不同灌溉模式对稻田土壤及糙米重金属积累的影响

2019-07-02王惠明林小兵黄欠如刘晖俞莹武琳郭乃嘉张鸿燕周青辉周利军

生态科学 2019年3期

王惠明,林小兵,黄欠如,刘晖,俞莹,武琳,郭乃嘉,张鸿燕,周青辉,周利军,*

1.江西省农业环境监测站,南昌 330046

2.江西省红壤研究所,南昌 330046

0 前言

我国土壤环境状况总体不容乐观,土壤重金属污染较为严重,根据2014年《全国土壤污染状况调查公报》[1],在我国土壤重金属污染主要以镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)等污染为主,其中耕地土壤镉Cd 污染以轻微、轻度污染为主,总体点位超标率高于其他重金属,达7.0%。近年来,由于As 污染而导致的地方性As 中毒事件在全球范围内日趋严重,并严重威胁着当地居民的健康[2-3]。南方水稻主产区酸性农田土壤镉污染问题更为突出[4],水稻Cd 污染问题不仅重影响水稻品质和产量,并可通过食物链传递与富集等途径严重危害人体健康[5-7]。因此,加强南方酸性水稻土镉污染修复技术研究,成为镉污染水稻土综合防控的重大需求。

目前,农田土壤重金属污染修复方法主要包括农艺调控措施、钝化修复技术和植物修复技术等[8]。钝化修复技术因长期稳定性以及可能对土壤生态功能造成破坏而往往受到限制[9],植物修复技术因植物生长缓慢、生物量低、修复效率低、植物无害化处理难度大等问题,大多停留在试验阶段,难以推广应用[10-11]。农艺调控技术与其他调控措施相比则具有操作简单、费用低、技术较为成熟等优点[12]。土壤水分会影响土壤的物理、化学与生物性质,从而间接影响重金属在土壤中的形态及其重新分配,并改变重金属对植物的可利用性和对环境的风险[13]。减少灌溉水可以使土壤形成好氧环境可以有效地降低稻米中As 含量[14-15]。土壤水分调控能显著影响水稻对Cd 的吸收和累积,利用淹水还原环境能有效降低水稻对Cd 的吸收和累积[16-17]。而且不同灌溉处理也会显著影响水稻的产量[18-19]。

然而,不同水分管理下重金属污染稻田水稻吸收积累重金属(特别是Cd)的机理尚未完全明确,并且大多数研究局限于盆栽试验下重金属Cd 的污染、积累[20],盆栽所得的结论往往与田间实际情况差距较大,大田条件下不同水分管理对水稻吸收积累重金属的影响,差异也有待进一步深入研究。因此,本研究采用大田小区试验,选择赣西萍乡主要粮食产区,研究中稻习惯性灌溉(农户常规管理)和长期淹水灌溉2 种水分管理模式对水稻产量、糙米重金属(Cd、Pb、Cr、Hg 和无机As)、土壤理化性质(土壤Cd、有效态Cd、pH、有机质和阳离子交换量)及土壤理化性质与糙米重金属相关性的影响,旨在明确有效降低水稻吸收重金属(特别是Cd)积累的最佳水分管理技术,并阐明其影响机理,为重金属(特别是Cd)污染土壤的稻米安全生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验地位于江西省萍乡市湘东区东桥镇某村,地处湘赣边界,属亚热带季风气候区,光热充足,雨量充沛,气候温和,无霜期长,年平均气温为17— 18 ℃之间,年平均降雨量约1600 mm。当地习惯稻—油轮作或稻—稻种植模式,试验田前茬作物为油菜,土壤为潜育型水稻土。土壤耕作层(0—20 cm)基本理化性质:土壤有机质30 g·kg-1,土壤pH 值5.1,土壤阳离子交换量11.23 cmol·kg-1,土壤Cd 含量0.72 mg·kg-1,土壤有效态Cd 含量0.40 mg·kg-1,土壤Pb 含量34.90 mg·kg-1,土壤Cr 含量66.21 mg·kg-1。

