护

评价单位：

国家自然科学基金委员会

评价日期：

2020-04-26

成果简介：

• 课题来源与背景。本成果来源于国家自然科学基金委员会国际（地区）合作与交流项目“红壤区稻田铁循环耦合镉行为的地球化学机制”。 稻田土壤镉的环境行为受铁氧化还原循环影响强烈，镉在土壤中的有效性以及在水稻中的迁移转化直接影响水稻的安全生产问题。如何有效控制和减轻农田土壤重金属污染是我国必须解决的现实问题。土壤Fe(II)/Fe(III)氧化还原具有较高的地球化学活性，铁循环特征在稻田生态体系尤为突出，稻田兼性厌氧环境、水稻根系泌氧与分泌有机酸、耕作过程中大量氮肥的输入均有利于铁循环过程的发生。因此，铁循环耦合重金属镉的环境行为的研究可为解决区域性农田土壤重金属污染问题提供理论指导。
• 技术原理与性能指标。该研究以红壤区稻田土壤为研究对象，以镉在土壤中的迁移转化过程为核心，基于镉与铁、硫等元素之间的基元反应与转化动力学，建立了稻田土壤镉的表面络合模型和形态转化模型，阐明了干湿交替下不同形态镉在土壤镉迁移转化过程中的相对贡献；并运用元素地球化学、同步辐射等方法，揭示了亚铁催化氧化铁晶相转变过程、微生物异化铁还原晶相转变过程中镉的转化固定机制。以金属元素在土壤−水稻体系中吸收转运过程为核心，针对不同有效态铁、不同来源铁、不同水分管理等关键环境因子，运用稳定铁/镉/锌同位素分馏、关键功能基因的定量表达等手段，揭示了水稻吸收转运铁以三价铁螯合物形式的机理为主，阐明了孔隙水和铁膜对水稻吸收铁的相对贡献；解析了不同水分管理调控镉在土壤−水稻体系中吸收转运的机制，并从锌/镉同位素分馏角度阐明了水稻吸收转运锌、镉的拮抗机制；以镉污染稻田土壤为研究对象，研发了纳米硅溶胶、硒、铁基腐殖质等新材料，通过细胞、盆栽、田间等三个层面的试验，深入研究了新材料在水稻全生育期降低土壤有效镉、缓解水稻镉积累/毒性的效应，从细胞亚组织、功能基因表达等水平，阐明了上述新材料抑制水稻吸收积累镉的关键部位和调控机制。
• 技术的创造性与先进性。通过该项目的实施，正式发表学术论文32 篇，其中包括在Environmental Science & Technology、Geochimica et Cosmochimica Acta、Chemical Geology、Applied and Environmental Microbiology 等环境科学、地球化学、生态学等领域一区期刊上发表SCI 论文24 篇；已授权国内/国际发明专利7 件；培养国家级/省级/市级人才共8 人次；培养博士后4 名、博士研究生3 名、硕士研究生2 名；组织国际SCI 期刊的专刊3 次，组织国内学术会议3 次，并多次应邀参加国际/国内学术会议并做邀请/口头报告。相关研究成果转让给中向旭曜科技有限公司和佛山铁人科技有限公司，建设了炭基功能产品的工业化生产线，突破了土壤重金属调理产品认证的难题；炭基功能产品突破了协同实现土壤重金属污染治理、土壤质量提升、碳中和等三大国家目标的工程技术难题；为破解我国耕地土壤污染治理难题、保障粮食安全提供了技术支持。
• 技术的成熟程度，适用范围和安全性。该成果产品在广东、湖南、广西等“土十条”确定的国家土壤污染治理重点省主推应用，技术成熟、效果显著、所用材料绿色无污染更有利于提升地力。适宜在重金属污染稻田进行大面积推广应用。
• 应用情况及存在的问题应用情况及存在问题。生产的炭基功能产品累计销售37539.05吨，销售额8070万元。亩施100公斤该产品，可降低稻米镉吸收30-50%、提高产量5%-10%。产品应用过程中，应注重科研单位、企业、农户和政府部门的密切沟通和协商。
• 历年获奖情况。无。