水分管理與秸稈還田對(duì)作物吸收土壤中砷的影響

顧國(guó)平　章明奎

摘 要：為了解農(nóng)田水分管理方式與秸稈還田對(duì)砷污染農(nóng)田中生長(zhǎng)農(nóng)作物吸收砷的影響，在某一砷污染農(nóng)田的水稻-油菜連作系統(tǒng)中設(shè)置稻季淹水灌溉與濕潤(rùn)灌溉和稻季秸稈還田與油菜季秸稈還田雙因素試驗(yàn)，分析不同水分管理和秸稈還田對(duì)水稻和油菜各器官中砷積累的影響。結(jié)果表明，油菜籽粒中砷含量明顯低于水稻谷物；稻季濕潤(rùn)灌溉水稻籽粒及莖葉中砷含量低于淹水灌溉，前者為后者的47.59%～48.30%和6.43%～13.36%；稻季水分管理方式對(duì)后續(xù)作物油菜籽粒砷積累影響不明顯。水稻秸稈在油菜田還田處理的水稻籽粒中砷含量低于油菜秸稈在水田還田處理的水稻籽粒，但秸稈還田時(shí)間對(duì)油菜籽粒中砷含量影響不明顯。分析表明，濕潤(rùn)灌溉土壤水溶性As（Ⅲ）和As（Ⅴ）總量及As（Ⅲ）/As（Ⅴ）的比例都顯著低于淹水灌溉。研究認(rèn)為，濕潤(rùn)灌溉和水稻秸稈油菜季還田可降低農(nóng)產(chǎn)品中砷的積累。

關(guān)鍵詞：水分管理；秸稈還田；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全；砷污染

中圖分類號(hào) S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）12-0019-04

Abstract：In order to understand the effect of water management and straw returning on the absorption of arsenic by crops from arsenic contaminated farmland soil，a pot experiment was conducted in a rice-rape continuous cropping system to study the effects of two kinds of water managements（flooding irrigation and wet irrigation） and two ways of straw returning（rice straw returning and rape straw returning） on arsenic（As） accumulation in the different organs of two plants.The results showed that the arsenic content in rape seeds was significant lower than that in rice grain.The contents of arsenic in grains，stems and leaves of rice with wet irrigation were lower than those with flooded irrigation，the former were 47.59%～48.30% and 6.43%～13.36%，respectively，of the latter.Water management modes in rice growth season had no significant effect on the accumulation of arsenic in the following rape season.The content of arsenic in rice grain for rice straw returning to rape field was lower than that for rape straw returning to rice field. However，the effect of straw returning time on the content of arsenic in rape seeds was not obvious.Total concentrations of water soluble soil As3+ and As5+ and the As3+ / As5+ ratio for wet irrigation was significant lower than those for rice straw returning.The results suggested that both wet irrigation and rice straw returning could control the accumulation of arsenic in agricultural products.

Key words：Water management modes；Straw returning；Safety of agricultural product；Arsenic contamination

