秸秆还田和水分管理方式对土壤砷形态及水稻砷吸收的影响

2020-09-02顾国平项佳敏章明奎

江西农业学报 2020年8期

顾国平,项佳敏,章明奎

(1.浙江省绍兴市农业科学研究院,浙江绍兴 312003;2.浙江大学环境与资源学院,浙江杭州 310058)

砷是自然界广泛存在的有毒金属元素,人体吸收过量的砷或长期暴露于富砷环境中可诱发各类癌症。土壤是农产品砷的重要来源,对砷污染土壤的治理是中国农田重金属污染治理与修复研究的重要内容[1～4]。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[5～8],但这些技术因种种原因还未能推广应用。农艺调控措施因具有操作简单、费用低、技术较为成熟且被人们熟知等优点,是当今被许多地区选作农田重金属污染治理的重要手段[9～12]。目前用于农田重金属污染治理的农艺调控技术主要有水肥管理、低累积品种替换、土壤pH值调节、叶面调理剂及种植结构调整等,通过这些措施的实施可直接或间接减少农产品中重金属的积累[13～17]。研究表明,砷及砷化物的毒性与其价态、水溶性等有关,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[13,18～20]。另外,砷污染农田中产生的秸秆含有较高的砷,秸秆还田不仅可通过影响土壤的氧化还原电位改变土壤中砷的生物有效性和化学形态,而且秸秆中本身的砷也可影响农产品的安全。秸秆还田方式主要有焚烧、直接还田、堆沤和过腹等。目前有关秸秆还田对土壤重金属Cu、Cd、Pb、Zn形态及生物有效性的影响研究较多,但对秸秆不同还田方式影响土壤As形态转化的研究较少[21～25]。为了探讨秸秆还田和水分管理方式对污染土壤砷形态及水稻吸收砷的影响,指导砷污染农田的安全生产,我们采用盆栽模拟方法开展了4种秸秆还田方式与4种水分管理方式的组合试验，现将试验结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

试验土壤采自某受砷污染的农田,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26.45 g/kg,土壤有效磷含量为12.43 mg/kg,速效钾含量为115.46 mg/kg，土壤全砷含量为95.32 mg/kg。

1.2 盆栽试验

盆栽试验于2019年6月至10月在温室内进行,为4种秸秆还田方式与4种水分管理方式的组合试验,共16个处理。4种秸秆还田方式包括秸秆不还田(对照)、秸秆全量还田、秸秆半量还田和秸秆全量炭化还田。秸秆不还田：不施用秸秆。秸秆全量还田:以每公顷生产11250 kg秸秆计算,根据盆栽容器的截面积，折算秸秆全部还田量为82 g/盆,所用秸秆全砷含量为8.89 mg/kg(下同),将秸秆切碎后与土壤充分混合。秸秆半量还田:秸秆还田量为41 g/盆;秸秆全量炭化还田:将每盆82 g的秸秆在350 ℃的温度及缺氧条件下在马福炉内炭化3 h,然后施入土壤中。4种水分管理方式分别为常规水分管理(对照)、薄水淹灌、干湿交替、深水淹灌。常规水分管理:沿用传统方法进行水分管理,前期淹水灌溉,后期根据水稻的生长需要进行烤田。薄水淹灌:在整个试验过程中田面灌溉水层厚度在2 cm以下。干湿交替:在水稻生长前期与常规水分管理相同；在水稻孕穗期至黄熟期，交替进行淹水-湿润灌溉,经历3～4个灌溉-排水落干过程。深水淹灌:在整个试验过程中田面灌溉水层厚度始终高于5 cm,直到收割前5 d。

