高砷煤礦污染稻田水稻對砷的吸收與賦存特征研究

邱麗娟，吳攀, ，張翅鵬, *，陳俊峰，黃臣臣，陶秀珍

1. 貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省普通高等學(xué)校礦山環(huán)境污染過程與控制特色重點(diǎn)實驗室，貴州 貴陽 550025；3. 貴州民族大學(xué)化學(xué)與生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025

砷（As）是一種廣泛存在且對動植物具有毒害作用的類重金屬元素。As污染在已成為一個嚴(yán)峻的全球性環(huán)境問題（尤其在東南亞），目前已有數(shù)百萬人口受到 As污染的影響（Bhattacharya et al.，2007）。近年來，含As地下水灌溉與礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用等導(dǎo)致許多國家和地區(qū)的部分稻田受到嚴(yán)重As污染。水稻（Oryza sativa L.）是世界上最主要的糧食作物，并且比其他糧食作物更易吸收和積累As。在孟加拉國以及中國湖南、貴州、湖北等砷污染區(qū)，農(nóng)田生產(chǎn)大米的砷含量高于 0.7 mg·kg-1（Hossain et al.，2007）。若長期食用可能會誘發(fā)癌癥、心臟病和皮膚病等（王永杰等，2010），因此，水稻砷吸收富集是目前生物地球化學(xué)領(lǐng)域比較受關(guān)注的環(huán)境問題。

水稻根吸收土壤中的砷后輸送轉(zhuǎn)移至株體不同部位并富集轉(zhuǎn)化。在不同生育時期，水稻對砷的吸收量存在差異。Wang et al.（2006）研究發(fā)現(xiàn)在水稻根、莖和葉中，分蘗期 As增加很快，拔節(jié)期顯著降低，孕穗期和灌漿期有小幅度增加，成熟期達(dá)到最高；而 As在稻穗里的含量在孕穗期達(dá)到最高，灌漿期迅速降低，成熟期有所增加但仍低于孕穗期。彭小燕等（2010）發(fā)現(xiàn)水稻在分蘗期各部位As含量極顯著增加，之后在灌漿期又有一定程度的增加，直到成熟期達(dá)到最大；籽粒 As的含量在不同時期由大到小的順序為：孕穗期＞成熟期＞灌漿期。水稻吸收的砷在不同部位富集，成熟期水稻各部位砷含量呈根＞莖＞葉＞稻殼＞稻米的分布規(guī)律（Ye et al.，2012），Abedin et al.（2002）發(fā)現(xiàn)當(dāng)用含 As 8 mg·L-1污染水澆灌時，根、莖葉、谷殼和糙米As含量分別為 107.5、91.8、6.1、0.42 mg·kg-1。水稻中砷的毒性不僅與其總量有關(guān)，還與其賦存形態(tài)有關(guān)（Duan et al.，2007），有必要從賦存形態(tài)角度深入認(rèn)識水稻對砷的吸收和分配。As(Ⅲ)可能通過硅酸鹽途徑進(jìn)入水稻根系，As(Ⅴ)可能主要通過磷酸鹽吸收通道進(jìn)入水稻根系（Ma et al.，2007），砷進(jìn)入水稻體內(nèi)后可以進(jìn)行價態(tài)轉(zhuǎn)化（Carey et al.，2011；Punshon et al.，2016）。Zheng et al.（2011）研究了不同形態(tài)砷在不同生長期的分配，表明在水稻不同生長期無機(jī)砷保持穩(wěn)定，并且主要在灌漿期轉(zhuǎn)運(yùn)無機(jī)砷到稻米中。目前雖已有一定的相關(guān)研究（Li et al.，2017；Syu et al.，2015），但針對礦業(yè)活動造成的土壤污染背景下的相關(guān)研究還較少。

黔西南高砷煤礦區(qū)歷史遺留礦渣已對小流域稻田土壤性質(zhì)及砷含量造成影響。研究該流域水稻在不同生育時期對不同形態(tài)砷的富集、吸收、各器官對不同形態(tài)砷的轉(zhuǎn)運(yùn)能力及其分布特征，初步探討水稻對砷的吸收與賦存形態(tài)特征，為深入認(rèn)識礦業(yè)背景條件下砷在水稻中的富集及形態(tài)分布提供參考。

