硫肥對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)及砷、鎘和鉻累積的影響

摘要：為探究江漢平原不缺硫的重金屬污染土壤上施用硫肥對(duì)水稻生長(zhǎng)是否有促進(jìn)作用以及硫肥對(duì)植株重金屬吸收累積的影響，以湖北省洪湖市砷輕度污染的稻田土作為研究對(duì)象，采用盆栽的方法，研究了硫酸鉀肥（施硫處理）替代氯化鉀肥（CK處理）對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)、抗氧化系統(tǒng)及不同部位砷、鎘和鉻吸收累積的影響。結(jié)果表明：施硫處理提高了水稻幼苗光合作用，促進(jìn)了水稻幼苗生長(zhǎng)，其凈光合速率和地上部鮮質(zhì)量較CK分別提高了67.8%（P＜0.05）和25.6%（P＜0.05）。施硫處理還減輕了重金屬對(duì)水稻幼苗的氧化脅迫作用并增強(qiáng)了其螯合重金屬能力，其葉片超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）活性及丙二醛（MDA）含量較CK處理分別降低了54.8% （P＜0.05）、30.5%（P＜0.05）、37.3%（P＜0．01）和36.30%（P＜0.05）；葉片還原型谷胱甘肽（GSH）含量、抗壞血酸（AsA）含量、非蛋白質(zhì)態(tài)巰基總量（NPT）和植物螯合肽（PCs）含量較CK分別增加了7.2%（P＜0．05）、38.5%（P＜0．01）、7.5%（P＜0．05）和7.7%（P＜0．01）。與CK處理對(duì)比，施硫處理土壤有效態(tài)砷和有效態(tài)鎘的含量分別降低了71.4%和46.0%。硫肥促進(jìn)了水稻根表鐵膜的形成，提高了水稻各部位S含量，并且使地上部砷、鎘和鉻的含量較CK分別降低13.5%（P＜0.05）、10.6%（P＜0.05）和45.2%（P＜0．01），地下部分別降低10.0%（P＜0．05）、15.1% （P＜0.05）和31.7% （P＜0.01）。綜上所述，在 江漢平原不缺硫的土壤上施用硫肥對(duì)水稻生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，并且可以降低土壤砷和鎘的有效性，抑制水稻對(duì)砷、鎘和鉻的吸收累積。

關(guān)鍵詞：砷；鎘；鉻；水稻；硫肥

中圖分類號(hào)：X53;S511 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024） 07-1458-10 doi：10.11654／jaes.2023-0878

我國(guó)農(nóng)田土壤砷平均含量約為10.40 mg·kg-1，是全球砷含量平均值（6 mg·kg-1）的近2倍。在我國(guó)南方水稻主要生產(chǎn)區(qū)，土壤鎘和砷的平均值分別為0.45 mg·kg-1和11.80 mg·kg-1，均嚴(yán)重超過(guò)土壤污染限量標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)農(nóng)田土壤鉻的含量范圍在0.05-3 353.60 mg·kg-1，平均值為78.94 mg·kg-1，明顯高于土壤背景值（57.30 mg·kg-1），對(duì)水稻的安全生產(chǎn)造成一定影響。水稻是我國(guó)主要糧食作物之一，也是世界近50%人口的主食。水稻淹水栽培的種植方式使土壤中砷有較高的生物有效性。此外，水稻對(duì)砷吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的能力較其他谷物更強(qiáng)，其籽粒中砷含量較其他谷物高一個(gè)數(shù)量級(jí)，容易出現(xiàn)稻米砷污染問(wèn)題。鎘因具有易溶解遷移的特點(diǎn)而易被水稻吸收，近些年伴隨著農(nóng)田土壤鎘污染問(wèn)題愈加嚴(yán)重，“鎘米”問(wèn)題日益突出，危害糧食生產(chǎn)安全。相比于其他重金屬，即使低含量的Cr6+也可以對(duì)水稻生長(zhǎng)產(chǎn)生更強(qiáng)的毒害作用問(wèn)。因此，研究降低水稻吸收累積砷、鎘和鉻的措施對(duì)于水稻安全生產(chǎn)具有重要意義。

