砷胁迫下水磷耦合对不同磷效率水稻根表铁膜及其各部位砷含量的影响

张秀，郭再华，杜爽爽，石乐毅，吕昌胜，张丽梅，赵竹青，贺立源

华中农业大学资源与环境学院，武汉430070

近年来，砷污染造成大量稻田低产、绝产，砷中毒事件频发。据联合国教科文组织统计，仅在东南亚地区就有2 000 多万人遭受慢性砷中毒的危害[1-2]。在目前耕地日益减少的情况下，在没有将污染土壤中的砷修复至安全标准之前，要保证粮食数量和质量安全，采取低成本、易实施的农艺措施降低植物砷危害具有重要意义。磷和砷属同族元素，化学性质类似，在土壤-植物系统中的行为也有颇多相似之处。由于磷能够通过离子交换作用置换出土壤中的砷，因此少施磷肥是减少土壤溶液中砷浓度、降低砷有效性的有效措施之一[3]。但是，磷是植物生长所大量必需的营养元素，磷营养不足直接影响作物的生长、产量及其抗逆性。研究表明，地上部累积磷较多的水稻品种抵抗砷胁迫的能力更强[4]。因此，选择磷高效品种(在较磷用量较少的条件下吸收较多的磷，植株生长良好，能获得较高的产量)并适当减少磷肥用量，有可能兼顾植物磷营养和降低砷毒害，但这种推测尚缺乏实验证实。土壤中的砷主要以As(III)和As(Ⅴ)的形式存在，水稻吸收As(III)的能力比As(Ⅴ)强的多，而稻田淹水环境会增加土壤溶液中As(III)的含量，从而增加砷的毒性和生物有效性，这也是水稻比旱地作物(小麦、大麦等)更容易遭受砷污染的原因[5]。因此，适当减少水分可以减轻土壤砷对植物的毒害。此外，由于水稻根系具有特殊的泌氧功能，因此，在水稻根表容易形成铁膜[6]，而铁膜对As(Ⅴ)的吸收和转运有明显的抑制作用[7]。为此，选用本研究室筛选的磷高效水稻品种和磷敏感水稻品种为材料[8]，研究水分管理模式、磷用量及其交互作用对水稻根表铁膜形成以及植株体内砷吸收与分配的影响，并比较不同磷效率品种水稻之间的差异。为探索中、轻度砷污染土壤上水稻安全生产的农艺消减技术体系提供理论依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 供试材料

实验采用缺磷的酸性红壤，其基本农化性状为:pH 值(水∶土=2.5∶1)4.93;碱解氮116.2 mg·kg-1;速效磷3.35 mg·kg-1;速效钾132.9 mg·kg-1;有效砷0.14 mg·kg-1;全磷0.35 g·kg-1;全砷8.73 mg·kg-1。

水稻品种为耐低磷水稻品种99011 和低磷敏感水稻品种99012[8]。对低浓度磷的吸收能力很强是99011 表现磷高效的关键，99012 对磷的利用能力也比较高，但是对低浓度磷的吸收能力很差。

1.2 实验设计

采用盆栽实验，每盆装土4 kg，设置3 个砷水平，分别为0、50 和100 mg·kg-1(用As0、As50 和As100 表示)。设置2 个水分处理，分别为淹水灌溉(水淹土面2 ～3 cm，用A 表示)和干湿交替(水分在水淹土面2 ～3 cm 到约为田间持水量的65%之间变化，用A/D 表示)。由于不同处理水稻的长势不同，对水分的消耗速度也不同，因此，干湿交替的频率也不一样，用便携式水分测定仪测定每个处理水分含量，待水分落干到田间持水量的65%左右时补充水分到水淹土面2 ～3 cm。设置2 个磷水平，分别为30 和180 mg·kg-1(以P2O5计)(用P30 和P180表示)。每个处理重复3 次。氮肥用量为200 mg·kg-1(以N 计，分3 次施入，分别为基肥100 mg·kg-1、分蘖肥50 mg·kg-1和穗肥50 mg·kg-1)，钾肥200 mg·kg-1(以K2O计，全部做基肥)。所用试剂分别为磷酸二氢钠、砷酸钠、尿素和氯化钾(化学纯，中国医药集团上海化学试剂公司，上海)。将砷(Na3AsO4·12H2O)和肥料配成溶液浇入土壤，充分拌匀，平衡15 d 后播种。

