稻田土壤重金属污染治理理论与实践

　　本书面向我国稻田土壤重金属污染治理的国家重大需求及相关科学与技术挑战，从地球表层系统科学的视角，全面介绍了稻田土壤重金属污染控制理论、技术及应用。理论部分，首先介绍了研究方法与水稻吸收转运矿质元素的基本过程，然后介绍了镉、砷、汞、铅、铬、锑等重（类）金属在土壤-水稻体系中的迁移转化。技术部分，介绍了土壤-水稻体系多介质界面的镉砷同步钝化与生理阻隔技术。应用部分，介绍了区域稻田土壤重金属污染源解析方法及应用、工程治理实践、技术标准体系。

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目录
序一
序二
前言
第0章 绪论 1
第1章 土壤-水稻体系重金属迁移转化研究方法 7
1.1 土壤重金属形态及其相关参数的研究方法 7
1.1.1 重金属形态提取方法 7
1.1.2 氧化铁形态分析方法 9
1.1.3 氧化铁与重金属固相表征 11
1.2 重金属形态转化热力学与动力学研究方法 12
1.2.1 热力学研究方法 12
1.2.2 动力学研究方法 14
1.3 非传统稳定同位素分馏研究方法 16
1.3.1 同位素分馏 16
1.3.2 化学分离 17
1.3.3 质谱测试 18
1.4 重金属转化微生物的分子生物学研究方法 20
1.4.1 非原位微生物分离培养技术 21
1.4.2 原位功能微生物识别技术 22
1.4.3 微生物重金属代谢机制分析技术 23
1.5 水稻重金属转运分子生物学研究方法 28
1.5.1 重金属转运基因研究方法 29
1.5.2 酵母异源表达分析方法 33
1.5.3 重金属吸收转运的组学分析方法 33
参考文献 36
第2章 水稻重要矿质元素吸收与转运机制 40
2.1 概述 41
2.1.1 水稻吸收和转运矿质元素的基本过程 41
2.1.2 水稻吸收和转运矿质元素的重要转运蛋白 42
2.1.3 稳定同位素分馏解析水稻矿质元素吸收转运机制 44
2.2 水稻植株形态解剖结构特征 44
2.2.1 水稻植株生长发育基本过程 44
2.2.2 水稻主要器官形态解剖基本特征 45
2.3 水稻重要矿质元素吸收与转运的分子机制 50
2.3.1 硅 50
2.3.2 铁 52
2.3.3 锌 55
2.3.4 锰 57
2.4 水稻重要矿质元素的同位素分馏特征与机制 61
2.4.1 铁 61
2.4.2 锌 65
2.4.3 硅 68
2.5 展望 69
参考文献 70
第3章 土壤-水稻体系中镉迁移转化机制 79
3.1 我国稻田土壤镉污染现状及镉的赋存形态 80
3.1.1 镉的危害及土壤镉污染现状 80
3.1.2 土壤镉的赋存形态及生物有效性 81
3.1.3 镉的物理化学与地球化学性质 82
3.2 稻田土壤镉的转化机制 85
3.2.1 土壤镉形态转化的热力学机制 85
3.2.2 土壤镉形态转化的动力学机制 87
3.2.3 镉形态转化模型与土壤H+平衡模型 93
3.3 水稻植株中镉迁移转运的多介质界面机制 100
3.3.1 土壤-水稻体系多介质界面过程 100
3.3.2 水稻根系吸收镉的生理机制 102
3.3.3 水稻植株中镉的转运与解毒机制 105
3.3.4 镉从根迁移至籽粒的同位素分馏特征 107
3.3.5 水稻不同生长发育时期的镉同位素分馏 110
3.3.6 铁和锌对水稻镉吸收转运的影响 114
3.3.7 影响稻米镉积累的关键因素 116
3.4 展望 120
参考文献 121
第4章 土壤-水稻体系中砷迁移转化机制 127
4.1 我国稻田土壤砷污染现状及砷的形态 128
4.1.1 土壤砷的来源及分布特征 128
