三種有機物料對稻田土壤汞甲基化及水稻汞積累的影響①

杜舒陽，丁昌峰，王興祥*

三種有機物料對稻田土壤汞甲基化及水稻汞積累的影響①

杜舒陽1, 2，丁昌峰1, 2，王興祥1, 2*

(1 中國科學院土壤環境與污染修復重點實驗室(南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049)

采用盆栽試驗，設置空白對照組、只添加外源汞(Hg)老化1個月的Hg對照組，以及外源Hg老化后分別添加3% ()油菜秸稈、豬糞和水稻秸稈生物質炭的有機物料處理組，對比分析不同有機物料施用對水稻產量及Hg在稻田系統中遷移轉化的影響。結果表明：3種有機物料的施用均顯著提高了水稻產量，但對土壤Hg甲基化和糙米Hg的積累影響則并不一致。與空白對照相比，油菜秸稈、豬糞和水稻秸稈生物質炭處理下水稻產量分別提高17.6%、33.0% 和39.9%。與Hg對照相比，施用豬糞提高了土壤Hg的生物有效性，促進了土壤甲基汞(MeHg)的生成，提高了糙米總汞(THg)的富集系數，使糙米THg和MeHg的含量分別提高了34.5% 和30.3%；施用油菜秸稈降低了土壤Hg的生物有效性，抑制了土壤Hg甲基化過程和水稻對Hg的富集，糙米THg和MeHg的含量分別降低了34.6% 和36.2%；施用水稻秸稈生物質炭降低了土壤Hg生物有效性和糙米THg的富集系數，糙米THg和MeHg的含量分別降低了46.9% 和48.4%。因此，在Hg污染稻田中應慎重施用豬糞，可選擇施用水稻秸稈生物質炭和油菜秸稈，以達到提高水稻產量和阻控糙米Hg積累的雙重效果。

油菜秸稈；豬糞；生物質炭；甲基汞

汞(Hg)是一種對人體健康有害的重金屬元素，具有廣泛性和持久性，被列為優先污染物之一[1]。更嚴重的是，Hg可以轉化成毒性更強的甲基汞(MeHg)，嚴重威脅人類健康。稻田系統作為一種特殊的濕地生態系統，為土壤中汞甲基化細菌提供了有利的生存環境[2]，加劇了土壤Hg甲基化過程，且水稻對MeHg的富集高于無機汞(IHg)，Zhang等[3]發現糙米對MeHg的富集系數是IHg的800倍。有研究表明，攝取大米是中國內陸居民Hg暴露的主要途徑[4]。因此，研究稻田土壤中Hg甲基化和水稻積累Hg，對于進一步研發Hg污染耕地修復與安全利用技術，保障國家糧食安全具有重要意義。

在水稻生產中，配施有機物料通常能提高土壤肥力，促進水稻生長，從而提高產量[5]。有機物料施用進入土壤后會逐漸被腐解，有效提高土壤活性有機碳的含量[6]，可以為作物緩慢而持續地提供養分，有利于作物生長。然而，施用有機物料對稻田系統Hg遷移轉化的作用受其來源和種類的影響。研究表明，水稻秸稈還田提高土壤MeHg的生成和水稻Hg的積累[7-8]。孫濤[9]發現，施用6% 的豬糞，稻米中總Hg(THg)的含量提高了約35%，而Shu等[10]研究表明，向稻田土壤中施用1% ～ 4%(/)的生物質炭，能有效降低稻米對MeHg的富集。但有機物料的施用對土壤Hg甲基化過程和水稻富集Hg過程的影響尚缺乏系統研究，其影響機制也不清晰。

