泥鰍擾動對稻田土壤孔隙水中砷的影響

摘要：為探究不同養(yǎng)殖密度（低密度、中密度、高密度）泥鰍擾動對土壤孔隙水中砷（As）含量的影響，采集湖南瀏陽稻田表層土，以泥鰍為擾動生物，對泥鰍擾動土壤孔隙水中As含量變化進(jìn)行研究，為進(jìn)一步開展土壤-水環(huán)境中As循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：泥鰍擾動后，土壤pH隨時(shí)間先升高后降低，擴(kuò)散層變寬，并逐漸向深層土壤擴(kuò)散，泥鰍組土壤pH表現(xiàn)為：中密度組，低密度組，高密度組，低密度組和中密度組土壤溶解氧（DO）顯著高于對照組和高密度組（P＜0．05），中密度組土壤DO略高于低密度組，推測中密度組的擾動能力較其他密度組強(qiáng)；土壤-水界面pH和DO梯度變化明顯，低密度組和中密度組土壤-水界面DO變化梯度較高密度組大，分層現(xiàn)象明顯，各處理土壤體系DO表現(xiàn)為：土壤上覆水＞土壤-水界面＞土壤；泥鰍擾動促進(jìn)了As由土壤向土壤上覆水遷移釋放，顯著增加了土壤上覆水As含量，其中低密度組促進(jìn)效果較中密度組和高密度組顯著；各處理土壤孔隙水As含量隨時(shí)間逐漸減小（淹水期除外），從土壤深處向土壤-水界面遷移，總體呈現(xiàn)為土壤表層小于深層，泥鰍擾動能顯著減少土壤孔隙水As含量，尤其對低密度組和中密度組土壤孔隙水As含量減少具有一定促進(jìn)作用，同時(shí)也促進(jìn)了土壤中As向土壤-水界面遷移釋放；第7天時(shí)，泥鰍組土壤孔隙水As含量變化最顯著，貫穿于整個(gè)土壤深度，低密度組As含量顯著小于中密度組和高密度組，說明低密度組促進(jìn)效果較中密度組和高密度組顯著，這與土壤上覆水結(jié)果一致。研究表明，泥鰍擾動顯著減少了土壤孔隙水As含量，其中低密度組和中密度組對不同深度土壤孔隙水As含量減少具有一定的促進(jìn)作用，同時(shí)也促進(jìn)了土壤中As向土壤-水界面遷移釋放。

關(guān)鍵詞：泥鰍；平面光極；稻田土壤；pH傳感膜；DO傳感膜；As

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）09-1993-09 doi：10.11654/jaes.2024-0011

稻田土壤和水稻中存在重金屬As，人體持續(xù)攝入過量As會導(dǎo)致As中毒和膀胱癌、皮膚癌、肺癌和腎癌等。陳同斌等報(bào)道湖南稻田土壤中As含量是世界土壤平均As含量的8-544倍。研究發(fā)現(xiàn)稻田土壤富集的重金屬在pH和DO波動過程中會釋放到土壤上覆水中，從而減少土壤重金屬含量。Zhang等發(fā)現(xiàn)生物擾動會影響土壤pH和DO等理化性質(zhì)，進(jìn)而改變土壤重金屬分布規(guī)律，對重金屬從土壤到孔隙水的擴(kuò)散過程產(chǎn)生抑制作用。Atkinson等發(fā)現(xiàn)生物擾動會改變土壤pH和DO，pH改變對重金屬釋放速率的影響較DO顯著，在低pH和DO條件下重金屬更容易遷移釋放。沈丹琪等研究發(fā)現(xiàn)在弱堿性土壤環(huán)境下，稻蝦共作模式會降低土壤中As等重金屬含量，在低pH的土壤環(huán)境下，稻蝦共作模式會增加土壤中As等重金屬含量。稻田土壤淹水條件下pH的變化，鐵、錳等氧化物／氫氧化物結(jié)合的As因鐵、錳還原釋放，土壤中As生物有效性、移動性增加。而且稻田土壤淹水環(huán)境中，pH較旱地土壤高，促使As解吸釋放進(jìn)入土壤上覆水或孔隙水中。生物擾動能顯著增加土壤孔隙水中As含量，同時(shí)也能促進(jìn)土壤中As向上覆水的釋放，如河蜆擾動能顯著增加土壤孔隙水中As含量，從而促進(jìn)土壤中As向土壤上覆水的釋放，增強(qiáng)As活性。He等發(fā)現(xiàn)泥鰍擾動更能增加土壤上覆水重金屬含量。由于生物擾動對稻田土壤孔隙水中As的研究鮮少，因此本研究采集湖南瀏陽稻田表層土，以泥鰍為擾動生物，利用pH和DO平面?zhèn)鞲心?gòu)建平面光極系統(tǒng)，將其應(yīng)用于稻田土壤模擬體系中，研究不同密度泥鰍擾動對不同深度土壤孔隙水中As的影響，為進(jìn)一步開展土壤—水環(huán)境中As循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和泥鰍

