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第３４卷第４期２０１４年４月环境科学学报ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ３４Ｎｏ４Ａｐｒ２０１４ＤＯＩ１０１３６７１ｊｈｊｋｘｘｂ２０１４０１６２龙水波曾敏周航等２０１４不同水分管理模式对水稻吸收土壤砷的影响Ｊ环境科学学报３４４１００３１００８ＬｏｎｇＳＢＺｅｎｇＭＺｈｏｕＨｅｔａｌ２０１４ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｅｓｏｎｓｏｉｌａｒｓｅｎｉｃｕｐｔａｋｅｂｙｒｉｃｅｐｌａｎｔｓＪＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ３４４１００３１００８不同水分管理模式对水稻吸收土壤砷的影响龙水波曾敏周航廖柏寒钟倩云雷鸣中南林业科技大学林学院长沙４１０００４收稿日期２０１３０９０８修回日期２０１３０９２７录用日期２０１３０９２７摘要通过水稻盆栽试验研究了淹水灌溉Ｆ灌浆期前湿润灌溉ＡＦ灌浆期后湿润灌溉ＦＡ淹水与湿润交替ＡＦＡ这４种水分管理模式对水稻吸收土壤Ａｓ的影响结果表明同Ｆ处理比较ＡＦ处理能显著降低水稻根和茎叶Ａｓ含量ＦＡ和ＡＦＡ处理都能显著降低水稻茎叶谷壳糙米Ａｓ含量和糙米无机Ａｓ含量ＡＦＦＡＡＦＡ处理对水稻生物量影响都不大仅ＡＦＡ处理减少了水稻根系生物量ＦＡ和ＡＦＡ处理降低糙米Ａｓ含量的机理是灌浆期是水稻糙米吸收土壤Ａｓ的关键时期此时的湿润灌溉提高了土壤Ｅｈ土壤溶液Ａｓ Ⅲ 与Ａｓ Ⅴ 浓度之和Ａｓ Ⅲ Ａｓ Ⅴ 的比例都显著降低从而使土壤Ａｓ的迁移能力得到抑制ＦＡ处理降低水稻糙米总Ａｓ和无机Ａｓ含量的效果与ＡＦＡ处理无显著差异但ＦＡ处理的操作更简单因此ＦＡ处理应当是污染土壤中控制水稻糙米累积Ａｓ的最佳水分管理模式关键词水分管理模式水稻土壤砷污染文章编号０２５３２４６８２０１４０４１００３０６中图分类号Ｘ５３文献标识码ＡＥｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｅｓｏｎｓｏｉｌａｒｓｅｎｉｃｕｐｔａｋｅｂｙｒｉｃｅｐｌａｎｔｓＬＯＮＧＳｈｕｉｂｏＺＥＮＧＭｉｎＺＨＯＵＨａｎｇＬＩＡＯＢｏｈａｎＺＨＯＮＧＱｉａｎｙｕｎＬＥＩＭｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＣｏｌｌｅｇｅＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｈａｎｇｓｈａ４１０００４Ｒｅｃｅｉｖｅｄ８Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１３ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２７Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１３ａｃｃｅｐｔｅｄ２７Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１３ＡｂｓｔｒａｃｔＡｐｏｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｆｏｕｒｍｏｄｅｓｏｆｗａｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｏｎｓｏｉｌａｒｓｅｎｉｃＡｓｕｐｔａｋｅｂｙｒｉｃｅｐｌａｎｔｓＴｈｅｓｅｆｏｕｒｍｏｄｅｓｗｅｒｅｆｌｏｏｄｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔｔｈｅｅｎｔｉｒｅｐｅｒｉｏｄｏｆｒｉｃｅｇｒｏｗｔｈＦａｅｒｏｂｉｃｆｌｏｏｄｉｎｇｂｅｆｏｒｅｆｌｏｗｅｒｉｎｇｓｔａｇｅＡＦａｅｒｏｂｉｃｆｌｏｏｄｉｎｇａｆｔｅｒｆｌｏｗｅｒｉｎｇｓｔａｇｅＦＡａｎｄａｌｔｅｒｎａｔｅｆｌｏｏｄｉｎｇａｎｄａｅｒｏｂｉｃｄｕｒｉｎｇｆｌｏｗｅｒｉｎｇｓｔａｇｅＡＦＡＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｃｏｍｐａｒｅｄｔｏＦＡＦｒｅｄｕｃｅｄＡｓｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｒｉｃｅｒｏｏｔｓａｎｄｓｔｒａｗｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｗｈｉｌｅＦＡａｎｄＡＦＡｒｅｄｕｃｅｄＡｓｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｔｒａｗｓｈｕｓｋｓａｎｄｇｒａｉｎｓｏｆｒｉｃｅｐｌａｎｔｓａｎｄａｌｓｏｒｅｄｕｃｅｄｉｎｏｒｇａｎｉｃＡｓｉｎｇｒａｉｎｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙＡＦＦＡａｎｄＡＦＡｓｈｏｗｅｄｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｓｏｎｒｉｃｅｓｂｉｏｍａｓｓｂｕｔＡＦＡｒｅｓｕｌｔｅｄｉｎｄｅｃｒｅａｓｅｓｉｎｔｈｅｂｉｏｍａｓｓｏｆｒｉｃｅｒｏｏｔｓＴｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆＦＡａｎｄＡＦＡｒｅｄｕｃｉｎｇＡｓｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｒｉｃｅｇｒａｉｎｓｗｅｒｅｓｕｐｐｏｓｅｄＡｅｒｏｂｉｃｆｌｏｏｄｉｎｇｄｕｒｉｎｇｆｌｏｗｅｒｉｎｇｓｔａｇｅａｋｅｙｐｅｒｉｏｄｏｆｓｏｉｌＡｓｕｐｔａｋｅｂｙｒｉｃｅｐｌａｎｔｓｅｎｈａｎｃｅｄｓｏｉｌＥｈｖａｌｕｅｓｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｅｄｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｓｕｍｏｆＡｓ３ａｎｄＡｓ５ｃｏｎｔｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｏｆＡｓ３Ａｓ５ｈｅｎｃｅｒｅｓｔｒａｉｎｅｄｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｓｏｉｌＡｓｔｏｒｉｃｅｐｌａｎｔｓＴｈｅｒｅｗｅｒｅｎｏｏｂｖｉｏｕｓｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎＦＡａｎｄＡＦＡｉｎｒｅｄｕｃｉｎｇｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｏｔａｌＡｓａｎｄｉｎｏｒｇａｎｉｃＡｓｉｎｒｉｃｅｇｒａｉｎｓｈｏｗｅｖｅｒＦＡｗａｓａｎｅａｓｉｅｒｍｏｄｅｔｏａｐｐｌｙｔｈａｎＡＦＡｉｎｒｉｃｅｐｌａｎｔｉｎｇｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔＦＡｗａｓｍｏｒｅｐｒｏｍｉｓｉｎｇｉｎｗａｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｔｏｒｅｄｕｃｅＡｓｕｐｔａｋｅｂｙｒｉｃｅｐｌａｎｔｓｉｎＡｓｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄｓｏｉｌｓＫｅｙｗｏｒｄｓｗａｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｅｓｒｉｃｅｓｏｉｌａｒｓｅｎｉｃｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ１引言Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ砷Ａｓ被世界卫生组织ＷＨＯ和美国环保局ＵＳＥＰＡ认定为一种已知的人类致癌物质人体长期暴露于富Ａｓ条件下可导致皮肤癌和肾肝膀胱等内脏器官的癌变Ｓｍｉｔｈｅｔａｌ１９９８Ｔｓｅｎｇ基金项目环保公益性行业科研专项Ｎｏ２０１００９０４７国家自然科学青年基金项目Ｎｏ４１２０１５３０湖南省自然科学基金Ｎｏ１２ＪＪ５００７湖南省重点学科建设项目ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＳｐｅｃｉａｌＦｕｎｄｆｏｒＰｕｂｌｉｃＷｅｌｆａｒｅＩｎｄｕｓｔｒｙｏｆＮａｔｉｏｎａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＮｏ２０１００９０４７ｔｈｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒＹｏｕｔｈｏｆｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａＮｏ４１２０１５３０ｔｈｅＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｉｎｏｆＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅＮｏ１２ＪＪ５００７ａｎｄｔｈｅＫｅｙＳｕｂｊｅｃｔＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔｏｆＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ作者简介龙水波１９８９男Ｅｍａｉｌｌａｇｌｓｂ１６３ｃｏｍ通讯作者责任作者Ｅｍａｉｌｅｍａｉｌｚｍ１６３ｃｏｍＢｉｏｇｒａｐｈｙＬＯＮＧＳｈｕｉｂｏ１９８９ｍａｌｅＥｍａｉｌｌａｇｌｓｂ１６３ｃｏｍＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒＥｍａｉｌｅｍａｉｌｚｍ１６３ｃｏｍ

