不同濃度砷對(duì)土壤理化性質(zhì)及水稻品質(zhì)的影響

安晨昕，王鐵良，李玉清

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng) 110866)

由于我國(guó)總體水資源不足，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，灌溉用水不斷被工業(yè)和城市生活用水所擠占，農(nóng)業(yè)缺水日趨嚴(yán)重，特別是北方地區(qū)，水資源嚴(yán)重匱乏，只能通過節(jié)水灌溉、污水灌溉甚至超采地下水來彌補(bǔ)農(nóng)業(yè)灌溉用水的不足[1]。據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》報(bào)道，目前我國(guó)有近2 000萬hm2的耕地受鎘(cd)、砷(As)、鉻(cr)、鉛(Pb)等重金屬的污染[2]，約占總耕地面積的1/5，其中As污染的耕地面積近1.33萬hm2，涉及11個(gè)省25個(gè)地區(qū)，導(dǎo)致每年糧食減產(chǎn)多達(dá)1 000萬t，受污染糧食多達(dá)1 200萬t，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少達(dá)200億元[3]。2002年，農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心對(duì)稻谷與大米進(jìn)行檢測(cè)，主要超標(biāo)污染物是鎘、砷，其中砷對(duì)農(nóng)作物有劇毒、致畸和致突變效應(yīng)，被美國(guó)毒物和疾病登記署列為最嚴(yán)重的10種有毒物之首。李月芬通過分析得出土壤水溶態(tài)砷和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)砷與土壤pH值呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，殘?jiān)鼞B(tài)砷與土壤有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)[4]。葉華香對(duì)土壤中重金屬和理化性質(zhì)之間進(jìn)行了Pearson相關(guān)分析，得出砷與土壤pH 、有機(jī)質(zhì)存在相關(guān)關(guān)系，與土壤速效磷存在顯著負(fù)相關(guān)[5]。但以上研究都是測(cè)定土壤中的重金屬含量而并非單純的研究砷這一種元素對(duì)土壤的影響。

擬通過小區(qū)試驗(yàn)，研究不同質(zhì)量濃度含砷水灌溉對(duì)土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及土壤含砷量的影響，得出砷水濃度與土壤性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系；并分析了水稻長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量及品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2014年5-10月在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院的試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)基地位于北緯41°50′01.77″東經(jīng)123°33′31.59″，春秋短促多風(fēng)，夏季平均氣溫約為25.6 ℃，年降水量約1 000 mm，夏季降水占60%以上。試驗(yàn)的水稻品種為沈農(nóng)9816。土壤為采自試驗(yàn)基地的棕壤土，試驗(yàn)初始的土壤理化指標(biāo)為：pH值7.25，有機(jī)質(zhì)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為23.17、1.73 g/kg，速效磷、速效鉀、全量砷(As)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為117.85、126.47、7.31 mg/kg。試驗(yàn)選用化學(xué)藥品亞砷酸鈉(NaAsO2)配置灌溉用砷水溶液。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以小區(qū)方式種植水稻，其規(guī)格為3.5 m×1.2 m，為防止灌溉水相互滲透的影響，采用筑埂并用塑料薄膜包埂的形式進(jìn)行保護(hù)，為防止含砷灌溉水被稀釋而影響試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置遮雨棚。砷水灌溉圍繞農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了6個(gè)濃度梯度(0.27、0.2、0.14、0.09、0.05、0.02 mg/L)，其中農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度為0.05 mg/L，設(shè)置清水灌溉作為對(duì)照組[6]。

每年5月25日進(jìn)行泡田，按照行株距30 cm×13 cm的標(biāo)準(zhǔn)配置進(jìn)行插秧[7]，供試品種為沈農(nóng)9816。返青期開始使用相對(duì)應(yīng)質(zhì)量濃度的含砷水進(jìn)行灌溉，每2 d灌水一次，灌水量約為0.1 m3。水稻成熟后每小區(qū)分別取土壤樣品3組，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理，測(cè)定土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀以及砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，采用Office 2010、SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用SPSS19.0軟件中Pearson相關(guān)分析和曲線擬合功能對(duì)不同質(zhì)量濃度含砷水灌溉下土壤的相關(guān)理化性質(zhì)進(jìn)行分析，得出相關(guān)關(guān)系及最優(yōu)的曲線模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉水中砷的濃度與土壤理化性質(zhì)及砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)關(guān)系

使用不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉水稻后，土壤的pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀及土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨砷水濃度的變化情況如表1所示。由表1可知，經(jīng)不同砷水平灌溉后，土壤的全氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于原始土；土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比原始土有所增高。利用SPSS19.0對(duì)砷水濃度與土壤各指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，結(jié)果見表2。

由相關(guān)分析的結(jié)果得出，砷水濃度與速效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系。葉華香和李月芬研究的砷對(duì)pH值和有機(jī)質(zhì)的影響規(guī)律[4,5]在本試驗(yàn)的研究濃度范圍內(nèi)未體現(xiàn)出。