供試土壤采自湖南瀏陽稻田土壤表層土，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，去除雜質(zhì)后磨碎過100目篩，后-20℃冷凍處理對底棲生物和蟲卵滅活，放置2d后，將土壤進(jìn)行解凍和均質(zhì)化處理備用。經(jīng)測定分析，土壤pH為5.74，總As含量為71.69 mg·kg-1。

實(shí)驗(yàn)?zāi)圉q購自湖南長沙水產(chǎn)批發(fā)市場，營底棲生活，生長的最佳溫度為25-28℃，最佳pH為6.6-7.4，其擾動具有很強(qiáng)的代表性，主要以土壤腐屑為食，人工馴養(yǎng)7d備用。暫養(yǎng)結(jié)束后，停食ld，選取體質(zhì)健壯、無病無傷、大小基本一致的12尾泥鰍作為試驗(yàn)用魚。加入前將泥鰍放入濃度3% -4%的食鹽水中浸浴3-5 min消毒。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，用本課題組自行研發(fā)稻田模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置（10 cm×10 cm×15 cm），內(nèi)含pH和DO平面?zhèn)鞲心ぁ⑼寥揽紫端悠?、圖像采集裝置（PO設(shè)備）和黑布等，把裝置除觀測面外用錫箔紙包裹。將過100目篩土壤裝入上述方形裝置，使之形成10 cm厚的均質(zhì)土壤（供試土壤760 g），然后貼壁緩緩加入去離子水4 cm深，避免人為引起大面積攪動，先讓土壤與水沉淀平衡48 h，并且保證每天土壤表面有4 cm水層（圖1—圖3）。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)按照養(yǎng)殖密度來設(shè)CK（對照組）、L（低密度組）、M（中密度組）、H（高密度組）四組，分別按照養(yǎng)殖密度為2 ind·cm-2（L）、4 ind·cm-2（M）、6 ind·cm-2（H）加入大小均一的泥鰍，CK組不加泥鰍。待泥鰍在裝置中適應(yīng)24 h后開始計(jì)時(shí)和圖像采集，圖像采集和土壤孔隙水（包括土壤上覆水）取樣每48 h進(jìn)行1次，同時(shí)用精密pH計(jì)和DO儀測定土壤上覆水pH和DO。培養(yǎng)期間水溫保持25-28℃，相對濕度保持在75%左右，培養(yǎng)時(shí)間為15 d，淹水之時(shí)記為Od，第1天加入泥鰍，每組3個(gè)重復(fù)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

在暴露時(shí)間0（淹水期）、1、3、5、7、9、11、13、15 d時(shí)，用土壤孔隙水取樣器對0（土壤—水界面）-6 cm土壤深度內(nèi)的土壤孔隙水取樣，同時(shí)用注射器對土壤上覆水取樣，過0.22 μm濾膜，向過濾得到的溶液中滴加0.5 mL濃鹽酸，在-4℃條件下保存待測。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定水樣As含量。樣品檢測過程中每20個(gè)樣品加測一個(gè)標(biāo)液并采用內(nèi)標(biāo)溶液進(jìn)行質(zhì)量控制，為保證分析的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)全程做空白樣和平行樣，以確保測定的準(zhǔn)確度。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)用Excel 2010整理，用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)分析，用Graphpad Prism8和Planar Optode Analy-sor V4.5軟件制圖，用單因素方差分析和LSD多重比較分析確定不同處理之間的差異，其中P＜0.05表示具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 泥鰍擾動下土壤-水環(huán)境pH的動態(tài)變化

實(shí)驗(yàn)期間，各處理土壤-水環(huán)境pH的動態(tài)變化如圖4所示，對照組土壤上覆水pH持續(xù)下降，第5天后下降迅速，這可能是無泥鰍擾動時(shí)土壤結(jié)構(gòu)較緊密，酸性土壤之間進(jìn)行物質(zhì)交換，導(dǎo)致上覆水H+積累，使上覆水pH降低，第11天后趨于穩(wěn)定（pH=6.8）。與對照組相比，泥鰍組上覆水pH波動幅度較小，這說明泥鰍的添加對pH變化起到了一定的緩沖作用，泥鰍組上覆水pH降低的原因可能是生物新陳代謝產(chǎn)生并釋放CO2，增加上覆水CO2分壓，造成土壤酸化，從而降低水體pH，而泥鰍組土壤上覆水pH升高的原因可能是泥鰍干擾增強(qiáng)了微生物的光合作用過程，產(chǎn)生了氧氣并進(jìn)一步提高了pH。第13天后泥鰍組上覆水pH均趨于穩(wěn)定，分別為7.2（低密度組）、7.1（中密度組）和7.3（高密度組）。各處理土壤pH隨培育時(shí)間先升高后降低，擴(kuò)散層明顯變寬，并逐漸向深層土壤擴(kuò)散，這與盧楠等的研究結(jié)果一致。各處理土壤出現(xiàn)高pH （7.1）的時(shí)間有差異，對照組在第5天時(shí)就出現(xiàn)了高pH（7.1），同時(shí)pH擴(kuò)散層明顯變寬，第11天時(shí)，土壤pH達(dá)到最大，最大值在7.0-7.2范圍內(nèi)，且垂直貫穿了整個(gè)土壤，對照組土壤pH變化主要來源于上覆水的緩慢滲透。由于泥鰍的加入，低密度組土壤pH在第1天時(shí)，從高pH上覆水向界面乃至土壤擴(kuò)散，第7天時(shí)出現(xiàn)了高pH（7.1），第11天時(shí)，土壤pH達(dá)到最大，最大值在7.0-7.3范圍內(nèi)，且貫穿了整個(gè)土壤。中密度組和高密度組土壤在第9天時(shí)出現(xiàn)了高pH（7.1），在第11天時(shí)，中密度組土壤pH達(dá)到最大，最大值在7.0-7.3范圍內(nèi)，第9天時(shí)，高密度組土壤pH達(dá)到最大，最大值在7.0-7.3范圍內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)束后泥鰍組土壤pH值較對照組低，其中泥鰍組土壤pH表現(xiàn)為：中密度＞低密度＞高密度。泥鰍組土壤pH升高可能是泥鰍擾動提高了泥鰍對土壤—水界面之間DO的消耗能力，而該過程促進(jìn)了土壤—水界面之間以及土壤內(nèi)部發(fā)生反硝化作用，進(jìn)而增加土壤pH，后期泥鰍組土壤pH上下波動可能是泥鰍活動過程中的呼吸作用以及代謝產(chǎn)物分解產(chǎn)生CO2，從而調(diào)節(jié)土壤pH。高密度組土壤pH在第9天后顯著低于低密度組、中密度組和對照組（P＜0.05），這可能是由于高密度組泥鰍密度過大增大了土壤緊實(shí)度，不利于上覆水pH向土壤內(nèi)部滲透造成的。

2.2 泥鰍擾動下土壤-水環(huán)境DO的動態(tài)變化

在實(shí)驗(yàn)期間，各處理土壤-水環(huán)境DO的動態(tài)變化如圖5所示，泥鰍組土壤上覆水DO均顯著低于對照組（P＜0．05），這是由于泥鰍的活動范圍主要集中在土壤表層，消耗土壤上覆水DO較多。對照組土壤上覆水DO在第7天后增幅很大，第13天時(shí)達(dá)到最大，最大值為7.8 mg·L-1，而泥鰍組土壤上覆水DO在第9天后逐漸減小，且低密度組土壤上覆水DO顯著大于中密度組和高密度組。對照組和高密度組土壤DO在0%-5%范圍內(nèi)無明顯變化，對照組土壤DO在第9天后趨于穩(wěn)定，其土壤—水界面有分層現(xiàn)象但不明顯，高密度土壤DO在5%以下，低密度組和中密度組土壤DO在5%-10%范圍內(nèi)輕微增加，顯著大于對照組和高密度組DO，中密度組土壤DO略高于低密度組，這表明泥鰍擾動雖然沒有增加DO滲透到土壤深處，但是土壤孔隙DO會有所提高，這就會導(dǎo)致土壤DO增加。泥鰍組土壤-水界面較對照組具有明顯起伏趨勢，低密度組和中密度組土壤-水界面較高密度組具有明顯分層現(xiàn)象，中間凸起更為明顯，DO變化梯度較大，這與很多研究結(jié)果類似。高密度組土壤—水界面D0無明顯變化的原因可能是高密度組泥鰍密度太大，其活動范圍受到抑制，削弱了泥鰍擾動能力。低密度組和中密度組土壤-水界面分層現(xiàn)象和DO在第11天后基本趨于穩(wěn)定。各處理土壤DO表現(xiàn)為：土壤上覆水＞土壤-水界面＞土壤，土壤-水界面DO較土壤上覆水低是因?yàn)橥寥辣韺雍屯诰蚩紫吨校锿ㄟ^呼吸和硝化作用消耗DO，而土壤-水界面DO變化主要來源于上覆水DO的緩慢滲透。