1004 环境科学学报 34 卷 et al.,1968). 近年来, 由于 As 污染而导致的地方性 As 中毒事件在全球范围内 ( 尤其是东南亚地区 ) 时有发生, 严重威胁着当地居民的健康 (Meharg,2004; Smith et al.,2000). 在湖南郴州, 矿产资源采选和冶炼加工导致的土壤 As 污染, 已成为该地区的三大特色污染 ( 曹国选,2006). 在郴州的绝大多数矿区, 稻田因为淹水灌溉的原因更易受到 As 的污染, 而稻田土壤中的 As 又通过向稻米转移而进入食物链, 对当地居民的身体健康造成严重威胁. 在 As 污染土壤的各类修复技术中, 物理化学修复方法因花费大工程量大, 不太适合于大面积中低度污染稻田的治理 ; 而植物修复技术受修复植物生物量小修复时间长等因素限制, 如何走向产业化还需继续探索. 因此, 世界各国科学家们都在努力寻找一条经济有效的途径来解决稻田 As 污染问题. 现有的一些资料表明, 减少灌溉水使土壤形成好氧环境可以有效地降低稻米中 As 含量. Arao 等 (2009) 指出, 在水稻抽穗前 3 周不进行淹水可有效地降低稻米中 As 含量 ;Somenahallay 等 (2011) 则指出, 干湿交替条件下种植出的水稻稻米 As 含量较持续淹水条件下低. 然而, 目前还少有研究者就灌浆期前后采取不同水分管理模式对稻米吸收 As 的影响进行比较研究. 因为水稻的生长期可以分为营养生长和生殖生长, 稻米吸收营养和污染元素的关键时期可能都是水稻生长的后半阶段, 基于这个科学假设, 我们选择在灌浆期前后采取不同水分管理模式进行研究. 综上, 本研究设置了 4 种水分管理模式 : 淹水灌溉 ( 对照 ) 灌浆期前湿润灌溉灌浆期后湿润灌溉湿润与淹水交替, 分析采用不同水分管理模式时土壤氧化还原电位土壤溶液中 As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 浓度水稻对 As 的吸收转运情况, 以期筛选出能够抑制 As 向大米中迁移的有效措施. 2 材料与方法 (Materials and methods) 2.1 试验材料供试稻田土壤采自湖南省郴州市某乡镇 ( 该地曾因某 As 制品厂而受到污染 ), 为耕作层 (0 ~ 20 cm) 土壤, 属石灰性土壤发育的水稻土, 土壤中总 As 含量为食用农产品产地环境质量评价标准 ( 国家环境保护总局,2006) 中 As 含量标准值的 2 66 倍, 属于中度污染. 土壤经自然风干后过 5 mm 筛, 充分混匀备用, 基本理化性质如表 1. 供试水稻品种为丰优 210, 购自湖南省隆平高科. 表 1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil ph 值有机质含量全氮全磷全钾总 As / (mg kg -1 ) 交换态 As / (mg kg -1 ) 7.95 3.02% 0.10% 0.04% 3.73% 73.35 0.12 2.2 试验设计水稻种子用 30% H 2 O 2 消毒 15 min 后, 用去离子水洗净, 播种于未受 As 污染土壤中, 在光照培养箱中 (28 / 14 h 光照和 20 / 10 h 黑暗, 光照强度为 260 ~ 350 μmol m -2 s -1, 相对湿度为 60% ~ 70%) 培育,30 d 后移栽水稻秧苗. 移栽前一周将土壤装盆, 每盆 5 kg, 每 1 kg 施用 0.286 g 磷酸铵 0 195 g 尿素 0.220 g 碳酸钾作为基肥, 基肥和土壤混合均匀后加水, 保持 70% 含水率平衡 7 d. 水稻移栽后进行正常淹水灌溉,50 d 后 ( 从育秧开始计算, 此时处于分蘖后期 ) 采用 4 种不同的水分管理模式 :1 淹水灌溉 (F:Flood): 在水稻整个生长期都使盆内表土以上保持 2.0 cm 左右的水层 ;2 灌浆期前湿润灌溉 (A F:Aerobic Flood): 水稻灌浆期之前保持表土无水层, 土壤含水率保持 35% 左右, 从灌浆期开始 (94 d) 淹水灌溉, 表土以上保持 2.0 cm 左右的水层 ;3 灌浆期后湿润灌溉 (F A:Flood Aerobic): 灌浆期之前淹水灌溉, 表土以上保持 2.0 cm 左右的水层, 从灌浆期开始后则保持表土无水层, 土壤含水率约 35% 左右 ;4 淹水与湿润交替 ( AFA: Alternate flood and aerobic): 灌溉使表土以上水层为 2.0 cm 左右, 然后自然落干至表土无水层, 同时土壤含水率在 35% 左右,4 d 后再次灌溉, 循环往复, 直至水稻成熟. 每种水分管理模式设 3 个平行, 共 12 盆水稻, 采用随机区组排列的方式于日光温室中栽培. 从 70 d 开始每隔 8 d 测量一次土壤的氧化还原电位 ( E h ), AFA 处理在每个周期的湿润灌溉结束前测量 E h, 在灌浆期开始前 (94 d) 和灌浆期完成后 (110 d) 抽取土壤溶液, 用以分析土壤溶液中的 As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 的浓度, 水稻成熟后收获, 分根茎叶谷壳糙米测定生物量和 As 含量, 并测定糙米的无机 As 含量.

