不同農(nóng)藝措施對稻田土壤汞甲基化的影響研究進展

張 婕，朱金山，李 浪，張 慧

（1.長江師范學院綠色智慧環(huán)境學院，重慶涪陵 408100；2.長江師范學院三峽庫區(qū)環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，重慶涪陵 408100；3.太原科技大學環(huán)境與安全學院，山西太原 030002；4.重慶市農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，重慶 401329）

汞是一種高神經(jīng)毒性的重金屬元素，它在自然環(huán)境中經(jīng)過生物或非生物作用會轉(zhuǎn)化為毒性更強的甲基汞和二甲基汞。土壤中的汞甲基化一般分為生物和非生物兩種途徑，其中非生物途徑是指一些甲基供體在光的作用下，使無機汞轉(zhuǎn)變?yōu)榧谆?；生物途徑則是無機汞在部分微生物作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榧谆?/p>

對于汞污染問題，大家的目光仍會聚焦于日本所發(fā)生的“水俁病”事件，因而大部分人認為食用魚類是導致人體甲基汞暴露的主要途徑。我國眾多城市都處于內(nèi)陸地區(qū)，食用魚類產(chǎn)生的人體甲基汞暴露風險非常低。Feng［1］和Zhang［2］等通過研究發(fā)現(xiàn)，汞礦區(qū)居民食用大米是人體富集甲基汞的主要途徑。近年來，越來越多的研究表明，我國南方內(nèi)陸居民甲基汞暴露主要途徑是食用大米，汞礦區(qū)的居民甲基汞暴露尤為嚴重。水稻是當今世界上最重要的糧食作物，以稻米為主食的人口占全世界人口的50%以上。稻米汞污染問題越來越受到關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)水稻是迄今為止唯一發(fā)現(xiàn)的甲基汞富集作物［3-5］。這也表明，研究稻田土壤中汞的甲基化問題刻不容緩。本文綜述輪作、灌溉、施肥方式對稻田土壤汞甲基化的影響，以期為不同農(nóng)藝措施對稻田土壤汞甲基化的影響研究提供參考。

1 不同輪作方式對稻田土壤汞甲基化的影響

稻田是一種周期性灌水、排水的典型濕地生態(tài)系統(tǒng)，這種厭氧水生生態(tài)系統(tǒng)是無機汞轉(zhuǎn)變?yōu)榧谆淖罴褕鏊?。汞甲基化的過程易受到周圍環(huán)境因子的影響，如pH、溫度、微生物、氧化還原電位、有機質(zhì)含量等。

我國南方與北方地區(qū)的環(huán)境、氣候有著明顯的區(qū)別，南方濕潤多雨，北方干燥少雨，這也就決定了南北方的水稻種植、灌溉方式存在著較大差異。南方多為水田農(nóng)業(yè)，水田農(nóng)業(yè)是指在降水豐富、水資源充足的地區(qū)，將田地常年蓄水，種植水生作物。南方的水稻輪作方式主要有冬水田、水旱輪作和冬季曬田。

1.1 冬水田種植

冬水田種植是指無論是否種植作物，稻田在一年四季都蓄滿水。這樣的種植方式造成稻田長時間被水淹，形成了厭氧環(huán)境。有研究表明，好氧環(huán)境有利于沉積物對汞和甲基汞的吸收；而在厭氧環(huán)境下，對汞和甲基汞的釋放更有利。研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧環(huán)境下微生物甲基化產(chǎn)生的甲基汞大約比化學甲基化產(chǎn)生的多一個數(shù)量級，這可能是因為無氧環(huán)境會滋生大量的厭氧微生物。梁小兵發(fā)現(xiàn)，厭氧環(huán)境會使汞甲基化微生物更加活躍，產(chǎn)生更多的甲基汞［6］。胡海燕等證實硫酸鹽還原菌、鐵還原菌、產(chǎn)甲烷菌是厭氧環(huán)境中主要的甲基化微生物。這些促進汞甲基化的微生物在厭氧環(huán)境中快速增加，使大量無機汞轉(zhuǎn)化為甲基汞。長期蓄水的冬水田易使秸稈泡水腐爛，這些腐爛的秸稈會給稻田土壤提供更多的腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)會與汞發(fā)生還原作用和甲基化作用，使土壤中的甲基汞增加［7］。

