（植物营养学专业论文）元素硫在水稻根际氧化特征及其生态效应.pdf

摘要 硫素是植物必需营养元素之一。人类活动极大地扰动了陆地生态系统硫循环，导 致土壤一植物系统硫呈明显时空变异性。已有结果表明，我国水稻土硫过量、不足并 存。元素硫( s o ) 是广泛使用的一种商品硫肥，它具有高浓度、价格低廉等优点，但 元素硫必需转化为硫酸赫作物才能吸收。根际是植物吸收养分的门户，根一土界面上 的物理、化学和生物学过程显著不同于原土体。近年来，在矿区和经济发达地区，水 稻土受重金属砷污染较普遍对稻米食品安全形成威胁。因此，研究和调控水稻对砷 的吸收过程，控制砷通过食物链传递危及人类健康具有重要的现实意义。本研究以水 稻为研究对象，采用根际盒土壤培养试验研究了元素硫在水稻根际氧化特征及其对养 分生物有效性的影响；通过根际盒土砂联合培养试验，研究了元素硫施用对水稻根 表胶膜形成的影响及其与水稻砷吸收之间的关系。试验结果表明： 1 元素硫在土壤中的氧化特征与水分管理和土壤类型有关。8 0 用问持水量( w h c ) 元素硫氧化率大于淹水l c m 。石灰岩母质发育的水稻土，元素硫的根际土壤氧化 率大于非根际土壤，而花岗岩母质发育的水稻土根际与非根际土壤中硫氧化率无 明显差异。 2 元素硫施用对水稻根形态、生长和氮、磷、硫、铁、锰的生物有效性的影响程度 取决于土壤类型和水分管理。元素硫施用能显著提高水稻氮、磷、硫、铁、锰吸 收总量，增加水稻根长、根体积和生物量。 3 砷、硫对水稻生物量的影响具有相互作用。在无硫、低硫供应条件下，施用a s 2 0 m g k g 能导致水稻根、地上部分干重下降：而在高硫( 1 2 0 m g l k g ) 供应下，施 用a s 2 0 m g k g 能导致水稻根、地上部分生物量有增加的趋势。没有施砷条件下， 低剂量硫施用对水稻根、地上部分生物量影响不大，但高剂量硫施用能导致水稻 地上部分、根干重下降。 4 土施a s 2 0 m g k g 显著提高水稻植株体砷浓度，水稻植株体砷浓度是对照( 无砷处 理) 的1 1 - 8 3 倍。 5 水稻吸收砷主要分布在根部，水稻根表铁、锰胶膜砷占根中全砷的9 0 。 6 与不施硫对照相比，土施s 0 3 0 m g k g ，1 2 0 m g k g 能抑制水稻砷吸收，水稻地上部 分砷浓度分别减少1 4 4 ，2 6 7 ：水稻根中砷浓度分别减少o 9 ，1 3 ，2 ：去除 铁膜根中砷浓度分别减少7 5 ，2 8 7 。 7 元素硫施用能诱导水稻根表铁锰胶膜形成。硫处理水稻根表铁、锰浓度大于不施 硫处理。在加砷处理条件下，高硫处理( 1 2 0 m g k g ) 增加水稻铁膜厚度，而低硫 处理( 3 0 m g k g ) 对水稻铁膜形成影响不明显。 8 水稻根表胶膜中硫浓度均随着元素硫施用量的增加而增大。在砷处理条件下，低 硫( 3 0 m g k g ) 施用对水稻胶膜中砷浓度影响不大，而高硫( 1 2 0 m g k g ) 施用能 导致水稻胶膜中砷浓度显著下降，减少砷在根表积累。 9 土一砂根际盒联合培养试验结果表明，硫施用诱导水稻根际铁锰胶膜形成是元索 硫施用降低水稻对砷吸收的主要作用机理。 关键词：元素硫，根际，氧化特征，铁锰胶膜，砷 a b s t r a c t s u l f u ri so n eo ft h ee s s e n t i a le l e m e n t sf o rp l a n tg r o w t h h u m a na c t i v i t yh a sg r e a t l y p e r t u r b e dt h es u l f u rc y c l et h r o u g ha n t h r o p o g e n i ce m i s s i o nf r o mf o s s i l f u e lb u r n i n g ( c o a l a n do i l ) a n df e r t i l i z a t i o n ，a n dw h i c hr e s u l t si ns p a t i a lv a r i a b i l i t yo fs u l f u ri n s o i l - p l a n t s y s t e m t h ee x c e s s i v es u l f u rw a s o b s e r v e di np a d d ya ta c i dr a i na r e a ，b u tt h ep a d d ys u l f u r d e f i c i e n c ya l s oo c c u r si n s o m ea r e ao fc h i n a e l e m e n t a ls u l f u r ( s ”) i so f t e nu s e da sa f e r t i l i z e rt om e e tt h es u l f u rd e m a n d o f c r o p s i th a sh i g hc o n c e n t r a t i o n a n d c h e a