4 期龙水波等 : 不同水分管理模式对水稻吸收土壤砷的影响 1005 2.3 分析方法土壤 E h 使用酸度计 ( 雷磁 phs 3C) 测量, 测量时将饱和甘汞电极和铂电极插入土壤表层 1.5 cm 处, 两电极相距 2 cm, 待数值稳定后读数, 重复 3 次取平均值. 土壤溶液用土壤溶液提取装置 ( 由一次性注射器和土壤溶液提取管组成 ) 抽取. 抽取土壤溶液时注射器用锡箔纸包裹, 并提前加入 0. 1 mol L -1 的 EDTA 溶液 1 ml, 以防止不同价态 As 相互转化, 溶液收集到 10 ml 后, 用滤膜规格为 0.45 μm 的针头过滤器过滤, 于 0 ~ 4 的条件下保存待测. 土壤溶液中的 As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 用高效液相色谱电感耦合等离子体质谱联用 (HPLC \ICP \MS)(Agilent 1200, Agilent Technology, Agilent 7500, USA) 测定 ( 贾炎等,2012). 水稻各部位 As 含量采用 GB / T 5009.11 2003 ( 中华人民共和国卫生部,2003) 中的干灰化法测定 : 使样品与氧化镁混合高温灰化后用 1 1 盐酸溶解灰分, 然后用原子荧光光度计 ( 东西 AFS 7500) 测定 As 浓度. 糙米无机 As 含量的测定采用 GB / T 5009.11 2003( 中华人民共和国卫生部,2003) 中的氢化物原子荧光光度法测定 : 称取水稻样品于 60 的水浴锅中用 1 1 盐酸提取 18 h, 然后用原子荧光光度计 ( 东西 AFS 7500) 测定 As 含量. 3 结果与讨论 (Results and discussion) 3.1 不同水分管理模式下表层土壤 E h 值土壤中水分含量决定了土壤中的氧浓度, 水分较少时氧浓度升高, 土壤处于氧化状态,E h 较高,As 会更多地以 As(Ⅴ) 的形式存在 ( Li et al.,2009). 而土壤中 As 的价态分布又与 As 的化学行为有密切关系, 因此, 我们对 4 种水分管理模式下土壤的 E h 进行了测定 ( 图 1). 由图可知,F 处理 E h 最低, 数值在 51.1 ~ 134.5 mv 之间, 随时间的推移变化不大. A F 处理在灌浆期开始 (94 d) 后 E h 大大降低, 灌浆期前 E h 比 F 处理高 201.4 ~ 294.3 mv, 差异显著, 灌浆期后的 E h 仅比 F 高 14.4 ~ 38.1 mv, 差异不显著. F A 处理在灌浆期开始后 E h 明显上升, 但上升幅度不大, 灌浆期前 E h 与 F 处理相当, 无显著差异, 灌浆期后 E h 比 F 处理高 70.3 ~ 130.4 mv, 有显著差异.AFA 处理 E h 随着水稻的生长略有降低, 比 F 处理高 50.2 ~ 251.9 mv, 差异显著. 显然, 同 F 处理比较, 湿润灌溉能使土壤保持较高的 E h, 从理论上来说, 应当能使土壤中的 As(Ⅲ) 向 As(Ⅴ) 转变. 图 1 不同水分管理模式对土壤 E h 的影响 ( 同一时间不同水分管理模式的数据有相同字母者表示在 0.05 水平上无显著差异 ) Fig.1 Effect of water management regimes on soil redox potential 3.2 不同水分管理模式下土壤溶液中 As 的价态分布植物优先选择吸收土壤溶液中游离态 As, 且不同价态 As 对植物的毒害程度和可利用性不同. 有报道表明,As(Ⅲ) 对于水稻的毒害作用要大于 As(Ⅴ) ( 陈丽娜,2009),As(Ⅲ) 的毒性是 As(Ⅴ) 的 25 ~ 60 倍 (Corwin et al.,1999). As(Ⅲ) 在环境中具有更大的迁移能力 (Moon et al.,2004), 且能通过硅的吸收通道进入水稻 (Ma et al.,2008),as(Ⅲ) 更容易被水稻所吸收 ( 陈同斌等,1993). 因此, 土壤溶液中 As 的浓度和价态分布能够反映其对水稻的毒性, 决定其在水稻中的累积量. 从图 2 可以看出,F 处理土壤溶液中 As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 浓度之和要大于其他处理, 且土壤溶液中 As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 较高, 灌浆期开始前和灌浆期完成后 As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 分别为 4.07 和 5 91. 有报道表明, 淹水形成的还原环境会导致土壤铁的 ( 氢 ) 氧化物溶解, 释放出吸持的 As ( Takahashi et al.,2004). 