盆栽水稻对土壤汞富集特征及其影响因素

引用本文

干方群, 管斌, 王建国, 等. 盆栽水稻对土壤汞富集特征及其影响因素[J]. 生态与农村环境学报, 2018, 34(7): 630-635.

GAN Fang-qun, GUAN Bin, WANG Jian-guo, et al. Accumulation of Mercury in Rice Grown in Pot Experimental Soils and Its Impact Factors[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2018, 34(7): 630-635.

盆栽水稻对土壤汞富集特征及其影响因素

干方群 ¹, 管斌 ², 王建国 ³, 伊茂麒 ³, 尤晓慧 ³, 丁程成 ³, 杭小帅 ³, 梁斌 ³

1. 江苏开放大学(江苏城市职业学院)环境与生态学院, 江苏南京 210019;
2. 江苏农林职业技术学院, 江苏镇江 212400;
3. 环境保护部南京环境科学研究所, 江苏南京 210042

收稿日期：2017-10-27

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（41401360）；江苏省环境科学研究院科研开放基金（KF2013001）

作者简介：干方群(1984-), 女, 安徽巢湖人, 副教授, 博士, 主要从事土壤污染和水处理研究。E-mail:qunfanggan@163.com.

通信作者：杭小帅, E-mail: hangxiaoshuai@163.com.

摘要：通过室内水稻盆栽实验，研究了苏南水稻土在外源无机汞及秸秆还田条件下，成熟期水稻不同器官对汞（Hg）的富集行为，并对稻米Hg积累的影响进行分析。结果表明，土壤外源Hg明显抑制水稻生长，表现为根部、秸秆生物量及产量均显著下降，平均分别下降35%、24%和35%。相同土壤条件下，盆栽稻米Hg含量基本上低于野外调查结果，表明野外稻米中Hg的来源具有多元性特点，也存在其他室内外差异因素的影响。土壤中添加外源Hg，可明显增加成熟期水稻各器官对Hg的富集，稻米、稻壳和秸秆Hg含量平均分别提高220.9、39.5和97.8 μg·kg^-1。在不同盆栽土壤中，秸秆还田对外源Hg向水稻各器官迁移的影响存在异同。土壤pH、CEC、有机质和碳酸钙均可影响稻米对土壤中外源Hg的吸收。稻米富集Hg的能力强于稻壳，土壤中添加外源Hg条件下，稻米对Hg的富集能力提升速率明显高于秸秆。

关键词：土壤汞水稻富集秸秆还田

Accumulation of Mercury in Rice Grown in Pot Experimental Soils and Its Impact Factors

GAN Fang-qun ¹, GUAN Bin ², WANG Jian-guo ³, YI Mao-qi ³, YOU Xiao-hui ³, DING Cheng-cheng ³, HANG Xiao-shuai ³, LIANG Bin ³

1. College of Environment and Ecology, Jiangsu Open University(The City Vocational College of Jiangsu), Nanjing 210019, China;
2. Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry, Zhenjiang 212400, China;
3. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China

Abstract: Pot experiments were conducted to study the accumulation behaviors of mercury (Hg) in different mature rice tissues grown in the paddy soil from South Jiangsu Province, which was treated with exogenous inorganic Hg and rice straw incorporation. In addition, the impact factors of Hg accumulation in the rice grain were analyzed. The results show that exogenous Hg in soils significantly inhibited the growth of rice, with significant decrease in rice root and shoot biomass, as well as rice yield. The average rice root, shoot biomass, and rice yield were decreased by 35%, 24%, and 35%, respectively. The content of Hg in rice grain grown in the pot soil same as the field soil was lower than that of rice grain grown in the field soil, indicating that the Hg sources of rice in the paddy field were diverse, and the impacts of difference between the pot experiment and the field system also existed. The enrichment of Hg in mature rice tissues was increased obviously under the conditions of pot soils treated with exogenous Hg, and the average Hg content of rice grain, rice husk and straw were increased by 220.9, 39.5 and 97.8 μg·kg^-1, respectively. In different pot soil, the impact of rice straw incorporation on the migration of exogenous Hg to various tissues of rice was distinct. Soil pH, cation exchange capacity (CEC), organic matter (OM) and calcium carbonate can affect the accumulation of Hg in rice grown in soils treated with exogenous Hg. The ability of rice grain to enrich Hg was stronger than that of rice hull. The increasing rate of rice grain enrichment ability to Hg was higher than that of rice straw under the conditions of the experimental soil treated with exogenous Hg.