pp r i c e t h e s om u s tb eo x i d i z e dt o5 0 4 b ys o i lm i c r o o r g a n i s m ，b e f o r ei tb e c o m e sp l a n ta v a i l a b l e ，t h e r h i z o s p h e r e i sak e yz o n ew i t hr e s p e c tt ot h em e c h a n i s m so fs o i ln u t r i e n td y n a m i c s p h y s i c o c h e m i c a lp r o c e s s e sa tt h es o i l r o o ti n t e r f a c ed i f f e rc o n s i d e r a b l yf r o mt h o s ei nt h e n o n - r h i z o s p h e r es o i l i nt h er e c e n ty e a r s ，p a d d ys o i l h a sg r e a t l yb e e nc o n t a m i n a t e db y a r e n s i c t h ec h r o n i ca sp o i s o n i n gb yd r i n k i n gt u b e w e l lw a t e ra n dt h ec o n s u m p t i o no f a s - c o n t a m i n a t e df o o di sad i s a s t e ro nah u m a nh e a l t hs c a l e i th a sap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b yd e c r e a s i n ga sc o n c e n t r a t i o no f r i c e i nt h ep r e s e n ts t u d y ，c h a r a c t e r i s t i co fe l e m e n t a l s u l f u ro x i d i z a t i o ni nt h er h i z o s p h e r eo f r i c e ( o r y z as a t i v a ) a n di t ss i g n i f i c a n c eo n n u t r i e n t s b i o - a v a i l a b i l i t yw a ss t u d i e di n as o i lc u l t u r ee x p e r i m e n tu s i n gar b i z o b o xt e c h n i q u e ，a n d e f f e c to fe l e m e n t a ls u l f u rs u p p l yo nf o r m a t i o no fi r o nm a n g a n e s ep l a q u eo fr i c e ( o r y z a s a t i v a ) r o o t s u r f a c ea n di t s i m p a c t o na r s e n i c u p t a k eb y r i c e s e e d l i n g s w e r ea l s o i n v e s t i g a t e di nas o i l s a n dc o m b i n a t i o n c u l t u r ee x p e r i m e n tu s i n gar h i z o b o xt e c h n i q u e t h e m a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w i n g ： 1 s i g n i f i c a n td i f f e r e n c e so f e l e m e n t a ls u l f u ro x i d i z a t i o nb e t w e e nt h er h i z o s p h e r eo fr i c e a n dn o n r h i z o s p h e r ew e r ed e t e r m i n e di nd e p e n d e n c eo nw a t e rm a n a g e m e n ta n ds o i l t y p e e l e m e n t a ls u l f u ro x i d a t i o nr a t e si nr h i z o s p h e r ea n dn o n - r h i z o s p h e r eo f r i c ew e r e l o w e ra tw a t e r - l o g g e d ( 1c