4.1.2 砷的地球化学特征 129
4.1.3 土壤砷的形态、迁移性、毒性及生物有效性 130
4.2 稻田土壤砷的转化过程与机制 131
4.2.1 土壤砷形态转化的热力学机制 132
4.2.2 土壤砷形态转化的化学与微生物机制 134
4.2.3 土壤砷形态转化的动力学机制 143
4.3 水稻植株中砷迁移过程与机制 149
4.3.1 水稻砷吸收、转运与解毒的生理机制 149
4.3.2 水稻全生育期砷转运基因的表达特征 152
4.3.3 稻米砷积累的特征 154
4.4 土壤-水稻体系中砷迁移转化的影响因素 156
4.4.1 成土母质 156
4.4.2 水分 157
4.4.3 养分 158
4.5 展望 161
参考文献 162
第5章 土壤-水稻体系中汞迁移转化机制 171
5.1 我国稻田土壤汞污染现状及其赋存形态 172
5.1.1 稻田土壤汞来源与污染现状 172
5.1.2 汞的理化性质、毒性及土壤汞的赋存形态 173
5.2 稻田土壤中汞的转化机制 178
5.2.1 汞的生物转化 178
5.2.2 汞的化学转化 185
5.2.3 土壤汞形态转化动力学和热力学 190
5.3 土壤-水稻体系中汞迁移的多介质界面机制 194
5.3.1 土壤-根系界面迁移 194
5.3.2 根系-籽粒界面迁移 195
5.3.3 水/土/叶-气界面交换 197
5.4 土壤-水稻体系中汞的同位素分馏 199
5.4.1 汞的自然稳定同位素及分馏方式 199
5.4.2 土壤-水稻体系中汞的同位素分馏特征 200
5.4.3 汞稳定同位素分馏的研究进展 203
5.5 土壤-水稻体系中汞转化和累积的影响因素 205
5.5.1 自然因素 206
5.5.2 农业活动 210
5.6 展望 213
参考文献 214
第6章 土壤-水稻体系中铬迁移转化机制 220
6.1 我国稻田土壤铬污染现状及其地球化学特性 220
6.1.1 土壤铬来源及污染现状 220
6.1.2 铬的地球化学特性 221
6.1.3 土壤铬的赋存形态、迁移性及生物有效性 222
6.2 稻田土壤中铬的转化机制 224
6.2.1 土壤铬转化的生物地球化学机制 224
6.2.2 土壤铬形态转化的动力学机制 227
6.3 土壤-水稻体系中铬迁移转运的多介质界面机制 231
6.3.1 水稻根系吸收铬的生理机制 231
6.3.2 水稻植株体内铬的转运 233
6.3.3 土壤-水稻体系中铬同位素分馏的特征 234
6.4 影响土壤-水稻体系中铬迁移转化及积累的主要因素 236
6.4.1 水稻籽粒铬积累的特征 236
6.4.2 土壤-水稻体系中影响铬迁移转化的主要因素 238
6.4.3 影响水稻籽粒铬积累的土壤理化性质 239
6.5 展望 241
参考文献 242
第7章 土壤-水稻体系中锑迁移转化机制 247
7.1 我国稻田土壤锑来源及污染现状 248
7.1.1 土壤锑来源 248
7.1.2 土壤与农产品锑污染现状 248
7.2 锑的物理化学性质及其地球化学特征 248
7.2.1 锑的物理化学性质及赋存状态 249
7.2.2 水稻土中锑的生物有效性和迁移性 250
7.2.3 水稻植株中锑的分布与毒性 250
7.2.4 稻田锑与砷的迁移转化及积累特征差异 250
7.3 稻田土壤锑的转化机制 251
7.3.1 土壤锑价态与形态转化 251
7.3.2 土壤锑价态与形态转化的化学与微生物机制 251
7.3.3 土壤锑价态与形态转化热力学机制 258
7.3.4 土壤锑价态与形态转化动力学机制 260
7.3.5 生命元素循环影响锑的迁移性 262