水稻种子经过消毒、浸泡、催芽后播种。选取发芽一致的种子，每个根箱播种6 粒，3 叶期间苗，留2株。实验在活动晴雨棚内进行，培养期间按实验要求进行水分管理，并进行病虫害防治。水稻成熟分别测定根表铁膜、提取铁膜后的根系、秸秆、颖壳和稻米(精米)中砷的含量。

1.3 测试方法

水稻新鲜根系上的铁膜采用二水合柠檬酸三钠+碳酸氢钠+连二亚硫酸钠(DCB)浸提[9-10]:水稻成熟后，从土壤中小心洗出全部根系，为兼顾不同处理中根系大小的差异以及取样的均匀性，取全部根或者沿根轴方向分一半新鲜根系称取质量4 ～6 g，剪碎至2 ～3 mm后放入100 mL 离心管，加入0.03 mol·L-1二水合柠檬酸三钠和0.125 mol·L-1碳酸氢钠的混合液50 mL，浸泡10 min 后在加1.25 g 连二亚硫酸钠，混合均匀后加盖，在20℃～25℃下慢速振荡浸提1 h。将浸提后的溶液转入100 mL 容量瓶中，并用超纯水洗根系3 次，洗液转入容量瓶中定容。用原子吸收分光光度计(240FS，安捷伦，美国)测定浸提液中铁浓度，用氢化物发生-原子吸收分光光度计(VGA77，安捷伦，美国)测定浸提液中砷浓度，用紫外-可见分光光度计(UV-1800，美普达，上海)测定磷含量。浸提过的根系放入塑料烧杯中在70℃烘至恒重后称取质量。根表铁膜量用浸提液中含铁量与用于提取铁膜的根干质量之比表示。植物样品用硝酸-高氯酸消解后，用氢化物发生-原子吸收分光光度计进行测定砷含量。

1.4 数据处理

用DPS 和Excel 2007 进行数据处理。文中用≥表示前者大于后者(P ＞0.05)，但差异不显著，用＞ 表示前者和后者差异显著(P ＜0.05)。

2 结果(Results)

2.1 不同砷浓度下水磷耦合对不同磷效率水稻根表铁膜量的影响

如图1 所示，水分管理、磷用量及其交互作用对水稻根表铁膜量的影响存在明显的水稻品种间的差异。耐低磷水稻99011 的根表铁膜量在不加砷时为P30(A)＞P180(A)＞P30(A/D)＞P180(A/D)，在砷浓度为50 和100 mg·kg-1时，铁膜量为P30(A)＞P30(A/D) ＞P180(A) ＞P180(A/D);磷敏感水稻99012 的根表铁膜量在3 个砷水平下均表现为P30(A)≥P180(A) ＞P30(A/D) ＞P180(A/D)。由此可见，干湿交替水分处理和增加磷用量都减少2 个水稻品种的根表铁膜量。这说明，对于根表铁膜的形成，干湿交替水分管理表现出明显的负效应;增加磷用量对根表铁膜的形成表现为负效应或者无效应;二者交互也表现为负效应，且在低砷环境和耐低磷水稻99011 上表现更明显。相同处理条件下，耐低磷水稻99011 的根表铁膜量均明显大于磷敏感水稻99012。

图1 砷胁迫下水分管理和磷用量对水稻根表铁膜量的影响Fig.1 Effect of water management and phosphorous addition on Fe contents in iron plaque of rice root under As stress

2.2 不同砷浓度下水磷耦合对不同磷效率水稻砷含量的影响

从图2 可以看出，水稻不同部位(根表铁膜、根系、秸秆、颖壳和精米)中砷含量与磷用量以及砷的处理浓度有关，不同磷效率水稻之间也存在一定的差异。但总体上表现为根表铁膜＞根系＞秸秆＞颖壳＞精米。

图2a 表明，在土壤不加砷的情况下，2 个品种的根表铁膜中砷含量均表现为P30(A) ＞P180(A)≥P30(A/D) ＞P180(A/D)，但与加砷处理相比，含量都很低;50 和100 mg·kg-1砷处理组中，耐低磷水稻99011 根表铁膜砷含量为P30(A)≥P180(A)＞P30(A/D)≥P180(A/D)，磷敏感水稻99012 则为P30(A) ＞ P180(A) ＞ P30(A/D) ＞ P180(A/D)。研究还发现，水分处理间，根表铁膜中砷含量的差异在耐低磷水稻99011 上表现较为明显;磷处理间，这种差异在磷敏感水稻99012 上表现更明显。这说明，对于根表铁膜富集砷，干湿交替水分管理表现出明显的负效应;增加磷用量对耐低磷水稻影响不大，但对磷敏感水稻表现出明显的负效应;二者交互表现出明显的负效应。