mw a t e rd e p t h ) t h a na e r o b i cc o n d i t i o n ( 8 0 w i l e ) o nt h e p a d d ys o i lo r i g i n a t e df r o ml i m er o c k ，o x i d a t i o nr a t eo f e l e m e n t a ls u l f u ri nr h i z o s p h e r e o fr i c ew a s g r e a t e r t h a n n o n - r h i z o s p h e r e a t w a t e r - l o g g e d ( 1 c mw a t e rd e p t h ) a n d a e r o b i cc o n d i t i o n ( 8 0 w h c ) h o w e v e r ，t h ed i f f e r e n c ew a sn o to b s e r v e do nt h ep a d d y s o i lo r i g i n a t e df r o m g r a n i t e 2 e f f e c t so fe l e m e n t a ls u l f u rs u p p l yo nt h eb i o a v a i l a b i l i t ya tw a t e r - l o g g e d ( 1 c mw a t e r d e p t h ) a n d a e r o b i c c o n d i t i o n ( 8 0 w h c ) o fn i t r o g e n ，p h o s p h o r u s ，s u l f u r , i r o n ， m a n g a n e s e ，a n d r o o tm o r p h o l o g yo fr i c ea n di t sb i o m a s sd e p e n d e do ns o i lt y p e ，w a t e r i i i 3 4 5 6 7 8 9 m a n a g e m e n t g e n e r a l l y , e l e m e n t a ls u l f u rs u p p l yi n c r e a s e dr i c eu p t a k eo nn i t r o g e n ， p h o s p h o r u s ，s u l f u r , i r o n ，m a n g a n e s e ，a n dr e s u l t e di ni n c r e m e n to f t h er o o tl e n g t h ，r o o t v o l u m e ，d r yr o o tw e i g h ta n db i o m a s s e r i e c t so fa r s e n i ca n ds u l f u rs u p p l yo nr i c ed r yw e i g h te x h i b i t e da no b v i o u si n t e r a c t i o n ， s u p p l yo f a s 2 0 m g k gc o m b i n e dw i t hs ”3 0 m g k gr e s u l t e di nd e c r e m e n to f r i c er o o t ， s h o o t d r yw e i g h t b u tr i c er o o t ，s h o o td r yw e i g h ts h o w e dt o h a v eai n c r e a s i n g t e n d e n c yw h e ns u p p l yo fa s2 0 m g k gc o m b i n e dw i t hs o 12 0m g k g s u p p l yo fs o 12 0 m g k gr e s u l t e di nd e c r e m e n to fr i c er o o t ，s h o o td r yw e i g h tr e l a t i v et ow i t h o u t s u l f u ra d d e d ，b u tt h ed i f f e r e n c ew a sn o to b s e r v e dw h e n a p p l i c a t i o no f s o3 0 m g k g s u p p l y o fa s 2 0 m g k gs i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e dc o n t e n t so fa si n r i c et i s s u e s c o n c e n t r a t i o no f a s i n t i s s u eo f r i c eg r o