盆栽试验在直径为30 cm、高为30 cm的塑料容器中进行,每个处理用土量为10 kg,重复3次。在试验前每个处理分别施N(尿素)、P(磷酸二铵)和K(硫酸钾)1.0、0.6和1.0 g作为底肥。水稻采用移栽方式,每盆3株,品种为甬优538。在分蘖期加施肥料1次,用量同底肥。分别在苗期和灌浆期采集土样,分析土壤水溶性As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的浓度及砷的化学形态;在黄熟期采集水稻植株,先用自来水冲洗植株,去除土壤及其他杂物，然后用去离子水冲洗植株。将冲洗后的植株按器官分为根部、茎叶和稻谷三个部分,用于砷含量分析。除水分管理方式与秸秆还田方式不同外，各处理的其它管理措施均相同。

1.3 分析方法

土壤有机质和总砷含量用风干土测定;土壤砷化学形态及水溶性砷含量采用新鲜土测定,再通过含水量校正。土壤有机质含量采用重铬酸钾-硫酸溶液氧化法测定;土壤总砷含量用王水消解-原子荧光光度计测定;土壤中的砷化学形态采用连续提取法[26],用1 mol/L NH4Cl、0.5 mol/L NH4F、0.1 mol/L NaOH、0.5 mol/LH2SO4分别提取交换态砷(松散结合态砷)、铝结合态砷、铁结合态砷、钙结合态砷,总砷量减去以上各提取态砷为残渣态砷。提取液中的砷含量用原子荧光光度计测定。土壤水溶性砷用去离子水提取,土水比为1∶10,提取时间1 h;为防止不同价态As相互转化,向提取液加入0.1 mol/L的EDTA溶液1 mL,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法测定[27]。土壤pH值、Eh值用便携式水质参数仪测定;水稻各器官中As含量采用GB/T 5009.11─2003中的方法,使用原子荧光光度计(AFS-7500)进行测定。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻产量的影响

由表1可知：与常规水分管理相比,部分深水淹灌与干湿交替处理(包括秸秆不还田+干湿交替、秸秆半量还田+干湿交替、秸秆半量还田+深水淹灌和秸秆全量炭化还田+深水淹灌)的稻谷产量都有下降,但降幅较小;与秸秆不还田+常规水分管理比较,秸秆不还田+干湿交替、秸秆半量还田+干湿交替、秸秆半量还田+深水淹灌和秸秆全量炭化还田+深水淹灌处理的稻谷产量分别降低了2.67%、3.08%、4.04%和3.06%；与秸秆不还田+常规水分管理比较,秸秆全量炭化还田+常规水分管理、秸秆全量炭化还田+薄水淹灌和秸秆全量炭化还田+干湿交替处理的稻谷产量分别增加了6.73%、4.37%、2.15%,表明秸秆全量炭化还田可轻微增加水稻的产量。

表1 不同秸秆还田和水分管理方式对稻谷产量的影响

2.2 不同处理对土壤pH和Eh值的影响

表2表明,秸秆还田与水分管理方式对土壤pH和Eh值有一定的影响。在苗期,一般是深水淹灌处理的土壤pH值高于其他水分管理方式的,在秸秆不还田、秸秆全量还田、秸秆半量还田和秸秆全量炭化还田方式下,深水淹灌处理的土壤pH值分别比常规水分管理提高了0.05、0.10、0.13和0.08。秸秆全量炭化还田处理有利于土壤pH值的提高,而秸秆全量还田与秸秆半量还田将导致土壤pH值的下降。与秸秆不还田比较,秸秆全量炭化还田的土壤pH值提高了0.16～0.25,而秸秆全量还田与秸秆半量还田分别下降了0.23～0.29和0.09～0.24。随着处理时间的增加,秸秆全量还田和秸秆半量还田土壤的pH值逐渐升高,而秸秆全量炭化还田土壤的pH值则逐渐下降,最后各处理的土壤pH值趋于接近,表明秸秆还田方式对土壤pH值的影响主要发生在初期。

