新型复合膜在淹水条件下降低孔隙水砷含量并抑制水稻籽粒砷积累的机制研究

本研究针对淹水稻田中砷(As)随铁(Fe)氧化物还原溶解而释放至孔隙水、进而被水稻吸收的关键问题，开发了水铁矿-聚乙烯醇复合膜(Fh-PVA)。通过三层膜(3M)部署，使0-20 cm土层孔隙水As浓度降低34%，水稻籽粒As积累减少34%。特别发现磷酸铵施肥可促进膜表面As(III)氧化为As(V)，且硅(Si)在膜表面富集抑制水铁矿结晶，维持长期As去除效率。该技术为稻田As污染原位修复提供了新策略。

　　

砷作为一类致癌物，在稻田生态系统中通过铁氧化物的还原溶解而释放，特别是在淹水条件下，砷会从稳定的砷酸盐(As(V))转化为易迁移的亚砷酸盐(As(III))，成为威胁稻米安全的关键因素。传统植物修复效率低，化学固定又可能造成二次污染。这项发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》的研究，创新性地设计了一种可回收的复合膜材料，为解决这一难题提供了新思路。

研究团队采用水铁矿(Fh)与聚乙烯醇(PVA)复合制备机械性能优异的膜材料，通过孔隙水采样器(Rhizon MOM)监测不同土层砷动态，结合薄膜梯度扩散技术(DGT)评估生物有效性。利用X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)解析砷固定机制，并通过水稻盆栽实验验证实际效果。

3.1 复合膜特性表征

Burlap-Fh-PVA膜在湿润状态下仍保持4-8倍于纱布载体的抗拉强度。FTIR证实Fe-OH键(1359 cm^-1)存在，SEM显示水铁矿颗粒均匀分布在纤维网络结构上，这种设计既保证机械强度又维持吸附活性。

3.2 孔隙水砷去除效果

三层膜(4/10/16 cm)部署使0-20 cm土层孔隙水As降低38%，日均去除率达1.9%，显著高于纳米零价铁柱(0.44%)。有趣的是，10-16 cm土层在2M处理下As去除更显著(55-57%)，推测上层膜阻碍氧气扩散加剧了深层还原环境。

3.3 水稻砷积累调控

3M处理使稻米As降低34%，但2M处理也达到25%效果。研究发现膜同时吸附了土壤硅(Si)，而0-4 cm未部署膜的2M处理保留了更多Si，通过竞争OsLsi1转运通道抑制As(III)吸收，解释了相近降砷效果的原因。

3.4 磷酸铵施肥的影响

NH₄H₂PO₄使孔隙水As激增至7,406 μg/L，但膜仍能去除53%。XPS显示施肥组膜表面As(V)占比提升至57%，证实磷酸根促进As(III)氧化。然而施肥导致稻米As仅降低15%，因NH₄⁺硝化产酸加速Fe氧化物溶解，增加As(III)占比。

3.6 砷固定机制解析

回收膜中检测到1.2-1.7倍于Fe的Si富集，XRD证实Si抑制水铁矿向晶型转变。Fe(II)催化氧化使膜表面As(III)→As(V)转化，BET显示吸附孔径缩小46%，形成"Si-Fe-As"三元稳定结构。

这项研究开创了"膜介导孔隙水砷靶向去除"的新模式，通过可回收设计避免土壤铁过量积累。发现硅富集抑制水铁矿转化的现象，为调控铁氧化物稳定性提供了新认知。尽管磷酸铵施肥会增强砷活化，但膜材料通过促进砷氧化和硅固定形成双重保障，为高肥效-低风险稻田管理提供了技术支撑。未来需重点优化膜部署策略，平衡硅保留与砷去除的关系，并开发配套的田间操作设备。