硫是植物必需的第四大營(yíng)養(yǎng)元素。硫在土壤中以硫酸根（SO2-4）形態(tài)被植物根部吸收。有研究表明，添加適量硫可以增加水稻生物量并提高水稻產(chǎn)量。此外，添加硫肥利于水稻中硫醇化合物，如植物螯合肽（PCs）和還原型谷胱甘肽（GSH）等的形成；多種有機(jī)硫化物可以螯合重金屬形成穩(wěn)定化合物，從而將重金屬固定在根或者莖葉的液泡中，減輕水稻重金屬毒害，減少重金屬向籽粒中的移動(dòng)以及在稻米中的累積。不僅如此，硫在降低土壤重金屬的生物有效性方面也有重要作用。淹水條件下，SO2-4被硫酸鹽還原菌還原為S2-，S2-與鎘共沉淀可降低鎘生物有效性，S2-還與砷反應(yīng)形成AsxSX，從而降低土壤溶液中砷的濃度。因此通過(guò)施用硫肥降低水稻對(duì)重金屬的吸收累積成為近幾年研究的熱點(diǎn)之一，但目前研究結(jié)論尚不一致。例如，有研究發(fā)現(xiàn)施硫減少了水稻對(duì)重金屬的吸收累積。Zhang等的研究結(jié)果表明施用硫肥使水稻籽粒中鎘由0.61 mg·kg-1降至0.24-0.46 mg·kg-1；在砷污染土壤上施用硫肥使水稻砷含量下降39.1%以上。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)施用硫肥會(huì)加劇水稻對(duì)重金屬的累積效應(yīng)。Huang等的研究發(fā)現(xiàn)，在鎘污染土壤上施硫30、60、120mg·kg-1后，水稻籽粒中鎘含量較CK分別提高了57%、228%和100%。Lei等的研究發(fā)現(xiàn)，土壤硫酸鹽水平低于100 mg·kg-1時(shí)，外源硫?qū)е滤局屑谆吭黾?9% -240%，但在土壤硫酸鹽水平高于380 mg·kg-1時(shí)則無(wú)影響。因此，在不同土壤上施用硫肥對(duì)水稻重金屬累積效應(yīng)的影響存在差異。

江漢平原位于湖北省中南部，該區(qū)土壤類型主要為潮土土類，其中灰潮土亞類占潮土土類的82.6%，土壤呈弱堿性至中性。土壤中的砷主要以砷酸根或亞砷酸鹽形態(tài)存在，因此中性或偏堿性土壤中砷的有效性高于酸性土壤。此外，Xiao等的研究表明在土壤—水稻系統(tǒng)中，土壤中總鉻的污染診斷指標(biāo)依次為紅壤＞青紫泥＞石灰性紫色土＞黑土＞黃壤＞潮土，潮土中鉻的有效性高于其他幾種土壤。張璐等的研究表明湖北稻田監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效硫含量高于土壤有效硫的臨界值（16 mg·kg-1），為不缺硫土壤。已有研究表明，硫肥過(guò)多可能導(dǎo)致水稻減產(chǎn)。因此，在不缺硫土壤上施用硫肥能否促進(jìn)水稻生長(zhǎng)？能否降低水稻對(duì)重金屬的吸收累積？洪湖地處江漢平原腹地，本文以洪湖市砷輕度污染的稻田土壤作為供試土壤，研究了在不缺硫土壤上以硫酸鉀替代氯化鉀條件下水稻幼苗生長(zhǎng)、抗氧化系統(tǒng)變化、植株砷、鎘和鉻累積分布及土壤中重金屬有效性變化，探討施用硫肥對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)及砷、鎘和鉻累積的影響和機(jī)制，旨在為該區(qū)域重金屬污染稻田安全生產(chǎn)提供參考和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試水稻與土壤

