土壤_水稻系統(tǒng)砷遷移累積的影響因素及調(diào)控措施_沈孝輝

2024年4月1日發(fā)(作者：貼怎么組詞)

第

45

卷第

5

期

2014

年

10

月

土壤

通報

ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌＳｃｉｅｎｃｅ

Vol.

45,No.5

Oct.,2014

土壤－水稻系統(tǒng)砷遷移累積的

影響因素及調(diào)控措施

沈孝輝

1

，

李仁英

1,

2*

，

徐向華

1

，

謝曉金

1

，

鄭慧琳

1

，

黃維

1

，

喬舒婷

1

（

１．南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，江蘇南京２１００４４；

２．土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），江蘇南京２１０００８）

摘

要：砷（Ａｓ）作為危害人類健康的污染物之一，對糧食安全和人類健康的威脅已引起全世界的廣泛關(guān)注。水稻對砷具有較強

的富集能力，目前對土壤中砷的有效性、水稻對砷的吸收、水稻內(nèi)砷的運轉(zhuǎn)及影響因素等方面進行了廣泛深入的研究。在總結(jié)目

前研究成果的基礎(chǔ)上，從土壤砷有效性和水稻砷吸收兩個方面，討論了土壤質(zhì)地、有機質(zhì)、灌溉方式、土壤微生物、根際環(huán)境、施

肥種類、水稻品種及復合污染對土壤－水稻系統(tǒng)中砷遷移轉(zhuǎn)化的影響因素及其機制，并從灌溉方式、施肥種類和方式及基因工

程等方面進一步討論了降低水稻砷吸收和積累的措施。根據(jù)目前研究中出現(xiàn)的問題和不足，對未來尚需要進一步深入的研究提

出自己的建議和展望。

關(guān)鍵詞：砷；水稻；有效性；影響因素；措施

文獻標識碼：Ａ文章編號：０５６４－３９４５（２０１４）０５－１２７３－０８中圖分類號：Ｘ５３

沈孝輝，李仁英，徐向華，謝曉金，鄭慧琳，黃維，喬舒婷．土壤－水稻系統(tǒng)砷遷移累積的影響因素及調(diào)控措施［Ｊ］．土壤通報，

２０１４，４５（５）：１２７３－１２８０

ＳＨＥＮＸｉａｏ－ｈｕｉ，ＬＩＲｅｎ－ｙｉｎｇ，ＸＵＸｉａｎｇ－ｈｕａ，ＸＩＥＸｉａｏ－ｊｉｎ，ＺＨＥＮＧＨｕｉ－ｌｉｎ，ＨＵＡＮＧＷｅｉ，ＱＩＡＯＳｈｕ－ｔｉｎｇ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇＦａｃｔｏｒｓｏｆ

ＡｒｓｅｎｉｃＴｒａｎｓｆｅｒｉｎＳｏｉｌ－ＲｉｃｅＳｙｓｔｅｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＭｅａｓｕｒｅｓｔｏＭｉｔｉｇａｔｅＡｒｓｅｎｉｃＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｉｎＲｉｃｅ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌ

Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１４，４５（５）：１２７３－１２８０

隨著日益加劇的土壤砷污染，

砷（Ａｓ）及其化合物

對人類健康的危害已引起全世界的廣泛關(guān)注。孟加拉

國污染土壤中砷含量達到了８３ｍｇｋｇ

－１

，遠高于土壤

湖北、江西、浙

中砷的背景值

［１］

。我國許多地區(qū)如湖南、

江、廣東、廣西和云南等地也發(fā)生了不同程度的砷污染

問題

。由于水稻自身的特性及淹水栽培模式，水稻對

砷具有很強的富集能力。水稻是我國第一大糧食作物，

全國６０％以上人口以稻米為主食，每年稻米消費量占

糧食消費總量的５５％左右，水稻砷污染嚴重威脅到我

國糧食安全

［２］

。對來自中國

、美國、英國和西班牙大米

加工的嬰幼兒食品檢測發(fā)現(xiàn)，食品中主要為無機砷，占

總砷含量的６０％以上，雖然抽樣沒有發(fā)現(xiàn)超標（１５０

）

μｇｋｇ

－１

，但對８￣１２個月大的嬰幼兒，從大米加工食

品中攝取砷成為每天攝入砷的主要來源

［３］

。砷還會通

過食物鏈在人體內(nèi)富集，如秸稈中砷通過動物飼料等

方式傳遞，最后在人體內(nèi)濃縮。所以，水稻砷污染比人

們預期要大

［４］

，

如何降低砷在水稻內(nèi)的積累是目前迫

切需要解決的問題。

砷在水稻內(nèi)的積累與土壤中砷的生物有效性及水

稻對砷的吸收，即砷在土壤－水稻系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化

有關(guān)。目前對砷在土壤－水稻系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的影響

因素進行了大量研究。砷在土壤中以無機砷和有機砷

形態(tài)存在，其中大多數(shù)為無機砷，包括三價砷（Ａｓ（ＩＩＩ））

和五價砷（Ａｓ（Ｖ））；有機砷包括一甲基砷（ＭＭＡ）和二甲

基砷（ＤＭＡ），但占土壤總砷比例極低

［５］

。砷的毒性和生

物有效性主要依賴于砷的存在形態(tài)，無機砷毒性大于

有機砷，而在無機砷中，Ａｓ（ＩＩＩ）毒性遠遠大于Ａｓ（Ｖ）

［６］

。不

同形態(tài)的砷，

有效性差異很大，離子吸附態(tài)砷易被水稻

吸收；離子結(jié)合態(tài)砷與Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ離子結(jié)合形成難溶性

