不同农艺措施对稻田土壤汞甲基化的影响研究进展

2021-12-27朱金山

南方农业 2021年4期

张婕，朱金山，李浪，张慧

（1.长江师范学院绿色智慧环境学院，重庆涪陵 408100；2.长江师范学院三峡库区环境监测与灾害防治工程技术研究中心，重庆涪陵 408100；3.太原科技大学环境与安全学院，山西太原 030002；4.重庆市农业科学院农业资源与环境研究所，重庆 401329）

汞是一种高神经毒性的重金属元素，它在自然环境中经过生物或非生物作用会转化为毒性更强的甲基汞和二甲基汞。土壤中的汞甲基化一般分为生物和非生物两种途径，其中非生物途径是指一些甲基供体在光的作用下，使无机汞转变为甲基汞；生物途径则是无机汞在部分微生物作用下转变为甲基汞。

对于汞污染问题，大家的目光仍会聚焦于日本所发生的“水俣病”事件，因而大部分人认为食用鱼类是导致人体甲基汞暴露的主要途径。我国众多城市都处于内陆地区，食用鱼类产生的人体甲基汞暴露风险非常低。Feng［1］和Zhang［2］等通过研究发现，汞矿区居民食用大米是人体富集甲基汞的主要途径。近年来，越来越多的研究表明，我国南方内陆居民甲基汞暴露主要途径是食用大米，汞矿区的居民甲基汞暴露尤为严重。水稻是当今世界上最重要的粮食作物，以稻米为主食的人口占全世界人口的50%以上。稻米汞污染问题越来越受到关注。研究发现水稻是迄今为止唯一发现的甲基汞富集作物［3-5］。这也表明，研究稻田土壤中汞的甲基化问题刻不容缓。本文综述轮作、灌溉、施肥方式对稻田土壤汞甲基化的影响，以期为不同农艺措施对稻田土壤汞甲基化的影响研究提供参考。

1 不同轮作方式对稻田土壤汞甲基化的影响

稻田是一种周期性灌水、排水的典型湿地生态系统，这种厌氧水生生态系统是无机汞转变为甲基汞的最佳场所。汞甲基化的过程易受到周围环境因子的影响，如pH、温度、微生物、氧化还原电位、有机质含量等。

我国南方与北方地区的环境、气候有着明显的区别，南方湿润多雨，北方干燥少雨，这也就决定了南北方的水稻种植、灌溉方式存在着较大差异。南方多为水田农业，水田农业是指在降水丰富、水资源充足的地区，将田地常年蓄水，种植水生作物。南方的水稻轮作方式主要有冬水田、水旱轮作和冬季晒田。

1.1 冬水田种植

冬水田种植是指无论是否种植作物，稻田在一年四季都蓄满水。这样的种植方式造成稻田长时间被水淹，形成了厌氧环境。有研究表明，好氧环境有利于沉积物对汞和甲基汞的吸收；而在厌氧环境下，对汞和甲基汞的释放更有利。研究发现，在厌氧环境下微生物甲基化产生的甲基汞大约比化学甲基化产生的多一个数量级，这可能是因为无氧环境会滋生大量的厌氧微生物。梁小兵发现，厌氧环境会使汞甲基化微生物更加活跃，产生更多的甲基汞［6］。胡海燕等证实硫酸盐还原菌、铁还原菌、产甲烷菌是厌氧环境中主要的甲基化微生物。这些促进汞甲基化的微生物在厌氧环境中快速增加，使大量无机汞转化为甲基汞。长期蓄水的冬水田易使秸秆泡水腐烂，这些腐烂的秸秆会给稻田土壤提供更多的腐殖质，腐殖质会与汞发生还原作用和甲基化作用，使土壤中的甲基汞增加［7］。

除此以外，汞甲基化明显还受温度和pH 的影响。南方多烧煤炭，因此酸雨情况较北方更为严重，其土壤多为酸性，pH值较低；从气候条件来看，南方的整体气温普遍比北方高，所以南方地区的稻田汞甲基化现象更为突出。研究发现，沉积物中的甲基汞释放会随着温度升高、养分增加及pH 降低而增加，因为温度和pH 会对汞甲基化微生物及其体内的酶构成影响，如能促进汞甲基化过程的硫酸盐还原菌生长。硫酸盐还原菌可分为两种，一种为中温菌，最适温度在30～50 ℃，另一种是高温菌，最适温度约为55～60 ℃。Parkman 认为汞的微生物甲基化过程是发生在细胞外的，因为细菌胞外酶的作用会加快汞甲基化的反应速率，其中酶起到催化作用，这也就说明了，汞甲基化是一种酶促反应，当温度超过或低于它们的最适温度时，它们体内的酶活性降低，新陈代谢就会降低，促进汞甲基化作用减弱。又如产甲烷菌适合生存在微碱性环境中，其对温度和pH变化非常敏感，冬水田无疑是给土壤中汞甲基化微生物生长提供了良好的环境。

1.2 水旱轮作与冬季晒田种植

水旱轮作和冬季晒田两种方式有一定的相似之处。水旱轮作是指在水稻休耕时期，将田中的水放掉，再种植其他作物。冬季晒田是指在水稻休耕期时，将稻田中的水放掉后，不再种植其他作物。这样的方式能够改善水田长时间的厌氧环境，使裸露在空气中的稻田在光的作用下，汞去甲基化能力加强，还能降低在汞生物甲基化中起主导作用的硫酸盐还原菌等厌氧菌的活跃度，从而有效减少甲基汞的产生［8-9］。可以看出，稻田蓄水时与冬水田并无差异；在休耕期时，水旱轮作能够在一定程度上改善因稻田长期淹水所造成的汞甲基化情况，但当种植了其他作物时，作物根系会分泌大量的蛋白质有机质，而这些物质会作为汞甲基化微生物的营养，使其更加活跃，促进汞甲基化过程［10］。冬季晒田在休耕期则不存在这个问题。

