水分管理與秸稈還田對作物吸收土壤中砷的影響

顧國平　章明奎

摘 要：為了解農田水分管理方式與秸稈還田對砷污染農田中生長農作物吸收砷的影響，在某一砷污染農田的水稻-油菜連作系統中設置稻季淹水灌溉與濕潤灌溉和稻季秸稈還田與油菜季秸稈還田雙因素試驗，分析不同水分管理和秸稈還田對水稻和油菜各器官中砷積累的影響。結果表明，油菜籽粒中砷含量明顯低于水稻谷物；稻季濕潤灌溉水稻籽粒及莖葉中砷含量低于淹水灌溉，前者為后者的47.59%～48.30%和6.43%～13.36%；稻季水分管理方式對后續作物油菜籽粒砷積累影響不明顯。水稻秸稈在油菜田還田處理的水稻籽粒中砷含量低于油菜秸稈在水田還田處理的水稻籽粒，但秸稈還田時間對油菜籽粒中砷含量影響不明顯。分析表明，濕潤灌溉土壤水溶性As（Ⅲ）和As（Ⅴ）總量及As（Ⅲ）/As（Ⅴ）的比例都顯著低于淹水灌溉。研究認為，濕潤灌溉和水稻秸稈油菜季還田可降低農產品中砷的積累。

關鍵詞：水分管理；秸稈還田；農產品質量安全；砷污染

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）12-0019-04

Abstract：In order to understand the effect of water management and straw returning on the absorption of arsenic by crops from arsenic contaminated farmland soil，a pot experiment was conducted in a rice-rape continuous cropping system to study the effects of two kinds of water managements（flooding irrigation and wet irrigation） and two ways of straw returning（rice straw returning and rape straw returning） on arsenic（As） accumulation in the different organs of two plants.The results showed that the arsenic content in rape seeds was significant lower than that in rice grain.The contents of arsenic in grains，stems and leaves of rice with wet irrigation were lower than those with flooded irrigation，the former were 47.59%～48.30% and 6.43%～13.36%，respectively，of the latter.Water management modes in rice growth season had no significant effect on the accumulation of arsenic in the following rape season.The content of arsenic in rice grain for rice straw returning to rape field was lower than that for rape straw returning to rice field. However，the effect of straw returning time on the content of arsenic in rape seeds was not obvious.Total concentrations of water soluble soil As3+ and As5+ and the As3+ / As5+ ratio for wet irrigation was significant lower than those for rice straw returning.The results suggested that both wet irrigation and rice straw returning could control the accumulation of arsenic in agricultural products.

Key words：Water management modes；Straw returning；Safety of agricultural product；Arsenic contamination

砷是環境中最常見、危害人類健康最嚴重的污染物之一，被美國環保局（USEPA）與世界衛生組織（WHO）認定為已知的人類致癌物質。人體吸收過量的砷或長期暴露于富砷環境中，可誘發皮膚癌及導致腎、肝、膀胱等內臟器官的癌變。環境中砷的來源主要有砷化物的開采和冶煉、含砷有色金屬的開發和冶煉、砷化物的廣泛應用、含砷農藥的生產和使用及煤的燃燒等[1]。隨著砷化學物質在工農業生產中的不斷應用，土壤、大氣和水體中的砷污染已成為一個全球性的嚴重問題，正危脅著農作物生產和人類的健康[2-4]。據2014年《全國土壤污染狀況調查公報》，我國有2.7%的土壤砷超標。砷和砷化物可通過水、大氣和食物等途徑進入人體，因此減少或者消除農業土壤砷的污染和毒害已成為一個亟待解決的重要課題[5-9]。目前，土壤砷污染治理的方法主要有工程措施法、物理化學修復法、微生物法、植物修復法和土壤動物修復法等。工程措施主要包括客土、換土和深耕翻土等。物理化學修復主要包括土壤淋洗法、玻璃化法、電化學法等。微生物修復主要是通過特殊微生物對砷甲基化產生的氣態砷或通過吸附、固定等方法來消除砷的危害。植物修復是利用植物萃取、植物固定、植物揮發、根系過濾、植物降解來凈化受砷污染的土壤、沉淀和水體。但物理、化學修復方法因工程量大，不太適合于大面積農田土壤的修復；而植物修復技術常常受修復植物生物量小、修復時間長等因素限制。有研究表明，砷及砷化物的毒性與其價態、水溶性等有關，三價砷化合物的毒性比五價砷大[10-11]。好氧環境可降低土壤中砷的生物有效性，通過稻田水分可降低水稻對砷的吸收[12-15]。另外，秸稈還田是我國農田管理的重要措施，秸稈還田可增加土壤中易降解有機物質的含量，從而影響土壤的氧化還原電位，后者可能也會改變土壤中砷的生物有效性和化學形態。基于此，本研究在一砷污染農田的水稻-油菜連作系統中設置稻季淹水灌溉與濕潤灌溉和稻季秸稈還田與油菜季秸稈還田雙因素試驗，分析水稻和油菜各器官中砷的積累情況，以期摸索出利用農藝措施來降低農產品中砷含量的技術。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗在紹興某一受鉛鋅礦開采影響的農田中進行，土壤類型為脫潛水稻土。供試土壤質地為重壤土，土壤pH值為5.93，有機質含量為26.45g/kg，土壤有效磷含量12.43mg/kg，速效鉀含量為115.46mg/kg。土壤全砷含量為95.32mg/kg，交換態砷含量0.42mg/kg，屬于中度污染的土壤。供試水稻品種為秀水63，油菜品種為浙雙72。