1 研究區(qū)概況

興仁縣位于貴州省西南部，其境內(nèi)的煤礦是黔西南典型的高砷煤礦區(qū)之一。平均海拔 2014 m，全年降水量1320.5 mm，平均氣溫15.2 ℃。研究區(qū)為交樂村貓石頭水庫（Maoshitou Reservior）與石頭寨水庫（Shitouzhai Reservior）的灌溉區(qū)域（見圖1）。貓石頭水庫上游因煤礦開采遺留的廢棄煤礦礦井（部分屬于高砷煤）及礦渣產(chǎn)生大量的酸性礦山廢水（AMD），未經(jīng)任何處理直接流入水庫，導(dǎo)致該水庫水質(zhì)惡化，pH值介于 2～3之間，造成水體污染（吳攀等，2006）。石頭寨水庫及上游無酸性礦山廢水匯入，水體未受污染，而水稻是該研究區(qū)的主要糧食作物之一，由于水資源不足當(dāng)?shù)鼐用耖L期使用該含砷灌溉水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，導(dǎo)致該區(qū)土壤酸化及土壤砷含量偏高。其土壤pH為3.74～5.20，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.68～34.20 g·kg-1。土壤As質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.81～141.37 mg·kg-1，土壤鐵氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%～4.6%（段明宇等，2017）。

2 樣品采集分析與數(shù)據(jù)處理

2.1 樣品采集

2015年8—10月，按照水稻不同生長期（拔節(jié)期(Jointing stage)、灌漿期(Filling stage)和成熟期(Maturing stage)），在研究區(qū)采集整株水稻樣品 10個（采樣點(diǎn)分布見圖1）。水稻樣品帶回實驗室后先用自來水洗去泥土等雜質(zhì)，再用超純水沖洗3遍，隨后置于105 ℃烘箱中殺青10～15 min，放入冷凍干燥機(jī)（GL-G20-II）進(jìn)行干燥，稱量干物重。水稻稻谷使用瓷質(zhì)研缽進(jìn)行脫殼，用微型粉碎機(jī)（天津泰斯特/FZ102）粉碎水稻根、莖、葉、稻殼和稻米（糙米），分裝待用。

2.2 樣品分析

圖1 研究區(qū)樣品采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Map of the sampling sites in the study area

為分析水稻各器官（根、莖、葉、殼、米）砷形態(tài)含量，稱取冷凍干燥后粉碎的水稻樣品 0.3 g（精確至0.0001 g）于50 mL離心管中，加入10 mL 7%鹽酸作為提取劑，在95 ℃水浴中提取45 min，提取率為95%，樣品逐漸冷卻至室溫后取出，3500 r·min-1離心 5 min（上海安亭科學(xué)儀器廠，GL-20G-H），上清液用0.45 μm微孔濾膜過濾（為了防止不同形態(tài)As之間的轉(zhuǎn)化，過濾過程要盡量短并保存在冰盒中）。使用高效液相色譜-氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法（LC-AFS97）測定不同形態(tài)As含量（張萌等，2015）?？偵楹繛闊o機(jī)砷含量[As(Ⅲ)和As(Ⅴ)]與有機(jī)砷（MMA和DMA）含量之和?？瞻讟?、平行樣和標(biāo)準(zhǔn)溶液的處理與樣品同步進(jìn)行，以確保測定結(jié)果的準(zhǔn)確度。As形態(tài)標(biāo)液：As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液（GBW08666）、As(Ⅴ)標(biāo)準(zhǔn)溶液(GBW08667）、MMA 標(biāo)準(zhǔn)溶液（GBW08668）、DMA 標(biāo)準(zhǔn)溶液（GBW08660）均購買于國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。

2.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2007、SPSS 21.0和Origin 8.5對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。采用Pearson's Correlation進(jìn)行相關(guān)性分析。為了衡量水稻中 As從根部到莖部、莖部到葉部、莖部到殼部或殼部到稻米的運(yùn)輸能力，計算其轉(zhuǎn)移系數(shù)（translocation factor，TF），計算公式如下（Bermudez et al.，2011）：

式中，TF為水稻中As從根部到莖部、莖部到葉部、莖部到殼部或殼部到稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；ωi和ωj分別表示水稻不同部位As質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg·kg-1）。

為了反映砷形態(tài)在各器官間的運(yùn)輸和分配情況，計算各部位形態(tài)砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值（ratio，R），計算公式如下：

式中，R為水稻中根/莖、莖/葉、莖/稻殼或稻殼/米等部位形態(tài)砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值。

3 結(jié)果與討論

3.1 各生育時期水稻各部位As的富集

3.1.1 水稻地下部根的As富集

水稻根部是土壤砷的主要吸收富集部位。拔節(jié)期、灌漿期、成熟期水稻根部砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為61.96、40.99、29.10 mg·kg-1。隨著水稻生長，根部砷含量逐漸減少，成熟期含量降低至拔節(jié)期含量的46.97%（圖2）。這可能與水稻生長期延長根部鐵膜退化有關(guān)。有研究認(rèn)為，在水稻營養(yǎng)生長主要階段，根部分泌氧量較大，根部容易生成大量鐵氧化物（傅友強(qiáng)等，2011），其對砷具有較強(qiáng)吸附過濾作用（Liu et al.，2004），到成熟期水稻根系泌氧能力減弱，生成的鐵氧化物被還原溶解，導(dǎo)致根部砷含量的降低。

