水稻属于喜水作物，为保持充足的水分条件，在水稻营养生长期内，通常会进行淹水种植；而在成熟期前两周时，为促进水稻籽粒快速灌浆和便于收获，又会需要进行排水操作。在淹水-排水过程中，会使稻田周边的土壤环境形成周期性的厌氧-好氧环境，从而显著影响稻田的氧化还原条件，并进一步影响金属的活性及其在水稻中的富集。在这种氧化还原条件改变的情况下，土壤重金属活性的驱动机制会变得极其复杂，而现阶段又缺乏定量描述其有效态的转化过程的手段。
广东省科学院生态环境与土壤研究所刘同旭研究员团队，通过表面络合模型和动力学模型方法定量解析了厌氧-好氧条件下土壤关键元素生物地球化学过程驱动的重金属镉、锑形态转化机制。研究团队采用了室内培养的方式，以金属镉、锑为研究对象，研究了关键元素（铁、氮、硫）在氧化还原循环过程中对镉、锑形态转化的影响机制。研究发现，还原条件下，镉的有效性会迅速下降，其驱动机制与五价锑、三价锑的固定过程有关。而进入氧化条件时，由于还原产物的迅速氧化，会促使镉的有效性快速升高，但同时锑的有效性也会显著降低。针对金属镉，团队建立了包含土壤元素转化过程的动力学模型，定量评价了铁、碳、硫对镉有效性的影响，通过模型计算得到的有效态镉含量，与稻米镉含量呈极显著相关性；针对金属锑，团队则建立了锑形态转化的基元反应动力学模型，定量评价了五价锑的固定与还原过程，以及三价锑的氧化与固定过程，阐明了控制锑形态的关键过程。本研究基于土壤关键过程与模型，定量解析了土壤重金属形态转化过程，为金属有效性及定向调控提供了理论依据。
相关研究成果技近期分别发表在地球化学期刊Chemical Geology和环境科学期刊Journal of Environmental Sciences上。
图 土壤厌氧-好氧条件下土壤关键元素生物地球化学过程驱动的重金属镉、锑形态转化机制
论文信息：
[1] Yang Yang, Xiu Yuan, Wenting Chi, Pei Wang, Shiwen Hu, Fangbai Li, Xiaomin Li, Tongxu Liu, Yan Sun, Haoli Qin. Modelling evaluation of key cadmium transformation processes in acid paddy soil under alternating redox conditions. Chemical Geology. 2021, 581: 120409.
[2] Bingqing Xia, Yang Yang, Fangbai Li, Tongxu Liu. Kinetics of antimony biogeochemical processes under pre-definite anaerobic and aerobic conditions in a paddy soil. Journal of Environmental Sciences. 2022, 113: 269-280.
（省科学院土壤环境所土壤分子过程研究团队 杨阳、夏冰卿/供稿）
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