砷化物，有效性降低

［５］

。水稻對不同形態(tài)砷的吸收能力

差異較大，

水稻對無機砷吸收能力明顯強于有機砷，且

無機砷中Ａｓ（ＩＩＩ）比Ａｓ（Ｖ）更易被水稻根吸收。研究表

明，Ａｓ（ＩＩＩ）與硅共享同一轉(zhuǎn)運通道，主要通過Ｌｓｉ１水通

道蛋白進入根部，然后通過Ｌｓｉ２水通道蛋白運輸?shù)侥?/p>

質(zhì)部；Ａｓ（Ｖ）與磷的化學性質(zhì)相似，Ａｓ（Ｖ）通過磷的轉(zhuǎn)運

磷等元素影響水稻對砷

系統(tǒng)進入水稻根系

［７］

。所以硅、

收稿日期：

２０１３－０９－１８；

修訂日期：

２０１４－０３－２４

（４１００１１９０，４１２０５０８７，４１１０１２９４）、土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室項目（Ｙ０５２０１００１８）、中國科學院土壤環(huán)

基金項目：

國家自然科學基金項目

境與污染修復重點實驗室項目、江蘇省政府留學獎學金項目、江蘇省自然科學基金項目（ＢＫ２０１４１４７９）和南京信息工程大學實驗室開放項

目（１４ＫＦ０６３）共同資助

作者簡介：

沈孝輝

（１９８９－），男，江蘇揚州人，碩士，主要從事土壤重金屬污染及生物有效性。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｈｕｉ００７＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ

*

通訊作者：

Ｅ－ｍａｉｌ：

ｒｙｌｉ２００５＠ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

１２７４

土

壤通報

第

45

卷

的吸收和轉(zhuǎn)移。

本研究從土壤中砷生物有效性和水稻對砷吸收轉(zhuǎn)

運兩個方面，

總結(jié)闡述了其影響因素及其機理，并在此

基礎(chǔ)上提出了降低水稻砷吸收的措施，從而為砷污染

稻作區(qū)降低水稻砷積累提供重要的理論依據(jù)。

于傳遞電子能力不同，對砷不同形態(tài)之間轉(zhuǎn)化的影響

程度也存在差異。土壤中施入有機質(zhì)后砷有效性增加

的原因主要有以下兩個方面：（１）有機質(zhì)與砷之間競爭

土壤膠體吸附位點，從而減少了土壤對砷的吸附；（２）

添加有機質(zhì)后，微生物大量繁殖，消耗了大部分氧氣，

Ｅｈ降低，從而將鐵氧化物和氫氧化物中固定的砷釋放

出來，增加砷的生物有效性

［１７］

。

1.3灌溉方式

不同灌溉方式主要通過改變砷的形態(tài)而影響砷的

生物有效性

。在土壤淹水時，土壤Ｅｈ較低，還原能力

較強，從而使鐵錳結(jié)合的砷化合物被還原或鐵錳閉蓄

的砷化合物釋放出來，導致土壤溶液中砷的移動性和

有效性增加；而在非淹水時期，土壤Ｅｈ較高，砷主要

與鐵錳氧化物結(jié)合，移動性和生物有效性顯著降低

［１８］

。

有研究表明在西孟加拉邦和印度砷污染地區(qū)，干旱月

份使用含砷污染水灌溉水稻，水稻中的砷含量卻低于

世界衛(wèi)生組織規(guī)定標準。此外，這些地區(qū)地下水受到砷

污染，用較少的水灌溉，不但能夠改變土壤Ｅｈ，還能夠

降低砷在耕作層中富集

［１９］

。Ｔａｌｕｋｄｅｒ

等

［２０］

研究發(fā)現(xiàn)，

保

持土壤水分近飽和的灌溉方式下，土壤Ｅｈ較高，毛管

水中砷有效性比淹水灌溉低，并且此灌溉方式下，水稻

籽粒砷含量只有淹水灌溉方式的４１％￣４５％。Ｓａｒｋａｒ

等

［１９］

在水稻移栽后的

１５￣４０ｄ，采用４種灌溉方式發(fā)