除此以外，汞甲基化明顯還受溫度和pH 的影響。南方多燒煤炭，因此酸雨情況較北方更為嚴重，其土壤多為酸性，pH值較低；從氣候條件來看，南方的整體氣溫普遍比北方高，所以南方地區(qū)的稻田汞甲基化現(xiàn)象更為突出。研究發(fā)現(xiàn)，沉積物中的甲基汞釋放會隨著溫度升高、養(yǎng)分增加及pH 降低而增加，因為溫度和pH 會對汞甲基化微生物及其體內(nèi)的酶構(gòu)成影響，如能促進汞甲基化過程的硫酸鹽還原菌生長。硫酸鹽還原菌可分為兩種，一種為中溫菌，最適溫度在30～50 ℃，另一種是高溫菌，最適溫度約為55～60 ℃。Parkman 認為汞的微生物甲基化過程是發(fā)生在細胞外的，因為細菌胞外酶的作用會加快汞甲基化的反應(yīng)速率，其中酶起到催化作用，這也就說明了，汞甲基化是一種酶促反應(yīng)，當溫度超過或低于它們的最適溫度時，它們體內(nèi)的酶活性降低，新陳代謝就會降低，促進汞甲基化作用減弱。又如產(chǎn)甲烷菌適合生存在微堿性環(huán)境中，其對溫度和pH變化非常敏感，冬水田無疑是給土壤中汞甲基化微生物生長提供了良好的環(huán)境。

1.2 水旱輪作與冬季曬田種植

水旱輪作和冬季曬田兩種方式有一定的相似之處。水旱輪作是指在水稻休耕時期，將田中的水放掉，再種植其他作物。冬季曬田是指在水稻休耕期時，將稻田中的水放掉后，不再種植其他作物。這樣的方式能夠改善水田長時間的厭氧環(huán)境，使裸露在空氣中的稻田在光的作用下，汞去甲基化能力加強，還能降低在汞生物甲基化中起主導作用的硫酸鹽還原菌等厭氧菌的活躍度，從而有效減少甲基汞的產(chǎn)生［8-9］?？梢钥闯觯咎镄钏畷r與冬水田并無差異；在休耕期時，水旱輪作能夠在一定程度上改善因稻田長期淹水所造成的汞甲基化情況，但當種植了其他作物時，作物根系會分泌大量的蛋白質(zhì)有機質(zhì)，而這些物質(zhì)會作為汞甲基化微生物的營養(yǎng)，使其更加活躍，促進汞甲基化過程［10］。冬季曬田在休耕期則不存在這個問題。

綜合分析，冬水田會使稻田土壤中的汞甲基化情況更加嚴重；水旱輪作能夠輕度減弱稻田土壤汞甲基化；冬季曬田則是減少甲基汞的最佳輪作方式。

2 不同灌溉方式對稻田土壤汞甲基化的影響

北方地區(qū)與南方地區(qū)的環(huán)境氣候條件有著較大差異，北方地區(qū)溫差較大，降水較少，土地也偏向鹽堿化。南方地區(qū)適宜發(fā)展水田農(nóng)業(yè)，而北方則偏向于灌溉農(nóng)業(yè)。

2.1 漫灌

漫灌是將水直接通到種有作物的地里，并使作物根部全部沒于水中。在南方種植的水稻，大多采用此種方式。漫灌會造成水資源的嚴重浪費，并且大水漫灌下的土地長期處于厭氧狀況下，汞甲基化過程活躍。在北方一些缺水地區(qū)，采用漫灌方式還容易造成土壤鹽堿化，嚴重影響土壤質(zhì)量。顯見，漫灌在較缺水的北方是不可取的，不僅浪費水資源，還會使北方土壤的鹽堿化程度加深。當土壤由厭氧條件轉(zhuǎn)為好氧條件時，土壤氧化還原電位（Eh）與微生物豐度均顯著增高；氧化還原電位越低，還原性越強，有利于硫酸鹽還原菌、鐵還原菌等汞甲基化微生物活動，促進甲基化過程。

2.2 滴灌和噴灌

滴灌是利用塑料管道將水通過管道上的小孔輸送到指定位置，進行灌溉；噴灌是指利用壓力將水噴出，噴出的水形成小水滴降落到地面，對作物進行澆灌。兩者均可滿足北方水稻大棚種植的灌溉需求，噴灌相較于漫灌來說，所用水量較少，也能減弱土壤中甲基化過程，但噴灌不利于水稻等喜水作物的灌溉種植。滴灌可直接將水源送到作物根部，這樣能有效減少水資源的浪費。傳統(tǒng)的溝灌大棚，地面長期保持濕潤，會使地面溫度下降快、回升慢，且由于作物的蒸騰作用，會導致植物易缺水，大棚中濕度大，易發(fā)生蟲害。滴灌在保持土壤肥力、溫度方面表現(xiàn)更好。微生物數(shù)量與土壤pH值具有顯著的正相關(guān)性，較高的土壤肥力和pH值可促進土壤微生物生長代謝過程，從而促進汞的微生物甲基化［11］。在研究不同灌溉方式對土壤性質(zhì)的影響時，發(fā)現(xiàn)滴灌的土壤酶活性最好［12］。在土壤溫度能得到保證，酸堿度較為穩(wěn)定，土壤酶活性最佳時，汞甲基化微生物最為活躍。近年來，滴灌已成為北方水稻大棚種植的主要灌溉方式。

