含砷水滴灌對小白菜砷累積的影響

李 寧，姣哈爾·紅衛(wèi)，竇永樂，陳婷婷，蘇玉紅

（新疆大學(xué)化工學(xué)院，烏魯木齊830046）

砷(As)是一種致癌的類重金屬元素[1]，對人體健康危害極大[2，3]。近幾十年，隨著農(nóng)業(yè)用水的短缺及污染現(xiàn)象不斷加劇，農(nóng)田污灌問題愈發(fā)嚴(yán)重[4，5]，灌溉用水的As污染及其給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的一系列問題受到廣泛關(guān)注[6]。據(jù)報(bào)道，孟加拉國、印度、巴基斯坦等國部分地區(qū)灌溉水中As 濃度可達(dá)4.0 mg/L，孟加拉國也因此爆發(fā)過嚴(yán)重的集體性As中毒事件[7]；我國部分地區(qū)灌溉用水的As 污染水平也可達(dá)1.0 mg/L 以上，遠(yuǎn)超過0.1 mg/L 的農(nóng)田灌溉用水As 濃度限值[8]。使用含As 水灌溉會導(dǎo)致As進(jìn)入土壤中并被植物吸收富集[9]，進(jìn)而通過食物鏈傳遞作用危害人體健康[10]。As在水、土壤和植物中主要以無機(jī)As(下文稱總As)形式存在，包括三價(jià)As(As(Ⅲ))和五價(jià)As(As(V))[11，12]，As 的賦存形態(tài)會顯著影響植物對As 的吸收效率[13]，且As(Ⅲ)的生理毒性遠(yuǎn)大于As(V)[14]。

與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)用水的短缺也使滴灌技術(shù)被廣泛應(yīng)用[15，16]。滴灌是一項(xiàng)節(jié)水型灌溉技術(shù)，可使水和營養(yǎng)物質(zhì)直接作用于農(nóng)作物根部，提高水和化肥的利用效率[17]。同理，當(dāng)水源存在As污染時(shí)，滴灌可能會增大植物的As污染效應(yīng)，但相關(guān)內(nèi)容鮮見報(bào)道。因此，本研究以常見蔬菜小白菜為研究對象，采用室內(nèi)盆栽土培實(shí)驗(yàn)的方法，通過改變含As 水灌溉方式和滴灌液中As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例，初步探究了含As 水滴灌對小白菜體內(nèi)As 總量累積及賦存形態(tài)的影響。以期為正確評估含As污水滴灌對小白菜As污染情況的影響提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與材料

本次試驗(yàn)種植的小白菜購買于烏魯木齊市南公園種子花卉市場，土壤采自新疆奎屯墾區(qū)耕地，配制含As 灌溉液所用水為去離子水，As測定過程中所用水為高純水。

所用試劑(均為優(yōu)級純)：抗壞血酸，硫脲，濃硝酸，濃鹽酸，亞砷酸鈉(NaAsO2，天津市永晟精細(xì)化工有限公司)，砷酸鈉(NaAsO3)，As標(biāo)準(zhǔn)溶液。

主要儀器：AFS-PF3 單通道原子熒光光譜儀、LWY-PF3控溫式遠(yuǎn)紅外消煮爐、FDY2002-SUV超純水儀。

1.2 盆栽實(shí)驗(yàn)

采用長60 cm、寬15 cm、高10 cm 的花盆作為盆栽容器，盆內(nèi)裝土8 kg。使用NaAsO2和NaAsO3配制含As 水作為灌溉液，通過調(diào)配NaAsO2和NaAsO3的用量改變灌溉液中的As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例。

灌溉方式：根據(jù)本課題組前期對奎屯地區(qū)灌溉用水的實(shí)測結(jié)果，將灌溉液中的As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例固定為0.8[18]，灌溉液中總As 含量設(shè)置為1、2、4 mg/L 3 個(gè)濃度梯度。每盆盆栽種植3 棵小白菜作為平行樣品，共計(jì)6 個(gè)處理。分別采用滴灌和漫灌的方式，每株小白菜每天早、晚各灌溉一次，灌溉量均為50 mL，滴灌速率約為5 mL/min。

