不同淹水處理對水稻體內砷富集的影響

楊 揚，高莉莉，張 慧，呂 曉

（1.中國氣象局沈陽大氣環境研究所，沈陽 110166；2.錦州市生態與農業氣象中心，遼寧 錦州 121000；3.錦州市氣象局，遼寧 錦州 121000）

砷（As）元素被廣泛應用于農藥、衛生和半導體等50 多種行業中［1-3］。在農業生產領域，砷被廣泛應用于殺蟲劑和除草劑中，至今廣泛使用的磷肥中也含有砷元素［4，5］。在中國重金屬污染的土壤中，砷污染的土壤與其他重金屬污染的土壤相比，占第五位，在水體污染中，砷占第六位［6-8］。砷在土壤環境中具有低等至中等的遷移能力。土壤中的砷不能被淋洗，不能被微生物分解，但可以因為環境化學原因通過徑流方式污染土壤和水環境，其污染過程具有隱蔽性、長期性和不可逆性的特點［9-11］。過量的砷會嚴重影響植物的生長，造成農作物減產和植物體內砷含量的增加［12］。對于人和動物來說，攝入少量的砷可維持其正常的生命活動并促進新陳代謝［13］。但已有研究表明，吸收過量砷或是長期暴露于微量砷環境中會嚴重危害人體健康［14，15］。人中砷毒劑量為10～50 mg，致死量為100～300 mg［16］。

土壤中砷的生物毒性與其存在形式有關，三價砷的毒性大于五價砷及有機砷的毒性［17］。五價砷的毒性主要是由于體內轉變為三價砷所致。土壤砷的存在形態分為水溶態、可交換態、鋁結合態、鐵結合態、鈣結合態以及殘留態［18］。砷的存在形態主要與土壤中Al、Fe、Ca 的含量有關，而與有機質和硅的含量關系不大［19，20］。改變土壤pH 可以改變土壤水溶態的砷含量［21，22］。

水稻（Oryza sativa L.）是當今世界的主要糧食作物，其對砷的毒性最為敏感，對砷積累能力明顯高于旱地作物。水稻作為一種濕生植被為適應生活環境可以在根系表面形成不均勻分布的鐵氧化物，其對五價砷有很強的親和能力，可以富集土壤中的氧化態砷［23-25］，使之成為污染元素砷進入根系的緩沖區和障礙層［26-28］。如今水稻砷污染是一個全球性問題，砷作為無臨界值的一類致癌物，采取何種措施減少污染介質中的砷通過食物鏈向人體的遷移及減少砷在水稻中的累積，已成為近年來研究的熱點問題之一。本試驗通過盆栽方式研究了不同淹水處理條件下土壤溶液中砷的含量、存在形態特征及對水稻體內砷富集的影響，以期為減少砷在水稻體內的富集提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 土壤處理

土壤樣品采自耕層土壤（0～20 cm），風干，挑出大石塊和植物殘體后過5 mm 篩，混勻備用。測定土壤pH、砷總量及全氮和全碳的含量。土壤pH 采用土水比為1∶2.5 提取，pH 計測定；砷采用HCl-HNO3消煮，ICP-MS 測定；全氮和全碳含量采用元素分析儀測定。測定結果為pH 5.13、砷總量11.56 mg/kg、全氮0.132%、全碳1.42%。

1.2 試驗設計

共設置5 個淹水處理，分別為在水稻整個生長發育期內都淹水（F）；在水稻整個生長發育期內都不淹水（NF）；在開花期之前不淹水，在開花期后淹水（NFF）；在開花期前淹水，在開花期后不淹水（FNF）；不種植水稻，但土壤一直處于淹水狀態（FNP，CK）。

