砷污染土壤—水稻中砷形態(tài)的變化特征及其影響因素研究.pdf

1、近年來(lái)，包括我國(guó)在內(nèi)的世界上很多國(guó)家和地區(qū)都受到了不同程度的砷污染。作為亞洲主要糧食作物之一的水稻，由于稻田厭氧的特殊性質(zhì)和水稻髓腔中空的特殊解剖結(jié)構(gòu)，砷在稻米中的含量遠(yuǎn)高于旱作農(nóng)作物。但砷總量并不是評(píng)價(jià)其健康風(fēng)險(xiǎn)的唯一指標(biāo)，砷的存在形態(tài)與其生物毒性關(guān)系更為密切。土壤-植物中砷的形態(tài)主要有無(wú)機(jī)砷和有機(jī)砷，無(wú)機(jī)砷主要包括亞砷酸（鹽）(AsⅢ)和砷酸（鹽）(AsⅤ);有機(jī)砷主要是單甲基砷酸（鹽）(MMAⅤ)和二甲基砷酸（鹽）(DMAⅤ)，其

2、毒性順序?yàn)?AsⅢ＞ AsⅤ＞ MMAⅤ＞ DMAⅤ，無(wú)機(jī)砷的毒性明顯高于有機(jī)砷。土壤的物理化學(xué)和生物學(xué)特性都會(huì)影響砷形態(tài)的變化，例如有機(jī)質(zhì)、土壤氧化還原狀況和土壤微生物等?；诖耍狙芯窟x擇了水稻種植區(qū)的砷污染土，模擬水稻的生長(zhǎng)環(huán)境，擬開(kāi)展不同培養(yǎng)溫度、土壤是否滅菌、外源添加硅和有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤溶液中砷形態(tài)及總砷濃度動(dòng)態(tài)變化的影響研究，以及淹水和干濕交替水分管理模式下外源硅和有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤溶液及水稻各部位砷累積規(guī)律的影響研究，分析了砷污染土

3、壤-水稻體系中砷的賦存形態(tài)、有效性及其相應(yīng)的影響因素，篩選出降低土壤中砷的生物有效性以及減少植物對(duì)砷吸收的主要可行途徑。主要的研究結(jié)果如下:
　　 (1)淹水—控溫模式下砷污染水稻土溶液中砷形態(tài)變化的研究
　　 采用室內(nèi)生物學(xué)模擬試驗(yàn)的研究方法，結(jié)合高效液相色譜(HPLC)-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)聯(lián)用分析測(cè)試系統(tǒng)，研究了不同培養(yǎng)溫度（5、27和50℃）對(duì)滅菌和不滅菌的土壤淹水后其溶液中砷賦存形態(tài)變化的影響。

4、結(jié)果表明:在土壤溶液中中檢測(cè)到的砷形態(tài)有AsⅢ、AsⅤ和DMAⅤ，未檢測(cè)到MMAⅤ的存在。整個(gè)淹水時(shí)期，溫度對(duì)土壤溶液中AsⅢ、AsⅤ和DMAⅤ的濃度影響均顯著（P＜0.05）。50℃下滅菌土壤在淹水23 d后溶液中DMAⅤ濃度最高，為23.7 ng/mL，這說(shuō)明滅菌土壤中殘留的某些嗜熱微生物成為優(yōu)勢(shì)菌群并促進(jìn)了土壤溶液中砷的甲基化。結(jié)合水稻生長(zhǎng)的實(shí)際環(huán)境條件和該研究的結(jié)果進(jìn)行分析表明，培養(yǎng)溫度27℃、淹水23 d后不滅菌的自然土壤溶液

5、中總砷的濃度較低。因此，在砷污染的水稻種植區(qū)建議采用短周期干濕交替的水分管理模式，盡量降低土壤溶液中總砷水平，以減小土壤中砷的生物有效性。
　　 (2)外源硅和有機(jī)質(zhì)對(duì)淹水砷污染水稻土溶液中砷形態(tài)變化的影響研究
　　 采用室內(nèi)生物學(xué)模擬試驗(yàn)的研究方法，結(jié)合高效液相色譜(HPLC)-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)聯(lián)用分析測(cè)試系統(tǒng)，探索了淹水模式下滅菌/不滅菌土壤中添加硅和有機(jī)質(zhì)對(duì)砷污染土壤溶液中砷賦存形態(tài)的影響。在土

6、壤溶液中檢測(cè)到的砷的賦存形態(tài)有三價(jià)砷AsⅢ、五價(jià)砷AsⅤ和二甲基砷DMAⅤ，并沒(méi)有檢測(cè)到單甲基砷MMAⅤ的存在。在滅菌的情況下，隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)添加外源硅增加了土壤溶液中AsⅢ和AsⅤ的濃度;在自然淹水的土壤中添加有機(jī)質(zhì)明顯降低了土壤溶液中AsⅢ，AsⅤ，DMAⅤ和水溶性總砷的濃度（P＜0.05）。結(jié)合水稻生長(zhǎng)的實(shí)際環(huán)境條件和該研究的結(jié)果進(jìn)行分析顯示，淹水20 d后添加有機(jī)質(zhì)的不滅菌的自然土壤溶液中總砷濃度較低為99.2 ng/mL，

7、因此，在砷污染的水稻種植區(qū)建議采用短周期干濕交替的水分管理模式和適量施用有機(jī)肥，盡量降低土壤溶液中總砷的濃度，從而控制土壤中砷的生物有效性。
　　 (3)淹水和干濕交替模式下外源硅和有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤溶液及水稻各部位砷累積規(guī)律的影響研究
　　 對(duì)于水稻稻穗，淹水模式下只有對(duì)照和加硅處理的水稻在成熟期結(jié)穗;干濕交替模式下只有對(duì)照和加有機(jī)質(zhì)處理的水稻在成熟期結(jié)穗;對(duì)于水稻莖稈，兩種水分管理模式下，各處理下的稻穗干物重均低于對(duì)照。加

8、有機(jī)質(zhì)并未促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。
　　 水稻土壤溶液中只存在AsⅢ、AsⅤ和DMAⅤ3種砷形態(tài)，并未檢測(cè)出MMAⅤ。淹水模式下AsⅢ為土壤溶液中砷的主要賦存形態(tài);干濕交替模式下AsⅤ為主要賦存形態(tài)。兩種水分管理模式對(duì)培養(yǎng)130 d和170 d時(shí)土壤溶液中總砷濃度影響顯著（P＜0.05），淹水模式下各處理土壤溶液中總砷濃度明顯高于干濕交替模式。淹水210d時(shí)各處理下土壤溶液總砷濃度急劇下降，且對(duì)照和加有機(jī)質(zhì)處理的土壤溶液中總砷濃度低于其他

9、兩個(gè)處理。
　　 無(wú)論淹水模式還是干濕交替模式，不同處理對(duì)水稻莖稈中總砷濃度影響顯著（P＜0.05），加硅及+Si+OM處理均顯著降低了莖稈中總砷濃度。淹水模式下加硅處理的水稻莖稈中總砷濃度最低，為1632μg/kg。結(jié)合水稻實(shí)際生長(zhǎng)環(huán)境，適量施硅可減少砷在水稻莖稈中的積累。
　　 淹水模式下加硅顯著降低了水稻穎殼中的總砷濃度（P＜0.05），加硅處理的水稻穎殼中總砷濃度最低，為375μg/kg;干濕交替模式下，添加有機(jī)