秸秆还田与水分管理方式对土壤Eh值的影响较为明显(表2)。在所有的秸秆还田方式下,深水淹灌可导致土壤Eh值的显著下降,而薄水淹灌和干湿交替有利于土壤Eh值的提高。秸秆全量还田和秸秆半量还田可以促进土壤Eh值的显著下降,而秸秆全量炭化还田对土壤Eh值的影响较小。总体上,水稻生长前期土壤Eh值较低,而后期土壤Eh值普遍提高。

表2 不同秸秆还田和水分管理方式对土壤pH和Eh值的影响

2.3 不同处理对土壤中砷形态及水溶性砷含量的影响

对试验土壤全砷含量的测定结果(表3)表明,除秸秆全量还田处理后的土壤全砷含量略有增加外,其他还田处理对土壤全砷含量的影响不明显。对土壤砷的化学形态测定结果显示,供试土壤中砷主要以残留态(R-As)形式存在,其占土壤全砷的69.55%～72.49%;其次为氧化铁结合态砷(Fe-As),其占土壤全砷的15.81%～19.32%;位于第三的为氧化铝结合态砷,其占土壤全砷的6.21%～7.95%;钙结合态砷与交换态砷的含量较低,分别占土壤全砷的3.41%～4.11%和0.29%～0.80%。

表3结果还表明,秸秆还田与水分管理方式对土壤R-As影响不明显,但可对其他形态的砷产生一定的影响。其中,深水淹灌处理可降低Fe-As,增加Al-As;秸秆全量炭化还田有利于Ca-As的形成;同时,深水淹灌可促进交换态砷的形成,而薄水淹灌和干湿交替处理降低了交换态砷的含量。与常规水分管理相比,深水淹灌处理的土壤交换性砷含量增加了8.96%～30.77%,Al-As含量增加了14.09%～20.32%,Fe-As含量降低了2.34%～9.62%;薄水淹灌和干湿交替处理降低交换态砷的比例分别为36.73%～52.11%和38.46%～49.30%。与秸秆不还田比较,秸秆全量炭化还田的土壤Ca-As含量增加了10.15%～16.37%。

表3 不同秸秆还田和水分管理方式对土壤砷形态的影响 mg/kg

表4的结果表明,在不同水分管理土壤中水溶性砷含量以深水淹灌处理的最高,以干湿交替处理的最低,而薄水淹灌处理的土壤水溶性砷含量也低于常规水分管理;水溶性砷含量在苗期高于灌浆期。在苗期,在秸秆不还田、秸秆全量还田、秸秆半量还田和秸秆全量炭化还田方式下,深水淹灌处理的土壤水溶性砷含量比常规水分管理增加了29.73%～53.19%,薄水淹灌处理的土壤水溶性砷含量比常规水分管理下降了7.45%～18.92%,干湿交替处理的土壤水溶性砷含量比常规水分管理下降了12.36%～27.03%;在灌浆期,深水淹灌处理的土壤水溶性砷含量比常规水分管理增加了29.41%～36.59%,薄水淹灌处理的土壤水溶性砷含量比常规水分管理下降了8.33%～20.59%,干湿交替处理的土壤水溶性砷含量比常规水分管理下降了12.20%～29.41%。

表4 不同秸秆还田和水分管理方式对土壤水溶性砷含量的影响

As(Ⅴ)/As(Ⅲ)与水溶性砷含量有相反的变化规律,以深水淹灌处理的最低,以薄水淹灌和干湿交替处理的居前2位,而常规水分管理处理的居中。表明薄水淹灌和干湿交替处理有利于土壤高价砷的形成,从而可以降低砷的毒性。