7.4 水稻植株中锑的迁移特征 264
7.4.1 水稻植株中锑的分布和积累 264
7.4.2 水稻根际吸收锑的特征 264
7.5 土壤-水稻体系中锑迁移转化的影响因素 266
7.5.1 水稻土理化性质的影响 266
7.5.2 水稻品种的影响 267
7.5.3 稻田环境条件的影响 267
7.6 展望 269
参考文献 270
第8章 土壤-水稻体系中铅迁移转化机制 276
8.1 我国稻田土壤铅污染现状及特征 276
8.1.1 铅及其化合物的物理化学性质 276
8.1.2 稻田土壤铅来源及污染现状 278
8.1.3 土壤铅的赋存形态、迁移性及生物有效性 281
8.2 稻田土壤中铅的转化机制 281
8.2.1 土壤铅形态转化的热力学机制 281
8.2.2 土壤铅形态转化的动力学机制 286
8.2.3 土壤铅形态转化模型与生物有效性预测 289
8.3 水稻植株中铅迁移的多介质界面机制 292
8.3.1 水稻根系吸收铅的过程及机制 293
8.3.2 铅在水稻植株中的转运过程及其机制 293
8.3.3 水稻叶片的铅吸收及转运机制 294
8.3.4 水稻籽粒中的铅积累机制 295
8.4 影响土壤-水稻体系中铅迁移转化的关键因素 295
8.4.1 影响土壤铅形态转化的关键因素 295
8.4.2 影响水稻植株铅吸收转运及籽粒积累的关键因素 296
8.4.3 农艺措施对土壤-水稻体系铅迁移转化的影响 296
8.5 土壤-水稻体系中铅同位素示踪 297
8.6 展望 298
参考文献 299
第9章 稻田土壤镉砷同步钝化技术 305
9.1 稻田土壤镉砷同步钝化技术原理 306
9.1.1 稻田土壤中镉砷迁移转化特征的差异 306
9.1.2 稻田镉砷同步钝化技术的挑战 310
9.1.3 稻田土壤中镉砷同步钝化的技术思路 312
9.2 生物炭与零价铁协同钝化稻田土壤镉砷的作用 313
9.2.1 稻田土壤镉砷协同钝化材料 313
9.2.2 降低土壤中有效态镉和砷的协同作用 315
9.2.3 促进水稻根表铁膜固定镉和砷的协同作用 316
9.2.4 降低水稻植株中镉和砷累积的协同效应 318
9.3 稻田镉砷同步钝化功能材料的研发与应用 319
9.3.1 铁改性生物炭的制备及其性能 320
9.3.2 铁改性生物炭对镉砷同步钝化的效果 322
9.4 铁改性生物炭的田间应用技术和效果 324
9.4.1 铁改性生物炭应用的剂量与效应关系 324
9.4.2 铁改性生物炭应用的稳定性 327
9.4.3 铁改性生物炭应用的长效性 327
9.5 展望 329
参考文献 330
第10章 稻田根-土界面镉砷阻控技术 333
10.1 根？土界面中铁膜阻控镉砷的技术原理 334
10.1.1 水稻根表铁膜 334
10.1.2 水稻根表铁膜对镉砷的固定效应 337
10.1.3 硝酸铁与腐殖质促进铁膜形成及固定镉砷的作用及原理 339
10.1.4 国内外根-土界面镉砷阻控技术对比 346
10.2 铁改性泥炭土壤调理技术田间应用效果 349
10.3 展望 358
参考文献 359
第11章 水稻重金属生理阻隔技术 364
11.1 生理阻隔技术原理 364
11.1.1 生理阻隔技术的概念及基本原理 364
11.1.2 硅调控水稻镉吸收转运的生理阻隔技术原理 366
11.1.3 硅调控水稻砷吸收转运的生理阻隔技术原理 372
11.1.4 硒调控水稻镉吸收转运的生理阻隔技术原理 380
11.1.5 锌、铁和锰的生理阻隔效应及机制解析 386
11.2 水稻重金属生理阻隔技术应用 389
11.3 展望 389