w na t a s2 0 m g k g w a s1 1 - 8 3 t i m e s o f t h o s eo f r i c eg r o w nw i t h o u ta s s u p p l y a r s e n i cw a sm a i n l yd i s t r i b u t e da tt h er o o t so fr i c er e g a r d l e s so fs u l f u rs u p p l y a n dt h e a r s e n i cc o m b i n e dw i t hi r o np l a q u ea c c o u n t e df o r9 0 o f a si nr o o t s s u p p l yo fs ”3 0 m g k g ，12 0 m g k gd e c r e a s e dc o n c e n t r a t i o n so f a r s e n i ca tr i c es h o o tb y 1 4 4 a n d2 6 7 r e s p e c t i v e l y ；a n do 9 a n d1 3 2 r e s p e c t i v e l yf o rr i c er o o t ；a n d 7 5 ，2 8 7 r e s p e c t i v e l y f o rr o o tw i t h o u ti r o n p l a q u er e l a t i v e t ow i t h o u ts u l f u r s u p p l y c o n c e n t r a t i o n so fi r o n ，m a n g a n e s ei ni r o np l a q u eo fr i c er o o ts u r f a c ew e r eo b v i o u s l y g r e a t e ra ts u l f u rs u p p l yt h a nw i t h o u ts u l f u rs u p p l y ，i m p l y i n gt h a ts u l f u rc a ni n d u c e f o r m a t i o no fi r o np l a q u eo fr i c er o o ts u r f a c e s u p p l yo fs ”1 2 0 m g k gi n c r e a s e di r o n c o n c e n t r a t i o nw i t ha r s e n i cs u p p l y , b u ti tw a sn o td i f f e r e n c ea ts u p p l yo fs o 3 0 m g k g 1m h c l - e x t r a c t a b l es u l f u ri ni r o np l a q u eo fr i c er o o ts u r f a c ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n g r a t eo fs u l f u rs u p p l y s u p p l yo fs ”1 2 0 m g k gd e c r e a s e dd c b a n d1m h c ie x t r a c t a b l e a r s e n i ci ni r o n p l a q u e ，b u tt h e d i f f e r e n c ew a sn o to b s e r v e dw h e ns u p p l yo fs ” 3 0 m g k g t h es o i l s a n di n c u b a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e ds u l f u r i n d u c e df o r m a t i o no fi r o n p l a q u eo fr i c e r o o ts u r f a c ew a sm a i n l ym e c h a n i s mc o n t r o l l i n gt h ee f f e c to fs u l f u r s u p p l y o na r s e n i cu p t a k ei n t or o o t s k e yw o r d s ：e l e m e n t a ls u l f u r ，r h i z o s p h e r e ，o x i d a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，i r o nm a n g a n e s e p l a q u e ，a r s e n i c i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 ，、 研究生签名： 给超 时间： j ”厂年，月2 o 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内溶。 