从图2b ～图2d 可以看出，在3 个砷浓度处理中，2 个水稻品种根系(除去铁膜)和秸秆中砷含量均表现为P30(A) ＞P180(A) ＞P30(A/D) ＞P180(A/D)。2 个水稻品种颖壳砷含量在不加砷和50 mg·kg-1砷处理时表现为P30(A)≥P180(A)＞P30(A/D)≥P180(A/D)，在100 mg·kg-1砷处理时则为P30(A) ＞P180(A) ＞P30(A/D) ＞180(A/D)。这说明，干湿交替和增加磷用量都有助于降低水稻根系、秸秆和颖壳中的砷含量。研究还发现，水分处理对水稻根系和颖壳砷含量的影响在磷用量较多且土壤砷浓度较高时更明显，而对秸秆砷含量的影响在磷用量较多且土壤砷浓度较低时更明显。磷用量对水稻根系和颖壳砷含量的影响在干湿交替环境且土壤砷浓度较高时更明显，而对秸秆砷含量的影响在干湿交替环境且土壤砷浓度较低时更明显。因此，对于降低根系、秸秆和颖壳中的砷含量，干湿交替水分管理和增加磷用量以及二者交互作用都表现出明显的正效应，且水分效应在土壤砷浓度较高以及磷用量较多的条件下表现更明显，磷效应在干湿交替环境以及磷敏感水稻上表现更明显。

图2 砷胁迫下水分管理和磷用量对水稻不同部位As 含量的影响Fig.2 Effect of water management and phosphorous addition on As concents in different organs of rice under As stress

2 个水稻品种在不加砷处理中精米的砷含量都很低，数据之间的差异几乎可归因于系统误差，因此可忽略不计(图2e)。50 和100 mg·kg-1砷处理中，耐低磷水稻99011 的精米砷含量表现为P180(A) ＞P30(A)＞P180(A/D)＞P30(A/D)，而磷敏感的水稻99012 则表现为P30(A) ＞P180(A) ＞P30(A/D)＞P180(A/D)。由此可见，干湿交替可以降低水稻精米砷含量;增加磷用量可提高耐低磷水稻99011精米中的砷含量，但降低磷敏感水稻99012 精米中砷含量。研究还发现，水分处理和磷用量对精米砷含量的影响均在高砷环境中以及磷敏感水稻上表现更明显。因此，在降低精米中砷含量方面，干湿交替水分管理表现为正效应;增加磷用量在磷敏感水稻上表现为正效应，在耐低磷水稻上表现为负效应;水磷交互效应表现为正效应。土壤加砷以后(50 和100 mg·kg-1砷处理)，相同处理条件下，耐低磷水稻99011的根表铁膜中砷含量均显著高于磷敏感水稻99012，而根系、秸秆、颖壳以及精米中的砷含量则相反。

3 讨论(Discussion)

根表铁膜是砷的富集库，也是水稻吸收砷的缓冲区和障碍层，可有效阻止水稻根系对As(III)的吸收，但根系对As(V)的吸收能力还与环境的含氧量相关[11-13]。根表形成的铁膜量主要取决于土壤溶液中的Fe2+浓度、根系分泌的氧气和氧化物质的量，以及由此形成的微氧化环境条件[14]。土壤溶液中的Fe2+浓度高、根系通气组织发达的水稻根系可产生更多的氧气和氧化性分泌物，有利于形成更多的根表铁膜，进而使根表铁膜中富集更多的砷[15]。相同处理条件下，耐低磷水稻99011 根表铁膜量显著高于磷敏感水稻99012，可能是因为99011 根系分泌氧气和氧化物的能力比99012 强。与长期淹水相比，干湿交替水分管理模式有助于改善根际微氧化环境(提高氧化还原电位)，但是降低了土壤溶液中的Fe2+浓度。本研究中水稻在淹水环境下的根表铁膜量显著高于干湿交替处理，说明根表铁膜量由土壤溶液中Fe2+的浓度和微氧环境共同决定。低磷胁迫有助于根表铁膜的形成，这与Liu 等[16]的研究结果一致。