因此, 包含湿润灌溉的处理土壤溶液中 As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 浓度之和要小于 F 处理.F 处理土壤溶液的 As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 较高的现象可以从 F 处理土壤有较低的 E h 得到解释.A F 处理在灌浆期开始前土壤溶液中 As(Ⅲ) 占比较低,As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 为 0.47, 显著低于同期 F 处理, 灌浆期完成后 As(Ⅲ) 占比明显提高,As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 为 2.79.A F 处理灌浆期完成后土壤溶液 As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 明显提高的原因应当是 : 在灌浆期开始后, 湿润灌溉转为淹水灌溉降低了土壤的 E h, 从而使 As(Ⅴ) 向 As(Ⅲ) 转变. F A 处理在灌浆期开始以前, As(Ⅲ) 占比较高, As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 为 3.54, 灌浆期完成后,As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 浓度之和有所降低,As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 降低到

1006 环境科学学报 34 卷 1.15, 显著低于同期的 F 处理和 A F 处理.F A 处理灌浆期完成后土壤溶液 As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 明显降低的原因应当是 : 在水稻灌浆期开始后, 灌溉方式的改变提高了土壤的 E h, 从而使 As(Ⅲ) 向 As(Ⅴ) 转变. AFA 处理的土壤溶液是在一个周期湿润灌溉结束前抽取的,As(Ⅲ) As(Ⅴ) 浓度都保持在较低水平, 且 As(Ⅲ) 占比较低, 灌浆期开始前 As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 为 0.68, 显著低于同期的 F 处理和 F A 处理, 灌浆期完成后 As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 为 0.47, 显著低于同期的 F 处理和 A F 处理. 显然, 湿润灌溉可以降低土壤溶液中 As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 之和, 同时还可以降低 As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 的比值. 因为此时土壤处于好氧条件下, 砷的稳定存在形态为 As(Ⅴ),As(Ⅴ) 可以强烈地被吸附到粘粒矿物铁锰氧化物及其水化氧化物和土壤有机质上, 并且还可以和铁矿以砷酸铁的形式共沉淀. 故而从理论上来推断, 湿润灌溉应当能降低土壤 As 的毒性和水稻对 As 的吸收. 图 2 不同水分管理模式对土壤溶液中 As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 含量的影响 ( 不同水分管理模式的数据有相同字母者表示在 0.05 水平上无显著差异, 下同 ) Fig.2 Effect of water management regimes on the concentration of arsenite and arsenate in the soil solution 3.3 不同水分管理模式下水稻各部分的 As 含量从图 3 可以看出, 同 F 处理比较,A F 处理显著降低了根的 As 含量, 降幅达 42.8%,F A 和 AFA 处理根的 As 含量则与 F 处理没有显著差异.A F 处理大大降低了水稻根系 As 含量的原因可能是 : 灌浆期后根的活性降低 ( 曾翔等,2003), 水稻根系吸收 As 的关键时期是灌浆期以前, 在这个时期湿润灌溉能有效抑制根系对 As 的吸收.AFA 处理没有显著降低根系 As 含量的原因可能是 : 湿润灌溉几乎贯穿了水稻的整个生育期, 促使土壤中 As(Ⅲ) 向 As(Ⅴ) 转变, 虽然 As(Ⅲ) 的减少会降低根系对 As 的吸收, 但有报道 (Liu et al.,2004) 表明 As(Ⅴ) 与根表铁膜有更强的亲和力, 因此,AFA 处理根表铁膜中可能含有更多的 As, 这部分 As 应当难于向水稻地上部分转运. 就茎叶 As 含量而言,F 处理最高,A F F A 和 AFA 处理茎叶 As 含量比 F 处理分别低 34 28% 19 61% 31.06%, 差异显著,A F F A 和 AFA 处理茎叶 As 含量两两比较则无显著差异. 