盆栽水稻對(duì)土壤汞富集特征及其影響因素

干方群, 管 斌, 王建國(guó), 伊茂麒, 尤曉慧, 丁程成, 杭小帥①, 梁 斌

〔1.江蘇開(kāi)放大學(xué)(江蘇城市職業(yè)學(xué)院)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院, 江蘇 南京 210019; 2.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212400; 3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042〕

據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)今世界每年向環(huán)境中排放汞(Hg)污染物約1.5萬(wàn)t[1]。1995—2003年期間,我國(guó)每年以2.9%的增長(zhǎng)速度向環(huán)境中釋放Hg污染物,2003年已達(dá)到(696±307) t,其中,有色金屬冶煉和燃煤是Hg的主要來(lái)源,約占80%[2]。釋放到環(huán)境中的大部分Hg污染物最終進(jìn)入土壤,引起土壤Hg污染。

土壤是Hg的源與匯,它在Hg的生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用至關(guān)重要[3]。我國(guó)土壤中Hg含量范圍為0.001～45.90 mg·kg-1,高于世界土壤Hg自然含量的平均值[4]。根據(jù)我國(guó)土壤普查可知,約有1.6%樣點(diǎn)的土壤樣品出現(xiàn)Hg超標(biāo)[5]。Hg可在作物可食部分積累并進(jìn)入食物鏈,繼而對(duì)人類健康造成嚴(yán)重威脅,被聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署列為全球性污染物。同時(shí),Hg在生物體中易轉(zhuǎn)化為毒性更大的甲基化合物,也被美國(guó)環(huán)保局列為129種優(yōu)先控制污染物之一[6]。

全世界近一半的人口以大米為主糧,大米出現(xiàn)污染將對(duì)人體健康產(chǎn)生巨大風(fēng)險(xiǎn)[7]。研究[8]表明,在種植水稻的淹水還原條件下,Hg在土壤中的移動(dòng)性強(qiáng),同時(shí)在還原菌的作用下易甲基化,提高了土壤中無(wú)機(jī)Hg和甲基Hg的生物有效性,促進(jìn)水稻對(duì)其吸收。有研究[9-10]表明,水稻對(duì)無(wú)機(jī)Hg和甲基Hg的富集能力高于其他作物。中國(guó)是世界上第一水稻生產(chǎn)大國(guó),約有29%的大米產(chǎn)于中國(guó)[11]。因此,在我國(guó)土壤Hg污染對(duì)水稻安全生產(chǎn)的影響尤為突出。土壤Hg污染引起的糧食安全問(wèn)題已倍受關(guān)注。