砷是環(huán)境中最常見(jiàn)、危害人類健康最嚴(yán)重的污染物之一，被美國(guó)環(huán)保局（USEPA）與世界衛(wèi)生組織（WHO）認(rèn)定為已知的人類致癌物質(zhì)。人體吸收過(guò)量的砷或長(zhǎng)期暴露于富砷環(huán)境中，可誘發(fā)皮膚癌及導(dǎo)致腎、肝、膀胱等內(nèi)臟器官的癌變。環(huán)境中砷的來(lái)源主要有砷化物的開(kāi)采和冶煉、含砷有色金屬的開(kāi)發(fā)和冶煉、砷化物的廣泛應(yīng)用、含砷農(nóng)藥的生產(chǎn)和使用及煤的燃燒等[1]。隨著砷化學(xué)物質(zhì)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的不斷應(yīng)用，土壤、大氣和水體中的砷污染已成為一個(gè)全球性的嚴(yán)重問(wèn)題，正危脅著農(nóng)作物生產(chǎn)和人類的健康[2-4]。據(jù)2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，我國(guó)有2.7%的土壤砷超標(biāo)。砷和砷化物可通過(guò)水、大氣和食物等途徑進(jìn)入人體，因此減少或者消除農(nóng)業(yè)土壤砷的污染和毒害已成為一個(gè)亟待解決的重要課題[5-9]。目前，土壤砷污染治理的方法主要有工程措施法、物理化學(xué)修復(fù)法、微生物法、植物修復(fù)法和土壤動(dòng)物修復(fù)法等。工程措施主要包括客土、換土和深耕翻土等。物理化學(xué)修復(fù)主要包括土壤淋洗法、玻璃化法、電化學(xué)法等。微生物修復(fù)主要是通過(guò)特殊微生物對(duì)砷甲基化產(chǎn)生的氣態(tài)砷或通過(guò)吸附、固定等方法來(lái)消除砷的危害。植物修復(fù)是利用植物萃取、植物固定、植物揮發(fā)、根系過(guò)濾、植物降解來(lái)凈化受砷污染的土壤、沉淀和水體。但物理、化學(xué)修復(fù)方法因工程量大，不太適合于大面積農(nóng)田土壤的修復(fù)；而植物修復(fù)技術(shù)常常受修復(fù)植物生物量小、修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等因素限制。有研究表明，砷及砷化物的毒性與其價(jià)態(tài)、水溶性等有關(guān)，三價(jià)砷化合物的毒性比五價(jià)砷大[10-11]。好氧環(huán)境可降低土壤中砷的生物有效性，通過(guò)稻田水分可降低水稻對(duì)砷的吸收[12-15]。另外，秸稈還田是我國(guó)農(nóng)田管理的重要措施，秸稈還田可增加土壤中易降解有機(jī)物質(zhì)的含量，從而影響土壤的氧化還原電位，后者可能也會(huì)改變土壤中砷的生物有效性和化學(xué)形態(tài)?；诖耍狙芯吭谝簧槲廴巨r(nóng)田的水稻-油菜連作系統(tǒng)中設(shè)置稻季淹水灌溉與濕潤(rùn)灌溉和稻季秸稈還田與油菜季秸稈還田雙因素試驗(yàn)，分析水稻和油菜各器官中砷的積累情況，以期摸索出利用農(nóng)藝措施來(lái)降低農(nóng)產(chǎn)品中砷含量的技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)在紹興某一受鉛鋅礦開(kāi)采影響的農(nóng)田中進(jìn)行，土壤類型為脫潛水稻土。供試土壤質(zhì)地為重壤土，土壤pH值為5.93，有機(jī)質(zhì)含量為26.45g/kg，土壤有效磷含量12.43mg/kg，速效鉀含量為115.46mg/kg。土壤全砷含量為95.32mg/kg，交換態(tài)砷含量0.42mg/kg，屬于中度污染的土壤。供試水稻品種為秀水63，油菜品種為浙雙72。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)由水分管理方式與秸稈還田時(shí)間2個(gè)因素組成，水分管理方式設(shè)稻季淹水灌溉、稻季濕潤(rùn)灌溉2個(gè)處理，秸稈還田時(shí)間設(shè)置水稻秸稈在油菜田還田（下稱水稻秸稈還田）、油菜秸稈在水田還田（下稱油菜秸稈還田）2個(gè)處理。二因素組合共設(shè)置水稻秸稈還田+淹水灌溉、水稻秸稈還田+濕潤(rùn)灌溉、油菜秸稈還田+淹水灌溉和油菜秸稈還田+濕潤(rùn)灌溉等4個(gè)處理。小區(qū)面積15m3，重復(fù)3次。試驗(yàn)于前一茬油菜收獲開(kāi)始（收獲的油菜用于油菜秸稈還田的2個(gè)處理），水稻和油菜均采用移栽。淹水灌溉指在水稻整個(gè)生長(zhǎng)期田面保持3.0cm左右的水層；濕潤(rùn)灌溉指除移苗期保持3.0cm左右的水層外，其它時(shí)間土壤保持潮濕狀態(tài)，但田面基本無(wú)水層，直至水稻成熟。水稻生長(zhǎng)期在7—11月，油菜生長(zhǎng)在11月至次年5月。水稻秸稈或油菜秸稈分別在下一季作物種植翻耕前混入土中，秸稈切割成10cm左右。水稻和油菜收獲前分別在各小區(qū)采集水稻和油菜植株，按根部、籽粒和莖葉分成3個(gè)分樣，用于分析砷含量。另外，分別在水稻灌漿期和油菜結(jié)莢期采集各小區(qū)表土樣（0～15cm），提取水溶性砷，用以分析土壤溶液中的As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的濃度。除水分管理方式與秸稈還田時(shí)間外，各處理其他管理措施均相同。

1.3 分析方法 新鮮土樣水溶性砷用去離子水提取，土水比1∶10，提取時(shí)間1h。同時(shí)測(cè)定土壤含水量，校正結(jié)果。提取液加入0.1mol/L的EDTA溶液1mL，以防止不同價(jià)態(tài)As相互轉(zhuǎn)化。提取物中As（Ⅲ）和As（Ⅴ）用高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用測(cè)定[16]。植物各器官中As采用GB/T 5009.11-2003法測(cè)定，用原子熒光光度計(jì)（AFS-7500）測(cè)定As濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)產(chǎn)量的影響 表1可知，濕潤(rùn)灌溉處理的水稻產(chǎn)量略高于淹水灌溉處理，但它們之間的差異不明顯。在水稻秸稈還田情況下，濕潤(rùn)灌溉的水稻產(chǎn)量比淹水灌溉處理高4.70%；在油菜秸稈還田情況下，濕潤(rùn)灌溉的水稻產(chǎn)量比淹水灌溉處理高3.32%。水稻生長(zhǎng)期水分處理對(duì)后續(xù)作物油菜的產(chǎn)量影響不大。水稻秸稈還田處理的水稻和油菜產(chǎn)量明顯高于油菜秸稈還田處理。其中，水稻淹水灌溉條件下，水稻秸稈還田處理的水稻和油菜產(chǎn)量分別比油菜秸稈還田處理高4.91%和11.13%；水稻濕潤(rùn)灌溉條件下，水稻秸稈還田處理的水稻和油菜產(chǎn)量分別比油菜秸稈還田處理高6.31%和6.94%。水稻秸稈還田處理的水稻和油菜產(chǎn)量高于油菜秸稈還田處理的原因可能是：水稻秸稈還田于油菜生長(zhǎng)季，其土壤通氣條件良好，有利于秸稈的礦化和養(yǎng)分的釋放，從而促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)。但油菜稈還田于水稻生長(zhǎng)季，此時(shí)因土壤水分基本趨于飽和，土壤通氣條件相對(duì)較差，秸稈的礦化并不徹底，易導(dǎo)致土壤氧化還原電位的降低和還原性物質(zhì)的積累，對(duì)水稻生長(zhǎng)產(chǎn)生不良的影響。

