污染农田水稻中砷的积累与形态组成特点及其影响因素研究

郑顺安,刘代丽,倪润祥,徐秋桐,章明奎*

(1.农业农村生态与资源保护总站,北京 100125;2.农业农村部 资源循环利用技术与模式重点实验室,北京 100125;3.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类金属元素,我国农地土壤砷污染面积仅次于镉污染, 砷污染对农产品安全生产有较大的影响[1-3]。近年来,随着国家对生态环境建设和食品安全生产的日益重视,众多研究人员在农田土壤重金属污染现状、污染机理、土壤污染对作物重金属积累的影响以及污染土壤的治理与修复等方面开展了大量的调查研究[4-7],初步揭示了土壤重金属的污染途径、农作物对土壤重金属吸收的机理及控制因素，以及土壤重金属对生态环境的影响方式,并提出了多种途径(包括工程措施法、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)治理与修复重金属污染农田[7-11]。研究表明,与土壤中其他大多数重金属元素主要以阳离子形态存在不同,砷主要以不同价态的阴离子化合物和有机形态存在于土壤中[12,13],其在土壤中的环境行为、生物有效性与多数重金属元素不同[14,15];砷在好氧环境下主要以As(Ⅴ)形式存在,在淹水的土壤中以As(Ⅲ)为主要形态[16,17]。两者进入植物体的方式也不相同,As(Ⅴ)通过植物运输的磷通道运输,As(Ⅲ)通过稻米根部的硅通道的Lsi1和Lsi2蛋白运输[18]。对农作物中砷的形态研究也表明,植物体中无机砷和有机砷共存[19,20],常见的有机砷主要为甲基砷(MMAV)和二甲基砷(DMAV)[19],无机砷有亚砷酸盐和砷酸盐[20]。不同化合价的砷在土壤-植物系统中的迁移有着较大的差异[21],它们的生物毒性完全不同[22]。无机砷是公认的致癌物,而MMAV、DMAV等有机砷的毒性很弱,因此,弄清土壤和植物中砷的存在形态对理解不同形态砷在土壤-植物系统中的迁移及农产品砷污染毒理十分重要[23]。但由于砷在环境中存在形态及影响因素的复杂性,至今对水稻等农作物中砷的组成及其与土壤污染和土壤性状的关系、土壤-水稻植株-稻米系统中砷的迁移转化规律及其影响因素，以及稻米中总砷-无机砷之间的相关性及其影响因素了解不足。鉴于此,本研究以浙江省某地铅锌矿附近污染农田为研究对象,采样分析了砷污染农田生长水稻中砷的积累和形态组成特点及其影响因素。

1 材料与方法

1.1 采样情况

调查区位于1个废弃的铅锌矿附近,地形为平原,土地利用方式为水田,土壤类型为脱潜水稻土,该区的土壤污染是由历史时期开矿引起的;属典型的中亚热带季风气候区,年均气温约16.6 ℃,年降水量约1400 mm。采样区覆盖范围约10 hm2；种植的水稻品种为甬灿15；观察与采样在2019年9～11月进行,共布设了43个采样点位,每一点位的面积约4 m2；在观察采样前用插旗方法做上标记。由于距废弃的铅锌矿距离的差异,采样区内土壤砷含量和土壤性状有较大的差异。土壤氧化还原状况在水稻生长前期(孕穗期)观察；其他土壤分析样和水稻样在水稻成熟时采集。每一样品由各点位的6个分样组成；采用水稻整株带土方式同步(点对点)采集水稻与土壤样品。用自来水冲洗植株样,然后用去离子水冲洗植株。经冲洗后的植株按器官分为根部、茎部、叶和谷物等4个部分。土壤样品在室内风干后用于土壤砷含量和土壤性状的测定。采集的新鲜根部、茎部、叶样经不锈钢剪刀剪碎后进一步用粉碎机粉碎;对谷物样采用人工方法剥壳，分为稻壳和米粒样,两者分别用粉碎机粉碎制样。粉碎样分为2个部分,一部分测定含水量,另一部分用于各形态砷含量的测定；在分析前对样品采用冷冻保藏。