1.3 試驗步驟

水稻種子在去離子水中浸泡3 d，然后將其放在濕潤的纖維紙上，待種子發芽并長至3～4 cm 時移入盆缽中。每個盆缽中放入1 kg 土壤，加入34.290 g NH4NO3、9.375 g MgSO4和17.130 g K2HPO4作 為 基肥，土肥充分混合，裝盆，并同時把土壤溶液的采樣器埋入土壤中。土壤淹水，水面高出土壤表面2～3 cm。淹水7 d 后，把預先培養的水稻苗移入盆缽中。在水稻移苗6、20、42、69、96、118 d 時，用針管采集土壤溶液，過0.45 μm 濾膜，并在濾液中加入Na2EDTA 以防砷被氧化，用HPLC-ICP-MS 測定濾液中不同形態的砷含量。采樣當天，用pH 計測定土壤的氧化還原電位。在水稻的分蘗期（水稻生長至63 d 時），每盆中移出2 株水稻，用去離子水洗凈、擦干，稱重，放入60 ℃烘箱中烘48 h。在水稻生長96 d 時，即水稻開花后，對NFF 處理進行淹水，FNF 處理進行排水。在水稻生長期間，根據水稻生長狀況，添加N、P、K 肥料。待水稻成熟后（水稻生長至147 d 時）收獲。大約距根1 cm 處，剪下地上部。地上部位分子粒、秸稈和癟粒3 部分，稱量不同部位的鮮重，秸稈與子粒用去離子水洗凈后放入60 ℃烘箱中48 h。水稻的秸稈采用HNO3/HClO4消化，子粒和癟粒采用HNO3/H2O2微波消煮，消煮液用ICP-MS 測定砷含量［29］。

2 結果與分析

2.1 各淹水處理水稻分蘗期的植株干重與地上部砷含量

經F 檢驗，水稻分蘗期植株干重各處理間F=0.31＜F0.05，不存在顯著性差異。這表明作物生長前期淹水與否不影響作物的生長。由表1 可知，地上部砷含量的順序為FNF＞F＞NF＞NFF。其中，FNF 與F、NFF 與NF 間沒有顯著性差異，但FNF（或F）處理與NF（或NFF）處理在0.01 水平上呈顯著性差異，說明在作物分蘗期，淹水和好氧顯著影響作物體內砷的含量，且淹水時水稻體內砷的含量明顯高于好氧時的砷含量。

表1 各淹水處理水稻分蘗期地上部植株干重和砷含量的差異

2.2 各淹水處理土壤溶液中砷形態與含量的變化

圖1 和圖2 為不同淹水處理土壤中砷濃度的動態變化。由圖1、圖2 可知，F、FNF 和FNP 處理中，土壤溶液中的砷主要以三價砷為主，且在進行水分轉變之前，溶液中的三價砷含量隨時間增加而明顯增加，至最后一次采樣時，FNP 和F 處理中的砷含量分別達33.27 μg /L 和37.13 μg/L。當水稻生長至96 d 時，即水稻開花后，對FNF 處理進行排水，溶液中的三價砷含量顯著下降，至收獲時三價砷的含量降低至4.11 μg/L。

在NF 與NFF 處理中，土壤溶液中的砷含量很低。96 d 之前，土壤溶液中三價砷的含量均很少，最大值為0.18 μg/L。當水稻生長至96 d 時，水稻開花后進行淹水（NFF 處理），其土壤溶液中的三價砷含量顯著增加，收獲時其含量達到11.30 μg/L。土壤淹水條件下，土壤三價砷含量隨淹水時間延長而增加，可能因為在土壤淹水的情況下，土壤膠體中的鐵（氫）氧化物被還原成低價態的Fe2+進入到溶液中，隨之吸附態砷（主要為五價砷）也會因還原作用而釋放到溶液中，且主要以三價態形式存在，其移動性和毒性都增強［21，22］。而當水被排出后，土壤處于好氧狀況，砷被氧化為五價砷且被土壤膠體所吸附，因此土壤溶液中的砷含量降低。

圖1 不同淹水處理土壤砷含量的動態變化

圖2 不同淹水處理土壤三價砷在總砷含量中的占比

進一步對各淹水處理及時間變化間土壤中三價砷的差異顯著性進行F 檢驗，結果見表2。由表2可知，淹水處理、時間及淹水處理與時間的交互作用對土壤中的三價砷含量的影響都達極顯著水平（P＜0.01）。

表2 不同淹水處理及時間對土壤中三價砷影響的F檢驗

2.3 各淹水處理土壤氧化還原電位的變化

土壤的淹水與否顯著影響著土壤溶液中的砷形態和含量，而土壤的淹水和排水影響著土壤的氧化還原電位。由圖3 可知，對于NF 處理，土壤中的氧化還原電位（Eh）一直維持在600 mV 左右；對于F處理，土壤Eh 隨著淹水時間的延長而降低；對于FNF 處理，在淹水時，Eh 隨著時間的延長呈降低趨勢，當水稻開花排水后，土壤的Eh 顯著升高；對于NFF 處理，在淹水前，Eh 維持在600 mV 左右，當水稻開花淹水后，土壤的Eh 顯著降低。

