土壤_水稻系统砷迁移累积的影响因素及调控措施_沈孝辉

2024年4月1日发(作者：贴怎么组词)

第

45

卷第

5

期

2014

年

10

月

土壤

通报

ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌＳｃｉｅｎｃｅ

Vol.

45,No.5

Oct.,2014

土壤－水稻系统砷迁移累积的

影响因素及调控措施

沈孝辉

1

，

李仁英

1,

2*

，

徐向华

1

，

谢晓金

1

，

郑慧琳

1

，

黄维

1

，

乔舒婷

1

（

１．南京信息工程大学应用气象学院，江苏省农业气象重点实验室，江苏南京２１００４４；

２．土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），江苏南京２１０００８）

摘

要：砷（Ａｓ）作为危害人类健康的污染物之一，对粮食安全和人类健康的威胁已引起全世界的广泛关注。水稻对砷具有较强

的富集能力，目前对土壤中砷的有效性、水稻对砷的吸收、水稻内砷的运转及影响因素等方面进行了广泛深入的研究。在总结目

前研究成果的基础上，从土壤砷有效性和水稻砷吸收两个方面，讨论了土壤质地、有机质、灌溉方式、土壤微生物、根际环境、施

肥种类、水稻品种及复合污染对土壤－水稻系统中砷迁移转化的影响因素及其机制，并从灌溉方式、施肥种类和方式及基因工

程等方面进一步讨论了降低水稻砷吸收和积累的措施。根据目前研究中出现的问题和不足，对未来尚需要进一步深入的研究提

出自己的建议和展望。

关键词：砷；水稻；有效性；影响因素；措施

文献标识码：Ａ文章编号：０５６４－３９４５（２０１４）０５－１２７３－０８中图分类号：Ｘ５３

沈孝辉，李仁英，徐向华，谢晓金，郑慧琳，黄维，乔舒婷．土壤－水稻系统砷迁移累积的影响因素及调控措施［Ｊ］．土壤通报，

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

随着日益加剧的土壤砷污染，

砷（Ａｓ）及其化合物

对人类健康的危害已引起全世界的广泛关注。孟加拉

国污染土壤中砷含量达到了８３ｍｇｋｇ

－１

，远高于土壤

湖北、江西、浙

中砷的背景值

［１］

。我国许多地区如湖南、

江、广东、广西和云南等地也发生了不同程度的砷污染

问题

。由于水稻自身的特性及淹水栽培模式，水稻对

砷具有很强的富集能力。水稻是我国第一大粮食作物，

全国６０％以上人口以稻米为主食，每年稻米消费量占

粮食消费总量的５５％左右，水稻砷污染严重威胁到我

国粮食安全

［２］

。对来自中国

、美国、英国和西班牙大米

加工的婴幼儿食品检测发现，食品中主要为无机砷，占

总砷含量的６０％以上，虽然抽样没有发现超标（１５０

）

μｇｋｇ

－１

，但对８￣１２个月大的婴幼儿，从大米加工食

品中摄取砷成为每天摄入砷的主要来源

［３］

。砷还会通

过食物链在人体内富集，如秸秆中砷通过动物饲料等

方式传递，最后在人体内浓缩。所以，水稻砷污染比人

们预期要大

［４］

，

如何降低砷在水稻内的积累是目前迫

切需要解决的问题。

砷在水稻内的积累与土壤中砷的生物有效性及水

稻对砷的吸收，即砷在土壤－水稻系统中的迁移转化

有关。目前对砷在土壤－水稻系统中迁移转化的影响

因素进行了大量研究。砷在土壤中以无机砷和有机砷

形态存在，其中大多数为无机砷，包括三价砷（Ａｓ（ＩＩＩ））

和五价砷（Ａｓ（Ｖ））；有机砷包括一甲基砷（ＭＭＡ）和二甲

基砷（ＤＭＡ），但占土壤总砷比例极低

［５］

。砷的毒性和生

物有效性主要依赖于砷的存在形态，无机砷毒性大于