1.2 試驗設計 試驗由水分管理方式與秸稈還田時間2個因素組成，水分管理方式設稻季淹水灌溉、稻季濕潤灌溉2個處理，秸稈還田時間設置水稻秸稈在油菜田還田（下稱水稻秸稈還田）、油菜秸稈在水田還田（下稱油菜秸稈還田）2個處理。二因素組合共設置水稻秸稈還田+淹水灌溉、水稻秸稈還田+濕潤灌溉、油菜秸稈還田+淹水灌溉和油菜秸稈還田+濕潤灌溉等4個處理。小區面積15m3，重復3次。試驗于前一茬油菜收獲開始（收獲的油菜用于油菜秸稈還田的2個處理），水稻和油菜均采用移栽。淹水灌溉指在水稻整個生長期田面保持3.0cm左右的水層；濕潤灌溉指除移苗期保持3.0cm左右的水層外，其它時間土壤保持潮濕狀態，但田面基本無水層，直至水稻成熟。水稻生長期在7—11月，油菜生長在11月至次年5月。水稻秸稈或油菜秸稈分別在下一季作物種植翻耕前混入土中，秸稈切割成10cm左右。水稻和油菜收獲前分別在各小區采集水稻和油菜植株，按根部、籽粒和莖葉分成3個分樣，用于分析砷含量。另外，分別在水稻灌漿期和油菜結莢期采集各小區表土樣（0～15cm），提取水溶性砷，用以分析土壤溶液中的As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的濃度。除水分管理方式與秸稈還田時間外，各處理其他管理措施均相同。

1.3 分析方法 新鮮土樣水溶性砷用去離子水提取，土水比1∶10，提取時間1h。同時測定土壤含水量，校正結果。提取液加入0.1mol/L的EDTA溶液1mL，以防止不同價態As相互轉化。提取物中As（Ⅲ）和As（Ⅴ）用高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜聯用測定[16]。植物各器官中As采用GB/T 5009.11-2003法測定，用原子熒光光度計（AFS-7500）測定As濃度。

2 結果與分析

2.1 不同處理對產量的影響 表1可知，濕潤灌溉處理的水稻產量略高于淹水灌溉處理，但它們之間的差異不明顯。在水稻秸稈還田情況下，濕潤灌溉的水稻產量比淹水灌溉處理高4.70%；在油菜秸稈還田情況下，濕潤灌溉的水稻產量比淹水灌溉處理高3.32%。水稻生長期水分處理對后續作物油菜的產量影響不大。水稻秸稈還田處理的水稻和油菜產量明顯高于油菜秸稈還田處理。其中，水稻淹水灌溉條件下，水稻秸稈還田處理的水稻和油菜產量分別比油菜秸稈還田處理高4.91%和11.13%；水稻濕潤灌溉條件下，水稻秸稈還田處理的水稻和油菜產量分別比油菜秸稈還田處理高6.31%和6.94%。水稻秸稈還田處理的水稻和油菜產量高于油菜秸稈還田處理的原因可能是：水稻秸稈還田于油菜生長季，其土壤通氣條件良好，有利于秸稈的礦化和養分的釋放，從而促進了作物的生長。但油菜稈還田于水稻生長季，此時因土壤水分基本趨于飽和，土壤通氣條件相對較差，秸稈的礦化并不徹底，易導致土壤氧化還原電位的降低和還原性物質的積累，對水稻生長產生不良的影響。