2.4 不同处理对水稻各器官中砷积累的影响

表5表明,水稻各器官中砷含量有明显的差异,由根部至茎叶再到稻谷呈现明显的下降,这一结果表明,进入水稻植株中的砷主要积累在根部和茎叶中。秸秆还田和水分管理方式可对水稻稻谷和茎叶砷的积累产生明显的影响,一般以干湿交替处理的最低,以深水淹灌处理的最高;而秸秆还田和水分管理方式对根部砷积累的影响较小。与常规水分管理对照相比，深水淹灌处理的稻谷砷含量增加了22.78%～59.78%,薄水淹灌处理的稻谷砷含量下降了28.26%～42.70%,干湿交替处理的稻谷砷含量下降了43.48%～60.76%；深水淹灌处理的水稻茎叶中砷含量增加了-1.31%～7.01%,薄水淹灌处理的水稻茎叶中砷含量下降了3.20%～20.25%,干湿交替处理的水稻茎叶中砷含量下降了11.11%～23.83%；深水淹灌处理的水稻根部砷含量增加了3.32%～4.20%,薄水淹灌处理的水稻根部中砷含量下降了1.59%～13.09%,干湿交替处理的水稻根部中砷含量下降了2.75%～11.11%。表5的结果还表明,在不同的水分管理条件下,秸秆全量炭化还田处理的水稻各器官中砷的积累量均低于秸秆全量还田和秸秆半量还田处理的。

表5 不同秸秆还田和水分管理方式对水稻各器官砷含量的影响 mg/kg

3 讨论

土壤中砷的生物有效性与其化学形态有关,后者又与土壤性状和土壤物质组成密切相关。研究表明,土壤氧化还原电位等土壤性状可改变土壤砷的化学形态[10,20],从而影响土壤砷的生物有效性。土壤氧化还原电位(Eh)可改变土壤中砷的赋存形态,淹水可促进土壤Eh值的降低,使铁(氢)氧化物被还原溶解,As(Ⅴ)被还原成As(Ⅲ),砷的生物有效态含量因而显著升高,大量的砷被释放到土壤溶液中,会促进作物对土壤中砷的吸收[14]。本研究结果表明,深水淹灌可提高稻谷中砷的含量,薄水淹灌和干湿交替可降低稻谷中砷的积累,其原因与水分管理可改变土壤氧化还原电位有关,深水淹灌降低了土壤Eh,增加了土壤交换态砷、铝结合态砷和水溶性砷含量;而薄水淹灌和干湿交替有利于土壤Eh的提高,可以在一定程度上促进土壤中砷与铁(氢)氧化物结合,从而降低土壤中水溶性砷的含量,降低交换态砷和水溶性砷含量。另外,本研究发现,秸秆还田增加了稻谷中砷的积累,其原因可能是秸秆还田把秸秆中的砷重新带入农田,而秸秆较易被分解,其中的砷较易释放为有效性较高的砷,从而增加水稻对土壤砷的吸收。但本研究结果也表明,不同方式的秸秆还田也会影响水稻对土壤砷的吸收,秸秆全量炭化还田处理水稻吸收的砷量明显低于秸秆全量还田处理的,其原因是秸秆全量炭化还田有利于钙结合态砷的形成,从而可以降低土壤有效态砷的含量。

有研究[28]表明,农田土壤中砷的氧化还原和甲基化等生物化学过程是影响水稻砷毒性的重要作用机制,而淹水还原条件是驱动农田土壤砷的生物化学过程的关键环节,是引起水稻对土壤砷大量吸收累积的主要原因。土壤中砷化合物的毒性表现为:砷(Ⅲ)>一甲基化亚砷酸>二甲基化亚砷酸>二甲基化砷>一甲基化砷>砷(Ⅴ)。而还原条件有利于砷(Ⅲ)的形成,这表明还原环境不仅可以增加砷的生物有效性,同时也可以促进水稻对毒性较高砷(Ⅲ)的吸收。这是由于水淹缺氧环境有利于铁/砷还原菌的活动,导致铁矿物的还原溶解、砷释放还原以及砷的甲基化。Bennett等研究表明土壤溶液中铁(Ⅱ)浓度和砷(Ⅲ)浓度呈极显著正相关[29],说明铁矿物的还原溶解引起了砷的释放还原。