Key words: soil Hg rice enrichment rice straw incorporation

据统计, 当今世界每年向环境中排放汞(Hg)污染物约1.5万t^[1]。1995—2003年期间, 我国每年以2.9%的增长速度向环境中释放Hg污染物, 2003年已达到(696±307) t, 其中, 有色金属冶炼和燃煤是Hg的主要来源, 约占80%^[2]。释放到环境中的大部分Hg污染物最终进入土壤, 引起土壤Hg污染。

土壤是Hg的源与汇, 它在Hg的生物地球化学循环中的作用至关重要^[3]。我国土壤中Hg含量范围为0.001~45.90 mg·kg^-1, 高于世界土壤Hg自然含量的平均值^[4]。根据我国土壤普查可知, 约有1.6%样点的土壤样品出现Hg超标^[5]。Hg可在作物可食部分积累并进入食物链, 继而对人类健康造成严重威胁, 被联合国环境规划署列为全球性污染物。同时, Hg在生物体中易转化为毒性更大的甲基化合物, 也被美国环保局列为129种优先控制污染物之一^[6]。

全世界近一半的人口以大米为主粮, 大米出现污染将对人体健康产生巨大风险^[7]。研究^[8]表明, 在种植水稻的淹水还原条件下, Hg在土壤中的移动性强, 同时在还原菌的作用下易甲基化, 提高了土壤中无机Hg和甲基Hg的生物有效性, 促进水稻对其吸收。有研究^[9-10]表明, 水稻对无机Hg和甲基Hg的富集能力高于其他作物。中国是世界上第一水稻生产大国, 约有29%的大米产于中国^[11]。因此, 在我国土壤Hg污染对水稻安全生产的影响尤为突出。土壤Hg污染引起的粮食安全问题已倍受关注。

外源Hg进入土壤后, 其将与土壤组分作用, 尤其是Hg与有机质间具有极强的结合力^[12]。有机质含量高的土壤, 具有明显的Hg解毒作用, 土壤有机质中的腐殖酸可以通过对Hg的络合来影响土壤中Hg的存在形态和生物活性^[13-15]。因此, 研究外源Hg进入土壤后其对水稻的生物有效性显得尤为必要。常熟市以水稻生产为主, 研究表明, 农田土壤中Hg超标样点占52.3%, 稻米样品超标率达到20.6%, 且土壤中Hg与水稻籽粒中Hg含量对应关系存在较大差异^[10]。为进一步研究土壤与水稻中Hg的关系, 以及外源Hg进入土壤后对水稻生长发育及Hg富集的影响。笔者采集常熟市不同Hg污染程度农田耕层土壤, 进行水稻盆栽实验, 研究土壤Hg对水稻生长发育的影响以及成熟期水稻不同器官Hg含量与土壤组分的关联, 以期为治理与调控土壤Hg污染提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 供试土壤

