不同淹水处理对水稻体内砷富集的影响

杨 扬，高莉莉，张 慧，吕 晓

（1.中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳 110166；2.锦州市生态与农业气象中心，辽宁 锦州 121000；3.锦州市气象局，辽宁 锦州 121000）

砷（As）元素被广泛应用于农药、卫生和半导体等50 多种行业中［1-3］。在农业生产领域，砷被广泛应用于杀虫剂和除草剂中，至今广泛使用的磷肥中也含有砷元素［4，5］。在中国重金属污染的土壤中，砷污染的土壤与其他重金属污染的土壤相比，占第五位，在水体污染中，砷占第六位［6-8］。砷在土壤环境中具有低等至中等的迁移能力。土壤中的砷不能被淋洗，不能被微生物分解，但可以因为环境化学原因通过径流方式污染土壤和水环境，其污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点［9-11］。过量的砷会严重影响植物的生长，造成农作物减产和植物体内砷含量的增加［12］。对于人和动物来说，摄入少量的砷可维持其正常的生命活动并促进新陈代谢［13］。但已有研究表明，吸收过量砷或是长期暴露于微量砷环境中会严重危害人体健康［14，15］。人中砷毒剂量为10～50 mg，致死量为100～300 mg［16］。

土壤中砷的生物毒性与其存在形式有关，三价砷的毒性大于五价砷及有机砷的毒性［17］。五价砷的毒性主要是由于体内转变为三价砷所致。土壤砷的存在形态分为水溶态、可交换态、铝结合态、铁结合态、钙结合态以及残留态［18］。砷的存在形态主要与土壤中Al、Fe、Ca 的含量有关，而与有机质和硅的含量关系不大［19，20］。改变土壤pH 可以改变土壤水溶态的砷含量［21，22］。

水稻（Oryza sativa L.）是当今世界的主要粮食作物，其对砷的毒性最为敏感，对砷积累能力明显高于旱地作物。水稻作为一种湿生植被为适应生活环境可以在根系表面形成不均匀分布的铁氧化物，其对五价砷有很强的亲和能力，可以富集土壤中的氧化态砷［23-25］，使之成为污染元素砷进入根系的缓冲区和障碍层［26-28］。如今水稻砷污染是一个全球性问题，砷作为无临界值的一类致癌物，采取何种措施减少污染介质中的砷通过食物链向人体的迁移及减少砷在水稻中的累积，已成为近年来研究的热点问题之一。本试验通过盆栽方式研究了不同淹水处理条件下土壤溶液中砷的含量、存在形态特征及对水稻体内砷富集的影响，以期为减少砷在水稻体内的富集提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤处理

土壤样品采自耕层土壤（0～20 cm），风干，挑出大石块和植物残体后过5 mm 筛，混匀备用。测定土壤pH、砷总量及全氮和全碳的含量。土壤pH 采用土水比为1∶2.5 提取，pH 计测定；砷采用HCl-HNO3消煮，ICP-MS 测定；全氮和全碳含量采用元素分析仪测定。测定结果为pH 5.13、砷总量11.56 mg/kg、全氮0.132%、全碳1.42%。

1.2 试验设计

共设置5 个淹水处理，分别为在水稻整个生长发育期内都淹水（F）；在水稻整个生长发育期内都不淹水（NF）；在开花期之前不淹水，在开花期后淹水（NFF）；在开花期前淹水，在开花期后不淹水（FNF）；不种植水稻，但土壤一直处于淹水状态（FNP，CK）。