中科院南京土壤所研究生研究成果知识产权认定书 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：冱亟 时间： 2 0 , j 年z 月力同 第一导师签名 幺盈军 时i - 自j ：耐年月击同 文献综述 1 水稻土硫砷现状与作物硫砷生态效应 1 1 水稻土硫砷现状 植物可通过根系从土壤中吸收s 0 一斗和叶片同化大气中的s 0 2 两种途径来满足 自身的硫素营养，但植物叶片主要依靠土壤的硫素供应来满足体内的硫素营养。因 此，土壤是作物所需硫的重要来源。土壤硫素含量差异大，硫化物种类繁多，硫价 态变化复杂。世界土壤硫含量为3 0 1 6 0 0 m g k g ，其中值为7 0 0 m g k g ，中国土壤全 硫含量约为1 0 0 5 0 0 m g k g 。我国北方石灰性土壤含硫较为丰富，有机质含量低的 土壤、酸性土壤和淋洗严重的土壤一般含硫量较低。据南方十省统计，土壤全硫平 均含量为1 9 9 2 m g k g ，土壤有效硫平均含量为3 4 3 m g ，k g 。 水稻是世界上种植面积最广泛的粮食作物之一。我国稻米产量占世界4 0 左 右，水稻土面积为0 2 5 亿公顷，占世界2 3 。水稻土和其他土壤有很大的差异。水 稻土是经过人为长期间歇季节性淹水灌溉耕作或水旱交替耕作下，使原来的成土母 质或母土进行着特定的氧化还原交替与淋溶淀积，形成一系列新的发生层次和土体 构型，淋溶物质在剖面上淀积和分化，从而形成了铁锰锈斑，狄色胶膜与潜育斑纹 相互镶嵌的形态特征与相应的发生层次组合| 4 j 。 稻田土壤硫素状况既与成土母质有关，也受大气沉降的影响，还与耕作、施肥、 灌溉等农业技术措施密切相关l s l 。我国南方水稻土全硫为o 0 1 6 3 1 6 】。我国水田土 壤有效硫临界含量2 0 m g k g ”l 。水稻土中硫的主要形态为有机硫，占全硫的8 6 9 4 ，主要化合物包括硫酸酯、含硫氨基酸、谷胱甘肽、硫砜类化合物等；无机硫化 物有十几种，如s o 。2 、s 2 - 等队 自然界中含砷矿物有2 0 0 多种。因为砷是亲硫元素，故矿物中的砷主要是以硫 化物的形态存在。砷的硫化物有6 0 7 0 种之多一j 。谢f 苗等测定了浙江省1 5 种不同 母质发育的土壤含砷平均含量，范围1 8 9 - 2 2 2 2 m g k g ，平均为8 8 1 m g k g 。总的趋 势看，石灰岩、浅海沉积物、冲积物发育的质地较重、有机质较多的土壤含砷较多， 而发育于花岗岩、凝灰岩等火成岩母质之上的砂性土壤含砷量较低 9 1 。水稻土含砷 范围4 5 2 6 6 m g k g ，平均为7 5 m g & g ，其中以河流冲击物和湖积物发育的水稻土 含砷变幅较小。 1 2 作物的硫营养与重金属胁迫效应 据统计，在中国施用硫肥可提高二十多种作物产量，施硫产量增幅可达4 5 一4 0 【1 0 1 。在我国已有1 8 个省区报道了硫肥的增产效应，涉及有粮食作物、油料作物、 蔬菜等2 0 多种作物，以长江以南地区表现得最为突出j 。黑龙江省一些地区施用 硫肥可使玉米、大豆和水稻增产，尤其在水稻上的增产效果更加明显【i ”。 缺硫阻碍蛋白质的合成，使非蛋白氮在体内积累，限制了植株的生长。缺硫 使叶绿体结构发育不良，光合作用受到明显影响【i 。缺硫减少了玉米对其他营养元 素的吸收，造成营养失衡。 然而，近年来随着无硫或低硫高浓化肥的广泛使用，对土壤硫索的归还和补充 不断减少，作物与土壤缺硫的报道逐年增多。刘崇群等对我国南方1 0 省土壤硫状 况进行了研究，结果表明，缺硫土壤面积约占耕地总面积的l 4 l “】。金继运通过对 全国1 3 省土壤调查认为，我国有1 5 的土壤存在缺硫或潜在性缺硫。在许多国 家或地区，缺硫已经成为限制农业生产发展的重要因素【1 7 。 除了营养作用外，硫在植物解毒、防卫和抗逆等过程中也起一定的作用，对植 物生命活动有着极其重要的影响【l ”。据报道，植物体内的谷胱甘肽( g s h ) 、非蛋 白巯基( n p t ) 可能是植物消除重金属镉胁迫的主要成份之一。这些组分的特点之 都含硫，富含半胱氨酸残基( - - s h ) f i ”。n i c i t o 等报道，镉胁迫能够明显地诱导 植物根系中的高亲和吸硫系统的表达，从而促进了硫素的吸收和植株体内含硫物质 的代谢。这些结果似乎说明了如果提高植物中硫含量就可能有助于增强植物对有害 重金属胁迫的抗性或耐性【2 “。硫素可以使植株的抗性增强，硫肥的施用促进了富硫 蛋白质的合成，增加了螯合物的比例，使植物对重金属铬的中毒反应得到缓解【“1 。 因而，研究硫在农用生态系统的化学行为、生物有效性及其生态效应既有理论 意义也有实践价值。 1 。3 作物砷害和砷污染 水稻对砷化物的反应比较敏感，但微量砷化物对水稻生长有促进作用，产生这 种效果的原因还不完全清楚。这种促进作用可能是微量砷能促进土壤中不可给态磷 有效化，砷的还原作用提高了植物细胞中氧化酶的活性，同时促进土壤微生物的活 动一j 。