有机砷，而在无机砷中，Ａｓ（ＩＩＩ）毒性远远大于Ａｓ（Ｖ）

［６］

。不

同形态的砷，

有效性差异很大，离子吸附态砷易被水稻

吸收；离子结合态砷与Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ离子结合形成难溶性

砷化物，有效性降低

［５］

。水稻对不同形态砷的吸收能力

差异较大，

水稻对无机砷吸收能力明显强于有机砷，且

无机砷中Ａｓ（ＩＩＩ）比Ａｓ（Ｖ）更易被水稻根吸收。研究表

明，Ａｓ（ＩＩＩ）与硅共享同一转运通道，主要通过Ｌｓｉ１水通

道蛋白进入根部，然后通过Ｌｓｉ２水通道蛋白运输到木

质部；Ａｓ（Ｖ）与磷的化学性质相似，Ａｓ（Ｖ）通过磷的转运

磷等元素影响水稻对砷

系统进入水稻根系

［７］

。所以硅、

收稿日期：

２０１３－０９－１８；

修订日期：

２０１４－０３－２４

（４１００１１９０，４１２０５０８７，４１１０１２９４）、土壤与农业可持续发展国家重点实验室项目（Ｙ０５２０１００１８）、中国科学院土壤环

基金项目：

国家自然科学基金项目

境与污染修复重点实验室项目、江苏省政府留学奖学金项目、江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２０１４１４７９）和南京信息工程大学实验室开放项

目（１４ＫＦ０６３）共同资助

作者简介：

沈孝辉

（１９８９－），男，江苏扬州人，硕士，主要从事土壤重金属污染及生物有效性。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｈｕｉ００７＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ

*

通讯作者：

Ｅ－ｍａｉｌ：

ｒｙｌｉ２００５＠ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

１２７４

土

壤通报

第

45

卷

的吸收和转移。

本研究从土壤中砷生物有效性和水稻对砷吸收转

运两个方面，

总结阐述了其影响因素及其机理，并在此

基础上提出了降低水稻砷吸收的措施，从而为砷污染

稻作区降低水稻砷积累提供重要的理论依据。

于传递电子能力不同，对砷不同形态之间转化的影响

程度也存在差异。土壤中施入有机质后砷有效性增加

的原因主要有以下两个方面：（１）有机质与砷之间竞争

土壤胶体吸附位点，从而减少了土壤对砷的吸附；（２）

添加有机质后，微生物大量繁殖，消耗了大部分氧气，

Ｅｈ降低，从而将铁氧化物和氢氧化物中固定的砷释放

出来，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过改变砷的形态而影响砷的

生物有效性

。在土壤淹水时，土壤Ｅｈ较低，还原能力

较强，从而使铁锰结合的砷化合物被还原或铁锰闭蓄

的砷化合物释放出来，导致土壤溶液中砷的移动性和

有效性增加；而在非淹水时期，土壤Ｅｈ较高，砷主要

与铁锰氧化物结合，移动性和生物有效性显著降低

［１８］

。

有研究表明在西孟加拉邦和印度砷污染地区，干旱月

份使用含砷污染水灌溉水稻，水稻中的砷含量却低于

世界卫生组织规定标准。此外，这些地区地下水受到砷

污染，用较少的水灌溉，不但能够改变土壤Ｅｈ，还能够

降低砷在耕作层中富集

［１９］

。Ｔａｌｕｋｄｅｒ

等

［２０］

研究发现，

保

持土壤水分近饱和的灌溉方式下，土壤Ｅｈ较高，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种灌溉方式发