1.3 试验步骤

水稻种子在去离子水中浸泡3 d，然后将其放在湿润的纤维纸上，待种子发芽并长至3～4 cm 时移入盆钵中。每个盆钵中放入1 kg 土壤，加入34.290 g NH4NO3、9.375 g MgSO4和17.130 g K2HPO4作 为 基肥，土肥充分混合，装盆，并同时把土壤溶液的采样器埋入土壤中。土壤淹水，水面高出土壤表面2～3 cm。淹水7 d 后，把预先培养的水稻苗移入盆钵中。在水稻移苗6、20、42、69、96、118 d 时，用针管采集土壤溶液，过0.45 μm 滤膜，并在滤液中加入Na2EDTA 以防砷被氧化，用HPLC-ICP-MS 测定滤液中不同形态的砷含量。采样当天，用pH 计测定土壤的氧化还原电位。在水稻的分蘖期（水稻生长至63 d 时），每盆中移出2 株水稻，用去离子水洗净、擦干，称重，放入60 ℃烘箱中烘48 h。在水稻生长96 d 时，即水稻开花后，对NFF 处理进行淹水，FNF 处理进行排水。在水稻生长期间，根据水稻生长状况，添加N、P、K 肥料。待水稻成熟后（水稻生长至147 d 时）收获。大约距根1 cm 处，剪下地上部。地上部位分子粒、秸秆和瘪粒3 部分，称量不同部位的鲜重，秸秆与子粒用去离子水洗净后放入60 ℃烘箱中48 h。水稻的秸秆采用HNO3/HClO4消化，子粒和瘪粒采用HNO3/H2O2微波消煮，消煮液用ICP-MS 测定砷含量［29］。

2 结果与分析

2.1 各淹水处理水稻分蘖期的植株干重与地上部砷含量

经F 检验，水稻分蘖期植株干重各处理间F=0.31＜F0.05，不存在显著性差异。这表明作物生长前期淹水与否不影响作物的生长。由表1 可知，地上部砷含量的顺序为FNF＞F＞NF＞NFF。其中，FNF 与F、NFF 与NF 间没有显著性差异，但FNF（或F）处理与NF（或NFF）处理在0.01 水平上呈显著性差异，说明在作物分蘖期，淹水和好氧显著影响作物体内砷的含量，且淹水时水稻体内砷的含量明显高于好氧时的砷含量。

表1 各淹水处理水稻分蘖期地上部植株干重和砷含量的差异

2.2 各淹水处理土壤溶液中砷形态与含量的变化

图1 和图2 为不同淹水处理土壤中砷浓度的动态变化。由图1、图2 可知，F、FNF 和FNP 处理中，土壤溶液中的砷主要以三价砷为主，且在进行水分转变之前，溶液中的三价砷含量随时间增加而明显增加，至最后一次采样时，FNP 和F 处理中的砷含量分别达33.27 μg /L 和37.13 μg/L。当水稻生长至96 d 时，即水稻开花后，对FNF 处理进行排水，溶液中的三价砷含量显著下降，至收获时三价砷的含量降低至4.11 μg/L。

在NF 与NFF 处理中，土壤溶液中的砷含量很低。96 d 之前，土壤溶液中三价砷的含量均很少，最大值为0.18 μg/L。当水稻生长至96 d 时，水稻开花后进行淹水（NFF 处理），其土壤溶液中的三价砷含量显著增加，收获时其含量达到11.30 μg/L。土壤淹水条件下，土壤三价砷含量随淹水时间延长而增加，可能因为在土壤淹水的情况下，土壤胶体中的铁（氢）氧化物被还原成低价态的Fe2+进入到溶液中，随之吸附态砷（主要为五价砷）也会因还原作用而释放到溶液中，且主要以三价态形式存在，其移动性和毒性都增强［21，22］。而当水被排出后，土壤处于好氧状况，砷被氧化为五价砷且被土壤胶体所吸附，因此土壤溶液中的砷含量降低。

图1 不同淹水处理土壤砷含量的动态变化

图2 不同淹水处理土壤三价砷在总砷含量中的占比

进一步对各淹水处理及时间变化间土壤中三价砷的差异显著性进行F 检验，结果见表2。由表2可知，淹水处理、时间及淹水处理与时间的交互作用对土壤中的三价砷含量的影响都达极显著水平（P＜0.01）。

表2 不同淹水处理及时间对土壤中三价砷影响的F检验

2.3 各淹水处理土壤氧化还原电位的变化

土壤的淹水与否显著影响着土壤溶液中的砷形态和含量，而土壤的淹水和排水影响着土壤的氧化还原电位。由图3 可知，对于NF 处理，土壤中的氧化还原电位（Eh）一直维持在600 mV 左右；对于F处理，土壤Eh 随着淹水时间的延长而降低；对于FNF 处理，在淹水时，Eh 随着时间的延长呈降低趋势，当水稻开花排水后，土壤的Eh 显著升高；对于NFF 处理，在淹水前，Eh 维持在600 mV 左右，当水稻开花淹水后，土壤的Eh 显著降低。