供试土壤来源于江苏省常熟市农田耕层。根据HJ 332—2006《食用农产品产地环境质量标准》^[16], 水稻土壤Hg含量限值为0.3 mg·kg^-1(pH值6.5), GB 2726—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》^[17]中稻米Hg含量限值为20 μg·kg^-1。分别采集9种土壤样品与对应的水稻籽粒样品, 通过对样品中Hg含量的分析, 发现土壤与稻米中Hg含量的对应关系有3种:(1)土壤Hg含量(0.48~2.06 mg·kg^-1)超过相应土壤环境质量标准限值(0.3 mg·kg^-1), 对应稻米Hg含量(31.1~50.4 μg·kg^-1)也超过相应食品安全国家标准限值(20 μg·kg^-1); (2)土壤Hg含量(0.77~1.68 mg·kg^-1)超标, 但对应稻米Hg含量(7.5~14.5 μg·kg^-1)不超标; (3)土壤Hg含量(0.11~0.21 mg·kg^-1)不超标, 但对应稻米Hg含量(26.0~60.2 μg·kg^-1)超标。分别利用上述9种土壤(3种类型土壤各3种土壤样品)作为供试土壤, 将土壤阴干, 过2 mm孔径筛备用。9种土壤pH值、有机质质量含量和CEC分别为6.42±0.55、(2.92±1.07)%和(19.78±3.16) cmol·kg^-1。

1.2 实验设计

采用盆栽实验, 9种土壤样品均设置3种处理:(1)对照(CK), 土壤不作任何处理; (2)土壤中添加2 mg·kg^-1Hg(H); (3)土壤中添加2 mg·kg^-1Hg和6.7 g·kg^-1水稻秸秆(HS)(按秸秆还田量15 t·hm^-2计), 秸秆中Hg含量为129 μg·kg^-1。将粉碎的秸秆加入供试土壤, 混合均匀并装入19 cm×23 cm盆中, 每盆3.0 kg。将分析纯HgCl₂以溶液形式加入供试土壤。所有处理浇水至饱和, 放置1周。每种土壤每种处理重复3次, 共计81盆。上述3种处理土壤施肥方式如下:以分析纯尿素、KH₂PO₄和KCl形式施入N、P和K, N、P和K用量分别以N、P₂O₅和K₂O计, 施入量均为0.15 g·kg^-1(60%N作为基肥施入, 40%N作为追肥施入)。

7月将事先育好的秧苗(武运粳7号)移栽到盆中, 每盆4穴, 每穴1颗, 呈四方形分布。移栽过程中选用相同大小的秧苗, 以保持其一致性。水稻在温室中种植, 透光通风, 无雨水。日常管理:用自来水进行灌溉, 观察并记录水稻生长情况, 直至11月收割。水稻样品分为秸秆与籽粒2个部分, 分别用蒸馏水洗涤干净, 风干至恒重, 称干重, 将稻米分离, 之后将所有植物样品粉碎; 土壤经晾干, 粉碎均匀, 取土壤样品(干重50 g), 过0.149 mm孔径筛。上述样品保存以供分析。

1.3 化学分析

土壤中Hg全量采用V(王水) :V(蒸馏水)=1 :1的混合液提取^[18]; 植物样品中总Hg含量采用硝酸-双氧水消煮法^[19-20]测定。所有待测液中Hg含量均采用AFS-930氢化物发生原子荧光(HG-AFS, 北京吉天仪器公司)^[21]进行分析。整个分析过程以空白、标准土壤样品(GBW07403)及标准植物样品(GBW07602和GBW10010)进行质量控制, 标准土壤样品和植物样品回收率范围分别为92%~106%和94%~108%。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 25.0软件对试验数据进行分析。

2 结果与讨论 2.1 不同处理对土壤中Hg含量的影响

盆栽水稻收获后, 9种土壤样品中Hg含量见表 1。对照土壤(CK)中Hg含量与供试土壤中Hg含量保持一致。H处理和HS处理的9种土壤中Hg含量都显著高于各自CK, 增加量均约为2 mg·kg^-1, 与外源Hg添加量相一致, 但H处理和HS处理之间则无显著差异。这表明以HgCl₂形式添加的外源Hg易在土壤中累积; 其原因可能是在土壤矿物、有机质及土壤胶体等作用下, Hg被固定在土壤中^{[10, 22-23]}。

表 1 水稻收获后不同处理土壤Hg含量 Table 1 Soil Hg concentrations in different treatments after rice harvesting