供試水稻品種為黃華占，由湖北興農(nóng)種子有限責(zé)任公司提供。

供試土壤采自湖北省洪湖市水稻田0-20 cm耕作層。土壤基本理化性質(zhì)：pH 7.01;有機(jī)質(zhì)43.17 g·kg-1；總鎘0.40 mg·kg-1，總砷36.06 mg·kg-1，總鉻91.92 mg·kg-1，總硫274.04 mg·kg-1；有效硫24.81 mg·kg-1；堿解氮194.99 mg·kg-1；有效磷8.28 mg·kg-1；速效鉀205.46 mg'·kg-1；土壤中黏粒、粉粒和砂粒占比依次為9.46%、68.30%和22.24%，為粉砂質(zhì)壤土。供試土壤中總砷含量超過(guò)稻田土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（25mg·kg-1，6.5＜pH≤7.5）（GB 5618-2018）；有效硫含量高于臨界值（16 mg·kg-1），接近豐富水平（25 mg·kg-1）。

澆灌所用去離子水含硫量7.34 mg·L-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)對(duì)照（CK，以氯化鉀作為鉀肥）與施硫（S，68.085 mg·kg-1土壤，以硫酸鉀作為鉀肥）兩個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。

試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)微量元素中心簡(jiǎn)易大棚內(nèi)進(jìn)行（30°29＇N。114°22＇ E）。供試土壤經(jīng)風(fēng)干、研磨過(guò)10目篩、充分混勻后裝入試驗(yàn)盆栽桶（內(nèi)徑24 cm、高25 cm），每盆裝土6kg?；视昧繛槊壳Э送潦┤薔 0.2 g（尿素）、P2O5 0.15 g（CaH2PO4·H2O）、K2O 0.2 g（其中CK處理為氯化鉀，施硫處理為硫酸鉀），以及1mL Arnon微量元素儲(chǔ)備液，基肥拌人土壤混合均勻。為了方便取水稻根樣品，每盆中置人5個(gè)根袋（400目尼龍網(wǎng)，直徑8 cm、高6 cm，內(nèi)裝土450 g），根袋內(nèi)外土面高度保持一致。添加去離子水至土壤上方3-5cm，淹水一周后移栽。

水稻種子在30%過(guò)氧化氫中浸泡30 min，用去離子水洗凈后于常溫條件下浸泡在去離子水中24 h。將種子放置在潮濕的無(wú)菌棉布上，待根芽長(zhǎng)至1 cm左右，于2022年6月10日選取長(zhǎng)勢(shì)一致的根芽將其均勻播種至育苗盆中。待水稻幼苗長(zhǎng)至五葉一心，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的苗，于2022年7月12日移栽至盆栽桶中。在水稻移栽30d后即2022年8月12日采集水稻幼苗樣品。將水稻從根袋中取出，并將根部的泥土抖落，將水稻分為莖葉與根，依次用自來(lái)水與去離子水清洗后拭干，測(cè)量分蘗數(shù)、株高和地上部鮮質(zhì)量。將水稻莖葉分成兩份，其中一份存于-80℃超低溫冰箱中用于葉片抗氧化酶系統(tǒng)指標(biāo)的測(cè)定（測(cè)定時(shí)取從上往下數(shù)第三葉中間部位），另一份裝入紙袋于105℃烘箱中殺青30 min后，70℃下烘干至質(zhì)量恒定。

水稻根提取鐵膜后用去離子水洗凈，于70℃下烘干至質(zhì)量恒定。烘干的植物樣經(jīng)粉碎后裝入自封袋保存。根際土經(jīng)冷凍干燥，研磨過(guò)2 mm篩、0.84mm篩和0.15 mm篩后分裝備用。

