碳基改良剂对砷污染稻田土壤的可持续修复：温室气体排放与土壤生化健康的协同调控机制

针对砷(As)污染稻田土壤修复难题，本研究系统评估了生物炭(BC)、牛粪(CD)等7种碳基改良剂对两种质地土壤(砂壤土/粘壤土)中As生物有效性、土壤碳动态及酶活性的影响。结果表明CD和BC处理使As浓度降低24-89%，显著提升微生物量碳(MBC)2-7倍，并揭示有机-砷络合是主要固定机制，为As污染农田的绿色修复提供了理论支撑。

　　

砷作为一类致癌物，在稻田淹水还原条件下会通过磷酸盐转运通道被水稻吸收，进而威胁粮食安全。全球约有5000万公顷农田面临砷污染威胁，而传统物理化学修复方法存在成本高、破坏土壤生态等问题。土壤有机碳(SOC)可通过改变砷的形态和生物有效性来影响其迁移转化，但不同质地土壤中碳源对砷固定的响应机制尚不明确。

海南大学的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表研究，选取巴基斯坦旁遮普省两种典型质地砷污染土壤（砂壤土和粘壤土），系统比较了沼气 slurry(BGS)、牛粪(CD)、生物炭(BC)等7种碳基改良剂的修复效果。通过45天室内培养实验，结合动力学模型和多元统计分析，揭示了有机改良剂通过调控土壤碳氮循环关键酶活性和微生物过程来固定砷的分子机制。

关键技术方法包括：1) 采用氢化物发生原子吸收光谱(HG-AAS)测定土壤总砷；2) 通过氯仿熏蒸-K₂SO₄提取法测定MBC和DOC；3) 使用荧光底物法检测β-葡萄糖苷酶等4种土壤酶活性；4) 便携式气体分析仪监测CH₄和N₂O排放；5) 建立曲线拟合回归模型计算砷残留池。

3.1 土壤砷浓度
CD和BC处理使砂壤土和粘壤土砷浓度分别降低89%和78%，动力学模型显示CD处理的残留砷池最低（182和167 mg kg^-1）。硫含量高的改良剂通过形成砷-硫醇复合物显著降低砷生物有效性。

3.2 甲烷和氧化亚氮排放模式
碳基改良剂使温室气体排放增加3倍，砂壤土的CH₄排放量显著高于粘壤土，这与改良剂提供的易降解碳源促进产甲烷菌活性有关。

3.3 总有机碳含量
CD处理使土壤总有机碳(TOC)提升229%，木质素(LIG)和BC因富含腐殖质形成稳定碳库，其碳 sequestration潜力与砷固定效率呈显著负相关(r=-0.80)。

3.4 土壤微生物量及溶解性有机碳
砂壤土MBC增幅(87%)低于粘壤土(200%)，但DOC含量更高。DOC作为电子供体可促进As(V)还原为As(III)，同时通过表面络合作用降低砷迁移性。

3.5 土壤胞外酶
β-葡萄糖苷酶活性提升38%(FYM处理)，而酸性磷酸酶在粘壤土中降低30%。亮氨酸氨基肽酶(LAP)在砂壤土增加70%，但在粘壤土受抑制，反映土壤质地调控酶-重金属互作。

该研究创新性揭示碳基改良剂通过三重机制固定砷：1) 形成有机-砷络合物；2) 促进微生物介导的生物甲基化；3) 改变土壤redox状态。CD和BC在提升土壤健康指标(MBC、DOC、TOC)的同时，可能增加温室气体排放，这为发展"固砷-减排"协同技术提供了新思路。未来需开展田间试验验证不同水稻生育期的修复效果，并解析微生物群落结构与砷形态转化的关联机制。