外源Hg進(jìn)入土壤后,其將與土壤組分作用,尤其是Hg與有機(jī)質(zhì)間具有極強(qiáng)的結(jié)合力[12]。有機(jī)質(zhì)含量高的土壤,具有明顯的Hg解毒作用,土壤有機(jī)質(zhì)中的腐殖酸可以通過(guò)對(duì)Hg 的絡(luò)合來(lái)影響土壤中Hg 的存在形態(tài)和生物活性[13-15]。因此,研究外源Hg進(jìn)入土壤后其對(duì)水稻的生物有效性顯得尤為必要。常熟市以水稻生產(chǎn)為主,研究表明,農(nóng)田土壤中Hg超標(biāo)樣點(diǎn)占52.3%,稻米樣品超標(biāo)率達(dá)到20.6%,且土壤中Hg與水稻籽粒中Hg含量對(duì)應(yīng)關(guān)系存在較大差異[10]。為進(jìn)一步研究土壤與水稻中Hg的關(guān)系,以及外源Hg進(jìn)入土壤后對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育及Hg富集的影響。筆者采集常熟市不同Hg污染程度農(nóng)田耕層土壤,進(jìn)行水稻盆栽實(shí)驗(yàn),研究土壤Hg對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響以及成熟期水稻不同器官Hg含量與土壤組分的關(guān)聯(lián),以期為治理與調(diào)控土壤Hg污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤來(lái)源于江蘇省常熟市農(nóng)田耕層。根據(jù)HJ 332—2006《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[16],水稻土壤Hg含量限值為0.3 mg·kg-1(pH值6.5),GB 2726—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》[17]中稻米Hg含量限值為20 μg·kg-1。分別采集9種土壤樣品與對(duì)應(yīng)的水稻籽粒樣品,通過(guò)對(duì)樣品中Hg含量的分析,發(fā)現(xiàn)土壤與稻米中Hg含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系有3種:(1)土壤Hg含量(0.48～2.06 mg·kg-1)超過(guò)相應(yīng)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值(0.3 mg·kg-1),對(duì)應(yīng)稻米Hg含量(31.1～50.4 μg·kg-1)也超過(guò)相應(yīng)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值(20 μg·kg-1);(2)土壤Hg含量(0.77～1.68 mg·kg-1)超標(biāo),但對(duì)應(yīng)稻米Hg含量(7.5～14.5 μg·kg-1)不超標(biāo);(3)土壤Hg含量(0.11～0.21 mg·kg-1)不超標(biāo),但對(duì)應(yīng)稻米Hg含量(26.0～60.2 μg·kg-1)超標(biāo)。分別利用上述9種土壤(3種類型土壤各3種土壤樣品)作為供試土壤,將土壤陰干,過(guò)2 mm孔徑篩備用。9種土壤pH值、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量和CEC分別為6.42±0.55、(2.92±1.07)%和(19.78±3.16) cmol·kg-1。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽實(shí)驗(yàn),9種土壤樣品均設(shè)置3種處理:(1)對(duì)照(CK),土壤不作任何處理;(2)土壤中添加2 mg·kg-1Hg(H);(3)土壤中添加2 mg·kg-1Hg和6.7 g·kg-1水稻秸稈(HS)(按秸稈還田量15 t·hm-2計(jì)),秸稈中Hg含量為129 μg·kg-1。將粉碎的秸稈加入供試土壤,混合均勻并裝入19 cm×23 cm盆中,每盆3.0 kg。將分析純HgCl2以溶液形式加入供試土壤。所有處理澆水至飽和,放置1周。每種土壤每種處理重復(fù)3次,共計(jì)81盆。上述3種處理土壤施肥方式如下:以分析純尿素、KH2PO4和KCl形式施入N、P和K,N、P和K用量分別以N、P2O5和K2O計(jì),施入量均為0.15 g·kg-1(60%N作為基肥施入,40%N作為追肥施入)。

7月將事先育好的秧苗(武運(yùn)粳7號(hào))移栽到盆中,每盆4穴,每穴1顆,呈四方形分布。移栽過(guò)程中選用相同大小的秧苗,以保持其一致性。水稻在溫室中種植,透光通風(fēng),無(wú)雨水。日常管理:用自來(lái)水進(jìn)行灌溉,觀察并記錄水稻生長(zhǎng)情況,直至11月收割。水稻樣品分為秸稈與籽粒2個(gè)部分,分別用蒸餾水洗滌干凈,風(fēng)干至恒重,稱干重,將稻米分離,之后將所有植物樣品粉碎;土壤經(jīng)晾干,粉碎均勻,取土壤樣品(干重50 g),過(guò)0.149 mm孔徑篩。上述樣品保存以供分析。

1.3 化學(xué)分析

土壤中Hg全量采用V(王水)∶V(蒸餾水)=1∶1的混合液提取[18];植物樣品中總Hg含量采用硝酸-雙氧水消煮法[19-20]測(cè)定。所有待測(cè)液中Hg含量均采用AFS-930氫化物發(fā)生原子熒光(HG-AFS,北京吉天儀器公司)[21]進(jìn)行分析。整個(gè)分析過(guò)程以空白、標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GBW07403)及標(biāo)準(zhǔn)植物樣品(GBW07602和GBW10010)進(jìn)行質(zhì)量控制,標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品和植物樣品回收率范圍分別為92%～106%和94%～108%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 25.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理對(duì)土壤中Hg含量的影響

