再谈秸秆还田 | 论其对稻田自由基产生及砷转化的影响

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南京大学周东美教授团队通过室内模拟秸秆还田过程，揭示了秸秆还田对稻田土壤理化性质以及自由基产生的影响，同时通过秸秆腐解制取秸秆源有机质，研究秸秆源有机质的光学特性以及对污染物砷的转化影响。

作者：BECT亚洲编辑部

来源：BECT期刊公号（2021年3月5日） 

欢迎关注Springer Nature集团旗下SCI期刊 Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，期刊创建于1966年，已发行超过100期。

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自由基作为一种活性物质，普遍存在于大气、水以及土壤等自然环境中。水稻是人类重要粮食作物之一，我国水稻播种面积一直稳定在4.5亿亩左右，约占全国粮食作物播种面积的1/4。对于稻田环境而言，一方面上覆水受到太阳光的照射，可以引发自由基反应，另外一方面，稻田会经历淹水-落干的循环过程，在此过程中，氧气进入稻田体系进而介导土壤中还原性物质氧化产生自由基。秸秆还田作为一种重要的农业措施，影响着土壤以及稻田上覆水的理化性质。因此，研究秸秆还田对稻田环境自由基生成的影响具有重要意义。

砷（As）是稻田中的一种常见污染物，三价砷与五价砷相比，具有更高的毒性、流动性和生物利用度，长期接触三价砷可导致癌症。因此，稻田系统中的三价砷受到很大的关注。南京大学周东美教授团队通过室内模拟秸秆还田过程，揭示了秸秆还田对稻田土壤理化性质以及自由基产生的影响，同时通过秸秆腐解制取秸秆源有机质，研究秸秆源有机质的光学特性以及对污染物砷的转化影响。

1、实验采用小麦和油菜两种秸秆，通过室内模拟秸秆还田，发现秸秆还田可降低土壤的氧化还原电位（Eh）和pH，同时增加土壤的电导率（EC）。

图1 秸秆还田对稻田土壤性质影响(a、b、c为小麦秸秆，d、e、f为油菜秸秆)

此外，秸秆还田显著促进土壤中亚铁、无定形铁的生成和羟基自由基（•OH）的产生，•OH累积浓度最高可达149 µM。通过线性拟合分析发现，•OH和土壤中亚铁浓度呈正相关，证明了氧气可以介导土壤中还原性物质亚铁产生•OH。

图2 小麦和油菜秸秆还田对•OH产生影响

2、采用小麦和油菜两种秸秆腐解来制备秸秆源有机质，并研究了有机质的光化学特性以及对砷的氧化。结果发现，小麦秸秆(DOMws)和油菜秸秆(DOMrs)的溶出有机物表现出良好的光化学特征，在氙灯照射下能有效地氧化As(III)。

图3 DOMws（a）和DOMrs（b）浓度对三价砷氧化的影响

图4 淬灭实验（a、b）、•OH累积浓度测定（c）及H2O2浓度测定（d）

淬灭实验结果表明，两种溶解有机质对As(III)的氧化均以•OH为主，而单线态氧(1O2)在DOMrs体系中也起一定作用。此外，酸性条件有利于•OH的形成，NO3 -(0.2 ~ 2 mM)对As(III)的氧化效率有抑制作用，而Fe(III)(5 ~ 50 μM)会显著促进As(III)的氧化。

致谢：

非常感谢文章通讯作者朱长银老师、周东美教授（南京大学）对本期推文的支持和帮助！

文章来源：

1. Liu, Shaochong; Wang, Dixiang; Zhu, Changyin*; Zhou, Dongmei*, Effect of Straw Return on Hydroxyl Radical Formation in Paddy Soil. Bull Environ Contam Toxicol 106, 211–217 (2021).

https://doi.org/10.1007/s00128-020-02974-y

2. Liu, Shaochong; Tan, Mengxi; Ge, Liqiang; Zhu, Fengxiao; Wu, Song; Chen, Ning; Zhu, Changyin*; Zhou, Dongmei*, Photooxidation mechanism of As(III) by straw-derived dissolved organic matter. Science of The Total Environment 2020.

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144049

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