現(xiàn)，持續(xù)淹水（ＣＰ）灌溉，水稻土中的砷含量最高，其次

是間歇淹水（ＩＰ）、保持土壤飽和含水量（ＳＡＴ）和保持

土壤濕潤（ＡＥＲ）的灌溉方式。在ＡＥＲ的灌溉方式下，

土壤Ｅｈ比較高，水稻根中的砷含量在４５和８０ｄ時最

低，比ＣＰ分別低３１％和７％。Ａｎｉｌ等

［２１］

研究發(fā)現(xiàn)在持

續(xù)淹水條件下，鐵還原菌要高于間歇灌溉，鐵還原菌能

夠?qū)㈣F氧化物還原，使得被鐵氧化物固定的砷被釋放

出來，從而增加砷生物有效性。稻田不同水分管理模

式，主要影響著土壤Ｅｈ，改變鐵錳氧化物含量及其對

砷的吸持，影響砷的形態(tài)、砷的吸附解吸平衡，從而影

響砷的有效性。

1.4微生物

微生物在長期與砷共存的過程中，進化出多種不

同的砷轉(zhuǎn)化機制，如甲基化、揮發(fā)、氧化和還原作用，或

通過自身代謝及其代謝產(chǎn)物吸收、共沉淀固定砷，降低

砷的有效性，減少水稻的吸收。許多微生物能將Ａｓ（Ⅲ）

甲基化，這些微生物主要利用亞砷酸甲基轉(zhuǎn)移酶（Ａｒ－

ｓｅｎｉｔｅＭｅｔｈｙｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒａｓｅ）將Ａｓ（ＩＩＩ）甲基化，最終生

成單甲基砷（ＭＭＡ）和二甲基砷（ＤＭＡ）等甲基砷產(chǎn)物，

這些產(chǎn)物毒性均低于Ａｓ（ＩＩＩ）

［２２］

。此外，

還發(fā)現(xiàn)藍細菌不

但能將砷甲基化，還能引起砷揮發(fā)現(xiàn)象

［２３］

。如果能夠?qū)?/p>

1

1.1

土壤砷有效性的主要影響因素

土壤質(zhì)地

不同質(zhì)地土壤中粒徑差異很大，對重金屬吸附能

力不同，因此不同質(zhì)地土壤重金屬有效性存在著明顯

差異。一般情況下，

粗質(zhì)地土壤對砷吸持能力較弱，砷

含量小，但砷毒性較強，如沙質(zhì)土壤和花崗巖衍生的土

壤砷含量最低，淤積土壤和有機質(zhì)含量高的土壤砷含

量較高

［８］

。砷有效性還與土壤中

Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ等元素

存在形態(tài)密切相關(guān)，如富含Ｆｅ、Ａｌ化合物酸性和弱酸

性的紅壤具有相當強的固砷作用，其中主要與鐵氧化

物有關(guān)，鐵氧化物的鐵陽離子和氫氧基組成的表面官

能團通過質(zhì)子締合和離解而帶電，是土壤中產(chǎn)生正電

荷的主要物質(zhì)之一，而砷在土壤溶液中以帶負電荷砷

氧陰離子存在，在靜電引力作用下，砷氧陰離子能夠跨

越能量壁壘接近鐵氧化物膠體的表面，產(chǎn)生專性吸附

［９］

，

所以土壤中鐵氧化物含量越高，

能夠提供的吸附位點就

越多，對砷的吸附能力越強。李勛光對我國常見幾種土

壤研究發(fā)現(xiàn)，土壤對Ａｓ（ＩＩＩ）和Ａｓ（Ｖ）吸附性能和土壤砷

對水稻毒性大小順序依次是磚紅壤＞紅壤＞黃棕壤

［９］

；

邵云等人在研究不同質(zhì)地土壤中砷對小麥脅迫作用時

得知，

黏土、壤土由于能夠吸附一部分重金屬而降低其

生物有效性，從而緩解了砷的脅迫作用，而沙土對砷脅

迫的緩解效果較差

［１１］

。通過模式植物對富集砷的模擬

得知土壤中砂粒含量對植物富集砷濃度影響較大，粉

粒和黏粒含量也有一定影響

［１２］

。所以含有砂礫較多的

粗質(zhì)地土壤對砷吸附性弱，砷含量小，但砷生物有效性

提高，對植物危害大；而質(zhì)地較細的黏重土壤相反。

1.2有機質(zhì)

有機質(zhì)影響稻田中砷的移動性及環(huán)境行為。

Ｅｄｕａｒｄｏ等

［１３］

將有機堆肥施入砷污染的淹水稻田中，

土

壤毛管水中砷含量增加，其中砷主要以二甲基砷

添加有機質(zhì)增（ＤＭＡ）為主。Ｇａｒｅｔｈ等

［１４］

的研究也得出，

加了土壤溶液中砷的有效性，導致穗中砷含量增加，并

使水稻開花期推遲、生物量降低。Ｒｏｗｌａｎｄ等

［１５］

對其機

理進行了研究，結(jié)果表明，添加有機質(zhì)后，微生物大量

繁殖，消耗了大部分氧氣，Ｅｈ降低，并將砷從鐵氧化物

和氫氧化物中釋放出來，從而增加了砷的移動性。朱維

晃等

［１６］

的研究也表明，

不同類型溶解有機質(zhì)（ＤＯＭ），由