2.3 泥鰍擾動下土壤上覆水As的動態(tài)變化

在培育過程中，各處理土壤上覆水As的動態(tài)變化如圖6所示，泥鰍組上覆水As含量顯著大于對照組（P＜0．05），說明生物擾動對上覆水A。含量提高具有一定的促進(jìn)作用，增強(qiáng)了As活性，即生物擾動促進(jìn)了土壤重金屬向土壤上覆水的釋放，這可能是生物擾動導(dǎo)致水體DOC含量增加，DOC不僅能夠與As在鐵（氫）氧化物上競爭結(jié)合位點(diǎn)，而且還會使鐵（氫）氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，減少As的吸附位點(diǎn)，從而增加上覆水As含量。對照組土壤上覆水As含量在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)逐漸減少（由2.1 mg·L-1減少至0.4mg·L-1），第5天后減少緩慢，第11天后穩(wěn)定不變。泥鰍組土壤上覆水As含量表現(xiàn)為先增加后減少，As含量在1.3-6.9 mg·L-1范圍內(nèi)，均在第9天后趨于穩(wěn)定，其中低密度組和中密度組土壤上覆水As含量在第5天時(shí)達(dá)到最大，最大值分別為6.9 mg·L-1和5.2 mg·L-1，而高密度組土壤上覆水A。含量在第3天時(shí)達(dá)到最大，最大值為4.8 mg·L-1，這可能是泥鰍擾動作用下，土壤向土壤上覆水釋放部分重金屬，同時(shí)泥鰍擾動不斷更新土壤表面的吸附點(diǎn)位，從而使土壤顆粒對重金屬離子的吸附能力更強(qiáng)，在一定程度上也抑制土壤重金屬向上覆水的釋放，也可能是土壤表層生成的吸附態(tài)重金屬的鐵錳氧化物在生物物理混合作用下被掩埋到土壤中，降低重金屬在上覆水中的含量，等生物適應(yīng)環(huán)境后，擾動幅度減小，上覆水As含量變化緩慢。綜上所述，泥鰍擾動促進(jìn)了As由土壤向上覆水的遷移釋放，顯著增加了上覆水中As含量，其中低密度組的促進(jìn)效果較中密度組和高密度組顯著，減輕了土壤污染程度的同時(shí)增加了水體的污染程度，這說明，適當(dāng)添加生物量泥鰍可以顯著改變土壤As污染狀況。