為科學評估Hg污染稻田有機物料施用的效應，本研究選擇了油菜秸稈、豬糞和水稻秸稈生物質炭3種有機物料，研究不同有機物料對土壤Hg甲基化和糙米Hg富集的影響，以為Hg污染稻田合理選擇有機物料種類提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在江西省鷹潭市余江區劉家站采集0 ～ 20 cm表層稻田土壤作為供試土壤，在室溫下風干后去除植物殘體(如根系等)過2 mm篩備用。同時取部分土壤研磨后過0.149 mm篩用于土壤理化性質的測定，土壤理化性質的測定方法參考魯如坤[11]編著的《土壤農業化學分析方法》，其中土壤pH用電位法測定，CEC用乙酸銨法測定，有機質用高溫外熱重鉻酸鉀氧化–容量法測定，有效硫用磷酸鹽–乙酸浸提–硫酸鋇比濁法測定，其值分別為4.56、16.5 cmol/kg、22.6 g/kg、35.8 mg/kg。供試有機物料選取成熟油菜秸稈、腐熟豬糞和水稻秸稈生物質炭，油菜秸稈、腐熟豬糞取自江西鷹潭，水稻秸稈生物質炭購于南京三聚生物質新材料科技有限公司，有機物料的基本性質如表1所示。

表1 有機物料基本性質

注：供試有機物料以烘干基計，–表示未檢出，有機物料中未檢出MeHg。

1.2 試驗設計

將5 kg土壤裝入塑料盆后按照設定的用量(0、1 mg/kg)添加外源Hg(以HgCl2溶液的形式添加)，并加水至土表2 ～ 3 cm淹水老化30 d后達到平衡[12]，隨后向Hg處理的土壤中添加3種有機物料，添加量均為3%(/，以干重計)。試驗共計5個處理：①空白對照(CK)，不添加外源Hg和有機物料；②添加外源Hg但不添加有機物料，即Hg對照(Hg)；③添加外源Hg和油菜秸稈(Hg+RS)，油菜秸稈為鮮樣，剪成2 cm長后施用；④添加外源Hg和豬糞(Hg+M)；⑤添加外源Hg和生物質炭(Hg+BC)。每個處理3次重復。添加有機物料后充分攪拌均勻，繼續保持淹水腐解30 d，隨后采集土壤樣品用于水溶性有機碳(DOC)、土壤THg和MeHg的測定。

供試水稻品種為雜交秈型稻天優華占(中國水稻研究所、中國科學院遺傳與發育生物學研究所和廣東省農業科學院水稻研究所選育，全生育期平均123.1 d)。用30% H2O2溶液浸泡水稻種子15 min后，在25℃的黑暗條件下浸種24 h，去除癟粒后將水稻種子放在濕紗布上催芽24 h，隨后從中挑選出生長狀況良好且基本一致的種子進行育苗。待出苗后培育30 d移栽至對應編號的盆中，每盆3穴，每穴2株。移栽前一周向每盆土壤中加入基肥：N 0.20 g/kg(尿素)，P2O50.15 g/kg(CaH2PO4·H2O)，K2O 0.20 g/kg(KCl)，并采集土壤樣品測定土壤中DOC、THg和MeHg的含量。整個水稻生育期保持淹水，待水稻成熟后收獲測定產量，并在–50℃下凍干后脫殼磨碎，測定糙米中THg和MeHg的含量。

1.3 測定指標與方法

土壤DOC的測定參考王艷等[13]的方法：稱取5 g新鮮土樣，加入25 ml超純水充分混合，230 r/min振蕩1 h，4 000 r/min離心10 min，取上清液過0.45 μm濾膜，用TOC-VCPH自動分析儀(島津，日本，檢出限為0.005 g/kg)測定濾液中有機碳含量。

土壤樣品THg的測定參考GB/T 22105.1—2008《土壤質量總汞、總砷、總鉛的測定——原子熒光法第1部分：土壤中總汞的測定》[14]：準確稱取0.25 g土壤樣品于消解管中，加入10 ml(1+1)王水溶液 (鹽酸︰硝酸=3︰1配成王水后，用超純水稀釋一倍)，在100℃水浴中消解2 h；待消解結束后，冷卻至室溫，用去離子水定容至25 ml，搖勻后用原子熒光光度儀(AF-610D2，北京北分瑞利分析儀器公司，檢出限為0.005 ng/g，下同)測定。