2.2 不同处理对水稻生长及产量的影响

盆栽水稻每盆籽粒产量、秸秆和根部生物量见表 2。9种土壤H和HS处理水稻籽粒产量、秸秆和根部生物量多数情况下显著低于各自CK。与CK相比, H处理水稻籽粒产量下降范围为17%~50%, 平均下降35%;与CK相比, H处理水稻秸秆生物量下降范围为12%~35%, 平均下降24%;与CK相比, H处理水稻根部生物量下降范围为25%~45%, 平均下降35%。而H和HS处理之间水稻籽粒产量、秸秆和根部生物量多数情况下无显著差异。这表明经2 mg·kg^-1外源Hg处理的土壤已显著抑制水稻生长, 且降低水稻产量, 而秸秆还田并没有缓解这一现象。这与土壤Hg污染引起水稻生理特征发生变化而导致减产的研究结果^[24-26]相一致, 但使水稻减产的土壤Hg含量低于已有研究^[27]中的阈值(5 mg·kg^-1); 其原因可能是以HgCl₂形式进入土壤的外源Hg, 其生物有效性高, 直接抑制了水稻的生长发育, 进而使水稻减产。

表 2 不同处理水稻籽粒产量、秸秆和根部生物量 Table 2 Rice grain yields in different treatments

g
土壤种类	处理	籽粒产量	秸秆生物量	根部生物量
Ⅰ-1	CK	17.56±1.95^a	32.82±2.50^a	2.53±0.34^a
	H	10.38±2.20^b	21.43±3.81^b	1.40±0.30^b
	HS	9.92±2.30^b	20.86±2.13^b	1.39±0.04^b
Ⅰ-2	CK	13.29±0.91^a	25.45±1.32^a	2.77±0.21^a
	H	10.24±1.75^b	21.14±4.05^a	1.67±0.44^b
	HS	10.37±0.50^b	20.70±1.71^a	1.65±0.14^b
Ⅰ-3	CK	13.01±1.49^a	25.17±2.06^a	2.00±0.27^a
	H	6.47±1.54^b	22.11±0.55^b	1.25±0.08^b
	HS	10.97±0.51^a	21.90±0.78^b	1.49±0.12^b
Ⅱ-1	CK	14.12±1.29^a	26.64±2.45^a	1.75±0.14^a
	H	9.88±1.94^b	18.79±2.66^b	1.03±0.14^b
	HS	9.30±0.79^b	19.27±1.96^b	1.12±0.25^b
Ⅱ-2	CK	16.03±1.22^a	31.38±2.55^a	2.28±0.22^a
	H	10.94±0.94^b	23.41±0.85^b	1.65±0.10^b
	HS	10.48±1.28^b	23.18±1.91^b	1.55±0.12^b
Ⅱ-3	CK	14.13±0.35^a	27.89±0.38^a	2.08±0.09^a
	H	8.57±1.66^b	19.50±3.50^b	1.55±0.32^b
	HS	7.71±3.17^b	18.49±3.25^b	1.62±0.25^ab
Ⅲ-1	CK	16.01±0.65^a	31.21±0.77^a	2.16±0.27^a
	H	8.05±4.32^b	21.90±5.08^b	1.52±0.06^b
	HS	8.08±0.78^b	20.59±2.04^b	1.54±0.28^b
Ⅲ-2	CK	14.17±0.71^a	25.58±1.79^a	1.72±0.21^a
	H	11.70±1.19^b	22.50±2.30^a	1.08±0.24^b
	HS	7.14±0.47^c	16.21±2.04^b	1.14±0.21^b
Ⅲ-3	CK	10.95±1.13^a	21.45±2.23^a	1.62±0.16^a
	H	7.54±0.22^b	15.72±0.29^b	1.12±0.06^b
	HS	6.68±0.72^b	15.01±0.39^b	1.11±0.26^b
CK为对照, 土壤不作任何处理; H处理为Hg处理; HS处理为Hg与秸秆共同处理。就同一种土壤相同水稻器官而言, 同一列英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著(P < 0.05)。Ⅰ-1~Ⅲ-3的含义见1.1 节的描述。