1.2 试验设计

在水稻品种、育秧、移栽、施肥、用药等技术措施及基础地力相同的条件下,设计习惯性灌溉(农户常规管理)和长期淹水灌溉2 种灌溉模式。习惯性灌溉即浅水分蘖灌溉或间歇性灌溉,在分蘖盛期够苗时排水晒田,以后干湿交替灌溉,孕穗和抽穗扬花期保持浅水层,后保持田间湿润至收割;长期淹水灌即水稻插秧开始一直维持3—5 cm 水层,直至黄熟期后自然落干至收割。试验供试水稻品种为一季稻“谷优527”,大田育秧。播种日期为2015年4月21日,移栽日期为5月15日,株距为20 cm,行距为26.5 cm,每穴种植2株,收获日期为9月26日。试验小区面积为5 m×7 m,随机区组排列,3 次重复。小区间田埂用塑料薄膜覆盖向地下内嵌至犁底层,以防小区间肥、水互渗,每个小区均单设相互独立的排灌系统。

1.3 样品采集与测定

在水稻移栽前和收获后按多点混合采样方法采集耕作层土壤样品,每个小区土样采集个数为5 个,并用四分法去除多余混合土样,带回实验室经自然风干后磨细过筛后备用。稻谷成熟期,每个处理小区采5 株水稻,带回实验室在70℃条件下烘干,脱壳、粉碎后备用。pH 采用电位法测定;有机质采用重铬酸钾容量法;土壤全Cd 和有效态Cd 含量采用原子吸收光谱法测定;土壤中阳离子交换量采用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法测定。水稻产量采取实打实收的方式测量。水稻样品用湿式消解法消解后,用石墨炉原子吸收光谱法测定糙米Cd、Pb 和Cr;样品中无机As 测定,用湿式消解法消解后,用原子荧光光度法测定;样品中Hg 测定,用微波消解法消解,用原子荧光光度法测定。在测定稻米样品的同时,使用国家标准物质湖南大米 GBW10045 (GSB-23),进行质量控制分析,同时全程做空白试验。

1.4 数据处理

本试验所有数据均采用3 次重复的平均值±标准偏差来表示,应用R 3.4.3 (www.r-project.org)进行统计和分析数据,各处理间差异显著性分析采用R语言vegan 程序包中t检验,通过R 语言皮尔森相关系数(Pearson correlation coefficient)分析土壤Cd、有效态Cd、pH、有机质和阳离子交换量与糙米Cd、Pb、Cr、Hg 和无机As 含量的相关性,以上制图通过R语言软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉模式对水稻产量的影响

由图1可以看出,不同灌溉模式方式下水稻产量习惯性灌溉＞长期淹水灌溉。与习惯性灌溉相比,长期淹水灌溉条件下的水稻产量降低1.52%,但是统计分析表明长期淹水灌溉的水稻产量与习惯性灌溉没有明显差异(P＞0.05,图1)。

2.2 不同灌溉模式对糙米重金属含量的影响

从不同灌溉模式对糙米重金属含量的影响可以看出(图2),与习惯性灌溉相比,长期淹水灌溉条件下的稻田糙米Cd 含量降低42.79%,糙米Pb 含量降低3.70%,糙米Cr 含量降低44.81%,而糙米Hg 含量增加200%,糙米无机As 含量增加3.29%。长期淹水灌溉的糙米Cr 含量显著低于习惯性灌溉(P= 0.03,图2c),而长期淹水灌溉的糙米Hg 含量显著高于习惯性灌溉(P＜0.01,图2d),但是长期淹水灌溉的糙米Cd、Pb 和无机As 含量与习惯性灌溉没有明显差异(P＞0.05,图2)。

图1 不同灌溉方模式下水稻产量的差异 Figure1 Difference of rice yield under different irrigation modes

2.3 不同灌溉方式对稻田土壤理化性质的影响

与习惯性灌溉相比,长期淹水灌溉条件下的稻田土壤Cd 含量降低38.77%,土壤有效态Cd 含量降低72.08%,土壤阳离子交换量降低36.71%,而土壤pH 增加0.97%,土壤有机质增加6.32%。长期淹水灌溉的土壤有效态Cd 含量显著低于习惯性灌溉(P=0.02,图3b),长期淹水灌溉的土壤阳离子交换量显著低于习惯性灌溉(P＜0.01,图3e),但是长期淹水灌溉的土壤Cd 含量、pH 和有机质与习惯性灌溉没有明显差异(P＞0.05,图3)。

