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(Smith et al., 1998；Tseng 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.

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(Table 1)

表1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

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

水稻种子用30% H₂O₂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.

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.

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(Fig. 1)

图 1 不同水分管理模式对土壤Eh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

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(Fig. 2)

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

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.

图 3(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 Fig. 3 Changes of As content in root，stem and leaf of rice and brown rice and husk of rice under different water managements

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.

表2(Table 2)

表2 不同水分管理模式对水稻各部分干重的影响 Table 2 Effect of water management regimes on all parts of rice biomass

表2 不同水分管理模式对水稻各部分干重的影响 Table 2 Effect of water management regimes on all parts of rice biomass 处理 类型 水稻各部分干重/(g·株-1) 根 茎叶 壳 糙米 F 5.7±0.3a 41.3±5.6a 13.4±2.7a 29.6±5.5a A-F 5.5±1.6ab 41.7±9.0a 13.7±2.1a 26.4±7.4a F-A 4.5±1.0ab 40.7±3.9a 11.6±3.4a 27.9±3.4a AFA 3.7±0.2b 41.9±9.9a 13.1±1.4a 23.0±3.6a

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.