砷严重污染时会造成水稻死亡，在致死剂量以下则危害水稻的生长并导致产 量降低。试验表明，当水稻土n k 砷1 2m g k g 时，水稻减产1 3 ；加砷量为4 0 m g k g 时，减产5 0 ：加砷量为1 6 0m g k g 时，水稻已不能生长。在小麦试验中，即使加 砷量达1 6 0m g k g ，小麦的长势依然良好；加砷量为3 2 0m g k g 时，其生长才丌始出 现异常。由此可见，砷化物在水旱两种条件下对作物致害的浓度有差别。与其他早 用作物相比水稻更容易受到砷的污染原因在于土壤的淹水条件可以增加砷的毒性 和生物有效性1 9 1 。这是因为砷在土壤氧化还原电位不同时能转化成不同形态的缘故。 一般在氧化状态下砷以a s ”形念存在，在还原状态下以a s ”价态出现，而a s n 比 2 a s 5 + 有更大的毒性，所以，在淹水状态下，砷的危害增加。土壤含砷量愈高，植物 体内砷量愈多。水稻土在加砷量0 4 0m k g 的范围内糙米中含砷量随加砷量增加 而增加【2 ”。a s 对水稻的毒害机理主要体现在以下几方面：过量砷可使叶绿素形成 受阻1 2 副：引起叶面蒸腾下降，阻碍作物对水分的吸收及水分从根部向地上部分运输 【2 ”，使叶片萎黄，光合作用受抑制，作物营养生长不良；a s 是一种很强的呼吸抑 制剂，很低浓度下就能抑制呼吸作用【25 j ；干扰核酸与蛋白质的合成，抑制植物体内 磷的功能从而阻碍a t p 生成及其代谢过程【2 3 】。 在我国随着现代工业的迅速发展，废水废渣的大量排放，含砷农药、除草剂以 及化肥等化学制剂的大量施用，土壤砷污染也同趋严重。据报道，在我国因污灌引 起的土壤污染中，砷居第五位，在水体污染中，砷排在第六位【2 6 1 。a b e d i n 研究了长 期用含砷污水灌溉的水稻，不仅会污染稻田，而且使作为牲畜饲料的水稻秸秆含砷 量高达2 0 0 m g k g ，从而使砷经食物链大量进入人体内【2 7 l 。在我国砷污染严重的地 区，稻米中砷含量也超过了国家食品卫生法的规定标准( o 0 2 m g k g ) 1 2 8 】。砷的危 害已成为人们十分关注的环境问题之一。针对砷的污染问题，英国m e h a r g 的研究 小组从遗传学、生理学的角度研究了蕨类植物一鹅毛草耐砷酸的遗传机制和吸收机 理，它对砷酸的吸收是通过抑制与磷有高亲和力的吸收系统而完成的，并对耐砷和 不耐砷植物磷营养状况的基因型差异做了研究f 2 吼。最近该小组研究表明孙，亚砷酸 赫是通过甘油运输通道跨膜而进入水稻根细胞的，属于主动吸收，其跨膜运输过程 受砷酸盐含量水平的影响。 2 根际与根际效应 2 1 根际 根际( r h i z o s p h e r e ) 一词，是h i l t e r l 9 0 4 年首先提出的。他发现植物根周围的 细菌数目多于无根的土壤，把根际定义为微生物群体受到植物根系影响的那一部分 土壤微区。后来大量研究表明，根周围微区土壤不仅微生物数量受根影响，土壤物 理、化学性质与土体土壤也有很大差别。根系在生长过程中，分泌了大量有机物质， 这些有机物质与土壤腐殖质相比简单得多，很容易分解，从而微生物在根际大量繁 殖，数量超过土体几倍至上百倍。根系对微生物选择性促进作用叫“根际效应”， 可由r 与s 比来描述，r s 即根际与土体微生物数量之比。根际效应包括三个方面： 一是不同种类微生物在根际受到促进的程度不同，细菌的r s 值最大。其次是真菌 和放线菌，而藻类和原生动物根际效应不明显。另一是不同植物所产生的根际效应 大小不同。第三是不同株龄植物根际效应不同。一般而言，根际微生物以细菌占优 势，但是真菌菌丝长，从生物量上看并不总是小于细菌。根际微生物可以通过以下 几方面影响植物营养：养分的有效性。根系的生长和形态。养分吸收过程。 植物生理和发育方面【3 l 】。 2 2 根际养分的迁移与吸收 根际与土壤接触的界面上，由于根系对养分的吸收，造成根际养分离子的定向 移动。根际养分向根表迁移有两种方式，即质流和扩散。植物根系也通过主动截获 获得养分，但在养分吸收量中，通过根系截获的数量很少，通常质流和扩散是植物 根系获得养分的主要途径p 2 1 。土壤养分供应与植物吸收是两个同时进行的过程，但 两者之间很难保持一致，因此根际微区会出现养分的累积或亏缺。这种供求上的矛 盾取决于根系吸收养分和水分的能力，以及土壤中养分供应的强度和速率。因此， 影响根系吸收和土壤养分供应的各种因素如植物品种、根系特征、温度、根冠比及 土壤的理化形状如p h 、e h 、土壤含水量、紧实度等都会影响离子向根表的迁移， 尤其是土壤中离子的浓度和植物的蒸腾速率在很大程度上决定了离子向根表的迁 移方式【3 3 , 3 4 。在植物蒸腾强度一定时，土壤溶液中浓度大的离子如c a 2 十、m g n 、n 0 3 。、 s 0 4 2 。主要靠质流方式进行迁移，这些养分在根际微域易出现累积：而土壤溶液中浓 度小的离子如h 2 p 0 4 、k + 、n h 4 + 和一些微量元素如f e ”、m n 2 + 、z n ”等主要依靠扩 散方式供应养分，在根际微域易呈现亏缺【3 ”。养分在根表的累积也可能是由根系分 泌作用造成的【3 6 j 。 