1.2 分析方法

各器官样中不同形态的砷采用50%甲醇水溶液超声提取2次,将2次提取物合并后离心、滤膜过滤，然后采用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用法测定As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMAV和DMAV含量[24-26],全砷含量用以上4种形态砷含量累加计算。测定结果经含水量校正,以干重为基础表示。土壤总砷含量用王水消解-原子荧光光度计法测定;土壤pH值采用电位计测定[27],土水比为1∶2.5;有机碳含量用重铬酸钾—浓硫酸外加热法测定[27];土壤粘粒含量采用比重计法测定;游离氧化铁采用DCB法提取,采用邻啡罗啉比色法测定铁含量。在水稻孕穗期采用便携式水质参数仪测定土壤(10～15 cm深度范围)氧化还原电位Eh(计量单位为mV)。

2 结果与分析

2.1 土壤砷含量和土壤理化性状

在调查区不同采样点土壤砷含量和土壤理化性状有不同程度的变化,其中,土壤砷含量的变化较大,土壤理化性状的变化较小。土壤砷含量在8.67～63.25 mg/kg,平均为38.52 mg/kg,变异系数为42.07%。土壤pH值在5.02～6.41,变化较小,主要呈酸性至微酸性,平均为5.67,变异系数为7.35%。土壤有机质含量在20.54～34.14 g/kg,平均为27.10 g/kg,变异系数为11.81%。土壤粘粒含量在118～364 g/kg,平均为214 g/kg,变异系数为23.91%。调查区土壤质地主要属于粘壤土。土壤氧化铁含量在10.59～30.45 g/kg,平均为17.30 g/kg,变异系数为25.00%。在水稻孕穗期观察的土壤氧化还原电位Eh在152～263 mV,平均为218 mV,变异系数为13.04%。

2.2 水稻不同器官中砷的含量及其与土壤性状的关系

在水稻不同器官之间砷含量有较大的差异,根部明显高于其他器官,由高至低依次为根部>茎>叶>谷壳>糙米,平均含量分别为4.15、1.24、0.78、0.19、0.060 mg/kg,即呈现出从水稻植株下部至上部逐渐下降的特点。不同采样点水稻各器官砷含量也有较大的变化,根部、茎、叶、谷壳和糙米中砷含量分别为0.98～17.51、0.97～6.57、0.35～3.57、0.087～0.970、0.038～0.350 mg/kg,变异系数分别为41.74%、34.81%、42.68%、50.86%、52.99%。

由表1可知,水稻各器官积累的砷与土壤性状的关系因器官不同而有所差异。根部砷含量受有机质含量以外的多个土壤性状的影响,其中以土壤砷含量的影响最为显著,其次为土壤pH值,随土壤砷污染程度的加重及土壤pH值的增加,根部积累的砷也逐渐增加。而土壤粘粒含量、土壤氧化铁含量和土壤Eh值与根部砷含量呈负相关。水稻茎部砷的含量与土壤砷含量呈显著的正相关,但受其他土壤性状的影响不明显。叶部砷含量除受土壤砷含量的正向影响外,也受土壤pH值的影响。谷壳中砷含量除受土壤砷含量的正向影响外,也与土壤粘粒含量呈负相关。而糙米中砷含量仅受土壤砷含量的影响,随土壤砷污染程度的加重而增加。从水稻各器官砷含量与土壤性状相关的因素种类和相关系数的变化来看,根部砷含量受土壤影响最大,而地上部特别是糙米中砷的积累受土壤的影响最小。从这一结果可以推断,由于植物中的砷以多种形态存在,所以被根系吸收的不同形态的砷在植株中的迁移能力有较大的差异。

表1 水稻各器官砷含量与土壤性状之间的相关系数

2.3 水稻不同器官中砷的形态组成特点及其影响因素

从表2可以看出：As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、甲基砷(MMAV)和二甲基砷(DMAV)等4种形态的砷在水稻植株内都能被检测出,但它们的相对比例及在各器官中的分布有较大的差异。结果表明,植物体中的砷以无机砷为主,其平均占全砷的85%左右,无机砷的平均占比在各器官间差异较小。As(Ⅲ)与As(Ⅴ)等2种无机砷在水稻各器官中的相对比例因器官差异也有所不同,在根部、谷壳和糙米中以As(Ⅲ)为主,在茎、叶中以As(Ⅴ)为主,在水稻可食部分的糙米中,毒性较大的As(Ⅲ)的比例明显高于毒性较低的As(Ⅴ)的比例。根部中MMAV和DMAV等2种有机砷均有出现,两者的比例也较为接近;但在水稻茎中,部分样点没有检测到MMAV,而DMAV存在于所有样点中,且茎中DMAV的比例明显高于MMAV;叶、谷壳和糙米中的有机砷全为DMAV,没有检测出MMAV。以上结果表明,在水稻体内DMAV比MMAV更易发生迁移,As(Ⅲ)比As(Ⅴ)更易发生向上迁移。