盆栽水稻收獲后,9種土壤樣品中Hg含量見(jiàn)表1。對(duì)照土壤(CK)中Hg含量與供試土壤中Hg含量保持一致。H處理和HS處理的9種土壤中Hg含量都顯著高于各自CK,增加量均約為2 mg·kg-1,與外源Hg添加量相一致,但H處理和HS處理之間則無(wú)顯著差異。這表明以HgCl2形式添加的外源Hg易在土壤中累積;其原因可能是在土壤礦物、有機(jī)質(zhì)及土壤膠體等作用下,Hg被固定在土壤中[10,22-23]。

表1水稻收獲后不同處理土壤Hg含量

Table1SoilHgconcentrationsindifferenttreatmentsafterriceharvestingmg·kg-1

CK為對(duì)照,土壤不作任何處理; H處理為Hg處理; HS處理為Hg與秸稈共同處理。就同一種土壤而言,同一列英文小寫字母不同表示處理間土壤Hg含量差異顯著(P<0.05)。Ⅰ-1～Ⅲ-3的含義見(jiàn)1.1節(jié)的描述。

2.2 不同處理對(duì)水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

盆栽水稻每盆籽粒產(chǎn)量、秸稈和根部生物量見(jiàn)表2。9種土壤H和HS處理水稻籽粒產(chǎn)量、秸稈和根部生物量多數(shù)情況下顯著低于各自CK。與CK相比,H處理水稻籽粒產(chǎn)量下降范圍為17%～50%,平均下降35%;與CK相比,H處理水稻秸稈生物量下降范圍為12%～35%,平均下降24%;與CK相比,H處理水稻根部生物量下降范圍為25%～45%,平均下降35%。而H和HS處理之間水稻籽粒產(chǎn)量、秸稈和根部生物量多數(shù)情況下無(wú)顯著差異。這表明經(jīng)2 mg·kg-1外源Hg處理的土壤已顯著抑制水稻生長(zhǎng),且降低水稻產(chǎn)量,而秸稈還田并沒(méi)有緩解這一現(xiàn)象。這與土壤Hg污染引起水稻生理特征發(fā)生變化而導(dǎo)致減產(chǎn)的研究結(jié)果[24-26]相一致,但使水稻減產(chǎn)的土壤Hg含量低于已有研究[27]中的閾值(5 mg·kg-1);其原因可能是以HgCl2形式進(jìn)入土壤的外源Hg,其生物有效性高,直接抑制了水稻的生長(zhǎng)發(fā)育,進(jìn)而使水稻減產(chǎn)。

2.3 盆栽實(shí)驗(yàn)與野外農(nóng)田稻米Hg含量差異

盆栽稻米中Hg含量見(jiàn)表3。除土壤Hg含量最高的Ⅰ-1和Ⅱ-2以外,其他盆栽稻米都低于GB 2726—2017[17]中規(guī)定的稻米中Hg含量限值(20 μg·kg-1)。通過(guò)對(duì)盆栽實(shí)驗(yàn)稻米與相應(yīng)土壤的野外農(nóng)田稻米進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)盆栽稻米Hg含量在絕大部分情況下不同程度地低于對(duì)應(yīng)野外調(diào)查值(表3)。這是由于植物中Hg不僅來(lái)源于土壤,還有可能來(lái)源于大氣[28]。有研究表明,在大氣Hg污染較嚴(yán)重的區(qū)域,植物體中Hg含量遠(yuǎn)高于對(duì)照區(qū)域[29]。9種供試土壤均來(lái)源于前期調(diào)查企業(yè)附近農(nóng)田,企業(yè)類型有燃料廠、冶煉廠和熱電廠等[30]。研究[2]表明燃煤和冶煉等是Hg的重要來(lái)源,對(duì)周邊大氣中Hg濃度影響較大。而盆栽實(shí)驗(yàn)中各處理外界環(huán)境因素保持一致,且溫室空氣中Hg濃度較低,經(jīng)測(cè)試空氣中ρ(Hg)基本保持低于1.5 ng·m-3的水平。因此,筆者研究中大氣Hg濃度的不同是造成室內(nèi)外稻米Hg含量差異的一個(gè)重要影響因素。此外,野外水稻的生長(zhǎng)環(huán)境與室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)條件也存在一定差異,這些因素也可能對(duì)稻米富集Hg產(chǎn)生影響。