根系所引起的环境变化，不仅直接影响养分的生物有效性，同时也决定了某些 有益元素和重金属元素的迁移、转化和归宿。 根际e h 与土体e h 有很大区别。在旱作条件下，由于根际微生物和根系呼吸作 用消耗较多的氧气，可能会造成根际e h 下降，其结果使一些变价元素( 如f e 、m n ) 得以活化，甚至造成毒害现象【3 7 】，同时，反硝化作用也有所增加吲。水稻及一些沼 泽植物，由于通气组织从地上部分向根输氧并释放到根际，因此，e h 常高于土体， 植物可通过形成根际氧化还原屏障来降低某些重金属的毒害作用【3 ”。许多湿地或水 生植物品种根表都可观察到氧化铁在根一界面的累积【4 ，锰在根际也有相似的固 定机制【4 ”，所形成一定厚度的铁、锰氧化物胶膜对介质中的磷、锌有富集作用，对 硅的有效性也有影响【4 2 】。 2 3 水稻根际特征与重金属活性 水稻根具有分泌0 2 功能，根际氧化还原电位较高，水稻及其他水生植物适宜 在淹水土壤中生长。土壤淹水后e h 值迅速下降，水稻根系具有通气组织，0 2 可以 由地上部向根系输送，并分泌到根周围的土壤中，使根际保持相对较高的氧化还原 电位。根际氧化还原状况的变化，必然会影响到可变价离子的化学行为，如f e 2 + f e ”，m n 2 + m n 4 + 的转化，并可能影响磷的有效性。水稻根际的氧化圈对根系是一 种重要的保护带，还原性物质如f e ”、m n ”在根际被氧化并沉淀，避免了f e 2 十、 m n 2 + 的毒害。根际p h 值下降促进植物对f e 、m n 、z n 等元素的吸收【2 “。植物类型 的差异、生育期的不同以及营养元索状况对根际的e h 都将产生一定的影响。水稻 由于其根系特殊的泌氧功能、使得根际区的氧还电位和溶解氧浓度始终高于根外土 壤。根际环境的e h 条件对重金属的形态转化和毒性具有重要的影响。许多重金属 如c r 、a s 、h g 等，在环境中均以多种价态存在，而不同价态的重金属其毒性差异 可以很大。如在含砷量相同的土壤中，水稻易受害，而对旱地作物几乎不产生毒害。 这主要是由于渍水条件下，土壤呈还原态环境，而早地土壤e h 则较高，在淹水条 件下存在的还原态a s ”比氧化态a s ”易溶4 1 0 倍，其毒性也显著高于a s 5 十【4 3 】。 s h u m a n 等的研究表明，由于水稻根际中高e h 环境。使得根际铁锰氧化物增加，从 而降低了根际z n 有效态浓度1 4 4 1 。对一般的重金属元素的研究认为，在还原条件下 可增强重金属的固定作用，这主要是由于c d 、z n 、n i 、c o 、c u 、p b 重金属都能与 还原条件下的s 形成难溶性的硫化物，使它们的迁移性和生物可给性降低，从而大 大减轻了重金属的生物毒性。淹水使氧化铁活化度增加的同时，氧化铁表面的羟基 数量也增加，同时土壤p h 升高影响土壤溶液中磷酸根离子类型，进而影响磷酸根 离子与氧化铁表面配合的形式，使得土壤对磷的吸附强度增大，难以解吸 45 1 。 2 4 水稻铁锰胶膜形成与影响因素 水稻长期生长在渍水的条件下，为了适应环境，水稻的地上部分和根系的形态 结构均发生了特殊的变化，这种特殊的变化主要表现在水稻可以通过叶片将大气中 的氧气输送到根系，由根系将这部分氧气和其他的氧化性物质释放到根际，使渍水 土壤中大量存在的还原性物质如f e ”、m n ”氧化，通过这种氧化作用所形成的铁锰 氧化物可在水稻的根表及质外体沉积，呈胶膜状态包裹在根表【4 6 4 ”。根表铁锰氧化 物胶膜主要组成为铁锰的水化氧化物【4 引，它有特殊的电化学特性，属于两性胶体。 因此，胶膜可以通过离子之间的吸附一解吸、氧化一还原、有机一无机的络合等作 用方式改变根际环境中重金属阴、阳离子的存在状态，并影响这些离子的生物有效 性。根表胶膜一般有下列几种类型：铁质浸染斑、根际铁质环状物、有机铁质扩散 胶膜、铁锰胶膜、铁锰凝团、铁锰结核、铁锰斑迹。铁膜通常由无定型或结晶型 f e ( o h ) 3 、针铁矿和纤铁矿组成【3 l 3 3 j 。最近研究表明铁膜含6 3 f e r r i h y d r i t e ( 水铁 矿，六方针铁矿) ，3 2 的针铁矿和5 菱铁矿【4 8 】。根膜厚度般用根膜中铁锰离子 浓度( d c b 即连二亚硫酸钠一碳酸氢钠一柠檬酸钠浸提) 表示。水生植物铁膜重量 可达根重1 0 ，深入根内1 5 1 7 微米”1 1 。 根表胶膜的形成受铁锰的供应量、作物品种、水分和养分条件等多种因素的影 响。史锟等( 2 0 0 4 ) 的研究表明f 4 们，施铁可以增加水稻根表铁膜铁量，曾祥忠等( 2 0 0 0 ) 的结果【钟1 也显示施用铁锰肥明显增加水稻胶膜数量。不同基因型水稻品种水稻胶膜 数量不同( 刘敏超等2 0 0 0 ) ，根系氧化力高的品种根表铁胶膜比氧化力低品种多 吲( 张西科等，2 0 0 2 ) 。长期淹水根胶膜厚，于湿交替、湿润时薄胶膜铁占9 8 9 9 t 5 2 l ( 吕世华等，1 9 9 9 ) 。磷不足将增加水稻释放氧气促进铁膜形成h 。微生物也参 与氧化铁的沉淀。 