滴灌液中As(Ⅲ)/As(V)比例：固定總As 濃度為2 mg/L，將滴灌液中As(Ⅲ)/As(V)比例分別設(shè)置為R=0、0.3、0.5、0.8、1.0 五種，對盆栽小白菜進(jìn)行滴灌試驗(yàn)。每盆盆栽種植3 棵小白菜作為平行樣品，共計(jì)5個(gè)處理。每株小白菜每天早、晚各滴灌一次，灌溉量均為50 mL，滴灌速率約為5 mL/min。

1.3 樣品的采集與前處理

小白菜的采集：將生長60 d 后的小白菜收獲，先用自來水洗凈小白菜表面泥土，再分別用去離子水和高純水各清洗2～3次，去除植物表面的As。

總As 測定的樣品前處理：一部分小白菜樣品先置于烘箱中105 ℃殺青20 min，再在70 ℃下烘干12 h，稱量恒重后粉碎，過60 目尼龍篩，制成干樣；準(zhǔn)確稱取0.2 g 干樣置于消解管中，加入3 mL 濃硝酸放置過夜；將消解管置于60 ℃紅外控溫消煮爐上加熱，待紅棕色煙較少后提高溫度至140 ℃，保持消解管中的反應(yīng)液沸騰，樣品消解完全后用濾紙過濾，分?jǐn)?shù)次轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶，定容。

As(Ⅲ)測定的樣品前處理：將另一部分小白菜樣品切碎，用萬分之一天平準(zhǔn)確稱取0.5 g 鮮樣用瑪瑙研缽進(jìn)行研磨，在此過程中分批加入PBS 緩沖溶液，研磨完成后依次進(jìn)行超聲、離心、過濾；濾液加入1 mL 濃硫酸，搖晃均勻至綠色褪去，出現(xiàn)懸浮物，再離心，過濾，分?jǐn)?shù)次轉(zhuǎn)移至50 mL 容量瓶，定容。

1.4 檢測方法

根據(jù)國標(biāo)《GB/5750.5-2006》進(jìn)行無機(jī)As(Ⅲ)和無機(jī)總As的測定；小白菜體內(nèi)無機(jī)As(Ⅴ)的含量等于無機(jī)總As 含量減去無機(jī)As(Ⅲ)含量[19]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和作圖，采用SPSS 21.0進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉方式的影響

2.1.1 總As積累量

灌溉方式對小白菜體內(nèi)總As累積量的影響如圖1和圖2所示。滴灌處理的小白菜根部和地上部中總As 含量均大于漫灌處理。當(dāng)灌溉水中總As濃度分別為1、2和3 mg/L（C1，C2和C3)時(shí)，滴灌處理的小白菜根部總砷含量分別比漫灌處理的相應(yīng)值增大了53.37%、72.32%和32.03%；滴灌處理的小白菜地上部總砷含量分別比漫灌處理的相應(yīng)值增大了6.50%、9.32%和4.81%，根部的增長更明顯。結(jié)果表明，在同等As 污灌水平下，滴灌方式促進(jìn)了小白菜對總As的吸收累積。研究表明，相比于漫灌，滴灌能讓水和水中的無機(jī)鹽更集中的作用于農(nóng)作物根部土壤[20]，因此滴灌也可能導(dǎo)致小白菜根部對As 的吸收累積量增大，同時(shí)根部向地上部的As 傳輸量也增大；As 從植物根部向地上部的轉(zhuǎn)移受自身轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響[21]，小白菜品種相同，不同灌溉方式下小白菜根部向地上部的As 轉(zhuǎn)移量依然接近，而根部吸收土壤中的As 受到滴灌的促進(jìn)作用，因此兩種灌溉方式下根部總As含量的差異性大于地上部。