與野外農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)相比,盆栽土壤與稻米的對(duì)應(yīng)關(guān)系也發(fā)生了變化,主要表現(xiàn)為盆栽水稻沒(méi)有出現(xiàn)土壤Hg含量不超標(biāo)而其對(duì)應(yīng)稻米Hg含量超標(biāo)的現(xiàn)象。這進(jìn)一步表明野外稻米Hg除來(lái)源于土壤以外,還受到其他因素的影響。

表2不同處理水稻籽粒產(chǎn)量、秸稈和根部生物量

Table2Ricegrainyieldsindifferenttreatmentsg

CK為對(duì)照,土壤不作任何處理; H處理為Hg處理; HS處理為Hg與秸稈共同處理。就同一種土壤相同水稻器官而言,同一列英文小寫字母不同表示處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。Ⅰ-1～Ⅲ-3的含義見(jiàn)1.1節(jié)的描述。

表3盆栽實(shí)驗(yàn)稻米與對(duì)應(yīng)土壤野外農(nóng)田稻米Hg含量對(duì)比

Table3ComparisonofHgcontentofricegrowninpotsoilandthecorrespondingfieldsoil

土壤種類稻米w(Hg)/(μg·kg-1) 野外農(nóng)田盆栽實(shí)驗(yàn) Ⅰ-1 31.124.1 Ⅰ-247.93.5 Ⅰ-350.49.5 Ⅱ-111.33.7 Ⅱ-27.520.6 Ⅱ-314.55.5 Ⅲ-126.05.7 Ⅲ-236.02.9 Ⅲ-360.23.5

Ⅰ-1～Ⅲ-3的含義見(jiàn)1.1節(jié)的描述。

2.4 不同處理對(duì)水稻中Hg積累的影響

圖1顯示,經(jīng)2 mg·kg-1外源Hg處理土壤稻米Hg含量明顯高于我國(guó)稻米中Hg含量限值(20 μg·kg-1)。僅經(jīng)2 mg·kg-1外源Hg處理土壤稻米、稻殼和秸稈Hg含量絕大部分情況下顯著高于各自CK(圖1),稻米、稻殼和秸稈Hg含量變化特征基本一致,與各自CK相比,Hg含量增加范圍分別為35.2 ～638.5 μg·kg-1(平均值為220.9 μg·kg-1)、3.11～124.5 μg·kg-1(平均值為39.5 μg·kg-1)和14.7～218.6 μg·kg-1(平均值97.8 μg·kg-1),但不同種類土壤增加幅度有所不同。與僅經(jīng)Hg處理土壤相比,添加秸稈和Hg共同處理的部分土壤稻米、稻殼和秸稈Hg含量也發(fā)生了不同變化。

CK為對(duì)照,土壤不作任何處理; H處理為Hg處理; HS處理為Hg與秸稈共同處理。Ⅰ-1～Ⅲ-3的含義見(jiàn)1.1節(jié)的描述。 同一幅圖中,同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。圖1 不同處理稻米、稻殼和秸稈Hg含量Fig.1 Rice grain, husk and straw Hg concentrations in different treatments

稻米通過(guò)土壤富集Hg的過(guò)程受到諸多環(huán)境因素的影響[11]。相關(guān)性分析表明,外源Hg處理后稻米中Hg含量與土壤pH的相關(guān)系數(shù)為-0.886(P=0.001),與CEC的相關(guān)系數(shù)為-0.698(P=0.037),與有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)為-0.405(P=0.280),與碳酸鈣含量的相關(guān)系數(shù)為-0.789(P=0.011)。外源Hg與秸稈共同處理后,稻米Hg含量與土壤pH的相關(guān)系數(shù)為-0.515(P=0.156),與CEC的相關(guān)系數(shù)為-0.728(P=0.026),與有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)為-0.746(P=0.021),與碳酸鈣含量的相關(guān)系數(shù)為-0.646(P=0.060)。這與HANG等[10]和WANG等[31]的研究結(jié)果相一致,表明土壤pH、CEC、有機(jī)質(zhì)含量和碳酸鈣含量提高可增強(qiáng)土壤組分對(duì)Hg離子的吸附[22-23],從而降低土壤Hg的生物有效性,抑制稻米對(duì)土壤中外源Hg的吸收。