圖3 不同淹水處理土壤氧化還原電位隨時間的動態變化

進一步對各淹水處理及時間變化間土壤中氧化還原電位的差異顯著性進行F 檢驗，結果見表3。由表3 可知，淹水處理、時間及淹水處理與時間的交互作用對氧化還原電位的影響都達極顯著水平（P＜0.01）。

表3 不同淹水處理及時間變化對土壤中氧化還原電位影響的F 檢驗

2.4 各淹水處理土壤溶液中As 含量與Eh 的關系

比較圖2 和圖3 可知，FNF 排水Eh 升高時，土壤溶液中的砷含量降低；而NFF 淹水Eh 降低時，土壤溶液中的砷含量增加。因此，對土壤溶液中砷含量和Eh 的關系進行了分析。由圖4 可知，土壤溶液中的砷含量（y）隨土壤Eh（x）的升高呈減少趨勢，兩者之間的關系可用多項式方程來表示，即：y=8×10-5x2-0.097 7x+30.485，兩者呈極顯著相關（R2=0.754 1，P＜0.01）。

在不同處理中三價砷含量高的，其氧化還原電位低，且三價砷的變化趨勢是與氧化還原電位的變化趨勢是相反的。所以完善土壤中的通氣狀況，使氧化還原電位升高，可使三價砷的含量降低，促使亞砷酸鹽向砷酸鹽轉化，從而減輕砷化物對水稻的影響［13］。

圖4 砷總量與氧化還原電位的關系

2.5 不同淹水處理對水稻砷含量分布的影響

由表4 可知，水稻秸稈、子粒、癟粒中的砷含量在不同處理之間的順序都為F＞FNF＞NFF＞NF，且不同淹水處理間的砷含量存在極顯著差異（P＜0.01），說明淹水處理顯著影響了水稻體內的砷含量。與F處理相比，FNF 處理極顯著降低了水稻體內的砷含量，表明可以在水稻生長階段，通過調節水分狀況來減少水稻體內的砷含量。根據無公害農產品生產標準，水稻稻谷含砷標準應為0.7 mg/kg［7］。由表4 可以看出，只有F 處理的子粒砷含量超過了標準限值，未達到無公害標準。對于同一處理，秸稈中的砷比子粒和癟粒中的砷含量高，說明相比于其他部位，秸稈對砷具有較強的富集作用。由于秸稈是牛、羊等的主要食物來源，因此秸稈中砷的富集值得關注。

表4 不同淹水處理水稻秸稈、子粒、癟粒中的砷含量及多重比較

2.6 不同淹水處理對水稻秸稈、子粒干重的影響

由表5 可知，收獲的水稻秸稈平均干重表現為NF＞NFF＞FNF＞F，NF 處理與NFF 處理之間無顯著差異，NFF 處理與FNF 處理間存在顯著差異，F 處理與NF、NFF 處理間存在極顯著差異。水稻的子粒平均干重為NFF＞F＞NF＞FNF，在0.01 水平上各處理間不存在顯著性差異。由此可知，土壤水分管理顯著影響土壤水溶液中砷的形態及含量，并進一步影響水稻秸稈、癟粒和子粒中的砷含量。本研究中的水分管理是容易操作和實現的，對于水稻種植區而言是減少水稻砷積累的有效措施。

表5 不同淹水處理水稻秸稈、子粒、谷殼干重的多重比較

3 結論

在淹水條件下，土壤溶液中的砷含量較高，且主要以三價砷的形式存在，而在好氧條件下，土壤溶液中的砷含量很少，且主要為五價砷的形式。土壤溶液中的三價砷與土壤Eh 之間呈顯著負相關，且兩者之間的關系可用二項式表示。不同淹水處理對秸稈干物質的積累有明顯的影響。秸稈平均干重表現為NF＞NFF＞FNF＞F；子粒平均干重表現為NFF＞F＞NF＞FNF。水稻各部位砷含量的分布為秸稈＞癟粒＞子粒。不同淹水處理中，秸稈、癟粒和子粒中砷含量的分布均為F＞FNF＞NFF＞NF。子粒中的砷含量只有F 處理未達到無公害產品標準。