2.1.2 As賦存形態(tài)

灌溉方式對小白菜體內(nèi)As存在價(jià)態(tài)的影響如圖3和圖4所示。滴灌和漫灌處理?xiàng)l件下小白菜體內(nèi)As(Ⅲ)與As(Ⅴ)的比例大于灌溉液中As(Ⅲ)/As(Ⅴ)初始值0.8，且滴灌處理的小白菜根部和地上部As(Ⅲ)與As(Ⅴ)的比例大于漫灌處理。當(dāng)灌溉水中總As 濃度分別為1、2 和3 mg/L（C1，C2 和C3)時(shí)，滴灌處理的小白菜根部As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例分別比漫灌處理的相應(yīng)值增大了36.77%、52.26%和52.01%；滴灌處理的小白菜地上部As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例含量分別比漫灌處理的相應(yīng)值增大了16.92%、40.98%、47.08%，根部的增長更明顯。結(jié)果表明，同等As 污灌水平下，滴灌方式促進(jìn)了As(Ⅲ)在小白菜體內(nèi)的賦存比例。有研究表明[22]，灌溉時(shí)植物根際土壤中會形成還原環(huán)境，使As(Ⅴ)被還原為As(Ⅲ)，從而導(dǎo)致小白菜對As(Ⅲ)的吸收增多，使得滴灌和漫灌方式下小白菜體內(nèi)As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例均大于灌溉液初始值0.8；與漫灌相比，滴灌時(shí)灌溉液與氧氣接觸的時(shí)間變短，從而可能會進(jìn)一步增強(qiáng)根際土壤中As(Ⅴ)的還原程度，導(dǎo)致小白菜對As(Ⅲ)的吸收累積比例進(jìn)一步提高。根部對土壤中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收受到了滴灌的還原促進(jìn)作用，而不同形態(tài)的As 從根部向地上部轉(zhuǎn)移主要取決于小白菜自身的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，因此兩種灌溉方式下根部As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例的差異性大于地上部。

2.2 滴灌液中As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例的影響

滴灌液中As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例對小白菜根部總As 累積量的影響如表1所示。由表1可知，小白菜根部和地上部總As含量隨滴灌液中As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例的增大而顯著增大[地上部(顯著性水平)p＜0.004，地下部p＜0.002]，與實(shí)際采樣比R=0.8 相比，R=0、R=0.3、R=0.5 時(shí)根部總As 含量分別減少了39.34%、32.07%和19.98%，R=1.0 時(shí)增加了5.79%；R=0、R=0.3、R=0.5 時(shí)地上部總As 含量分別減少了16.67%、12.73%和9.61%，R=1.0 時(shí)增加了6.93%。這表明滴灌液中As(Ⅲ)比例的增加顯著促進(jìn)了小白菜對總As的吸收累積。

表1 滴灌液中As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例對小白菜總As積累量的影響Tab.1 Effect of As(Ⅲ)/As(Ⅴ)values in drip irrigation solution on As(Ⅲ)/As(Ⅴ)values in pakchoi

滴灌液中As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例對小白菜體內(nèi)As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例的影響如表2 所示。由表2 可知，隨滴灌液中As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例的增大，小白菜根部和地上部As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例顯著增大(地上部p＜0.001，地下部p＜0.006)，與實(shí)際采樣比R=0.8 相比，R=0、R=0.3、R=0.5 時(shí) 根 部As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比 例 分 別 減 少 了59.50%、44.91%和21.86%，R=1.0 時(shí)增加了16.15%；R=0、R=0.3、R=0.5 時(shí)地上部As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例分別減少了47.44%、27.17%和7.84%，R=1.0時(shí)增加了34.82%。這說明滴灌液中As(Ⅲ)比例的增加顯著的增大了小白菜體內(nèi)As(Ⅲ)的賦存比例。

有研究表明，As(Ⅲ)比As(Ⅴ)更容易被植物吸收[21]，本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)?shù)喂嘁褐蠥s(Ⅲ)比例越高，小白菜體內(nèi)As(Ⅲ)的賦存比例和總As 的積累量也越高，與此研究結(jié)果一致。小白菜體內(nèi)As(Ⅲ)的賦存比例和總As 累積量的增大會增加其生理毒性，因此對于As污灌區(qū)域而言，灌溉水中As(Ⅲ)與As(Ⅴ)的比例應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁嚓P(guān)注，并據(jù)此采取一定的治理措施，比如滴灌之前將灌溉水暴露于空氣中進(jìn)行氧化，以達(dá)到降低灌溉水中As(Ⅲ)含量的目的。

3 結(jié) 語

(1)與漫灌相比，滴灌方式促進(jìn)了小白菜對總As 的吸收累積，并增大了As(Ⅲ)在小白菜體內(nèi)的賦存比例，從而增大了As污灌的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

(2)滴灌液中As(Ⅲ)/As(Ⅴ)比例顯著影響小白菜體內(nèi)As 的總量積累及賦存形態(tài)，滴灌液中As(Ⅲ)/As(V)比例越高，小白菜對總As 的積累能力越強(qiáng)，As(Ⅲ)在小白菜體內(nèi)的賦存比例越大。