1.3 測(cè)定方法

土壤pH測(cè)定采用水浸提—電位法，土水比為1：2.5；土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀—外加熱法；土壤有效態(tài)硫含量測(cè)定采用氯化鈣浸提—硫酸鋇比濁法。以上方法參考文獻(xiàn)[23]。土壤總硫含量采用硝酸—高氯酸濕法消解，硫酸鋇比濁法測(cè)定。

土壤有效態(tài)砷用磷酸二氫銨提?。煌寥烙行B(tài)鉻用鹽酸提取；土壤有效態(tài)鎘用氯化鈣提??；土壤砷形態(tài)提取參考Wenzal介紹的方法；土壤鉻、鎘形態(tài)提取參考Tessier介紹的方法；土壤砷、鎘和鉻的總量采用硝酸—高氯酸—?dú)浞幔?：1：1，V/V/V）消解，用土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[黃紅壤，GBW 07405（GSS-5a）]進(jìn)行質(zhì)量控制。以上提取液中砷含量測(cè)定采用原子熒光分光光度計(jì)（AFS-9700，中國(guó)海光儀器公司），總鉻含量測(cè)定采用火焰原子吸收光譜儀（Agilent 200Series AA），有效態(tài)鉻及有效態(tài)鎘含量測(cè)定采用石墨爐原子吸收光譜儀（Agilent AA 2402）。水稻根系表面鐵膜用ACA（0.3 mol·L-1檸檬酸鈉、10%乙酸鈉、3g抗壞血酸）提取，用等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES，Agilent 5110）測(cè)定提取液中砷、鎘、鉻、鐵和錳的含量。水稻根和莖葉中砷、鎘和鉻的總量采用硝酸—高氯酸（9：1，V／V）消解，用楊樹(shù)葉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[GBW07604（GSV-3）]進(jìn)行質(zhì)量控制。提取液中砷含量測(cè)定采用原子熒光分光光度法，鉻和鎘含量測(cè)定采用石墨爐原子吸收分光光度法。植物葉片和根中總硫含量采用強(qiáng)酸消解，硫酸鋇比濁法測(cè)定。

水稻葉片光合參數(shù)測(cè)定采用光合作用測(cè)定儀（Li-6800XT，美國(guó)），于采樣當(dāng)天上午9-11時(shí)，測(cè)定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、細(xì)胞間CO2濃度（Ci）和氣孔導(dǎo)度（Gs）。植物葉片中超氧化物歧化酶（SOD）活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原比色法；過(guò)氧化物酶（POD）活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚比色法；過(guò)氧化氫酶（CAT）活性測(cè)定采用過(guò)氧化氫分解法，丙二醛（MDA）含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法；抗壞血酸（AsA）含量測(cè)定采用二聯(lián)吡啶法；GSH含量的測(cè)定采用5，5＇-二硫?qū)ο趸郊姿幔―TNB）顯色法；非蛋白質(zhì)態(tài)巰基總量（NPT）采用比色法測(cè)定；PCs含量為NPT含量減去GSH含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

使用Microsoft Office Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，不同處理之間的差異性采用SPSS Statistics 26進(jìn)行獨(dú)立樣本y檢驗(yàn)分析，Person相關(guān)性使用R語(yǔ)言（www.r-project.org）ggcorrplot包進(jìn)行分析，PCA分析使用R語(yǔ)言ggbiplot包進(jìn)行繪制，柱狀圖采用Origin 2018繪制，圖中參數(shù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 硫肥對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)及重金屬含量的影響

不同處理水稻幼苗的地上部鮮質(zhì)量、根部鮮質(zhì)量、分蘗數(shù)和株高數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，結(jié)果分析表明硫肥促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)。添加硫肥顯著增加了苗期水稻地上部鮮質(zhì)量和分蘗數(shù)（P＜0.05），但對(duì)苗期水稻根部生物量影響并不顯著（P＞0．05）。與CK相比，施硫處理水稻地上部鮮質(zhì)量和分蘗數(shù)分別提高了25.6%和13.3%。