表2 水稻不同器官中砷的形态组成

相关性分析结果表明：除糙米中As(Ⅲ)与As(Ⅴ)占总砷的比例相关不明显外(相关系数为-0.1737),根部、茎、叶和谷壳等器官中As(Ⅲ)与As(Ⅴ)占总砷的比例均存在显著的负相关,相关系数分别为-0.8482**、-0.7749**、-0.7888**和-0.7157**,表明水稻植株中As(Ⅲ)与As(Ⅴ)占总砷的比例存在消长关系。各器官中无机砷占总砷的比例与土壤pH值呈负相关,与土壤Eh值呈正相关,并与土壤Eh值的相关更为密切;根部、茎、叶、谷壳和糙米中无机砷占总砷的比例与土壤pH值间的相关系数分别为-0.4446**、-0.2866、-0.2866、-0.3954**和-0.3028*,与土壤Eh值间的相关系数分别为0.5041**、0.5565**、0.5290**、0.5881**和0.6211**。但水稻各器官中As(Ⅲ)与As(Ⅴ)占总砷的比例与土壤pH值和土壤Eh值之间的相关性较低,其中,在多数情况下根部、茎、叶、谷壳和糙米中As(Ⅲ)占总砷的比例与土壤pH值间的相关性都没有达到显著水平。根、茎、叶、谷壳和糙米中As(Ⅲ)占总砷的比例与土壤pH值间的相关系数分别为0.2602、0.1443、0.2405、0.0482和-0.1948,与土壤Eh值间的相关系数分别为-0.4430**、-0.2532、-0.1278、-0.0980和0.2498;根部、茎、叶、谷壳和糙米中As(Ⅴ)占总砷的比例与土壤pH值间的相关系数分别为-0.4382**、-0.3175*、-0.3519*、-0.3284*和-0.2194,与土壤Eh值间的相关系数分别为0.6106**、0.5917**、0.4526**、0.5120**和0.7061**。这表明进入水稻植株中的无机砷在植物体内迁移过程中存在形态转变或选择性迁移。

水稻各器官中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)占总砷的比例与无机砷占总砷的比例呈正相关,但相关程度在各器官中的表现并不相同。在根部、茎、叶和谷壳中,As(Ⅴ)占总砷的比例与无机砷占总砷的比例之间的相关性高于As(Ⅲ)占总砷的比例与无机砷占总砷的比例之间的相关性,前者的相关系数分别为0.6496**、0.4504**、0.4220**和0.4975**,后者的相关系数分别为-0.1483、0.2153、0.2243和0.2499;但在糙米中,As(Ⅲ)占总砷的比例与无机砷占总砷的比例之间的相关性高于As(Ⅴ)占总砷的比例与无机砷占总砷的比例之间的相关性,相关系数分别为0.8418**和0.3854*。这可能与糙米中As(Ⅲ)的含量占绝对优势有关。

MMAV主要出现在水稻根部,在少数采样点的水稻茎中也有少量MMAV被检测出。相关分析结果表明,根和茎中MMAV占总砷的比例与无机砷的占比呈显著负相关(相关系数分别为-0.8119**和-0.6560**),与土壤pH值呈弱正相关(相关系数分别为0.3895和0.1281),与土壤Eh值呈弱负相关(相关系数分别为-0.3236和-0.1913)。而水稻各器官中DMAV占总砷的比例均与土壤pH值呈弱正相关(根部、茎、叶、谷壳和糙米中的相关系数分别为0.3233、0.2960、0.2032、0.3954和0.3028),与土壤Eh值呈显著的负相关(根部、茎、叶、谷壳和糙米中的相关系数分别为-0.4895**、-0.6021**、-0.5290**、-0.5881**和-0.6211**)。DMAV占总砷的比例均与无机砷的比例呈显著的负相关,其中,根部、茎、叶、谷壳和糙米中DMAV占总砷的比例与无机砷占比间的相关系数分别为-0.7939**、-0.9336**、-1.0000**、-1.0000**和-1.0000**,与As(Ⅴ)占总砷的比例间的相关系数分别为-0.6248**、-0.4595**、-0.4220**、-0.4975**和-0.3854*。根部和茎中MMAV与DMAV占总砷的比例呈正相关,但相关性较小(相关系数分别为0.2896和0.3420)。