通過SPSS19.0軟件中的曲線擬合功能分別選用線性模型、二次曲線模型、三次曲線模型進(jìn)行回歸分析曲線擬合。軟件分析后得到曲線模型的數(shù)據(jù)指標(biāo)，并以R2為標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先選取最優(yōu)曲線模型。通過對(duì)比，確定各土壤指標(biāo)與砷水濃度的曲線模型：全氮選取三次曲線模型(R2：0.996 Sig：0.007)；速效磷選取三次曲線模型(R2：0.965 Sig：0.011)；速效鉀選取三次曲線模型(R2：0.907 Sig：0.047)；砷含量選取三次曲線模型(R2：0.906 Sig：0.047)。

表1 不同質(zhì)量濃度含砷水灌溉下土壤各指標(biāo)的變化Tab.1 Each index of soils under different concentrationarsenic water irrigation

注：表1中同列不同小寫字母為α≤0.05的顯著性水平。下同。

表2 砷水濃度與土壤各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Tab.2 The coefficients of correlation between concentrationsof arsenic in water and the indicator of soil

注：*表示在0.05水平上顯著；**表示在0.01水平上顯著。

2.2 不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉對(duì)土壤全氮、速效磷、速效鉀的影響

土壤的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與砷水濃度的關(guān)系曲線如圖1所示，土壤中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著砷水濃度的增加而減少，兩者間顯著相關(guān)。當(dāng)砷水濃度≤0.1 mg/kg時(shí)，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈明顯下降趨勢(shì)；當(dāng)砷水濃度在0.1～0.2 mg/L時(shí)，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)無明顯變化，維持在0.9 g/kg左右；當(dāng)砷水濃度≥0.2 mg/L

圖1 不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉下土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.1 Changes in soil nitrogen under different concentrations of arsenic-free water for irrigation

時(shí)，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)再一次呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度隨著灌溉砷水濃度的增加而增加，最高砷水濃度(0.27 mg/L)灌溉下土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了57.83%，最低砷水濃度(0.02 mg/L)灌溉下土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了41.51%。

土壤的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與砷水濃度的關(guān)系曲線如圖2所示，土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著砷水濃度的增加而減少，兩者間顯著相關(guān)。當(dāng)砷水濃度≤0.1 mg/L時(shí)，土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈明顯下降趨勢(shì)；當(dāng)砷水濃度在0.1～0.25 mg/L時(shí)，土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)圍繞17.5 mg/kg上下浮動(dòng)；當(dāng)砷水濃度≥0.25 mg/L時(shí)，土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)再一次呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度隨著灌溉砷水濃度的增加而增加，最高砷水濃度(0.27 mg/L)灌溉下土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了85.85%，最低砷水濃度(0.02 mg/L)灌溉下土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了80.94%。

圖2 不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉下土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.2 Changes in irrigation water at different concentrations of arsenic in soil available phosphorus content

土壤的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)與砷水濃度的關(guān)系曲線如圖3所示，土壤中的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著砷水濃度的增加而減少，兩者間顯著相關(guān)。當(dāng)砷水濃度≤0.1 mg/L時(shí)，土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈明顯下降趨勢(shì)；當(dāng)砷水濃度在0.1～0.2 mg/L時(shí)，土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)無明顯變化，維持在65 mg/kg左右；當(dāng)砷水濃度≥0.2 mg/L時(shí)，土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)再一次呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì)。土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化幅度隨著灌溉砷水濃度的增加而增加，最高砷水濃度(0.27 mg/L)灌溉下土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了55.85%，最低砷水濃度(0.02 mg/L)灌溉下土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了44.22%。

圖3 不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉下土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.3 Changes of soil available potassium under different concentrations of arsenic-free water for irrigation

2.3 不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉對(duì)水稻長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量的影響

砷水灌溉降低土壤中的全氮、速效磷及速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而會(huì)在一定程度上影響水稻的長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量。不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉后水稻的長(zhǎng)勢(shì)及單株產(chǎn)量指標(biāo)如表3所示。

由表3可以看出，不同砷水平灌溉下，株高、結(jié)實(shí)率以及千粒質(zhì)量都小于對(duì)照，而且在最大濃度灌溉下，水稻的長(zhǎng)勢(shì)、單株產(chǎn)量指標(biāo)均低于對(duì)照，其中株高和每穗粒數(shù)均為最小，說明砷水灌溉對(duì)水稻的長(zhǎng)勢(shì)和單株產(chǎn)量具有一定抑制作用，低濃度砷灌溉與對(duì)照差異不顯著。

表3 不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉對(duì)水稻的長(zhǎng)勢(shì)及單株產(chǎn)量的影響Tab.3 Effects of different concentrations ofarsenic on growing and yield of rice