添加硫肥促進(jìn)了水稻葉片光合作用（表2）。施硫處理苗期水稻葉片的Pn、Tr和Gs顯著升高（P＜0．05），比CK分別增加了67.8%、22.6%和45.5%。與CK相比，添加硫肥后苗期水稻葉片Ci有下降的趨勢(shì)。

從圖1分析可知，添加硫肥顯著降低了水稻植株砷（P＜0．05）、鎘（P＜0．05）和鉻（P＜0．01）的含量，提高了硫（P＜0.01）含量。與CK相比，水稻地上部和地下部砷含量分別降低了13.5%和10.0%，鎘含量分別降低了10.6%和15.1%，鉻含量分別降低了45 .2%和31.7%，硫含量則分別增加了47.6%和8.4%。

2.2 硫肥對(duì)水稻幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響

從圖2可知，添加硫肥顯著降低了苗期水稻葉片中SOD酶（P＜0.05）、POD酶（P＜0.05）和CAT酶（P＜0.01）的活性，3種酶活性較CK分別降低了54.8%，30.5%和37.3%。施硫處理苗期水稻葉片中MDA的含量較CK顯著降低了36.3%（P＜0.05）。與CK相比，添加硫肥處理的水稻葉片中AsA、GSH、PCs和NPT含量均顯著增加，較CK分別增加了38.50-/0 （P＜O.OI）、7.2%（P＜0.05）、7.7%（P＜0.01）和7.5%（P＜0.05）.

2.3 硫肥對(duì)根際土壤砷、鎘、鉻和硫有效性的影響

硫處理后土壤pH顯著上升（表3），較CK增加了1.4%（P＜0.01）。添加硫以后，土壤有效態(tài)砷含量和有效態(tài)鎘含量顯著降低（表3），較CK分別降低了71.4%（P＜0.001）和46.0%（P＜0．05）。土壤有效硫含量顯著增加（表3），較CK增加了58.0%（P＜0.001）。添加硫?qū)ν寥烙行B(tài)鉻含量無(wú)顯著影響（P＞0．05）。

硫肥處理后砷、鎘和鉻的形態(tài)分級(jí)如圖3所示。圖3A結(jié)果表明硫肥促進(jìn)土壤中非專屬吸附態(tài)砷（F1）、專屬吸附態(tài)砷（F2）、無(wú)定形和弱結(jié)晶鐵鋁水化氧化物結(jié)合態(tài)砷（F3）及殘?jiān)鼞B(tài)砷（F5）向結(jié)晶鐵鋁水化氧化物結(jié)合態(tài)砷（F4）轉(zhuǎn)化。圖3B結(jié)果顯示，向土壤中施硫肥促進(jìn)了可交換態(tài)鎘（EX-Cd）、碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘（CB-Cd）和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘（OX-Cd）向有機(jī)結(jié)合態(tài)鎘（OM-Cd）和殘?jiān)鼞B(tài)鎘（RS-Cd）轉(zhuǎn)化。與CK相比，加硫肥處理的EX-Cd降低了35.0%，OM-Cd與RS-Cd分別增加了80.5%和78.0%。圖3C結(jié)果表明施硫肥促進(jìn)了土壤可交換態(tài)鉻（EX-Cr）、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鉻（OX-Cr）向有機(jī)結(jié)合態(tài)鉻（OM-Cr）、殘?jiān)鼞B(tài)鉻（RS-Cr）轉(zhuǎn)化。相較于CK，添加硫肥處理的EX-Cr和OX-Cr分別降低77.1%和14.6%，OM-Cr和RS-Cr則分別增加了10.7%和13.6%。

2.4 硫肥對(duì)根表鐵膜中鐵、錳、砷、鎘、鉻和硫含量的影響

表4表明添加硫使根表鐵膜上的鐵和硫含量比CK顯著增加了13.0%（P＜0.05）和274.6% （P＜0.01），說(shuō)明施用硫肥促進(jìn)了水稻根表鐵膜的形成及鐵膜中硫的累積。與CK相比，施用硫肥處理使根表鐵膜上砷、鎘和鉻含量分別顯著降低了16.3% （P＜0．05）、29.3%（P＜O.01）和104.8% （P＜0.01），施用硫肥對(duì)錳影響不顯著。

