水分管理与秸秆还田对作物吸收土壤中砷的影响

顾国平　章明奎

摘 要：为了解农田水分管理方式与秸秆还田对砷污染农田中生长农作物吸收砷的影响，在某一砷污染农田的水稻-油菜连作系统中设置稻季淹水灌溉与湿润灌溉和稻季秸秆还田与油菜季秸秆还田双因素试验，分析不同水分管理和秸秆还田对水稻和油菜各器官中砷积累的影响。结果表明，油菜籽粒中砷含量明显低于水稻谷物；稻季湿润灌溉水稻籽粒及茎叶中砷含量低于淹水灌溉，前者为后者的47.59%～48.30%和6.43%～13.36%；稻季水分管理方式对后续作物油菜籽粒砷积累影响不明显。水稻秸秆在油菜田还田处理的水稻籽粒中砷含量低于油菜秸秆在水田还田处理的水稻籽粒，但秸秆还田时间对油菜籽粒中砷含量影响不明显。分析表明，湿润灌溉土壤水溶性As（Ⅲ）和As（Ⅴ）总量及As（Ⅲ）/As（Ⅴ）的比例都显著低于淹水灌溉。研究认为，湿润灌溉和水稻秸秆油菜季还田可降低农产品中砷的积累。

关键词：水分管理；秸秆还田；农产品质量安全；砷污染

中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 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

砷是环境中最常见、危害人类健康最严重的污染物之一，被美国环保局（USEPA）与世界卫生组织（WHO）认定为已知的人类致癌物质。人体吸收过量的砷或长期暴露于富砷环境中，可诱发皮肤癌及导致肾、肝、膀胱等内脏器官的癌变。环境中砷的来源主要有砷化物的开采和冶炼、含砷有色金属的开发和冶炼、砷化物的广泛应用、含砷农药的生产和使用及煤的燃烧等[1]。随着砷化学物质在工农业生产中的不断应用，土壤、大气和水体中的砷污染已成为一个全球性的严重问题，正危胁着农作物生产和人类的健康[2-4]。据2014年《全国土壤污染状况调查公报》，我国有2.7%的土壤砷超标。砷和砷化物可通过水、大气和食物等途径进入人体，因此减少或者消除农业土壤砷的污染和毒害已成为一个亟待解决的重要课题[5-9]。目前，土壤砷污染治理的方法主要有工程措施法、物理化学修复法、微生物法、植物修复法和土壤动物修复法等。工程措施主要包括客土、换土和深耕翻土等。物理化学修复主要包括土壤淋洗法、玻璃化法、电化学法等。微生物修复主要是通过特殊微生物对砷甲基化产生的气态砷或通过吸附、固定等方法来消除砷的危害。植物修复是利用植物萃取、植物固定、植物挥发、根系过滤、植物降解来净化受砷污染的土壤、沉淀和水體。但物理、化学修复方法因工程量大，不太适合于大面积农田土壤的修复；而植物修复技术常常受修复植物生物量小、修复时间长等因素限制。有研究表明，砷及砷化物的毒性与其价态、水溶性等有关，三价砷化合物的毒性比五价砷大[10-11]。好氧环境可降低土壤中砷的生物有效性，通过稻田水分可降低水稻对砷的吸收[12-15]。另外，秸秆还田是我国农田管理的重要措施，秸秆还田可增加土壤中易降解有机物质的含量，从而影响土壤的氧化还原电位，后者可能也会改变土壤中砷的生物有效性和化学形态。基于此，本研究在一砷污染农田的水稻-油菜连作系统中设置稻季淹水灌溉与湿润灌溉和稻季秸秆还田与油菜季秸秆还田双因素试验，分析水稻和油菜各器官中砷的积累情况，以期摸索出利用农艺措施来降低农产品中砷含量的技术。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验在绍兴某一受铅锌矿开采影响的农田中进行，土壤类型为脱潜水稻土。供试土壤质地为重壤土，土壤pH值为5.93，有机质含量为26.45g/kg，土壤有效磷含量12.43mg/kg，速效钾含量为115.46mg/kg。土壤全砷含量为95.32mg/kg，交换态砷含量0.42mg/kg，属于中度污染的土壤。供试水稻品种为秀水63，油菜品种为浙双72。

1.2 试验设计 试验由水分管理方式与秸秆还田时间2个因素组成，水分管理方式设稻季淹水灌溉、稻季湿润灌溉2个处理，秸秆还田时间设置水稻秸秆在油菜田还田（下称水稻秸秆还田）、油菜秸秆在水田还田（下称油菜秸秆还田）2个处理。二因素组合共设置水稻秸秆还田+淹水灌溉、水稻秸秆还田+湿润灌溉、油菜秸秆还田+淹水灌溉和油菜秸秆还田+湿润灌溉等4个处理。小区面积15m3，重复3次。试验于前一茬油菜收获开始（收获的油菜用于油菜秸秆还田的2个处理），水稻和油菜均采用移栽。淹水灌溉指在水稻整个生长期田面保持3.0cm左右的水层；湿润灌溉指除移苗期保持3.0cm左右的水层外，其它时间土壤保持潮湿状态，但田面基本无水层，直至水稻成熟。水稻生长期在7—11月，油菜生长在11月至次年5月。水稻秸秆或油菜秸秆分别在下一季作物种植翻耕前混入土中，秸秆切割成10cm左右。水稻和油菜收获前分别在各小区采集水稻和油菜植株，按根部、籽粒和茎叶分成3个分样，用于分析砷含量。另外，分别在水稻灌浆期和油菜结荚期采集各小区表土样（0～15cm），提取水溶性砷，用以分析土壤溶液中的As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的浓度。除水分管理方式与秸秆还田时间外，各处理其他管理措施均相同。