相关分析表明，加砷以后(50 和100 mg·kg-1砷处理)，2 个水稻品种在不同处理条件下，根表铁膜量与铁膜中的砷含量呈显著正相关(r=0.68)，说明可通过增加根表铁膜量阻止更多的砷进入水稻根系中。

研究表明，与持续淹水种植相比，适当干旱或者减少水分可以大大降低水稻各部位砷的含量，降低砷对水稻生长发育的危害[17-18]。本研究结果显示，干湿交替水分管理模式下，2 个不同磷效率水稻根系、秸秆、颖壳和精米中砷含量均显著低于淹水管理，且土壤砷浓度越高，差异越明显。这说明，干湿交替水分管理是降低水稻砷毒害的有效措施。

磷和砷之间的关系比较复杂。在土壤中，磷和砷竞争土壤胶体上的吸附位点，因此，增施磷肥可能增加土壤溶液中砷的浓度，但是这取决于砷和磷的浓度以及土壤胶体表面吸附位点的数量[3]。在植物体内，一方面磷和砷As(V)都通过磷酸转运子途径进入植物体内，并且磷酸转运子对磷的亲和力比砷高[19];另一方面增施磷肥可促进植物的生长发育，从而稀释进入植物体内砷的浓度，增强植物抵抗砷胁迫的能力。因此，施磷肥对植物体吸收砷的影响取决于土壤-植物体系磷、砷互作的结果以及植物生长对环境磷浓度的要求(植物磷效率)。有研究表明，在低磷条件下适当添加外源磷肥可降低水稻秸秆中砷含量[4,20]。本研究结果显示，与30 mg·kg-1磷用量相比，180 mg·kg-1的磷用量明显降低了2 个水稻品种根系和秸秆中的砷含量，且干湿交替比淹水处理表现更明显，说明磷与As(V)的竞争吸收对缓解砷对水稻毒害起着非常重要的作用。对于稻米中的砷含量，180 mg·kg-1磷处理可明显降低磷敏感水稻99012 的精米砷含量，可能是因为高磷处理大大增加了99012 的产量(包括精米质量)，从而产生了“稀释效应”，降低了砷浓度;但是，增加磷用量可增加耐低磷水稻99011 的精米砷含量，这又可能与磷促进砷在99011 植物体内的转运有关。

此外，加砷处理后，相同条件下，耐低磷水稻99011 的根表铁膜量和铁膜中的砷含量均显著高于磷敏感水稻99012，而根系、秸秆、颖壳和精米中的砷含量则相反。这进一步说明，根表铁膜在砷毒害植物过程中，对植物具有保护作用，同时也说明耐低磷水稻99011 比磷敏感水稻抵抗砷胁迫的能力更强，但其具体机制有待深入研究。

综上所述，干湿交替可有效降低水稻根表铁膜、根系、秸秆、颖壳以及精米中的砷含量，磷用量对水稻不同部位砷含量的影响与土壤中砷浓度以及品种磷营养特性有关，二者的交互效应主要受水分效应的影响。因此，生产上可通过节水灌溉，并根据砷污染程度和植物磷营养特性确定适当的磷肥用量以降低砷对水稻的毒害，提高食品安全性。

[1] Khan M A,Islam M R,Panaullah G M,et al.Accumulation of arsenic in soil and rice under wetland condition in Bangladesh[J].Plant and Soil,2010,333(1):263－274

[2] Zhu Y G,Williams P N,Meharg A A.Exposure to inorganic arsenic from rice:A global health issue?[J].Environmental Pollution,2008,154(2):169－171

[3] 邹强,刘芳,杨剑虹.紫色土中砷、磷的吸附-解吸和竞争吸附[J].应用生态学报,2009,20(6):1383－1389 Zou Q,Liu F,Yang J H.Adsorption-desorption and competitive adsorption of arsenic and phosphorus in purple soil[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2009,20(6):1383－1389(in Chinese)

[4] Lu Y,Dong F,Deacon C,et al.Arsenic accumulation and phosphorus status in two rice(Oryza sativa L.)cultivars surveyed from fields in south China[J].Environmental Pollution,2010,158(5):1536－1541