2.5 綜合分析

相關(guān)性分析可以反映指標(biāo)之間的相關(guān)性，圖4A表明水稻幼苗地上部的硫與地上部生物量（r=0.65）、Tr（r=0.83*）、Pn（r=0.87*）和Gs（r=0.93）呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與SOD（r=- 0.63）、POD（r=-0.78）、CAT（r=- 0.93）和MDA（r=-0．74）呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與AsA （r=0.97**）、GSH （r=0.91）、PCs（r=0.91）和NPT（r=0.914）呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。主成分分析（PCA）可以反映指標(biāo)之間的組合特征。圖4B為地上部各指標(biāo)之間PCA圖，其中第一主成分貢獻(xiàn)率為75.7%，第二主成分貢獻(xiàn)率為12.3%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為88.0%。由圖4B可知，地上部硫、地上部生物量、Pn和Gs具有較高的成分1載荷，結(jié)合地上部指標(biāo)之間相關(guān)性結(jié)果（圖4A），說(shuō)明幼苗地上部硫含量的增加有利于水稻光合作用的增強(qiáng)，促進(jìn)水稻幼苗生長(zhǎng)。SOD、CAT、POD和MDA是CK處理顯著區(qū)別于加硫處理的主要成分。另外，AsA、GSH、PCs和NPT具有較高的成分1載荷，說(shuō)明水稻幼苗地上部硫的增加不僅減輕了重金屬對(duì)水稻幼苗的氧化脅迫作用，還增強(qiáng)了水稻幼苗重金屬的螯合能力。

不同處理下水稻幼苗地下部與土壤和根表鐵膜元素之間相關(guān)性和PCA分析分別如圖4C和圖4D所示。由圖4C可知，土壤有效硫與有效態(tài)砷（r=-0.98**）和有效態(tài)鎘（r=-0．99*+）顯著負(fù)相關(guān)；與根表鐵膜中硫（r=0.97**）、鐵（r=0.87*）和錳（r=0.72）呈現(xiàn)正相關(guān)，與根表鐵膜中砷（r=-0.84*）和鎘（r=-0.93）負(fù)相關(guān)。圖4D結(jié)果表明第一主成分貢獻(xiàn)率為77.5%，第二主成分貢獻(xiàn)率為10.00%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.5%。根表鐵膜中硫、鐵和錳有較高成分1載荷，地下部砷和鎘是CK處理顯著區(qū)別于施硫處理的主要成分，這說(shuō)明施硫促進(jìn)了水稻根表鐵膜的形成，有利于阻隔砷和鎘向水稻根內(nèi)轉(zhuǎn)移。由圖4C分析可知，土壤有效硫還與水稻幼苗地下部硫含量（r=0.96**）和地下部生物量（r=0．88*+）正相關(guān)；結(jié)合圖4D分析來(lái)看，土壤有效硫、水稻幼苗地下部硫含量和地下部生物量具有較高的成分1載荷，這說(shuō)明施加硫肥促進(jìn)水稻幼苗地下部硫的吸收與根的生長(zhǎng)。由圖4C分析可知，水稻地上部硫含量與地上部鉻含量（r=-0.96**）以及水稻地下部硫含量與地下部鉻含量（r=-0.85*）均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明水稻各部位硫含量的增加有利于減少鉻的吸收和累積，水稻對(duì)鉻和硫的吸收存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