由此可見，在漫灌條件下，稻田土壤長期處于厭氧環(huán)境中，汞甲基化過程加快；噴灌并不適用于水稻的大田灌溉種植；滴灌可以有效保持大棚中的溫度和濕度，減少人力、財力和物力，既減少對水的浪費，又能提高水稻產(chǎn)量，減少化肥用量。

3 不同肥料對稻田土壤汞甲基化的影響

部分稻田由于連年種植水稻，每年都需補充大量的N、P、K 肥及一些微量元素肥，這些施加的肥料一部分會被吸收，還有部分會被淋溶流失，因此僅補充無機肥料遠不能滿足水稻的生長需求，需要添加更多的有機肥料。

3.1 化肥

化肥包括氮肥、磷肥、鉀肥等。孫濤研究發(fā)現(xiàn)，施加氮肥、磷肥和鉀肥能夠促進水稻快速生長，但也會使作物根系的分泌物增加［13］，土壤pH 值下降，這就使得汞甲基化微生物活性增強［14-15］，汞甲基化加快，進而使稻米對甲基汞的富集也增強［16］。氮肥能較大限度地促進汞甲基化過程。

3.2 有機肥料

農(nóng)家肥包括人類糞便、家畜糞便、生活污水等，這些沼液中含有眾多的營養(yǎng)元素，能提高土壤肥力。用豬沼等農(nóng)家肥代替化肥可以有效減少甲烷等溫室氣體的排放［17］。農(nóng)家肥可以促進農(nóng)作物生長，提供作物生長所需的營養(yǎng)元素，同時也會反饋給稻田中的汞甲基化微生物，使其生長更加活躍，促進甲基化的時間短、起效快［13］。用生活污水灌溉會使稻田中的秸稈腐熟和養(yǎng)分釋放加快［18］，促進甲基化進程［19-20］。土壤沼液還田還顯著增加了不同深度土壤中各種微生物的數(shù)量［21］。

秸稈還田是一種經(jīng)濟方便的方式。秸稈是我國非常重要的一種生物資源［22］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，通常會產(chǎn)生大量的秸稈，將秸稈還田可以促進稻田土壤中的有機質(zhì)增加，最重要的是能提高作物產(chǎn)量，增肥增產(chǎn)效果明顯，有的增產(chǎn)量高達10%［23］。秸稈還田后會顯著提高土壤中甲基汞含量，與此同時，水稻各部位的甲基汞含量也會顯著升高。長度越長的秸稈，分解所需的時間就越長，就會較長時間地促進汞甲基化過程［13，24］。隨著灌溉年限增加，沼液中的稻田土壤微生物群落的豐富度和多樣性均逐漸降低，土壤pH值也在逐漸下降，有機質(zhì)等逐漸累積，負反饋調(diào)節(jié)，反而不利于水稻產(chǎn)量的提升［25］。除此以外，土壤pH值下降及有機質(zhì)含量增加，會使汞甲基化微生物更加活躍，從而促進無機汞向甲基汞的轉(zhuǎn)化。

4 小結(jié)

1）應(yīng)用不同的輪作、灌溉、施肥方式，均會導致土壤的理化性質(zhì)發(fā)生變化，如pH 值、氧化還原電位、溫度、微生物種群豐富度等，而土壤理化性質(zhì)的變化，則會導致土壤汞甲基化進程加快或減慢，例如溫度過高或過低，氧化還原電位過低，土壤pH 值高，微生物代謝活躍，均會使汞甲基化進程加快。

2）水旱輪作方式能在一定程度上減輕稻田土壤的長期厭氧環(huán)境，減弱汞甲基化。

3）滴灌方式對水稻的大棚種植更加有利，它可以使水稻增產(chǎn)，有助于土壤保水保肥，雖然適宜的溫度和pH 值也會在一定程度上促進汞甲基化過程，但是比起漫灌和不適于大棚種植的噴灌，滴灌是最有利、最經(jīng)濟的灌溉方式。

4）有機肥能為水稻的生長發(fā)育提供必需的營養(yǎng)元素，增加水稻生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。有機肥在提供養(yǎng)分給水稻的同時，也會將營養(yǎng)供給土壤微生物，促進汞甲基化過程，在經(jīng)反饋調(diào)節(jié)后，水稻也會吸收更多的甲基汞。