糙米THg的測定參考GB 5009.17—2014《食品安全國家標準食品中總汞及有機汞的測定》，利用高壓密封消解罐法來進行[15]：稱取0.25 g左右糙米粉末樣品，置于聚四氟乙烯內管，加入濃硝酸(優級純)4 ml浸泡過夜，次日加入3 ml 30%(/)H2O2(優級純)，蓋上內蓋，旋緊不銹鋼外罐后放入烘箱，140 ℃條件下維持4 h；在箱內冷卻后，將消解液轉移至離心管并定容，用冷原子熒光光度計(CVAFS，AF-610D2，北京北分瑞利分析儀器公司)測定消解液中THg的含量。

土壤和糙米樣品MeHg的測定參考趙家印等[16]的方法：稱取適量樣品置于15 ml離心管中，加入2 ml氫氧化鉀–甲醇溶液(/=1∶4)，渦旋混勻后置于恒溫振蕩箱中消解4 h，消解條件為60℃、250 r/min；冷卻后定容，搖勻管中溶液后離心(20 min，4 000 r/min，25 ℃)；上清液經過濾后經乙基化反應，用美國Brooks Rand MERX全自動甲基汞分析儀(檢出限為0.028 ng/kg)測定。

采用土壤標準物質(GBW07445)和大蔥標準物質(GBW10049)作為THg的質控樣品，其回收率分別為93% ～ 105%、97% ～ 103%。由于我國尚無糙米MeHg的標準物質，MeHg的質控樣品選用沉積物標準物質(ERM-CC580)，其回收率為99% ～ 105%。

1.4 數據處理

糙米Hg(包括THg和MeHg)的富集系數可通過如下公式計算：

式中：Hgrice表示糙米中Hg的含量(μg/kg)；Hgsoil表示土壤中Hg的含量(μg/kg)。公式中糙米和土壤Hg的形態應保持一致。

用Excel 2013進行試驗數據處理，SigmaPlot 14.0進行繪圖，相關性分析采用Pearson法，差異顯著性分析采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 有機物料對土壤汞甲基化的影響

與Hg對照相比，添加有機物料沒有改變土壤中THg的含量，但不同處理下土壤MeHg含量差異顯著(<0.05，圖1)，施用豬糞處理下土壤MeHg含量升高了31.7%，而油菜秸稈和水稻秸稈生物質炭處理下土壤MeHg含量下降了20.3% 和44.5%。CK、Hg、Hg+RS、Hg+M和Hg+BC處理土壤MeHg比率分別為3.14%、3.79%、2.85%、4.85% 和2.08%。

(柱圖上方不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)

施用不同種類的有機物料后，土壤DOC含量出現差異(圖2A)。與Hg對照相比，油菜秸稈和水稻秸稈生物質炭處理下土壤DOC含量分別下降了12.2% 和27.1%，而豬糞處理下土壤DOC含量上升了14.1%。4個加Hg處理的土壤DOC含量與土壤MeHg比率顯著正相關(2=0.991，<0.01，=4)(圖2B)。

圖2 腐解30 d后不同處理下土壤中DOC的含量(A)及其與土壤MeHg比率的關系(B)

2.2 有機物料添加對水稻產量和稻米汞含量的影響

空白對照CK與Hg對照(Hg)處理下水稻的產量沒有顯著性差異，而施用有機物料處理都顯著提高了水稻的產量。與空白對照相比，油菜秸稈、豬糞和水稻秸稈生物質炭的施用分別提高水稻產量17.6%、33.0% 和39.9%(圖3)。