2.2 不同處理對(duì)土壤中水溶性砷含量的影響 水分管理方式與秸稈還田對(duì)油菜季土壤水溶性砷及形態(tài)組成影響較小（表2），但對(duì)水稻生長(zhǎng)期土壤水溶性砷含量有明顯的影響。無(wú)論是水稻秸稈還田還是油菜秸稈還田，淹水處理顯著增加了稻季土壤水溶性As（III）、As（V）含量和總砷量，其中，水稻秸稈還田情況下，As（III）、As（V）含量和總砷量分別比濕潤(rùn)處理增加了67.86%、166.67%和118.97%；油菜秸稈還田情況下，As（III）、As（V）含量和總砷量分別比濕潤(rùn)處理增加了52.27%、58.18%和63.83%?？傮w上，水稻秸稈還田情況下水分管理對(duì)土壤水溶性砷的影響一般大于油菜秸稈還田情況的影響。從土壤水溶性砷形態(tài)的組成來(lái)看，水稻生長(zhǎng)季一般以As（III）為主，而油菜生長(zhǎng)季則以As（V）為主，這顯然與二種作物生長(zhǎng)環(huán)境下土壤氧化還原條件差異有關(guān)。水稻生長(zhǎng)季的淹水灌溉土壤水溶性As（III）含量占總砷的比例56.49%～62.99%，高于濕潤(rùn)灌溉土壤水溶性As（III）占總砷的比例（51.72%～53.19%）。

2.3 不同處理對(duì)農(nóng)作物各器官中砷積累的影響 表3表明，水分管理方式和秸稈還田對(duì)水稻各器官中砷的積累有明顯的影響，水稻秸稈還田處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量低于油菜秸稈還田處理，并以淹水灌溉情況下的差異最為顯著。其中，淹水灌溉條件下，水稻秸稈還田處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量分別比油菜秸稈還田處理低7.74%、11.20%和21.39%；濕潤(rùn)灌溉條件下，水稻秸稈還田處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量分別比油菜秸稈還田處理低6.58%、17.78%和22.44%。濕潤(rùn)灌溉處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量明顯低于淹水處理，水稻秸稈還田時(shí)，濕潤(rùn)灌溉處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量比淹水處理降低14.48%、13.36%和48.30%；油菜秸稈還田時(shí)，濕潤(rùn)灌溉處理的水稻根系、莖葉及籽粒中砷含量比淹水處理降低15.54%、6.43%和47.59%。水稻生長(zhǎng)期田間水分管理和秸稈還田對(duì)后續(xù)作物油菜莖葉和籽粒中砷的積累影響不明顯，但水稻秸稈還田處理的油菜根系中砷的積累一般低于油菜秸稈還田處理，前者比后者分別下降8.55%～14.65%。

3 結(jié)論與討論

土壤氧化還原最位（Eh）是影響土壤As 賦存形態(tài)和生物有效性的重要因素，稻田土壤的Eh主要受水分條件影響，淹水可促進(jìn)土壤Eh的降低，使鐵（氫）氧化物被還原溶解，As（V）被還原成As（III），As生物有效態(tài)因而顯著升高，大量的As被釋放到土壤溶液中，促進(jìn)了作物對(duì)土壤中砷的吸收。而濕潤(rùn)灌溉在一定程度上促使稻田土壤As與鐵（氫）氧化物結(jié)合，其移動(dòng)性顯著降低，從而降低了土壤中水溶性As的含量。因此，稻田水分管理可能是一條操作簡(jiǎn)易并能有效降低水稻砷累積的途徑。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在砷污染的農(nóng)田中水稻生長(zhǎng)期間田面長(zhǎng)期淹水會(huì)增加水稻籽粒和莖葉中砷的積累，但不會(huì)影響后續(xù)作物油菜中砷的積累。濕潤(rùn)灌溉可提高土壤的Eh，降低水田土壤中As（Ⅲ）與As（Ⅴ）濃度及其總量及As（Ⅲ）/As（Ⅴ）的比例，減少土壤中砷的活性，從而降低農(nóng)產(chǎn)品中砷的積累。因此，稻田水分管理可能是一條操作簡(jiǎn)易并能有效降低水稻砷累積的途徑。

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（責(zé)編：張宏民）