2.4 土壤理化性质与糙米重金属的相关性分析

为探讨糙米重金属与土壤理化性质的相关性,进一步了解糙米重金属的吸收机制,本文分析了土壤Cd 含量、有效态Cd 含量、pH、有机质和阳离子交换量与糙米Cd、Pb、Cr、Hg 和无机As 含量的相关性。结果显示:糙米Cd、Pb 和无机As 含量与土壤Cd 含量、有效态Cd 含量、pH、有机质和阳离子交换量之间的关系无显著影响(P＞0.05,表1);但是糙米Cr 含量与土壤有机质呈显著负相关(P= 0.04,r=0.80),与土壤阳离子交换量呈显著正相关(P= 0.03,r=0.85);糙米Hg 含量与土壤有效态Cd 含量呈极显著负相关(P＜0.01,r=0.95),与土壤阳离子交换量呈极显著负相关(P＜0.01,r=-0.96)。

图2 不同灌溉方模式下糙米重金属含量的差异 Figure2 Difference of heavy metal content in brown rice under different irrigation modes

图3 不同灌溉模式下土壤理化性质的差异 Figure3 Difference of soil physical and chemical under different irrigation modes

表1 土壤理化性质与糙米重金属的相关性 Table1 Correlation coefficients between physical and chemical properties in soil and heavy metals in brown rice

3 讨论

3.1 不同灌溉模式对水稻产量的影响

不同灌溉模式方式下水稻产量表现为习惯性灌溉＞长期淹水灌溉。崔晓荧等[21]和程建平等[22]研究表明,与长期淹水条件下相比,在干湿交替条件下能显著提高水稻的生物量及产量。蔡志欢等[23]结果表明,与间歇灌溉和淹水管理方式相比,旱栽管理方式生育期明显延长;对比淹水管理,间歇灌溉能增加单株有效穗数,不同程度提高结实率和千粒重,进而提高产量。且在淹水还原条件下,As 易以毒性较强的As(III)形态存在,作物受害最严重,也将影响水稻产量。与淹水灌溉相比,习惯性灌溉提高了水稻的产量,可能是习惯性灌溉协调了“源”的积累与“库”的形成,导致每穗实粒数、每穗颖花数、结实率和千粒重增加,使产量构成更合理。

3.2 不同灌溉模式对糙米重金属含量的影响

土壤的物理组成和化学性质直接影响重金属的存在形态。与习惯性灌溉相比,长期淹水灌溉条件下的糙米Cd 和Pb 含量分别降低42.79%和3.70%,并且Cr 含量显著降低44.81%,而Hg 含量显著增加200%,无机As 含量增加3.29%。水分管理通过调控土壤中重金属的生物有效性,可以促进或抑制植物生长发育[24]。与常规管理相比,全生育期淹水栽培方式下的水稻糙米中Cd 含量最低[25-26]。崔晓荧等[21]的结果表明,在干湿交替条件下增强了Pb、Cr、Cd在土壤-水稻系统中的迁移能力,并显著促进水稻根系对Cd的富集,提高米粒中Cr 的含量。王荣萍等[27]的研究发现,随着土壤水分含量的增加,水稻根、茎叶和籽粒中As 的含量都显著增加。Arao 等[14]的研究发现,在水稻抽穗前3 周不进行淹水可有效地降低稻米中As 含量,Somenahallay 等[15]的研究也发现,在干湿交替条件下种植出的水稻稻米As 含量较持续淹水条件下低。郑顺安等[30]的研究在淹水条件下,土壤甲基汞(MeHg)含量呈上升趋势,明显高于70%田间持水量和干湿交替。

通过减少土壤有效态Cd积累,使水稻不易吸收土壤中Cd,从而降低了糙米中Cd 的积累量。这主要是由于不同水分管理措施通过影响土壤pH、碳酸盐含量等导致土壤镉有效性产生差异,从而影响水稻对镉的吸收。由于淹水后土壤pH 的增加,胶体对镉的吸附增强,有利于生成重金属沉淀,土壤镉的迁移和生物有效性降低,从而导致稻米中镉含量下降。随着pH、有机质含量的上升,大部分微量元素通常会吸附作用或形成络合物而导致其浓度降低,土壤中重金属的生物可利用性下降。长期淹水灌溉可能通过降低土壤阳离子交换量,使土壤成为还原状态,减少土壤有效态Cd 所占比例,使水稻不易吸收土壤中Cd,从而降低了稻谷和糙米Cd 的积累量。而水分条件会影响Hg 在土壤中的形态及其重新分配,并改变对植物的可利用性和对环境的风险。本试验中,虽然长期淹水灌溉条件下降低了糙米中Cd、Cr 和Pb 含量,但是增加了糙米Hg 和无机As含量,因此,在采取相应水分管理模式降低重金属生物有效性时应充分考虑水稻对不同重金属类型的响应差异。