[5] Su Y H,Mcgrath S P,Zhao F J.Rice is more efficient in arsenite uptake and translocation than wheat and barley[J].Plant and Soil,2010,328(1):27－34

[6] Chen C C,Dixon J B,Turner F T.Iron coatings on rice roots:Morphology and models of development[J].Soil Science Society America Journal,1980,44(5):1113－1119

[7] Chen Z,Zhu Y G,Liu W J,et al.Direct evidence showing the effect of root surface iron plaque on arsenite and arsenate uptake into rice(Oryza sativa L.)roots[J].New Phytologist,2005,165(1):91 －97

[8] 郭再华.耐低磷水稻筛选、分类及其生理机制研究[D].武汉:华中农业大学,2005:43－48 Guo Z H.Screening and classification of rice with different phosphorus efficiency and physiology mechanism[D].Wuhan:Huazhong Agricultural University,2005:43－48(in Chinese)

[9] 刘文菊,朱永官,胡莹,等.来源于土壤和灌溉水的砷在水稻根表及其体内的富集特性[J].环境科学,2008,29(4):862－868 Liu W J,Zhu Y G,Hu Y,et al.Effects of arsenic from soil and irrigation-water on As accumulation on the root surfaces and in mature rice plants(Oryza sativa L.)[J].Environmental Science,2008,29(4):862 －868(in Chinese)

[10] Zheng R L,Cai C,Liang J H,et al.The effects of biochars from rice residue on the formation of iron plaque and the accumulation of Cd,Zn,Pb,As in rice(Oryza sativa L.)seedlings[J].Chemosphere,2012,89(7):856 －862

[11] Deng D,Wu S C,Wu F Y,et al.Effects of root anatomy and Fe plaque on arsenic uptake by rice seedlings grown in solution culture[J].Environmental Pollution,2010,158(8):2589－2595

[12] Liu W J,Zhu Y G,Smith F A.Effects of iron and manganese plaques on arsenic uptake by rice seedlings(Oryza sativa L.)grown in solution culture supplied with arsenate and arsenite[J].Plant and Soil,2005,277(1):127－138

[13] 郭伟,林咸永,程旺大.不同地区土壤中分蘖期水稻根表铁氧化物的形成及其对砷吸收的影响[J].环境科学,2010,31(2):496－502 Guo W,Lin X Y,Cheng W D.Effect of iron plaque formation of root surface on As uptake by rice seedlings grown on different types of soils[J].Environmental Science,2010,31(2):496－502(in Chinese)

[14] 陈学萍,朱永官,洪米娜,等.不同施肥处理对水稻根表铁和砷形态的影响[J].环境化学,2008,27(2):231－234 Chen X P,Zhu Y G,Hong M N,et al.Characteristics of Fe and As in the rice rhizosphere with different fertilizer amendments[J].Environmental Chemistry,2008,27(2):231－234(in Chinese)

[15] 杨婧,胡莹,王新军,等.两种通气组织不同的水稻品种根表铁膜的形成及砷吸收积累的差异[J].生态毒理学报,2009,4(5):711－717 Yang J,Hu Y,Wang X J,et al.Differences of iron plaque formation and As accumulation between two rice cultivars with different aerenchyma tissue[J].Asian Journal of Ecotoxicology,2009,4(5):711－717(in Chinese)

[16] Liu W J,Zhu Y G,Smith F A,et al.Do phosphorus nutrition and iron plaque alter arsenate(As)uptake by rice seedlings in hydroponic culture?[J].New Phytologist,2004,162(2):481－488

[17] Li R Y,Stroud J L,Ma J F,et al.Mitigation of arsenic accumulation in rice with water management and silicon fertilization[J].Environmental Science&Technology,2009,43(10):3778-3783

[18] Sarkar S,Basu B,Kundu C K,et al.Deficit irrigation:An option to mitigate arsenic load of rice grain in west Bengal,India[J].Agriculture Ecosystems&Environment,2012,146(1):147-152

[19] Wu Z C,Ren H Y,McGrath S P,et al.Investigating the contribution of the phosphate transport pathway to arsenic accumulation in rice[J].Plant Physiology,2011,157(1):498-508

[20] Lou-Hing D,Zhang B,Price A H,et al.Effects of phosphate on arsenate and arsenite sensitivity in two rice(Oryza sativa L.)cultivars of different sensitivity[J].Environmental and Experimental Botany,2011,72(1):47-52