不同水分管理模式下, 糙米中总 As 含量的大小顺序为 :F>A F>F A>AFA,F 处理糙米中总 As 含量为 1 3 mg kg -1. 同 F 处理比较,A F 处理降低了糙米中总 As 含量, 但差异不显著.F A 和 AFA 处理则显著降低了糙米中总 As 含量, 与 F 处理相比, 分别使糙米中总 As 含量降低了 31.25% 和 45.15%,F A 和 AFA 之间没有显著差异.AFA 和 F A 能显著降低糙米中总 As 含量, 说明湿润灌溉能减少土壤 As 向糙米转移 ; 而 A F 不能显著降低糙米中总 As 含量, 说明水稻吸收 As 的关键时期是灌浆期开始以后, 在这个时期湿润灌溉才能有效减少土壤 As 向糙米转移. 糙米中无机 As 含量的大小顺序为 :F>A F>F A>AFA,F 处理下无机 As 含量为 1.09 mg kg -1, 与 F 处理相比,A F F A AFA 处理使糙米中的无机 As 含量分别降低了 18.4% 35.1% 40.35%, 差异显著, 但 F A 和 AFA 处理之间差异不显著. 不同水分管理模式下, 谷壳中 As 含量的大小顺序为 :F > A F > F A > AFA,F A 和 AFA 处理均使谷壳 As 含量比 F 处理显著降低, 谷壳 As 含量的规律与糙米基本相同, 这一结果与 Li 等 (2009) 的研究基本相符. 湿润灌溉减少水稻吸收土壤 As 的现象和土壤溶液中 As 价态分布的规律能够较好地吻合, 可以认为水分管理模式影响水稻吸收土壤 As 的机理就在于对土壤 As 价态分布的影响.F A 和 AFA 处理都能显著降低水稻糙米总 As 含量和无机 As 含量, 二者之间的效果没有显著差异,F A 处理仅在灌浆期开始后实施湿润灌溉,AFA 处理在水稻的整个生育期开展湿润灌溉, 从易于操作的角度来说,F A 处理是抑制糙米积累 As 的最佳措施. 此外, 本试验选用的

4 期龙水波等 : 不同水分管理模式对水稻吸收土壤砷的影响 1007 土壤 As 污染较严重 ( 总 As 为 73 35 mg kg -1 ),F A 和 AFA 处理都未能使糙米无机 As 含量达到食品中污染物限量 GB 2762 2005 ( 无机 As < 0 15 mg kg -1 )( 中华人民共和国卫生部,2005) 的要求, 说明 F A 和 AFA 这 2 项水分管理模式可能更适合于在中轻度 As 污染稻田中应用. Fig.3 图 3 不同水分管理模式对水稻根茎叶谷壳糙米中 As 含量的影响 Changes of As content in root, stem and leaf of rice and brown rice and husk of rice under different water managements 3.4 不同水分管理模式对水稻的生物量及经济产量影响作物生长发育的情况可以根据收获后干物质的积累表达出来, 水稻生长代谢对水分需求较多, 缺少水分时可导致其不抽穗不结实, 严重影响水稻产量. 从表 2 可以看出,4 种水分管理模式中,F 处理下根的生物量最高,A F F A 和 AFA 处理使根生物量逐步降低, 但仅 AFA 处理下根生物量与 F 比较有显著差异, 比 F 处理低 26.7%. 在水稻收获的过程中发现,F 处理下土壤中有大量须根, 而 AFA 处理下土壤中须根相对较少. 随着水分管理模式的改变, 茎叶谷壳和糙米的生物量都没有显著变化. 有资料表明, 跟淹水灌溉比较, 干湿交替灌溉 ( 湿润与淹水交替 ) 会导致水稻减产 (Won et al.,2005;belder et al., 2004), 但也有干湿交替灌溉增加产量的报道 (Mishra et al.,1990;tabbal et al.,2002). 研究结果的不一致可能与土壤和气候条件水稻品种及灌溉方法, 尤其是土壤落干程度等有关. 有研究表明, 轻度干湿交替处理能够通过提高干物质的转运效率, 使产量性状的构成更加合理, 从而提高水稻产量 ; 而在较重干湿交替下, 水稻产量则会显著降低, 这可能是由于生理需水量供应不足, 构成生理胁迫, 阻碍了籽粒灌浆结实, 导致产量下降 ( 张慎风, 2009). 显然, 在本试验中,AFA 处理长时间的湿润灌溉影响了根系的生长. Table 2 处理类型表 2 不同水分管理模式对水稻各部分干重的影响 Effect of water management regimes on all parts of rice biomass 水稻各部分干重 / (g 株 -1 ) 根茎叶壳糙米 F 5.7±0.3 a 41.3±5.6 a 13.4±2.7 a 29.6±5.5 a A F 5.5±1.6 ab 41.7±9.0 a 13.7±2.1 a 26.4±7.4 a F A 4.5±1.0 ab 40.7±3.9 a 11.6±3.4 a 27.9±3.4 a AFA 3.7±0.2 b 41.9±9.9 a 13.1±1.4 a 23.0±3.6 a 4 结论 (Conclusions) 1) 同 F 处理比较,A F 处理能显著降低水稻根和茎叶 As 含量,F A 处理能显著降低水稻茎叶谷壳和糙米 As 含量, 其中, 糙米 As 含量和无机 As 含量分别下降 31.25% 18.4%,AFA 处理也能显著降