圖2 不同生育時期水稻根部形態(tài)As含量Fig. 2 Concentration of As species in roots of rice during different growth periodsn=10. Different small letters indicating significant different at 0.05 level among the As content in the same species during different growth periods

測定結(jié)果顯示，水稻根部砷的賦存形態(tài)為As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)，未檢測到有機(jī)態(tài)砷。土壤中有機(jī)砷含量低且容易揮發(fā)，可能不易在土壤-植物體系中遷移富集。在拔節(jié)期、灌漿期、成熟期，水稻根部As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 19.79 mg·kg-1和42.17 mg·kg-1、15.88 mg·kg-1和25.16 mg·kg-1、8.61 mg·kg-1和 20.49 mg·kg-1。As(Ⅴ)含量為 As(Ⅲ)的 1.5倍以上。土壤溶液中砷的賦存形態(tài)主要為As(Ⅲ)（趙方杰，2014），水稻泌氧可在根際形成氧化微環(huán)境，促使 As(Ⅲ)氧化為 As(Ⅴ)（劉依依等，2015），從而有利于鐵膜對 As(Ⅴ)的吸附（Chen et al.，2005）。隨著水稻的生長，成熟期鐵膜退化，根部As(Ⅲ)和As(Ⅴ)含量都逐漸降低。

3.1.2 水稻地上各部位As的富集

在拔節(jié)期，水稻莖、葉部砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.75 mg·kg-1、1.08 mg·kg-1；至灌漿期分別增加 183.56%、70.85%；灌漿期至成熟期莖部砷含量增加 9.01%，葉部減少57.94%（圖3）。隨水稻的生長，莖、葉部對砷的富集并未因為根部砷含量的降低而降低。拔節(jié)期至灌漿期是水稻莖、葉富集砷的主要生長期。

在拔節(jié)期、灌漿期和成熟期，水稻莖部As(Ⅲ)含量高于 As(Ⅴ)，莖部 As(Ⅲ)分別占總砷含量的75.94%、69.50%、83.35%，葉部分別占 52.68%、47.14%、75.87%。表明不同生長期水稻向莖部主要輸送As(Ⅲ)，并在成熟期，莖、葉部As(Ⅲ)與總砷含量比值達(dá)到最大值。一方面因為稻田還原環(huán)境中土壤溶液中以 As(Ⅲ)為主（鞏佳第，2015）；另一方面水稻根系對 As(Ⅴ)有較強(qiáng)的過濾作用（Liu et al.，2004），且有較多的 As(Ⅲ)吸收途徑，主要通過硅酸鹽通道進(jìn)入根細(xì)胞，包括水通道蛋白Lsi1和外流性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Lsi2（Zhao et al.，2010b），并通過木質(zhì)部轉(zhuǎn)移 As(Ⅲ)（Ren et al.，2014)。在水稻體內(nèi)，As(Ⅲ)可能主要與富含巰基的植物螯合素（phytochelatins，PCs）絡(luò)合儲存（Moore et al.，2014），且可轉(zhuǎn)化為 As(Ⅴ)，在木質(zhì)部較明顯（賈炎等，2012）。As在水稻體內(nèi)可輸送至穂部，在灌漿期至成熟期，稻殼中 As質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 0.38 mg·kg-1降至0.30 mg·kg-1，其中 As(Ⅲ)由 51.46%降至 48.68%。成熟期稻米中As(Ⅲ)占總砷含量的73.78%。

圖3 水稻不同生育時期地上部位形態(tài)As含量Fig. 3 Concentration of different arsenic in shoots of rice during different growth periodsn=10. Different small letters indicating significant different at 0.05 level among the As content in the same species in different organs during different growth periods

3.2 水稻中As的轉(zhuǎn)運(yùn)及形態(tài)分布

所分析的4項轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)中（表1），拔節(jié)期TF（根-莖）最小，說明此階段根對砷的阻留作用較強(qiáng)，減弱了砷對水稻地上部的毒害；從拔節(jié)期到成熟期，可能部分根部附著的砷被還原溶解并吸收輸送至莖部，莖部砷含量隨著根部砷含量的減少而增加，TF（根-莖）不斷增大。拔節(jié)期TF（莖-葉）最大，說明水稻由莖部向葉部輸送分配砷的能力相對較強(qiáng)；灌漿期至成熟期，隨莖部砷含量的增加，葉部砷含量變化較小（圖3），莖部向葉部輸送分配砷的能力減弱，TF（莖-葉）降低；灌漿期至成熟期，莖部向稻殼輸送分配砷的能力逐漸增強(qiáng)。成熟期稻米中 As含量僅為根部 As含量的 1/229，莖部 As含量的1/18，葉部As含量的1/6，稻殼As含量的1/2。