3 討論

土壤重金屬污染會(huì)對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害作用，水稻的生物量和株高等指標(biāo)能直觀反映其受脅迫程度。已有研究表明，重金屬脅迫下水稻幼苗的株高與生物量會(huì)顯著降低。硫在植物體內(nèi)占3%-5%，是水稻生長(zhǎng)發(fā)育必需的中量營(yíng)養(yǎng)元素。施加適量硫肥有利于水稻含硫氨基酸合成，而含硫氨基酸的增加有利于水稻的光合作用，從而促進(jìn)了水稻的生長(zhǎng)發(fā)育。此外，施硫肥有利于葉片中鐵硫簇的形成，從而激活葉綠體中酶的活性，增強(qiáng)水稻葉片光合作用I40l。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在砷輕度污染土壤中施硫能夠提高水稻幼苗葉片的光合作用（表2），并顯著增加水稻幼苗地上部鮮質(zhì)量和分蘗數(shù)（表1），從而促進(jìn)水稻幼苗生長(zhǎng)。此外，前人研究指出施硫肥增強(qiáng)了水稻幼苗的抗氧化能力以及重金屬螯合能力。本試驗(yàn)也得到了類似的結(jié)果，施硫處理水稻幼苗抗氧化物酶活性顯著降低（圖2A至圖2C），螯合物含量明顯升高（圖2E至圖2H），因此即使不缺硫的砷污染土壤上施用硫肥仍能增強(qiáng)水稻幼苗葉片的光合作用，增強(qiáng)幼苗螯合重金屬能力，同時(shí)減小重金屬對(duì)幼苗的氧化脅迫作用，促進(jìn)水稻幼苗生長(zhǎng)。

土壤重金屬的有效性是影響水稻植株吸收累積重金屬的重要因素。本試驗(yàn)結(jié)果表明，添加硫肥促進(jìn)了土壤中砷形態(tài)中的F1、F2、F3及F5向F4轉(zhuǎn)化（圖3A），土壤砷有效性降低（表3）。這與前人研究結(jié)果類似，外源硫肥增加了土壤中有機(jī)硫化合物含量，含硫有機(jī)物中的-SH與As3+以共價(jià)鍵結(jié)合，導(dǎo)致砷的有效性降低。另外，長(zhǎng)期淹水形成的厭氧還原條件促進(jìn)了As5+和SO2-4的還原，As3+和S2-共存利于砷硫化合物的生成及砷的固定，同時(shí)鐵硫化物和碳酸鹽礦物的形成有利于吸附砷。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)外源硫肥促進(jìn)了EX-Cd、CB-Cd和OX-Cd向OM-Cd和RS-Cd轉(zhuǎn)化（圖3B），土壤中鎘的有效性降低（表3）。厭氧還原條件促進(jìn)SO2-4還原為S2-，S2-與Cd2+形成CdS沉淀，降低了鎘的有效性。SO2-4還原過(guò)程會(huì)消耗H+生成OH-（表3），更多Cd2+與OH-形成沉淀，還會(huì)增強(qiáng)鐵錳氧化物表面對(duì)鎘的吸附，從而降低鎘的移動(dòng)性。本試驗(yàn)中鉻形態(tài)分析結(jié)果表明添加硫肥促進(jìn)了土壤中EX-Cr、OX-Cr向OM-Cr、RS-Cr轉(zhuǎn)化（圖3C），但土壤有效態(tài)鉻含量與CK相比差異并不顯著（表3），造成這一差異的原因尚不清楚，可能與兩種提取方法所使用的提取劑不同有關(guān)，需要在今后研究中進(jìn)一步闡明。