1008 环境科学学报 34 卷低水稻茎叶谷壳和糙米的 As 含量, 其中, 糙米 As 含量和无机 As 含量分别下降 45.15% 40.35%. 同 F 处理比较,A F F A AFA 对水稻生物量都影响不大, 仅 AFA 处理显著减少了水稻根系生物量. 2)F A 处理降低糙米 As 含量的机理是 : 灌浆期是水稻糙米吸收土壤 As 的关键时期, 此时湿润灌溉使土壤 E h 显著提高, 土壤溶液 As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 浓度之和有所降低,As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 也显著降低, 土壤 As 的迁移能力得到明显抑制.AFA 处理降低糙米 As 含量的机理是 : 在水稻的整个生长周期内都有间歇性的湿润灌溉, 土壤 E h 较高, 土壤溶液 As(Ⅲ) 和 As(Ⅴ) 浓度之和及 As(Ⅲ) / As(Ⅴ) 始终较低. 3) 综合分析,F A 和 AFA 处理都能有效降低水稻糙米 As 含量和无机 As 含量, 但其效果无显著差异, 且 F A 处理的操作比 AFA 更简单, 可以认为 F A 处理是污染土壤中控制水稻糙米累积 As 的最佳水分管理模式. 责任作者简介 : 曾敏 (1978 ), 男, 副教授, 硕士生导师, 主要从事土壤污染防治研究. E mail: emailzm@ 163.com. 参考文献 (References): Arao T, Kawasaki A, Baba K, et al.2009. Effects of water management on cadmium and arsenic accumulation and dimethylarsinic acid concentrations in Japanese rice [ J ]. Environmental Science and Technology, 43:9361 9367 Belder P, Bouman B A M, Cabangon R, et al. 2004. Effect of water saving irrigation on rice yield and water use in typical lowland conditions in Asia[ J].Agricultural Water Management,65:193 210 曹国选.2006. 砷, 伸向生态生命的魔爪郴州市砷污染战从未停息 [J]. 环境经济杂志,9(33):32 36 陈丽娜.2009. 不同水分管理模式下砷在土壤水稻体系中时空动态规律研究 [D]. 保定 : 河北农业大学陈同斌, 刘更另.1993. 砷对水稻生长发育的影响及其原因 [J]. 中国农业科学,26(6):50 58 Corwin D L,David A,Goldberg S.1999.Mobility of arsenic in soil from the rocky mountain arsenal area [ J].Journal of Contaminant Hydrology, 39: 35 38 贾炎, 黄海, 张思宇, 等.2012. 无机砷和甲基砷在水稻体内吸收运移的比较研究 [J]. 环境科学学报, 32(10):2484 2486 Li R Y, Stroud J L, Ma J F, et al. 2009. Mitigation of arsenic accumulation in rice with water management and silicon fertilization [ J]. Environmental Science and Technology,43(10): 3778 3783 Liu W J, Zhu Y G, Smith F A, et al.2004.do iron plaque and genotypes affect arsenate uptake and translocation by rice seedlings ( Oryza sativa L) grown in solution culture [ J]. Journal of Experimental Botany,55(403): 1707 1713 Ma J F, Yamaji N, Mitani N,et al.2008. Transporters of arsenite in rice and their role in arsenic accumulation in rice grain[ J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(29): 9931 9935 