2.4 影响水稻不同器官中砷形态组成的因素

表3结果表明,除MMAV外,在水稻各器官中不同形态的砷含量之间多存在相关性,特别是As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和无机砷含量之间的相关性达到了较高的水平。由表4可知,各器官中不同形态的砷含量也与总砷含量呈显著的相关性,这表明水稻体内主要形态的砷[包括As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和DMAV]基本上呈同步变化。水稻中As(Ⅲ)、As(Ⅴ)的积累基本上可以较好地指示无机砷的变化,糙米中As(Ⅲ)、As(Ⅴ)含量与总无机砷含量之间存在良好的线性关系，其中,总无机砷与As(Ⅲ)的关系为总无机砷=1.164As(Ⅲ)+0.002 (R2=0.996);总无机砷与As(Ⅴ)的关系为总无机砷=5.34As(Ⅴ)+0.015 (R2=0.889)。

表3 水稻各器官中不同形态砷含量间的相关系数

表4 水稻各器官中不同形态砷含量与总砷含量间的相关系数

表5的相关分析结果表明,水稻各器官中无机形态的砷含量也均受土壤性状不同程度的影响。与全砷含量相似,对不同形态无机砷影响最明显的是土壤砷含量,其次为土壤pH值,其中土壤性状对根部无机形态砷含量的影响最为显著,对地上部特别是糙米中各形态无机砷含量的影响较小。土壤性状对有机砷含量的影响比对无机砷含量的影响略小,但其对根部有机砷含量的影响也明显大于对地上部的影响(表6)。谷壳和糙米中DMAV的含量受土壤砷污染程度的影响不明显,但与土壤氧化还原电位存在较高的相关性,随着Eh值的增加而下降,即还原条件有利于糙米中DMAV的积累。

表5 水稻不同器官无机形态砷含量与土壤性状间的相关系数

表6 水稻不同器官有机态砷含量与土壤性状间的相关系数

3 讨论

3.1 影响糙米中砷积累的因素

以上分析结果表明,糙米中砷含量主要受土壤砷含量的影响,它随着土壤砷污染程度的加重而增加，这是由于随着土壤砷污染程度的提高,土壤中能被水稻植株吸收的生物有效性砷也增加,从而进入水稻植株内及向地上部迁移的砷也逐渐增加。而与根部砷含量的变化比较,糙米中砷含量与土壤砷含量的相关性明显低于根部砷含量与土壤砷含量的相关性,这可能是由于进入水稻植株内的砷向地上部分迁移时受多种因素的影响[28-30],即不仅与水稻根部积累的砷有关,也与水稻植株内水分及其他营养物质迁移有关。这可能也是不同区域的研究结果中土壤砷含量与糙米砷含量的关系可发生较大变化的原因之一。对本研究中糙米砷含量与土壤砷含量、pH、有机质、粘粒、氧化铁、Eh等多项土壤性状的多元逐步回归分析表明,糙米砷含量(Y)主要受土壤砷含量(X1)和粘粒含量(X2)的控制,它们之间的关系为:Y=0.116+0.0014X1-0.00035X2(R2=0.861,P<0.001,n=43)。