有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分,在水稻土Hg的生物地球化學(xué)行為中起到至關(guān)重要的作用[32],有機(jī)質(zhì)可強(qiáng)烈吸附土壤中Hg,固定土壤中大部分Hg[10]。余貴芬等[33]研究表明,土壤有機(jī)質(zhì)中腐殖酸可抑制或活化土壤Hg,且其行為依賴于腐殖酸組分對(duì)Hg的配位能力及穩(wěn)定性。筆者研究中,不同土壤經(jīng)Hg處理和經(jīng)Hg與秸稈共同處理后稻米對(duì)Hg的富集變化規(guī)律不明顯,可能與秸稈還田中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率相關(guān),具體原因有待進(jìn)一步研究。

2.5 水稻各器官中Hg含量的分布

通過(guò)對(duì)不同處理水稻稻米與秸稈和稻殼中Hg含量的相關(guān)性分析可知,CK稻米與稻殼的相關(guān)系數(shù)為0.250(P=0.517),H處理為0.889(P=0.001),HS處理為0.801(P=0.009),CK稻米與秸稈的相關(guān)系數(shù)為0.815(P=0.007),H處理為0.939(P<0.001),HS處理為0.977 (P<0.001),除CK稻米與稻殼外,其他皆達(dá)極顯著正相關(guān)水平。這表明稻米分別與秸稈和稻殼中Hg含量密切相關(guān),尤其是在土壤Hg含量較高時(shí),表明它們主要來(lái)源于土壤Hg。CK、H和HS處理水稻稻米與稻殼中Hg的分配比(C稻米/C稻殼×100%)分別為966%、638%和550%,表明水稻稻米富集Hg的能力較稻殼強(qiáng),這與杭小帥等的研究結(jié)果[30]一致。不同處理水稻稻米與秸稈中Hg的分配比(C稻米/C秸稈×100%)存在差異,CK的Hg平均分配比為5%,與MENG等的研究結(jié)果[24]一致,而H和HS處理分別為103%和105%。可見(jiàn),CK秸稈Hg含量明顯高于稻米,而經(jīng)Hg處理后兩者相近。因此,在添加外源Hg的情況下,秸稈中Hg含量增加幅度較稻米低,表明向土壤中添加外源Hg,使得水稻器官對(duì)Hg的富集能力發(fā)生變化,即在土壤外源Hg作用下,稻米對(duì)Hg的富集能力提升速率明顯高于秸稈。由此可見(jiàn),土壤外源Hg對(duì)水稻的糧食安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

3 結(jié)論

(1)土壤添加外源Hg明顯抑制了水稻生長(zhǎng),導(dǎo)致生物量和產(chǎn)量均下降,根部、地上部分生物量及產(chǎn)量均顯著下降,平均分別下降35%、24%和35%,但秸稈還田對(duì)其影響不明顯。

(2)盆栽實(shí)驗(yàn)與野外農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤與稻米之間Hg含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化,沒(méi)有出現(xiàn)土壤Hg含量不超標(biāo)而其對(duì)應(yīng)稻米Hg含量超標(biāo)的現(xiàn)象。在相同土壤條件下,盆栽稻米Hg含量基本上低于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)查結(jié)果,表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中稻米Hg除來(lái)源于土壤以外,還受到大氣和其他因素的影響。

(3)土壤中添加外源Hg,可明顯增加水稻各器官對(duì)Hg的吸收,稻米、稻殼和秸稈Hg含量平均分別提高220.9、39.5和97.8 μg·kg-1,秸稈還田沒(méi)有降低水稻各器官對(duì)Hg的富集。土壤pH、CEC、有機(jī)質(zhì)和碳酸鈣均可在一定程度上影響稻米對(duì)土壤外源Hg的吸收。稻米對(duì)Hg的富集能力較稻殼強(qiáng),當(dāng)供試土壤添加外源Hg時(shí),稻米對(duì)Hg的富集能力提升速率明顯高于秸稈,稻米中Hg含量已與秸稈中Hg含量相當(dāng)。