表 2 不同处理水稻籽粒产量、秸秆和根部生物量 Table 2 Rice grain yields in different treatments

2.3 盆栽实验与野外农田稻米Hg含量差异

盆栽稻米中Hg含量见表 3。除土壤Hg含量最高的Ⅰ-1和Ⅱ-2以外, 其他盆栽稻米都低于GB 2726—2017^[17]中规定的稻米中Hg含量限值(20 μg·kg^-1)。通过对盆栽实验稻米与相应土壤的野外农田稻米进行比较, 发现盆栽稻米Hg含量在绝大部分情况下不同程度地低于对应野外调查值(表 3)。这是由于植物中Hg不仅来源于土壤, 还有可能来源于大气^[28]。有研究表明, 在大气Hg污染较严重的区域, 植物体中Hg含量远高于对照区域^[29]。9种供试土壤均来源于前期调查企业附近农田, 企业类型有燃料厂、冶炼厂和热电厂等^[30]。研究^[2]表明燃煤和冶炼等是Hg的重要来源, 对周边大气中Hg浓度影响较大。而盆栽实验中各处理外界环境因素保持一致, 且温室空气中Hg浓度较低, 经测试空气中ρ(Hg)基本保持低于1.5 ng·m^-3的水平。因此, 笔者研究中大气Hg浓度的不同是造成室内外稻米Hg含量差异的一个重要影响因素。此外, 野外水稻的生长环境与室内盆栽实验条件也存在一定差异, 这些因素也可能对稻米富集Hg产生影响。

表 3 盆栽实验稻米与对应土壤野外农田稻米Hg含量对比 Table 3 Comparison of Hg content of rice grown in pot soil and the corresponding field soil

与野外农田生态系统相比, 盆栽土壤与稻米的对应关系也发生了变化, 主要表现为盆栽水稻没有出现土壤Hg含量不超标而其对应稻米Hg含量超标的现象。这进一步表明野外稻米Hg除来源于土壤以外, 还受到其他因素的影响。

2.4 不同处理对水稻中Hg积累的影响

图 1显示, 经2 mg·kg^-1外源Hg处理土壤稻米Hg含量明显高于我国稻米中Hg含量限值(20 μg·kg^-1)。仅经2 mg·kg^-1外源Hg处理土壤稻米、稻壳和秸秆Hg含量绝大部分情况下显著高于各自CK(图 1), 稻米、稻壳和秸秆Hg含量变化特征基本一致, 与各自CK相比, Hg含量增加范围分别为35.2 ~638.5 μg·kg^-1(平均值为220.9 μg·kg^-1)、3.11~124.5 μg·kg^-1(平均值为39.5 μg·kg^-1)和14.7~218.6 μg·kg^-1(平均值97.8 μg·kg^-1), 但不同种类土壤增加幅度有所不同。与仅经Hg处理土壤相比, 添加秸秆和Hg共同处理的部分土壤稻米、稻壳和秸秆Hg含量也发生了不同变化。

图 1 不同处理稻米、稻壳和秸秆Hg含量 Figure 1 Rice grain, husk and straw Hg concentrations in different treatments CK为对照, 土壤不作任何处理; H处理为Hg处理; HS处理为Hg与秸秆共同处理。Ⅰ-1~Ⅲ-3的含义见1.1节的描述。同一幅图中, 同一组直方柱上方英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P < 0.05)。

稻米通过土壤富集Hg的过程受到诸多环境因素的影响^[11]。相关性分析表明, 外源Hg处理后稻米中Hg含量与土壤pH的相关系数为-0.886(P=0.001), 与CEC的相关系数为-0.698(P=0.037), 与有机质含量的相关系数为-0.405(P=0.280), 与碳酸钙含量的相关系数为-0.789(P=0.011)。外源Hg与秸秆共同处理后, 稻米Hg含量与土壤pH的相关系数为-0.515(P=0.156), 与CEC的相关系数为-0.728(P=0.026), 与有机质含量的相关系数为-0.746(P=0.021), 与碳酸钙含量的相关系数为-0.646(P=0.060)。这与HANG等^[10]和WANG等^[31]的研究结果相一致, 表明土壤pH、CEC、有机质含量和碳酸钙含量提高可增强土壤组分对Hg离子的吸附^[22-23], 从而降低土壤Hg的生物有效性, 抑制稻米对土壤中外源Hg的吸收。