圖3 不同處理下水稻的產量

與CK處理相比，Hg對照及有機物料處理的糙米THg和MeHg含量顯著提高(圖4)。與Hg對照相比，不同有機物料處理下糙米THg和MeHg含量呈現出了明顯差異。其中，施用豬糞使糙米THg和MeHg含量分別升高了34.5% 和30.3%，而油菜秸稈和水稻秸稈生物質炭的施用使糙米Hg含量下降，其中THg含量下降了34.6% 和46.9%，MeHg含量下降了36.2% 和48.4%。Hg、Hg+RS、Hg+M和Hg+BC處理下糙米MeHg占THg比率分別為98.5%、96.1%、95.4% 和95.8%。

Hg對照及有機物料處理的糙米對THg的生物富集系數 (BCF)大小排序為Hg+BC

3 討論

3.1 有機物料對土壤汞甲基化的影響

3種有機物料的添加對土壤DOC含量的影響出現了顯著差異，土壤MeHg含量也隨之呈現出差異。土壤DOC作為土壤中較活潑的一類有機質，不僅可以為甲基化細菌提供充足的碳源[17]，還能與土壤中Hg形成Hg-DOC復合物來控制土壤Hg的生物有效性[18]。豬糞施用顯著提高了土壤DOC的含量，促進了土壤Hg甲基化過程的進行。近期研究表明，無機Hg與DOC復合物在沉積物中更易溶解，也更易被微生物吸收并發生Hg甲基化作用[19-21]。水稻秸稈生物質炭具有比表面積大、孔隙度高的特點，可通過吸附土壤中Hg的方式來降低土壤中Hg的生物有效性，抑制土壤MeHg的產生，從而降低稻田Hg污染風險[22-23]。油菜秸稈中含有豐富的硫素，進入土壤后在腐解過程中硫素也會被釋放[24]，土壤中的Hg與硫結合形成較穩定的復合物，從而降低了土壤中Hg的生物有效性，進一步降低了土壤中MeHg的含量。

圖4 不同處理下糙米THg(A) 和MeHg (B)的含量

圖5 不同處理下糙米THg(A)和MeHg(B)的富集系數

3.2 有機物料對稻米Hg的影響

本研究選用的3種有機物料均提高了水稻產量。與水稻產量表現不同的是，3種有機物料對糙米Hg含量的影響出現了顯著差異，但有機物料的添加對糙米中MeHg占THg比例并沒有顯著影響。糙米Hg(包括THg和MeHg)主要來源于土壤[25]，有機物料的添加能通過影響土壤Hg甲基化和水稻富集Hg過程影響糙米對Hg的積累。施用豬糞使糙米THg和MeHg的含量顯著升高，而油菜秸稈和水稻秸稈生物質炭處理下糙米THg和MeHg含量則顯著下降，說明豬糞的施用促進了糙米對THg和MeHg的積累，提高了糙米的健康風險。

豬糞處理下糙米THg的BCF高于單加Hg處理，說明豬糞進入土壤腐解后產生的DOC不僅促進了土壤MeHg的生成，還提高了土壤Hg的生物有效性，從而提高了糙米THg含量。而油菜秸稈和水稻秸稈生物質炭處理下糙米THg的BCF均低于單加Hg處理，說明這兩種有機物料可以通過影響土壤Hg的生物有效性降低水稻對THg的富集。與糙米THg的富集規律不同，豬糞和水稻秸稈生物質炭處理下糙米MeHg的BCF與單加Hg處理沒有顯著差異，說明豬糞和水稻秸稈生物質炭的施用對糙米富集MeHg過程的影響可以忽略。與以上2種有機物料不同，油菜秸稈的添加能有效降低糙米MeHg的BCF，說明油菜秸稈可以在水稻Hg甲基化過程和水稻富集MeHg過程中均起到抑制作用，這是因為油菜秸稈在土壤中腐解后產生的含硫化合物可以與Hg和MeHg螯合形成穩定結構[26]，從而降低土壤Hg的生物有效性，達到阻控糙米Hg積累的效果。此外，油菜秸稈和水稻秸稈生物質炭處理下糙米MeHg含量的降幅均高于THg，說明施用油菜秸稈和水稻秸稈生物質炭對降低糙米MeHg積累的效果優于THg。