综合分析，冬水田会使稻田土壤中的汞甲基化情况更加严重；水旱轮作能够轻度减弱稻田土壤汞甲基化；冬季晒田则是减少甲基汞的最佳轮作方式。

2 不同灌溉方式对稻田土壤汞甲基化的影响

北方地区与南方地区的环境气候条件有着较大差异，北方地区温差较大，降水较少，土地也偏向盐碱化。南方地区适宜发展水田农业，而北方则偏向于灌溉农业。

2.1 漫灌

漫灌是将水直接通到种有作物的地里，并使作物根部全部没于水中。在南方种植的水稻，大多采用此种方式。漫灌会造成水资源的严重浪费，并且大水漫灌下的土地长期处于厌氧状况下，汞甲基化过程活跃。在北方一些缺水地区，采用漫灌方式还容易造成土壤盐碱化，严重影响土壤质量。显见，漫灌在较缺水的北方是不可取的，不仅浪费水资源，还会使北方土壤的盐碱化程度加深。当土壤由厌氧条件转为好氧条件时，土壤氧化还原电位（Eh）与微生物丰度均显著增高；氧化还原电位越低，还原性越强，有利于硫酸盐还原菌、铁还原菌等汞甲基化微生物活动，促进甲基化过程。

2.2 滴灌和喷灌

滴灌是利用塑料管道将水通过管道上的小孔输送到指定位置，进行灌溉；喷灌是指利用压力将水喷出，喷出的水形成小水滴降落到地面，对作物进行浇灌。两者均可满足北方水稻大棚种植的灌溉需求，喷灌相较于漫灌来说，所用水量较少，也能减弱土壤中甲基化过程，但喷灌不利于水稻等喜水作物的灌溉种植。滴灌可直接将水源送到作物根部，这样能有效减少水资源的浪费。传统的沟灌大棚，地面长期保持湿润，会使地面温度下降快、回升慢，且由于作物的蒸腾作用，会导致植物易缺水，大棚中湿度大，易发生虫害。滴灌在保持土壤肥力、温度方面表现更好。微生物数量与土壤pH值具有显著的正相关性，较高的土壤肥力和pH值可促进土壤微生物生长代谢过程，从而促进汞的微生物甲基化［11］。在研究不同灌溉方式对土壤性质的影响时，发现滴灌的土壤酶活性最好［12］。在土壤温度能得到保证，酸碱度较为稳定，土壤酶活性最佳时，汞甲基化微生物最为活跃。近年来，滴灌已成为北方水稻大棚种植的主要灌溉方式。

由此可见，在漫灌条件下，稻田土壤长期处于厌氧环境中，汞甲基化过程加快；喷灌并不适用于水稻的大田灌溉种植；滴灌可以有效保持大棚中的温度和湿度，减少人力、财力和物力，既减少对水的浪费，又能提高水稻产量，减少化肥用量。

3 不同肥料对稻田土壤汞甲基化的影响

部分稻田由于连年种植水稻，每年都需补充大量的N、P、K 肥及一些微量元素肥，这些施加的肥料一部分会被吸收，还有部分会被淋溶流失，因此仅补充无机肥料远不能满足水稻的生长需求，需要添加更多的有机肥料。

3.1 化肥

化肥包括氮肥、磷肥、钾肥等。孙涛研究发现，施加氮肥、磷肥和钾肥能够促进水稻快速生长，但也会使作物根系的分泌物增加［13］，土壤pH 值下降，这就使得汞甲基化微生物活性增强［14-15］，汞甲基化加快，进而使稻米对甲基汞的富集也增强［16］。氮肥能较大限度地促进汞甲基化过程。

3.2 有机肥料

农家肥包括人类粪便、家畜粪便、生活污水等，这些沼液中含有众多的营养元素，能提高土壤肥力。用猪沼等农家肥代替化肥可以有效减少甲烷等温室气体的排放［17］。农家肥可以促进农作物生长，提供作物生长所需的营养元素，同时也会反馈给稻田中的汞甲基化微生物，使其生长更加活跃，促进甲基化的时间短、起效快［13］。用生活污水灌溉会使稻田中的秸秆腐熟和养分释放加快［18］，促进甲基化进程［19-20］。土壤沼液还田还显著增加了不同深度土壤中各种微生物的数量［21］。

秸秆还田是一种经济方便的方式。秸秆是我国非常重要的一种生物资源［22］。在农业生产过程中，通常会产生大量的秸秆，将秸秆还田可以促进稻田土壤中的有机质增加，最重要的是能提高作物产量，增肥增产效果明显，有的增产量高达10%［23］。秸秆还田后会显著提高土壤中甲基汞含量，与此同时，水稻各部位的甲基汞含量也会显著升高。长度越长的秸秆，分解所需的时间就越长，就会较长时间地促进汞甲基化过程［13，24］。随着灌溉年限增加，沼液中的稻田土壤微生物群落的丰富度和多样性均逐渐降低，土壤pH值也在逐渐下降，有机质等逐渐累积，负反馈调节，反而不利于水稻产量的提升［25］。除此以外，土壤pH值下降及有机质含量增加，会使汞甲基化微生物更加活跃，从而促进无机汞向甲基汞的转化。