施氏矿物对淹水稻田土壤中砷的持续稳定化效应：两季水稻试验揭示的机制研究

《Journal of Hazardous Materials》：Schwertmannite maintains effective stabilization of arsenic in flooded paddy soil: Insights from a two-season rice experiment and underlying mechanisms

　　本文通过两季水稻盆栽试验，揭示了施氏矿物（Schwertmannite）在淹水条件下对砷（As）的长期稳定化机制。研究发现0.5-1%施氏矿物可使稻米砷含量首季降低60.1-62.5%，次季仍保持27.0-28.9%的抑制率。其核心机制在于次生矿物对砷的持续吸附能力（8.85-16.08 mg/g）及残余态砷（90.0-98.8%）的稳定固定，为砷污染稻田修复提供新策略。

　　

重点内容

稻田土壤与材料制备

稻田土壤采自中国湖南省株洲市污染场地表层（0-20厘米）。在污染稻田中随机采集五份土壤样品混合研究。土壤样品经自然风干后，用木锤破碎成小块，过2毫米筛，储存备用。该稻田土壤总砷含量为82.96毫克/千克，严重超过安全阈值。

施氏矿物施用对连续两季水稻籽粒砷积累及孔隙水砷浓度的影响

图1a-b显示了两季水稻种植期间籽粒总砷含量，其中施氏矿物于第一季种植前添加。首季中，0.1%、0.5%和1%（w/w）的施氏矿物处理较对照组分别使稻米砷含量显著降低39.0%、62.5%和60.1%。值得注意的是，施氏矿物处理在第二季仍表现出持久的抑制效果，稻米砷含量分别降低19.5%、28.9%和27.0%。孔隙水砷浓度变化与籽粒砷积累趋势高度一致（图1c-d），表明施氏矿物通过降低土壤溶液中生物有效态砷浓度来抑制水稻对砷的吸收。

施氏矿物施用可连续两季维持较低的水稻籽粒砷积累

由于水稻籽粒砷积累显著受土壤孔隙水溶解态砷浓度影响，通过土壤改良剂降低溶解态砷浓度对缓解水稻砷积累至关重要。本研究中，首季土壤孔隙水砷浓度显著下降主要归因于施氏矿物对砷的强吸附亲和力，促使砷在固相中保留。尽管次季孔隙水砷浓度较首季有所上升，但仍显著低于对照组，这主要得益于次生矿物对砷的持续吸附能力。有趣的是，次生矿物在还原环境中未发生相转化，有利于维持矿物结构及残余态砷在固相矿物中的稳定存在。

结论

本研究通过连续两季水稻种植试验，评估了一次性施用施氏矿物实现砷污染稻田持续修复的可行性，并重点阐明了其内在机制。结果表明，施氏矿物施用可有效降低两季水稻籽粒砷含量，且不受其相转化过程影响。一方面，施氏矿物转化形成的次生矿物保持了对砷的显著吸附容量（8.85-16.08毫克/克），实现砷的持续固定；另一方面，施氏矿物或次生矿物上形成的大量残余态砷（90.0-98.8%）增强了固相矿物稳定保留砷的能力，从而降低砷再释放风险。这些发现为理解施氏矿物在双季稻种植中有效固定砷的机制提供了新见解，对其在砷污染稻田修复中的实际应用具有重要意义。