2.2 不同處理對土壤中水溶性砷含量的影響 水分管理方式與秸稈還田對油菜季土壤水溶性砷及形態組成影響較小（表2），但對水稻生長期土壤水溶性砷含量有明顯的影響。無論是水稻秸稈還田還是油菜秸稈還田，淹水處理顯著增加了稻季土壤水溶性As（III）、As（V）含量和總砷量，其中，水稻秸稈還田情況下，As（III）、As（V）含量和總砷量分別比濕潤處理增加了67.86%、166.67%和118.97%；油菜秸稈還田情況下，As（III）、As（V）含量和總砷量分別比濕潤處理增加了52.27%、58.18%和63.83%。總體上，水稻秸稈還田情況下水分管理對土壤水溶性砷的影響一般大于油菜秸稈還田情況的影響。從土壤水溶性砷形態的組成來看，水稻生長季一般以As（III）為主，而油菜生長季則以As（V）為主，這顯然與二種作物生長環境下土壤氧化還原條件差異有關。水稻生長季的淹水灌溉土壤水溶性As（III）含量占總砷的比例56.49%～62.99%，高于濕潤灌溉土壤水溶性As（III）占總砷的比例（51.72%～53.19%）。

2.3 不同處理對農作物各器官中砷積累的影響 表3表明，水分管理方式和秸稈還田對水稻各器官中砷的積累有明顯的影響，水稻秸稈還田處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量低于油菜秸稈還田處理，并以淹水灌溉情況下的差異最為顯著。其中，淹水灌溉條件下，水稻秸稈還田處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量分別比油菜秸稈還田處理低7.74%、11.20%和21.39%；濕潤灌溉條件下，水稻秸稈還田處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量分別比油菜秸稈還田處理低6.58%、17.78%和22.44%。濕潤灌溉處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量明顯低于淹水處理，水稻秸稈還田時，濕潤灌溉處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量比淹水處理降低14.48%、13.36%和48.30%；油菜秸稈還田時，濕潤灌溉處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量比淹水處理降低15.54%、6.43%和47.59%。水稻生長期田間水分管理和秸稈還田對后續作物油菜莖葉和籽粒中砷的積累影響不明顯，但水稻秸稈還田處理的油菜根系中砷的積累一般低于油菜秸稈還田處理，前者比后者分別下降8.55%～14.65%。

3 結論與討論

土壤氧化還原最位（Eh）是影響土壤As 賦存形態和生物有效性的重要因素，稻田土壤的Eh主要受水分條件影響，淹水可促進土壤Eh的降低，使鐵（氫）氧化物被還原溶解，As（V）被還原成As（III），As生物有效態因而顯著升高，大量的As被釋放到土壤溶液中，促進了作物對土壤中砷的吸收。而濕潤灌溉在一定程度上促使稻田土壤As與鐵（氫）氧化物結合，其移動性顯著降低，從而降低了土壤中水溶性As的含量。因此，稻田水分管理可能是一條操作簡易并能有效降低水稻砷累積的途徑。

試驗結果表明，在砷污染的農田中水稻生長期間田面長期淹水會增加水稻籽粒和莖葉中砷的積累，但不會影響后續作物油菜中砷的積累。濕潤灌溉可提高土壤的Eh，降低水田土壤中As（Ⅲ）與As（Ⅴ）濃度及其總量及As（Ⅲ）/As（Ⅴ）的比例，減少土壤中砷的活性，從而降低農產品中砷的積累。因此，稻田水分管理可能是一條操作簡易并能有效降低水稻砷累積的途徑。

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（責編：張宏民）