根际作为物质进入植物体的必经门户，研究其微域环境中的物理、化学和生物 学过程及其相互作用，对提高养分生物有效性，控制污染物向食物链的转移，保障 生态安全，意义十分重大。目前从根际的角度出发，研究水稻根表铁锰胶膜的形成 及其对砷在土壤一植物体系中循环影响，国内外研究报道很少，有关硫元素的化学 行为对水稻根表铁膜的影响则没有报道。 3 元素硫及其转化 3 1 元素硫 元素硫( 硫磺) 是一种惰性、难溶于水的黄色固态晶体。硫磺粉末施入土壤后， 被土壤微生物氧化成硫酸，成为植物可吸收的形态。硫磺氧化的速率一方面与硫磺 颗粒的大小、施用量、施用时间和方法有关，另一方面深受环境条件的影响。增加 施用量可增加硫磺和微生物接触表面积，增加硫的氧化速率，同时硫磺颗粒越小， 表面积越大，其氧化速率也越大。温暖地区，小于0 2 5 r a m 的硫磺颗粒几乎能在当 年全部转化为有效硫形态。但在寒冷的地区，小于o 1 5 m m 硫磺颗粒才能达到与之 相当的转化速率。 3 2 影响元素硫在土壤中转化的条件 植物吸收硫的主要形态是硫酸根，硫磺必须首先经过生物氧化作用，转化为硫 酸后才能被植物吸收。硫磺在土壤中的氧化作用决定于三方面的相互作用，即土壤 微生物、硫磺的性质和土壤环境条件1 5 5 j 。 ( 1 ) 土壤微生物 有三类化学自养硫细菌参与硫氧化作用。第一类硫细菌利用无机硫氧化作用中 释放出来的能量将c 0 2 固定为有机物。最重要的自养性硫细菌是t h i o b a u l i ，它几乎 垄断了土壤中所有的硫氧化过程，并且在某些条件下十分活跃；第二类是光合硫细 菌，它利用s 2 。和s o 作为光合作用中的氧化物库；第三类是一般的异氧性微生物。 它们在某些土壤中数量大，作用也明显。硫氧化作用一般在作物根际发生较快，因 为根际环境活跃着一大批不同种类的硫氧化微生物群体。 6 ( 2 ) 土壤环境条件 硫氧化作用的速率受温度影响，不同微生物的最适温度变化很大，但硫氧化作 用速率一般在2 5 到4 0 * 0 之间最大。大多数硫氧化细菌都是好气的，在淹水条件下， 他们的活性较低；当土壤水分接近田间持水量时，最适于硫氧化作用。土壤干燥常 限制了硫氧化细菌的活性。微生物对硫的氧化作用在不同的土壤p h 范围都可发生， 尽管某些硫细菌的最适p h 为4 或更低。硫氧化微生物对土壤养分的需要除少数几 种外与植物相似。它们可以和植物竞争土壤养分，所以在施肥土壤中硫氧化作用迅 速。有机物质不是自养性硫细菌活性的必需物质，但异氧性微生物需要有机质作为 它们的能源。 4 硫元素的根际化学行为 4 1 元素硫在根际和非根际的氧化 元素硫( s o ) 可以用来做肥料以满足作物对硫的需求。还原性的硫必须经过氧 化，以9 0 4 2 - 形式才能被作物吸收。土壤中元素硫的氧化主要是一个微生物过程【5 6 1 。 在元素硫的氧化过程中，硫杆菌起了非常重要的作用1 5 “。土壤中的异养微生物也是 元素硫的氧化剂【5 ”。元素硫是被硫杆菌氧化成硫酸的。施用元素硫的同时接种硫杆 菌，经过1 2 周的培养发现，p h 从7 3 下降到3 2 。在根际同时加入元素硫和硫杆菌 比单施硫的氧化速率要快1 5 耕。g r a y s t o n e ta l ，从c a n o l a ( b r a s s i c an a p u s ) 的根际分离出 2 7 3 种细菌和7 0 种真菌。在2 7 3 种细菌中，有2 4 5 种( 8 9 7 ) 可将元素硫氧化成 硫代硫酸赫和连四硫酸赫：有1 3 3 种( 4 8 7 ) 可将元素硫氧化成s 0 4 。所有的 7 0 种真菌都可将元素硫氧化成s o 。2 。这些分离的细菌拥有最高的元素硫氧化速率 5 9 1 。 4 2 土壤根际和非根际硫的微生物量 土壤微生物量被定义为土壤有机物的活性部分【60 1 。农用土壤中，裸地硫的微生 物量在4 4 和4 9 之间；有植被地块的硫微生物量在5 2 和8 8 之间1 6 0 j “。虽 然体积很小，微生物量却在矿化一固定过程和氧化一还原过程中非常活跃，是上述 过程的驱动力。根际袋培养试验表明，水稻土非根际硫的微生物量是6 3m g k g ， 而根际中硫的微生物量为1 1 8m gk g 一。根际中硫的微生物量比非根际高大约7 2 6 3 1 。裸地壤样本的微生物硫含量一般显著低于有植被覆盖的样本1 5 0 1 ，这是因为种 植作物增加了生物活性峥。 4 3 硫元素在根际和非根际中化学行为的变异 根际袋实验显示硫组分在根际和非根际的分布会根据不同的植被类型而变化 【圳。油菜和水稻的根际总硫和无机硫( s 0 4 2 s ) 比非根际多，这可能是由于根的质 流引起的【”】。油菜根际有机硫比非根际多，而水稻根际则相反州1 。一个可能的原因 是在厌氧条件下有机质的转化受到阻碍【6 “。s t a n k o g o l d e n ( 1 9 9 1 ) 认为土壤水分肯定 与有机硫的含量有关 6 7 1 。而对水稻，土壤水分就不那么相关了，因为其根际的氧化 条件可以由水稻从顶部到根的通气组织达成，这样可以增强微生物和硫酸酯酶的活 性【6 8 , 6 9 】。 对于油菜和水稻，非根际酯键硫的含量更高畔l 。h ue ta 1 在油菜、小麦和胡萝 p