稻田土壤镉砷等重金属污染威胁到土壤环境质量安全和农产品质量安全。频繁的稻田干湿交替过程强烈影响着重金属元素的形态转化，进而影响其迁移性和生物有效性。经0.45μm或0.22μm滤膜过滤后的土壤孔隙水重金属浓度常被用作评估土壤重金属溶解性和生物可利用性，过膜后的孔隙水中还包含许多水分散性胶体和纳米颗粒，某些情况下这些颗粒中的金属远超过“真正溶解”的物质的浓度。目前，土壤水分驱动下孔隙水中天然胶体和纳米颗粒的组分、尺寸，其对重金属元素形态分布与有效性的作用和贡献等科学问题，尚鲜有报道。
针对上述科学问题，中国科学院南京土壤研究所吴龙华研究员团队，选取不同性质的典型重金属污染水稻土，通过厌氧-好氧微宇宙培养试验，模拟稻田淹水-落干过程，研究土壤孔隙水化学性质和重金属形态变化，利用扫描透射电子显微镜能量色散谱（STEM-EDS）和非对称流场流分馏（IF4）等技术手段，测定孔隙水中胶体和纳米颗粒组分与尺寸，以及颗粒上镉砷等重金属的分布。结果表明，孔隙水胶体颗粒主要分为0.3-40 kDa（F1）和130kDa-450nm（F2）两个粒径组分，前者主要是有机质（OM）稳定的铁胶体（有机质-铁氧化物-硅铝酸盐复合物），后者主要是铁氧化物等，这些胶体纳米颗粒是重金属的重要载体；As、Cd、Cu主要分布于0.3–40 kDa（F1）的纳米颗粒上，而Pb则更倾向于分布在130kDa–450 nm（F2）颗粒上。具体而言，在中性和酸性土壤的还原过程中，胶体结合态（> 0.3kDa）As、Cd、Cu、Pb平均占其溶液总浓度（<0.45 μm）的3.9%、19.8%、83.2%、72.4%，在再氧化过程中胶体态Cd、Cu、Pb比例显著降低，而胶体态As比例显著升高；强酸性的HJ水稻土（培养过程pH介于2.0~4.2）孔隙水中重金属Cd、Cu、Pb元素主要存在于< 0.3 kDa的“真正溶解”部分，而在厌氧过程中胶体态As占比达到近40%。相关性分析表明，土壤还原和再氧化过程中胶体态Cd、Cu、Pb比例与土壤溶液的pH和DOC呈正相关、但与Eh呈负相关；0.3–40 kDa纳米颗粒上As浓度与Fe和OM均呈显著正相关，Cu/Cd浓度与OM呈正相关。该研究对氧化还原波动过程水稻土中携带多金属污染物的天然胶体和纳米颗粒的大小、组成和丰度进行了定量分析，强调纳米尺度有机质-铁氧化物复合颗粒与有毒金属之间的相互作用及对重金属分布的重要影响，研究成果对探明土壤重金属污染物迁移转化界面机制，以及评估重金属迁移风险和生物有效性提供了新的见解。
以上成果发表在Environmental Science & Technology, 2023, 57(26): 9843-9853和Journal of Hazardous Materials, 2024, 461: 132684。该成果得到了国家自然科学基金（41977135）等项目的资助。
图1 水稻土中重金属随水分散性胶体迁移转化示意图