淹水條件下，水稻根分泌的氧化劑將Fe2+氧化生成Fe3+，形成鐵膜。根表鐵膜是重金屬?gòu)耐寥拉h(huán)境進(jìn)入植株的屏障。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施硫促進(jìn)了水稻幼苗根表鐵膜的形成（表4），這與前人研究結(jié)果一致。鐵膜對(duì)SO2-4有非常強(qiáng)的親和力，鐵膜上的硫減少了鐵膜與鐵細(xì)菌的接觸，進(jìn)而阻礙了鐵膜的溶解。有研究表明根表鐵膜的增加導(dǎo)致重金屬含量升高。然而本試驗(yàn)中，施硫雖然促進(jìn)根表鐵膜的生成，卻減少了鐵膜中砷、鎘和鉻的含量（表4）。Wu等的水稻溶液培養(yǎng)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)1.75 mmol·L-1硫處理顯著促進(jìn)了根表鐵膜的形成，但鐵膜中鎘的含量顯著下降。本研究施硫處理根表鐵膜中砷、鎘和鉻的含量降低可能與施硫處理土壤有效態(tài)砷、有效態(tài)鎘和可交換態(tài)鉻含量下降有關(guān)（表3，圖3C）。當(dāng)更多的砷、鎘和鉻被固定于土壤中，便會(huì)減少砷、鎘和鉻在根表鐵膜上的累積。此外，硫與砷和鉻對(duì)根表鐵膜上的吸附位點(diǎn)可能存在競(jìng)爭(zhēng)作用，施硫處理根表鐵膜中硫含量顯著升高（表3）導(dǎo)致鐵膜中砷和鉻含量的下降。關(guān)于施硫促進(jìn)鐵膜形成但降低鐵膜中砷、鎘和鉻含量的具體原因，還有待于今后進(jìn)一步深入研究。

本試驗(yàn)向土壤中添加硫肥顯著降低了水稻植株中的砷（圖1A）、鎘（圖1B）和鉻（圖1C）的含量。以往研究將硫降低水稻重金屬的機(jī)理歸于以下3個(gè)方面：（1）施硫?qū)⒅亟饘俅罅抗潭ㄓ谕寥乐?，減少了游離的重金屬離子向水稻植株遷移；（2）施硫促進(jìn)根表鐵膜生長(zhǎng)，鐵膜屏障作用固定了更多的重金屬，減少了重金屬向水稻植株的轉(zhuǎn)運(yùn)；（3）重金屬被固定于水稻根部液泡，減少了重金屬向水稻地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。本研究施硫處理亦促進(jìn)了根表鐵膜形成，但施硫處理根表鐵膜和根中的砷、鎘和鉻含量均下降，由此推測(cè)土壤重金屬有效性降低是本試驗(yàn)水稻植株砷、鎘和鉻吸收累積減少的一個(gè)主要原因。此外，水稻植株鉻含量降低的另一個(gè)原因是SO2-4與Cr6+進(jìn)入水稻的運(yùn)輸通道存在競(jìng)爭(zhēng)，向土壤中施硫酸鉀使水稻植株對(duì)鉻的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)與累積減少。

綜上所述，在江漢平原不缺硫稻田土壤上用硫酸鉀代替氯化鉀可以提高水稻光合作用，增強(qiáng)水稻抗氧化脅迫能力，降低土壤中砷和鎘的有效性，抑制水稻幼苗對(duì)砷、鎘和鉻的吸收累積，最終促進(jìn)水稻幼苗生長(zhǎng)。然而，本試驗(yàn)僅研究了硫酸鉀替代氯化鉀對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)和重金屬吸收累積的影響，下一步需要探討硫酸鉀替代氯化鉀對(duì)水稻生育后期生長(zhǎng)、籽粒產(chǎn)量及籽粒重金屬累積的影響。

4 結(jié)論

在江漢平原不缺硫稻田土壤上用硫酸鉀肥代替氯化鉀肥：（1）可以增強(qiáng)水稻幼苗的光合作用，增加其硫醇化合物的含量，提高其重金屬螯合能力并減小重金屬對(duì)幼苗的氧化脅迫作用，促進(jìn)水稻幼苗的生長(zhǎng)。（2）降低了土壤中砷和鎘的有效性，促進(jìn)了水稻根表鐵膜的形成，提高了植株各部位硫的含量，顯著降低了水稻幼苗砷、鎘和鉻的含量。

基金項(xiàng)目：湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)重大項(xiàng)目（2018ABA092）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41101464）