土壤砷的生物有效性与其化学形态有关,增加粘粒含量可以增加土壤对砷的固定,从而降低土壤中的生物有效砷,降低水稻对土壤砷的吸收。提高土壤pH值虽然可以降低土壤砷的吸附,但在本研究中,土壤pH值的变化并没有对糙米中砷含量产生明显的影响,其原因可能为:虽然土壤pH值的增加可以促进OH基与砷酸根的交换,但释放出来的砷酸根可以重新被土壤中其他点位的胶体吸附。土壤氧化还原电位(Eh)是影响土壤As赋存形态的重要因素,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的生物有效态含量因而显著升高,大量的As被释放到土壤溶液中,从而可以促进作物对土壤中砷的吸收[29,30]。本调查的结果也表明,糙米中砷含量与氧化还原电位存在负相关。因此,将水稻旱作或进行干湿交替可以大幅度降低稻米中砷的含量。但从决定系数来看,影响糙米砷积累的影响因素较为复杂,除本文考虑的因素外,可能还存在更为复杂的影响因素和影响机理。

3.2 不同形态的砷在水稻植株内的迁移

有关水稻植株中砷的形态、吸收方式及其代谢的研究近年来越来越受到重视[20,22]。巩佳第[21]的研究发现：在水稻籽粒形成的时期,As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理下籽粒中积累的砷形态都以As(Ⅲ)为主;而若以DMA作为砷源,则籽粒中以DMA积累的砷量可占总砷量的90%；如果以DMA、As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的混合砷形态作为砷源,则籽粒中以DMA形态积累的砷量明显高于其他形态；根是滞留亚砷酸的主要部位。本研究的调查结果也表明：由于土壤中的砷主要为无机砷,因此进入水稻体中的砷也以无机砷为主；As(Ⅲ)与As(Ⅴ)等2种无机砷在水稻各器官中的相对比例因器官差异也有所不同,在根部、谷壳和糙米中以As(Ⅲ)为主,在茎、叶中以As(Ⅴ)为主,在水稻可食部分的糙米中,毒性较大的As(Ⅲ)比例明显高于毒性较低的As(Ⅴ)比例,说明As(Ⅲ)在水稻植株内容易发生迁移,可较容易地进入籽粒中,而As(Ⅴ)主要停留在茎部和叶中。As(Ⅲ)比As(Ⅴ)更易向上迁移,其原因可能与亚砷酸(H3AsO3)有较高的解离常数(pKa=9.2)、有较强的亲水性有关[18]。根部中MMAV和DMAV等2种有机砷均有出现,两者的比例也较为接近,但在茎中DMAV的比例明显高于MMAV；在叶、谷壳和糙米中的有机砷全为DMAV,这表明在水稻体内DMAV比MMAV更易向上迁移。

4 结论

以浙江省某地铅锌矿附近污染农田为研究对象,采样分析了砷污染农田生长水稻中砷的积累和形态组成及其影响因素。结果表明:(1)水稻不同器官之间砷含量存在较大的差异,根部砷积累明显高于其他器官,表现为根部>茎>叶>谷壳>糙米。水稻根部砷含量受土壤有机质含量以外的多个土壤性状的影响,随土壤砷污染程度的加重和土壤pH值的增加,根部积累的砷也逐渐增加。在水稻植株中，DMAV比MMAV更易发生迁移,As(Ⅲ)比As(Ⅴ)更易向上迁移。根部砷含量受土壤的影响最大,而地上部特别是糙米中砷的积累受土壤性状的影响较小。(2)水稻植株中的砷以无机砷为主,其平均含量占全砷量的85%左右,无机砷的平均占比在各器官间差异较小。根部、谷壳和糙米中的无机砷以As(Ⅲ)为主,在茎、叶中以As(Ⅴ)为主,在水稻可食部分的糙米中,As(Ⅲ)比例明显高于As(Ⅴ)比例。(3)根部、茎、叶和谷壳等器官中As(Ⅲ)与As(Ⅴ)占总砷的比例均存在显著的负相关。各器官中无机砷占总砷的比例与土壤pH值呈负相关,与土壤Eh值呈正相关。水稻各器官中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)占总砷的比例与无机砷占总砷的比例之间呈正相关。水稻各器官中DMAV占总砷的比例均与土壤pH值呈弱正相关,与土壤Eh值呈显著的负相关。DMAV占总砷的比例均与无机砷的比例呈显著的负相关。糙米中As(Ⅲ)、As(Ⅴ)含量和总无机砷含量之间存在良好的线性关系,可以用As(Ⅲ)或As(Ⅴ)含量预测总无机砷含量。