2.4 不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉對(duì)土壤含砷量的影響

土壤含砷量與砷水濃度的關(guān)系曲線如圖4所示，當(dāng)砷水濃度小于0.1 mg/L時(shí)，土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)；當(dāng)砷水濃度在0.1～0.2 mg/L之間時(shí)上升緩慢，土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升到了11.5 mg/kg開始趨于平緩；當(dāng)砷水濃度大于0.2 mg/L時(shí)，土壤中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)又開始增加。土壤含砷量的變化幅度隨著灌溉砷水濃度的增加而增加，最高砷水濃度(0.27 mg/L)灌溉下土壤含砷量增加了70.33%，最低砷水濃度(0.02 mg/L)灌溉下土壤含砷量增加了17.84%。

圖4 不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉下土壤砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.4 Changes in soil arsenic content in water at different concentrations of arsenic in irrigation

2.5 不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉對(duì)水稻品質(zhì)的影響

土壤中的砷會(huì)在一定程度上會(huì)影響到稻米的品質(zhì)[8,9]。稻米品質(zhì)測(cè)試主要包括外觀品質(zhì)，碾米品質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),衛(wèi)生品質(zhì)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 419-2000，綠色稻米的粒形(長(zhǎng)寬比)為1.5～2.0；糙米率≥83%，精米率≥74%；對(duì)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的要求為：直鏈淀粉量11.0%～22.0%，蛋白質(zhì)量≥5%；對(duì)衛(wèi)生品質(zhì)的要求為：稻米中含砷量≤0.15 mg/kg。不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉后水稻的品質(zhì)指標(biāo)如表4所示。

表4 不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉對(duì)水稻的品質(zhì)的影響Tab.4 Effect of different concentrations of arsenic-containing water irrigation on quality of rice

本試驗(yàn)稻米品質(zhì)由表4可知，外觀品質(zhì)：不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉對(duì)稻米的長(zhǎng)寬比影響無明顯差異，均能達(dá)到綠色大米標(biāo)準(zhǔn)；碾米品質(zhì)：堊白粒率之間差異顯著且均低于CK，糙米率與精米率除CK均接近但未達(dá)到綠色大米標(biāo)準(zhǔn)，但各處理間差異不明顯，說明砷對(duì)稻米的碾米品質(zhì)有一定的抑制作用；營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)：不同砷水平下水分含量無明顯差異；蛋白質(zhì)含量和直鏈淀粉含量均達(dá)到綠色大米標(biāo)準(zhǔn)，且無明顯差異，說明在砷水濃度低于0.27 mg/L的范圍內(nèi)，砷對(duì)水稻營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)無明顯不利影響；衛(wèi)生品質(zhì)：稻米中砷含量隨著灌溉砷水濃度的增加而增加，高出灌溉水質(zhì)5倍的含砷灌溉水灌溉水稻，精米含砷量依舊低于0.15 mg/kg，均能達(dá)到綠色大米標(biāo)準(zhǔn)。

在2013年5-10月，在同時(shí)期同地點(diǎn)使用相近質(zhì)量濃度的含砷水灌溉水稻，研究結(jié)果如表5所示。

表5 2013年不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉對(duì)水稻的品質(zhì)的影響Tab.5 Influence in 2013 in different concentrations ofarsenic-containing water irrigation on quality of rice

研究發(fā)現(xiàn)砷水灌溉對(duì)水稻單株產(chǎn)量和碾米品質(zhì)有一定抑制作用，但對(duì)水稻的外觀品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)無明顯不利影響，稻米中砷含量隨著砷水濃度的增加而增加，且都能達(dá)到綠色大米的標(biāo)準(zhǔn)。2013年試驗(yàn)所得結(jié)論與2014年所得結(jié)論一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

試驗(yàn)分別用6個(gè)不同質(zhì)量濃度的含砷水灌溉水稻小區(qū)，通過對(duì)種植前后土壤及水稻各個(gè)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果的對(duì)比分析得到以下結(jié)論。

(1)砷水灌溉會(huì)降低土壤中全氮、速效磷及速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)與砷水濃度成反比，變化幅度隨砷水濃度的增加而增加，從而會(huì)對(duì)水稻的長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量造成一定程度的抑制作用。

(2)砷水灌溉會(huì)增加土壤中砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)與砷水濃度成正比，變化幅度隨砷水濃度的增加而增加，從而會(huì)對(duì)稻米的品質(zhì)造成一定程度的抑制作用。

(3)在砷水濃度小于0.27 mg/L的低濃度階段，砷水灌溉對(duì)水稻的長(zhǎng)勢(shì)和單株產(chǎn)量以及稻米的碾米品質(zhì)都具有一定的抑制作用，但均未顯現(xiàn)出明顯差異；對(duì)于稻米的外觀和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)無明顯不利影響；對(duì)于稻米的衛(wèi)生品質(zhì)有不良的影響，稻米中含砷量隨砷水濃度的增加而增加，但在灌溉水含砷量高于灌溉標(biāo)準(zhǔn)5倍的情況下依舊能達(dá)到綠色大米標(biāo)準(zhǔn)。

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