拔節(jié)期至成熟期，水稻中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的分布不斷發(fā)生變化。根部As(Ⅲ)含量降低，莖部As(Ⅲ)含量升高，根/莖As(Ⅲ)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值R不斷減小；隨著莖部As(Ⅲ)含量的增加，莖/葉R值由0.99增大至 3.49，莖/稻殼 R值由 7.61增加至 13.11。與As(Ⅲ)相比，根部更容易賦存As(Ⅴ)（圖2），各生長期根/莖As(Ⅴ) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值R大于As(Ⅲ)；拔節(jié)期至灌漿期，莖部As(Ⅴ)含量小于葉部As(Ⅴ)含量，莖/葉R值小于1，但到成熟期，莖/葉R值增加至2.13，這說明在成熟期，莖部與葉部相比可能更易賦存As(Ⅴ)。成熟期水稻各部位As(Ⅲ)含量比值為根∶莖∶葉∶稻殼∶稻米=91.6∶20.5∶6.3∶1.6∶1；As(Ⅴ)含 量 比 值 為 根 ∶莖 ∶葉 ∶稻 殼 ∶稻 米 =620.8∶12.2∶5.7∶4.7∶1。

3.3 水稻各器官形態(tài)As的相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果表明（表2），水稻各器官中不同形態(tài)As之間具有顯著相關(guān)關(guān)系。水稻根部、莖部、葉部、殼部中As(Ⅲ)與As(Ⅴ)均具有顯著正相關(guān)關(guān)系（0.319～0.648），稻米中 As(Ⅲ)與 As(Ⅴ)具有極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.928；P＜0.01)。As(Ⅲ)與 As(Ⅴ)之間可能通過氧化-還原反應(yīng)發(fā)生價態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而保持動態(tài)平衡。

水稻根部形態(tài)As與地上部位形態(tài)As之間具有顯著相關(guān)關(guān)系，根部 As(Ⅲ)與葉部 As(Ⅲ)、葉部As(Ⅴ)、殼部 As(Ⅲ)或殼部 As(Ⅴ)具有顯著正相關(guān)關(guān)系（0.317～0.532），根部 As(Ⅴ)與殼部 As(Ⅴ)具有顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.463；P＜0.01）。As(Ⅴ)進(jìn)入水稻根系后，可能直接向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)或被砷酸鹽還原酶（Arsenate reductase，AR）迅速還原成As(Ⅲ)，部分As(Ⅲ)卸載到木質(zhì)部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)。地上部位各器官不同形態(tài) As之間具有顯著相關(guān)關(guān)系，其中莖部 As(Ⅲ)與稻米 As(Ⅲ)具有顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.582；P＜0.05）；葉部 As(Ⅴ)與稻殼 As(Ⅲ)具有顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.321；P＜0.05）。水稻地下部和（或）地上部各器官吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)砷時，As(Ⅲ)與As(Ⅴ)在適宜條件下互相轉(zhuǎn)化，以保持水稻體內(nèi)As(Ⅲ)與 As(Ⅴ)的平衡。

表1 總砷遷移系數(shù)（TF）及形態(tài)砷含量比（R）Table 1 The translocation factor (TF) of total arsenic and the content ratio of arsenic species (R)

表2 水稻各器官形態(tài)砷的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between As (Ⅲ) and As (V) in different organs

4 結(jié)論

（1）隨著水稻生長，根部對 As的富集逐漸降低，而水稻莖、葉部對As富集并未隨根部As含量降低而降低；拔節(jié)期至灌漿期是莖、葉部對 As富集的主要生長期。

（2）不同生育時期水稻根部主要富集As(Ⅴ)，但水稻向莖部主要輸送As(Ⅲ)，成熟期莖、葉部和稻米中As(Ⅲ)占總砷含量的70%以上。

（3）拔節(jié)期根部阻留As能力和莖部向葉部輸送分配As的能力都相對較強(qiáng)，但隨著水稻生長逐漸減弱。水稻成熟期莖部與葉部相比，可能更易賦存 As(Ⅴ)。成熟期水稻各部位 As(Ⅲ)含量比值為根∶莖∶葉∶稻殼∶稻米=91.6∶20.5∶6.3∶1.6∶1；As(Ⅴ)含量比值為根∶莖∶葉∶稻殼∶稻米=620.8∶12.2∶5.7∶4.7∶1。

（4）水稻各器官吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)不同形態(tài)砷的同時存在相互轉(zhuǎn)化，以保持體內(nèi)As(Ⅲ)與As(Ⅴ)的平衡。