2.4 泥鰍擾動下土壤孔隙水中As的動態(tài)變化

在培育過程中，各處理不同深度土壤孔隙水As的動態(tài)變化如圖7所示，在為期15 d的培育過程中，有無泥鰍擾動在時(shí)空上均對土壤孔隙水As含量產(chǎn)生了顯著影響（P＜0．05）。各處理土壤孔隙水As含量隨天數(shù)逐漸減少，均從土壤深處向土壤-水界面遷移，多數(shù)表現(xiàn)為隨深度增加而增加，不同深度土壤孔隙水As含量總體呈現(xiàn)為表層低于深層，這與張淋淋等的研究結(jié)果相反。對照組土壤孔隙水As含量在0-1.0cm深處無明顯變化，泥鰍組土壤孔隙水As含量變化較對照組顯著，這可能是與重金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈吸附作用的土壤顆粒被泥鰍食用后以糞便形式被排泄至土壤表層，從而影響土壤重金屬含量的變化。第0天（淹水期）時(shí)，各處理土壤孔隙水As含量主要集中在6 cm深處，As含量為36.3 mg·L-1。第1天時(shí)，泥鰍組土壤孔隙水As含量顯著大于對照組，尤其是低密度組和中密度組的5.0-6.0 cm深處，土壤孔隙水As含量在35.9-48.3 mg·L-1范圍內(nèi)。第3天和第5天時(shí)，對照組土壤孔隙水As含量顯著大于泥鰍組，泥鰍組土壤孔隙水As含量在整個(gè)深度分散比較均勻，這說明泥鰍擾動對土壤孔隙水As含量降低具有一定的促進(jìn)作用，降低了As的活性，這可能是由于缺氧條件導(dǎo)致金屬硫化物沉淀，從而減少土壤孔隙水As含量。在第7天時(shí)，泥鰍組土壤孔隙水As含量變化最顯著，且貫穿于整個(gè)土壤深度，泥鰍組土壤孔隙水As含量顯著大于對照組，可能是起初泥鰍產(chǎn)生的物理和生物擾動聯(lián)合作用促進(jìn)了土壤孔隙水As的釋放，也可能是泥鰍擾動增加了土壤—水界面DO的穿透深度，從而導(dǎo)致金屬硫化物的氧化，F(xiàn)e/Mn化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，而這一過程會快速吸附水體重金屬并與之發(fā)生共沉降，從而增加了土壤孔隙水As含量，其中低密度組土壤孔隙水As含量顯著小于中密度組和高密度組。第9天到第15天時(shí)，低密度組和中密度組土壤孔隙水As含量顯著小于高密度組和對照組，這說明適當(dāng)添加泥鰍量對減少土壤孔隙水As含量具有促進(jìn)作用。整個(gè)培育期，對照組土壤孔隙水As含量的變化可能是微生物加快土壤有機(jī)質(zhì)降解和硫化物氧化，釋放了重金屬，也可能是靜水條件下，土壤中的As通過分子擴(kuò)散作用釋放至上覆水。泥鰍組土壤—水界面孔隙水（h=0 cm）As含量顯著大于對照組，這可能是生物擾動改變了表層土壤的界面接觸面積，影響重金屬運(yùn)移，進(jìn)而影響土壤-水界面的重金屬含量。泥鰍組土壤—水界面孔隙水As含量均表現(xiàn)為先增加后減少，可能是生物灌溉促進(jìn)了As從孔隙水向土壤-水界面或上覆水的轉(zhuǎn)移，也可能是隨著泥鰍擾動程度的變化，被釋放至上覆水的重金屬與懸浮顆粒物結(jié)合再次沉降至土壤表面。泥鰍組土壤—水界面孔隙水As含量在第9天后均變化緩慢，其中低密度組和中密度組As含量在第3天時(shí)達(dá)到最大值，最大值分別為12.3 mg·L-1和10.1 mg·L-1，高密度組As含量在第1天時(shí)達(dá)到最大值，最大值為11.6 mg·L-1。綜上所述，泥鰍擾動能夠顯著減少土壤孔隙水A。含量，尤其對低密度組和中密度組土壤孔隙水As含量降低具有一定的促進(jìn)作用，同時(shí)也促進(jìn)了土壤中As向土壤—水界面以及上覆水的遷移釋放。

3 結(jié)論

（1）有無泥鰍擾動在時(shí)空上均對土壤上覆水As含量產(chǎn)生了顯著影響（P＜0．05）。泥鰍擾動促進(jìn)了As由土壤向土壤上覆水遷移釋放，顯著增加了上覆水中As含量，其中低密度組的促進(jìn)效果較中密度組和高密度組顯著。

（2）有無泥鰍擾動在時(shí)空上均對土壤孔隙水As含量產(chǎn)生了顯著影響（P＜0．05）。各處理土壤孔隙水A。含量隨天數(shù)逐漸減少（淹水期除外），均從土壤深處向土壤-水界面遷移，多數(shù)表現(xiàn)為隨深度增加而增加，對照組土壤孔隙水As含量在0-1.0 cm深處無明顯變化。第7天時(shí)，泥鰍組土壤孔隙水As含量變化最顯著，且貫穿于整個(gè)土壤深度，泥鰍組土壤孔隙水As含量顯著大于對照組，其中低密度組土壤孔隙水As含量顯著小于中密度組和高密度組。

（責(zé)任編輯：葉飛）

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFD1700101）；湖南省自然科學(xué)基金（2022JJ30306）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX20230689）