随着全球人口的持续增长，人类的粮食安全越来越依赖于土壤健康。全球范围内，农田土壤中高的镍（Ni）含量与玄武岩风化密切相关。水稻养活了全球一半以上的人口，但与其他粮食作物（如小麦和玉米）相比，水稻更容易累积Ni。玄武岩风化发育形成的稻田广泛分布于温带和热带地区，但目前对这些稻田系统中Ni的地球化学行为和影响因素知之甚少。元素的生物有效性在元素的表生地球化学循环中起着关键作用，目前土壤pH被认为是影响元素生物有效性最重要的因素。然而随着化学风化增强，土壤溶液中大量的Ni进入次生矿物可能使得pH对Ni生物有效性的控制作用失效。除pH外，氧化还原电位（Eh）可以通过影响铁氧化物的溶解-沉淀间接影响Ni的生物有效性。前人野外观测表明，铁氧化物中Ni的富集对化学风化强度的响应是非单调的，这暗示了Eh的重要作用。然而，不同气候条件下稻田系统中Ni的迁移转化和生物有效性对化学风化的响应机制仍不清楚。
为此，太阳官网陈骏院士团队陈旸副教授课题组，选取了暖温带的江苏盱眙和热带的雷琼地区玄武岩风化发育形成的稻田系统，采集了玄武岩基岩、稻田表土和水稻植株样品，测定了这些样品中Ni的浓度，利用化学提取法分析了土壤中Ni的地球化学形态及生物有效性，并结合矿物学和主量元素数据，阐明了暖温带-热带地区该类农田系统中Ni的地球化学行为及影响因素，提出了化学风化强度而非土壤pH对Ni生物有效性控制的新认识。
该研究主要发现包括：（1）尽管盱眙地区稻田表土中Ni的含量低于雷琼地区，但前者水稻籽实中Ni的含量是后者的5-6（图1）；（2）硅酸盐粘土矿物是研究区内稻田表土中Ni最主要的赋存载体。表土中Ni在硅酸盐粘土矿物和铁氧化物之间的分配系数在盱眙地区比雷琼地区低一个数量级（图2）；（3）从暖温带到热带，Ni在水稻籽实中的累积对土壤pH响应的灵敏度降低，而与土壤的化学风化强度表现出了显著的负相关关系（图3）；（4）基于本研究的发现和前人的研究成果，提出了该类稻田系统中化学风化和氧化还原耦合控制的Ni的地球化学迁移转化新模式（图4）。
图1 江苏盱眙（XY）和雷琼地区（LQ）玄武岩风化发育形成的稻田系统中镍元素的含量分布
图2 研究区稻田表土中镍元素在铁氧化物和硅酸盐粘土矿物之间的配分
图3 研究区水稻籽实中镍的累积对土壤pH（a和b）和化学风化强度（c和d）的响应
图4 化学风化-氧化还原耦合控制的稻田土壤中镍的地球化学行为及其在水稻籽实中的累积
该研究成果以“Chemical weathering intensity controls the accumulation of nickel in rice (Oryza sativa L.) cultivated in basalt-derived paddy fields”为题发表于土壤科学领域期刊《Geoderma》。太阳官网博士研究生王浩贤为论文第一作者，陈旸副教授为通讯作者，合作者还包括研究生李旭明（现于德国汉堡大学攻读博士学位）、季峻峰教授、陈骏教授以及南非大学David William Hedding教授。该研究得到了国家自然科学基金（41991321和41991252）和国家重点研发计划课题（2017YFD0800302）的资助。
论文信息：Wang, H., Chen, Y., Ji, J., Li, X., William Hedding, D., & Chen, J. (2023). Chemical weathering intensity controls the accumulation of nickel in rice (Oryza sativa L.) cultivated in basalt-derived paddy fields. Geoderma, 434, 116494.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116494