有机质是土壤的重要组成部分, 在水稻土Hg的生物地球化学行为中起到至关重要的作用^[32], 有机质可强烈吸附土壤中Hg, 固定土壤中大部分Hg^[10]。余贵芬等^[33]研究表明, 土壤有机质中腐殖酸可抑制或活化土壤Hg, 且其行为依赖于腐殖酸组分对Hg的配位能力及稳定性。笔者研究中, 不同土壤经Hg处理和经Hg与秸秆共同处理后稻米对Hg的富集变化规律不明显, 可能与秸秆还田中有机质的转化效率相关, 具体原因有待进一步研究。

2.5 水稻各器官中Hg含量的分布

通过对不同处理水稻稻米与秸秆和稻壳中Hg含量的相关性分析可知, CK稻米与稻壳的相关系数为0.250(P=0.517), H处理为0.889(P=0.001), HS处理为0.801(P=0.009), CK稻米与秸秆的相关系数为0.815(P=0.007), H处理为0.939(P < 0.001), HS处理为0.977 (P < 0.001), 除CK稻米与稻壳外, 其他皆达极显著正相关水平。这表明稻米分别与秸秆和稻壳中Hg含量密切相关, 尤其是在土壤Hg含量较高时, 表明它们主要来源于土壤Hg。CK、H和HS处理水稻稻米与稻壳中Hg的分配比(C_稻米/C_稻壳×100%)分别为966%、638%和550%, 表明水稻稻米富集Hg的能力较稻壳强, 这与杭小帅等的研究结果^[30]一致。不同处理水稻稻米与秸秆中Hg的分配比(C_稻米/C_秸秆×100%)存在差异, CK的Hg平均分配比为5%, 与MENG等的研究结果^[24]一致, 而H和HS处理分别为103%和105%。可见, CK秸秆Hg含量明显高于稻米, 而经Hg处理后两者相近。因此, 在添加外源Hg的情况下, 秸秆中Hg含量增加幅度较稻米低, 表明向土壤中添加外源Hg, 使得水稻器官对Hg的富集能力发生变化, 即在土壤外源Hg作用下, 稻米对Hg的富集能力提升速率明显高于秸秆。由此可见, 土壤外源Hg对水稻的粮食安全风险较大。

3 结论

(1) 土壤添加外源Hg明显抑制了水稻生长, 导致生物量和产量均下降, 根部、地上部分生物量及产量均显著下降, 平均分别下降35%、24%和35%, 但秸秆还田对其影响不明显。

(2) 盆栽实验与野外农田生态系统中土壤与稻米之间Hg含量的对应关系发生变化, 没有出现土壤Hg含量不超标而其对应稻米Hg含量超标的现象。在相同土壤条件下, 盆栽稻米Hg含量基本上低于农田生态系统的调查结果, 表明农田生态系统中稻米Hg除来源于土壤以外, 还受到大气和其他因素的影响。

(3) 土壤中添加外源Hg, 可明显增加水稻各器官对Hg的吸收, 稻米、稻壳和秸秆Hg含量平均分别提高220.9、39.5和97.8 μg·kg^-1, 秸秆还田没有降低水稻各器官对Hg的富集。土壤pH、CEC、有机质和碳酸钙均可在一定程度上影响稻米对土壤外源Hg的吸收。稻米对Hg的富集能力较稻壳强, 当供试土壤添加外源Hg时, 稻米对Hg的富集能力提升速率明显高于秸秆, 稻米中Hg含量已与秸秆中Hg含量相当。

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