图3 不同淹水处理土壤氧化还原电位随时间的动态变化

进一步对各淹水处理及时间变化间土壤中氧化还原电位的差异显著性进行F 检验，结果见表3。由表3 可知，淹水处理、时间及淹水处理与时间的交互作用对氧化还原电位的影响都达极显著水平（P＜0.01）。

表3 不同淹水处理及时间变化对土壤中氧化还原电位影响的F 检验

2.4 各淹水处理土壤溶液中As 含量与Eh 的关系

比较图2 和图3 可知，FNF 排水Eh 升高时，土壤溶液中的砷含量降低；而NFF 淹水Eh 降低时，土壤溶液中的砷含量增加。因此，对土壤溶液中砷含量和Eh 的关系进行了分析。由图4 可知，土壤溶液中的砷含量（y）随土壤Eh（x）的升高呈减少趋势，两者之间的关系可用多项式方程来表示，即：y=8×10-5x2-0.097 7x+30.485，两者呈极显著相关（R2=0.754 1，P＜0.01）。

在不同处理中三价砷含量高的，其氧化还原电位低，且三价砷的变化趋势是与氧化还原电位的变化趋势是相反的。所以完善土壤中的通气状况，使氧化还原电位升高，可使三价砷的含量降低，促使亚砷酸盐向砷酸盐转化，从而减轻砷化物对水稻的影响［13］。

图4 砷总量与氧化还原电位的关系

2.5 不同淹水处理对水稻砷含量分布的影响

由表4 可知，水稻秸秆、子粒、瘪粒中的砷含量在不同处理之间的顺序都为F＞FNF＞NFF＞NF，且不同淹水处理间的砷含量存在极显著差异（P＜0.01），说明淹水处理显著影响了水稻体内的砷含量。与F处理相比，FNF 处理极显著降低了水稻体内的砷含量，表明可以在水稻生长阶段，通过调节水分状况来减少水稻体内的砷含量。根据无公害农产品生产标准，水稻稻谷含砷标准应为0.7 mg/kg［7］。由表4 可以看出，只有F 处理的子粒砷含量超过了标准限值，未达到无公害标准。对于同一处理，秸秆中的砷比子粒和瘪粒中的砷含量高，说明相比于其他部位，秸秆对砷具有较强的富集作用。由于秸秆是牛、羊等的主要食物来源，因此秸秆中砷的富集值得关注。

表4 不同淹水处理水稻秸秆、子粒、瘪粒中的砷含量及多重比较

2.6 不同淹水处理对水稻秸秆、子粒干重的影响

由表5 可知，收获的水稻秸秆平均干重表现为NF＞NFF＞FNF＞F，NF 处理与NFF 处理之间无显著差异，NFF 处理与FNF 处理间存在显著差异，F 处理与NF、NFF 处理间存在极显著差异。水稻的子粒平均干重为NFF＞F＞NF＞FNF，在0.01 水平上各处理间不存在显著性差异。由此可知，土壤水分管理显著影响土壤水溶液中砷的形态及含量，并进一步影响水稻秸秆、瘪粒和子粒中的砷含量。本研究中的水分管理是容易操作和实现的，对于水稻种植区而言是减少水稻砷积累的有效措施。

表5 不同淹水处理水稻秸秆、子粒、谷壳干重的多重比较

3 结论

在淹水条件下，土壤溶液中的砷含量较高，且主要以三价砷的形式存在，而在好氧条件下，土壤溶液中的砷含量很少，且主要为五价砷的形式。土壤溶液中的三价砷与土壤Eh 之间呈显著负相关，且两者之间的关系可用二项式表示。不同淹水处理对秸秆干物质的积累有明显的影响。秸秆平均干重表现为NF＞NFF＞FNF＞F；子粒平均干重表现为NFF＞F＞NF＞FNF。水稻各部位砷含量的分布为秸秆＞瘪粒＞子粒。不同淹水处理中，秸秆、瘪粒和子粒中砷含量的分布均为F＞FNF＞NFF＞NF。子粒中的砷含量只有F 处理未达到无公害产品标准。