现，持续淹水（ＣＰ）灌溉，水稻土中的砷含量最高，其次

是间歇淹水（ＩＰ）、保持土壤饱和含水量（ＳＡＴ）和保持

土壤湿润（ＡＥＲ）的灌溉方式。在ＡＥＲ的灌溉方式下，

土壤Ｅｈ比较高，水稻根中的砷含量在４５和８０ｄ时最

低，比ＣＰ分别低３１％和７％。Ａｎｉｌ等

［２１］

研究发现在持

续淹水条件下，铁还原菌要高于间歇灌溉，铁还原菌能

够将铁氧化物还原，使得被铁氧化物固定的砷被释放

出来，从而增加砷生物有效性。稻田不同水分管理模

式，主要影响着土壤Ｅｈ，改变铁锰氧化物含量及其对

砷的吸持，影响砷的形态、砷的吸附解吸平衡，从而影

响砷的有效性。

1.4微生物

微生物在长期与砷共存的过程中，进化出多种不

同的砷转化机制，如甲基化、挥发、氧化和还原作用，或

通过自身代谢及其代谢产物吸收、共沉淀固定砷，降低

砷的有效性，减少水稻的吸收。许多微生物能将Ａｓ（Ⅲ）

甲基化，这些微生物主要利用亚砷酸甲基转移酶（Ａｒ－

ｓｅｎｉｔｅＭｅｔｈｙｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒａｓｅ）将Ａｓ（ＩＩＩ）甲基化，最终生

成单甲基砷（ＭＭＡ）和二甲基砷（ＤＭＡ）等甲基砷产物，

这些产物毒性均低于Ａｓ（ＩＩＩ）

［２２］

。此外，

还发现蓝细菌不

但能将砷甲基化，还能引起砷挥发现象

［２３］

。如果能够将

1

1.1

土壤砷有效性的主要影响因素

土壤质地

不同质地土壤中粒径差异很大，对重金属吸附能

力不同，因此不同质地土壤重金属有效性存在着明显

差异。一般情况下，

粗质地土壤对砷吸持能力较弱，砷

含量小，但砷毒性较强，如沙质土壤和花岗岩衍生的土

壤砷含量最低，淤积土壤和有机质含量高的土壤砷含

量较高

［８］

。砷有效性还与土壤中

Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ等元素

存在形态密切相关，如富含Ｆｅ、Ａｌ化合物酸性和弱酸

性的红壤具有相当强的固砷作用，其中主要与铁氧化

物有关，铁氧化物的铁阳离子和氢氧基组成的表面官

能团通过质子缔合和离解而带电，是土壤中产生正电

荷的主要物质之一，而砷在土壤溶液中以带负电荷砷

氧阴离子存在，在静电引力作用下，砷氧阴离子能够跨

越能量壁垒接近铁氧化物胶体的表面，产生专性吸附

［９］

，

所以土壤中铁氧化物含量越高，

能够提供的吸附位点就

越多，对砷的吸附能力越强。李勋光对我国常见几种土

壤研究发现，土壤对Ａｓ（ＩＩＩ）和Ａｓ（Ｖ）吸附性能和土壤砷

对水稻毒性大小顺序依次是砖红壤＞红壤＞黄棕壤

［９］

；

邵云等人在研究不同质地土壤中砷对小麦胁迫作用时

得知，

黏土、壤土由于能够吸附一部分重金属而降低其

生物有效性，从而缓解了砷的胁迫作用，而沙土对砷胁

迫的缓解效果较差

［１１］

。通过模式植物对富集砷的模拟

得知土壤中砂粒含量对植物富集砷浓度影响较大，粉

粒和黏粒含量也有一定影响

［１２］

。所以含有砂砾较多的

粗质地土壤对砷吸附性弱，砷含量小，但砷生物有效性

提高，对植物危害大；而质地较细的黏重土壤相反。

1.2有机质

有机质影响稻田中砷的移动性及环境行为。

Ｅｄｕａｒｄｏ等

［１３］

将有机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

添加有机质增（ＤＭＡ）为主。Ｇａｒｅｔｈ等

［１４］

的研究也得出，

加了土壤溶液中砷的有效性，导致穗中砷含量增加，并

使水稻开花期推迟、生物量降低。Ｒｏｗｌａｎｄ等

［１５］

对其机

理进行了研究，结果表明，添加有机质后，微生物大量

繁殖，消耗了大部分氧气，Ｅｈ降低，并将砷从铁氧化物

和氢氧化物中释放出来，从而增加了砷的移动性。朱维

晃等

［１６］

的研究也表明，

不同类型溶解有机质（ＤＯＭ），由