3.3 不同灌溉方式对稻田土壤理化性质的影响

土壤水分变化可改变土壤性质进而影响土壤重金属有效性。本试验发现,与习惯性灌溉相比,长期淹水灌溉条件下的土壤Cd 含量降低38.77%,且有效态Cd 含量和阳离子交换量分别显著降低72.08%和 36.71%,而 pH 和有机质分别增加 0.97%和6.32%。郑绍建等[31]对稻田水旱轮作各时段土壤Cd形态进行了连续测定,结果表明稻田淹水后土壤pH值增大,有机质和铁锰氧化物对Cd的吸持能力增强,这是土壤Cd 生物有效性降低的主要原因。张磊等[32]研究发现土壤湿度通过影响金属在土壤各相中的再分配强烈影响金属的可利用性,Cd 在淹水条件下比水分适度条件下更容易达到一种稳定的状态。纪雄辉等[17]研究表明Cd 污染酸性稻田在长期淹水的还原条件下Fe2+等金属离子与Cd2+的竞争吸附作用以及S2-和Cd2+的共沉淀作用加强,因而使得土壤中Cd 的生物有效性明显降低。在酸性土壤和中高有机质土壤淹水后可有效降低土壤有效态Cd 含量[31]。茆智等[32]的研究表明,灌溉模式的改变使得稻田土壤理化性质、水稻植株根系生长规律等发生一系列变化,将会导致土壤重金属赋存形态及其有效性发生变化,进而引起重金属渗漏淋失、地表径流过程、作物吸收富集等差异。土壤pH 值、氧化还原电位、阳离子交换量、土壤质地、可溶性有机质和腐殖质等都会影响到镉在土壤中的溶解度和移动性。土壤处于氧化条件下(通气良好时,稻田排水期及旱田),Cd 则易转变成有效态Cd 而被植物吸收;而在淹水条件下,Cd 能形成难溶性的硫化物沉淀较难被吸收。在淹水条件下,稻田土壤呈还原状态,Eh 显著降低,土壤中硫酸盐还原为硫化物,H2S 分解产生HS-和S2-,导致土壤溶液中S 离子和Cd 离子结合形成沉淀,以及Fe2+等金属离子与Cd2+的竞争作用加强,降低了土壤Cd 的有效性,从而降低籽粒Cd 含量。

3.4 土壤理化性质与糙米重金属的相关性分析

土壤的环境条件直接影响到重金属的生物有效性,当土壤环境条件发生变化时,植物中的污染元素质量分数也会随之发生变化。本试验过程中糙米Cr 含量与土壤阳离子交换量表现出协同吸收,而糙米Cr 含量与土壤有机质表现出拮抗作用,糙米Hg含量与土壤有效态Cd 含量和土壤阳离子交换量表现出拮抗作用。周国华等[33]的研究表明,土壤有机质与晚稻重金属Cr 含量呈负相关关系,在一定条件下,土壤有机质是农产品(水稻)重金属富集的主要因素,这一结果与我们研究一致。魏华伶等[34]的研究发现,土壤阳离子交换量与水稻Hg 的富集系数呈显著负相关,而与水稻Cr 的富集系数呈负相关关系。而对于水稻Cd、Cr 和Pb 来说,土壤有机质越丰富,稻米对元素的吸收能力呈现下降趋势,即增施有机肥、培肥土壤有利于抑制土壤Cd、Cr 和Pb污染对稻米安全品质的影响。土壤阳离子作为作物吸收重金属元素的强竞争性离子,其质量分数越高,重金属Hg 元素吸收量就越低,起到拮抗重金属元素的效应。关于土壤理化性质与糙米重金属相互作用是个复杂的过程,特别是糙米Cr 和Hg 与土壤理化性质之间的相互关系还要进一步试验研究和证实。