本文僅測定了有機物料施用30 d后的土壤MeHg和DOC含量變化，及收獲期水稻Hg富集特征。實際上，有機物料組分及其礦化與腐殖化過程不同[5,27]，將對土壤Hg甲基化和水稻吸收Hg有重要影響，有機物料施用后不同時期土壤Hg甲基化過程及水稻Hg富集特征的監測，將有利于進一步深入理解Hg污染土壤施用有機物料的環境效益。

4 結論

1)施用豬糞可以有效提高水稻產量，但豬糞提高了土壤Hg的生物有效性。施用豬糞不但提高糙米吸收THg的能力，增加糙米THg含量，而且促進了土壤Hg甲基化過程的發生，增加土壤和糙米MeHg含量，但MeHg的富集系數沒有顯著改變。

2)施用水稻秸稈生物質炭和油菜秸稈可以增加水稻產量，且均降低了糙米THg和 MeHg的含量，但作用機制并不完全相同。油菜秸稈不僅能抑制土壤Hg甲基化過程，還能降低糙米對THg和MeHg的富集系數，而水稻秸稈生物質炭主要通過抑制土壤Hg甲基化過程，降低土壤MeHg含量和糙米THg的富集系數。

3)在Hg污染稻田中應當慎重施用豬糞，建議施用油菜秸稈或水稻秸稈生物質炭來提高土壤肥力，并阻控水稻吸收Hg。

致謝：感謝華中農業大學劉玉榮教授和郝蕓蕓在甲基汞測定中的指導和幫助！

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Effects of Three Kinds of Organic Materials on Mercury Methylation in Paddy Soil and Mercury Accumulation in Brown Rice

DU Shuyang1,2, DING Changfeng1,2, WANG Xingxiang1,2*

(1 CAS Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In this study, pot experiments were conducted with a blank control (CK), a mercury (Hg) control prepared by adding exogenous Hg in soil over one month-long aging, and three organic material treatments including rape straw, pig manure and rice straw biochar at a dosage of 3% () to Hg-amended soil aged as the Hg control, respectively. The effects of application of different organic materials were compared on rice yield and Hg migration and transformation in paddy field system. The results showed that the application of the three kinds of organic materials significantly increased rice yield, but the effects on Hg methylation in soil and Hg accumulation in brown rice were not consistent. Compared with the blank control, rice yield was increased by 17.6%, 33.0% and 39.9% under the treatments of rape straws, pig manure and rice straw biochar, respectively. Compared with the Hg control, the application of pig manure increased the bioavailability of Hg in soil and promoted methylmercury (MeHg) production and the bioaccumulation factor of total mercury (THg) in brown rice, with the concentrations of THg and MeHg in brown rice being increased by 34.5% and 30.3%, respectively. However, the application of rape straws reduced Hg bioavailability in soil and inhibited the methylation of Hg in soil and the bioaccumulation of Hg in brown rice, with the concentrations of THg and MeHg in brown rice being decreased by 34.6% and 36.2%, respectively. Hg bioavailability in soil and the bioaccumulation factor of THg in brown rice were decreased by applying rice straw biochar, and THg and MeHg content in brown rice were decreased by 46.9% and 48.4%, respectively. Therefore, application of rice straw biochar and rape straw is potential measure to achieve the dual effects of increasing rice yield and preventing Hg accumulation in brown rice in Hg contaminated paddy fields, while pig manure is not recommended.

Rape straw; Pig manure; Biochar; Methylmercury

X53

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.06.016

杜舒陽, 丁昌峰, 王興祥. 三種有機物料對稻田土壤汞甲基化及水稻汞積累的影響. 土壤, 2022, 54(6): 1219–1224.

國家重點研發計劃項目(2019YFC1604501)和國家自然科學基金項目(41501347)資助。

通訊作者(xxwang@issas.ac.cn)

杜舒陽(1995—)，女，安徽蕪湖人，博士研究生，主要從事土壤環境監測與風險管理研究。E-mail：sydu@issas.ac.cn