1.3 分析方法 新鲜土样水溶性砷用去离子水提取，土水比1∶10，提取时间1h。同时测定土壤含水量，校正结果。提取液加入0.1mol/L的EDTA溶液1mL，以防止不同价态As相互转化。提取物中As（Ⅲ）和As（Ⅴ）用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用测定[16]。植物各器官中As采用GB/T 5009.11-2003法测定，用原子荧光光度计（AFS-7500）测定As浓度。

2 结果与分析

2.1 不同处理对产量的影响 表1可知，湿润灌溉处理的水稻产量略高于淹水灌溉处理，但它们之间的差异不明显。在水稻秸秆还田情况下，湿润灌溉的水稻产量比淹水灌溉处理高4.70%；在油菜秸秆还田情况下，湿润灌溉的水稻产量比淹水灌溉处理高3.32%。水稻生长期水分处理对后续作物油菜的产量影响不大。水稻秸秆还田处理的水稻和油菜产量明显高于油菜秸秆还田处理。其中，水稻淹水灌溉条件下，水稻秸秆还田处理的水稻和油菜产量分别比油菜秸秆还田处理高4.91%和11.13%；水稻湿润灌溉条件下，水稻秸秆还田处理的水稻和油菜产量分别比油菜秸秆还田处理高6.31%和6.94%。水稻秸秆还田处理的水稻和油菜产量高于油菜秸秆还田处理的原因可能是：水稻秸秆还田于油菜生长季，其土壤通气条件良好，有利于秸秆的矿化和养分的释放，从而促进了作物的生长。但油菜秆还田于水稻生长季，此时因土壤水分基本趋于饱和，土壤通气条件相对较差，秸秆的矿化并不彻底，易导致土壤氧化還原电位的降低和还原性物质的积累，对水稻生长产生不良的影响。

2.2 不同处理对土壤中水溶性砷含量的影响 水分管理方式与秸秆还田对油菜季土壤水溶性砷及形态组成影响较小（表2），但对水稻生长期土壤水溶性砷含量有明显的影响。无论是水稻秸秆还田还是油菜秸秆还田，淹水处理显著增加了稻季土壤水溶性As（III）、As（V）含量和总砷量，其中，水稻秸秆还田情况下，As（III）、As（V）含量和总砷量分别比湿润处理增加了67.86%、166.67%和118.97%；油菜秸秆还田情况下，As（III）、As（V）含量和总砷量分别比湿润处理增加了52.27%、58.18%和63.83%。总体上，水稻秸秆还田情况下水分管理对土壤水溶性砷的影响一般大于油菜秸秆还田情况的影响。从土壤水溶性砷形态的组成来看，水稻生长季一般以As（III）为主，而油菜生长季则以As（V）为主，这显然与二种作物生长环境下土壤氧化还原条件差异有关。水稻生长季的淹水灌溉土壤水溶性As（III）含量占总砷的比例56.49%～62.99%，高于湿润灌溉土壤水溶性As（III）占总砷的比例（51.72%～53.19%）。

2.3 不同处理对农作物各器官中砷积累的影响 表3表明，水分管理方式和秸秆还田对水稻各器官中砷的积累有明显的影响，水稻秸秆还田处理的水稻根系、茎叶及籽粒中砷含量低于油菜秸秆还田处理，并以淹水灌溉情况下的差异最为显著。其中，淹水灌溉条件下，水稻秸秆还田处理的水稻根系、茎叶及籽粒中砷含量分别比油菜秸秆还田处理低7.74%、11.20%和21.39%；湿润灌溉条件下，水稻秸秆还田处理的水稻根系、茎叶及籽粒中砷含量分别比油菜秸秆还田处理低6.58%、17.78%和22.44%。湿润灌溉处理的水稻根系、茎叶及籽粒中砷含量明显低于淹水处理，水稻秸秆还田时，湿润灌溉处理的水稻根系、茎叶及籽粒中砷含量比淹水处理降低14.48%、13.36%和48.30%；油菜秸秆还田时，湿润灌溉处理的水稻根系、茎叶及籽粒中砷含量比淹水处理降低15.54%、6.43%和47.59%。水稻生长期田间水分管理和秸秆还田对后续作物油菜茎叶和籽粒中砷的积累影响不明显，但水稻秸秆还田处理的油菜根系中砷的积累一般低于油菜秸秆还田处理，前者比后者分别下降8.55%～14.65%。

3 结论与讨论

土壤氧化还原最位（Eh）是影响土壤As 赋存形态和生物有效性的重要因素，稻田土壤的Eh主要受水分条件影响，淹水可促进土壤Eh的降低，使铁（氢）氧化物被还原溶解，As（V）被还原成As（III），As生物有效态因而显著升高，大量的As被释放到土壤溶液中，促进了作物对土壤中砷的吸收。而湿润灌溉在一定程度上促使稻田土壤As与铁（氢）氧化物结合，其移动性显著降低，从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条操作简易并能有效降低水稻砷累积的途径。

试验结果表明，在砷污染的农田中水稻生长期间田面长期淹水会增加水稻籽粒和茎叶中砷的积累，但不会影响后续作物油菜中砷的积累。湿润灌溉可提高土壤的Eh，降低水田土壤中As（Ⅲ）与As（Ⅴ）浓度及其总量及As（Ⅲ）/As（Ⅴ）的比例，减少土壤中砷的活性，从而降低农产品中砷的积累。因此，稻田水分管理可能是一条操作简易并能有效降低水稻砷累积的途径。

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（责编：张宏民）