Meharg A A.2004. Arsenic in rice understanding a new disaster for south east Asia[J]. Trends in Plant Science, 9: 415 417 Moon D H, Dermatas D, Menounou N.2004. Arsenic immobilization by calcium arsenic precipitates in lime treated soils[ J]. Science of the Total Environment, 330: 171 185 Mishra H S, Rathore T R, Pant R C.1990.Effect of intermittent irrigation on groundwater table contribution, irrigation requirement and yield of rice in Mullions of Tarai region [ J ]. Agricultural Water Management, 18:231 241 Smith A H, Goycolea M, Haque R, et al. 1998. Marked increase in bladder and lung cancer mortality in a region of Northern Chile due to arsenic in drinking water[ J]. American Journal of Epidemiology, 147(7): 660 669 Smith A H, Lingas E O, Rahman M. 2000. Contamination of drinking water by arsenic in Bangladesh: a public health emergency [ J]. Bulletin of the World Health Organization,78(9):1093 1103 Somenahally A C, Hollister E B, Yan W G, et al. 2011. Water management impacts on arsenic speciation and iron reducing bacteria in contrasting rice rhizosphere compartments [ J ]. Environmental Science and Technology, 45(19):8328 8335 Tabbal D F, Bouman B A M, Bhuiyan S I, et al.2002.on farm strategies for reducing water input in irrigated rice: case studies in the Philippines[ J]. Agricultural Water Management,56(2):93 112 Takahashi Y, Minamikawa R, Hattori K H, et al.2004.arsenic behavior in paddy fields during the cycle of flooded and non flooded periods [ J]. Environment Science and Technology,38(4): 1038 1044 Tseng W P, Chu H M, How S W, et al.1968.prevalence of skin cancer in an endemic area of chronic arsenicism in Taiwan[ J]. Journal of the National Cancer Institute,40(3): 453 463 Won J G, Choi J S, Lee S P, et al. 2005. Water saving by shallow intermittent irrigation and growth of rice [ J ]. Plant Production Science,8(4):487 492 张慎风.2009. 干湿交替灌溉对水稻生长发育产量与品质的影响 [D]. 扬州 : 扬州大学曾翔, 李阳生, 谢小立, 等.2003. 不同灌溉模式对杂交水稻生育后期根系生理特性和剑叶光合特性的影响 [ J]. 中国水稻科学,17 (4):66 70 中华人民共和国环境保护总局.2006.HJ / T332 2006 食用农产品产地环境质量评价标准 [S]. 北京 : 中国环境科学出版社中华人民共和国卫生部.2003.GB / T 5009.11 2003 食品中总砷及无机砷的测定 [S]. 北京 : 中国标准出版社中华人民共和国卫生部. 2005. GB2762 2005 食品中污染物限量 [S]. 北京 : 中国标准出版社