世界上90%的水稻产自亚洲，而亚洲的一些水稻主产区已经受到了严重的砷污染，污染区大米中砷的含量常常超出各国相应的食品安全标准^[1,2]. 在部分地区，居民通过食用大米摄入的砷几乎占砷总摄入量的一半，食用大米成为当地最主要的砷暴露途径^[3,4]. 大米砷含量超标的问题引起了越来越广泛的关注. 磷是作物必需的三大营养元素之一，含磷物质常常被作为肥料施用. 同时在重金属污染的农田中，磷酸盐、 磷矿石等含磷物质也被当作修复材料大量施用，用量往往大大超过农作物对磷的正常需求量^[5,6]. 磷和砷在周期表中为同族元素，具有相似的结构和化学性质，砷污染稻田中施磷对水稻吸收砷的具体影响是近年来土壤砷污染防治领域备受关注的一个焦点问题. 一些研究发现，向砷污染土壤中添加磷能促进土壤中活性砷的释放^[7,8]，增加作物对砷的吸收^[9,10]. 也有报道表明，水稻对As⁵⁺吸收是通过对吸收磷的转运通道进行的，因此增加磷的施用量能够抑制水稻吸收砷^[11]. 还有学者认为，磷砷在土壤-水稻系统中的相互关系可能与土壤的性质、 施磷量以及水稻的品种等因素有关^{[12, 13, 14]}. 显然，关于施磷影响水稻吸收土壤砷的问题还没有明确的结论. 根据磷肥的易溶程度可将磷肥分为可溶性和难溶性磷肥两种. 本研究选用易溶性磷酸氢二钠(DSP)和难溶性羟基磷灰石(HAP)，施用于砷污染土壤中，进行水稻盆栽试验，旨在探明这一问题，为砷污染稻田合理施磷提供一定的科学依据. 1 材料与方法 1.1 试验材料

供试水稻土壤于2012年4月采自湘南某矿区周边水稻田(N26° 34′ 29.27″，E112° 35′ 53.40″)，为耕作层土壤(0~20 cm). 土壤带回实验室后，去除石块、 植物残渣，自然风干，混合均匀后用于水稻盆栽试验. 土壤基本理化性质如下：pH为5.42，有机质含量为3.38%、 有效磷为12.64 mg ·kg^-1，总砷为80.07 mg ·kg^-1，交换态砷含量0.43 mg ·kg^-1. 两种含磷物质DSP和HAP均为分析纯试剂，供试水稻品种为隆平种业有限公司提供的杂交水稻丰优210. 1.2 盆栽试验

将供试土壤装桶(桶底直径×桶口直径×桶高=17 cm×22 cm×24 cm)，每桶4 kg，分两组分别添加DSP和HAP，均设置6个添加水平：0、 0.03、 0.06、 0.12、 0.24、 0.48 g ·kg^-1(添加量以磷计)，每个水平设置3次重复. 同时加入0.22 g ·kg^-1 K₂CO₃(按K₂O计)、 0.28 g ·kg^-1尿素(按纯N计)作为基肥，混合均匀后保持淹水状态熟化20 d，然后移栽水稻秧苗，置于日光温室栽培. 水稻生长期间用自来水灌溉，孕穗期追加0.11 g ·kg^-1 K₂CO₃(按K₂O计)、 0.10 g ·kg^-1 KH₂PO₄(按P₂O₅计算)、 0.14 g ·kg^-1尿素(按纯N计). 水稻分蘖期时在每个桶中采集土壤样品约50 g，自然风干，研磨后分别过100、 10目的尼龙筛，用于测定有效磷含量和各形态砷含量. 水稻收获时分根、 茎叶、 稻谷采集，用自来水冲洗和超纯水清净，在105℃ 杀青30 min后75℃ 烘干至恒重. 烘干后的稻谷经小型脱壳机处理，将糙米与谷壳分开，并用不锈钢粉碎机将水稻根、 茎叶、 壳和糙米粉碎后保存. 1.3 分析方法

土壤pH值用pH计(pHs-3C，上海精密科学仪器有限公司)测定，测定时的水土比为2.5 ∶1^[15]; 土壤有机质采用重铬酸钾水合氧化法测定(NY/T 1121.6-2006). 土壤有效磷用氟化铵-盐酸法提取(NY/T 1121.7-2006)，植物全磷用浓硫酸和双氧水高温消解，提取液和消解液中磷用钼锑抗比色法测定. 土壤总砷采用(1+1)王水水浴消解法提取(GB/T 22105-2008)，各形态砷采用五步连续提取法提取^[16]，提取液中的砷浓度用原子荧光光度计(AF7500，北京东西分析仪器公司)测定. 糙米中总砷和无机砷采用氢化物原子荧光光度法测定(GB/T 5009.11-2003). 为了保证植物和土壤样品中总砷含量的分析质量，测定过程中用国家标准物质进行质量控制(GBW(E)-070009、 GBW-08502). 1.4 数据处理

采用Excel 2010、 SPSS 15.0和Origin 8.5软件进行数据处理和绘图，数据多重比较均在P<0.05水平下进行.

2 结果与分析 2.1 DSP和HAP对土壤pH值的影响

由图 1 可知，土壤pH值随DSP和HAP添加量的增加而升高，0.03~0.48 g ·kg^-1的DSP和HAP分别使土壤pH值增加了0.09~0.94和0.15~0.59个单位. 显然，DSP提高土壤pH的作用比HAP略大. DSP和HAP使土壤pH增加的原因是，DSP水解产生OH^-，而HAP溶解后能产生OH^-和PO^3-₄^[17]. 土壤中的砷主要以阴离子形式存在，土壤pH的升高会促进土壤中砷的解吸，提高砷的迁移能力^[18].

图 1

Fig. 1

图 1 DSP和HAP对土壤pH值的影响 Fig. 1 Effects of DSP and HAP on soil pH 相同物质不同处理浓度处理下具有相同字母表示不显著、 反之亦然，下同

由图 2 可知，随着DSP和HAP添加量逐渐增加，土壤有效磷也逐渐增加. 与对照相比较，0.03~0.48 g ·kg^-1的DSP和HAP分别使土壤有效磷增加了20.98%~186.18%和33.67%~71.76%. 显然，易溶性DSP处理下土壤有效磷含量明显高于难溶性HAP处理. 显著性分析表明，DSP添加量到0.06 g ·kg^-1 时土壤有效磷含量即与对照存在显著差异，而HAP添加量要达到0.48 g ·kg^-1时才与对照存在显著差异.

图 2

Fig. 2

图 2 DSP和HAP对土壤有效磷的影响 Fig. 2 Effects of DSP and HAP on available soil phosphorus

研究表明，砷在土壤中的迁移能力和生物有效性并不仅仅取决于砷的总量，还与其存在形态有较大的关系^[19]. 大多研究者把土壤中砷的形态分为5种：交换态砷(A-As)、 铝型砷(Al-As)、 铁型砷(Fe-As)、 钙型砷(Ca-As)和残渣态砷(R-As). A-As是指交换吸附在土壤组分上的砷，其易迁移，生物有效性大，一般作为生物有效态或生物可利用态砷，而其它4种形态砷统称为难溶性砷^[20].

表 1显示了不同添加量的DSP和HAP对污染土壤中5种形态砷的影响. 各处理下砷的回收率在91.10%~106.76%范围内(回收率为5种形态砷之和与总砷之比). 同对照相比较，随着添加量的增加，DSP显著增加了土壤中A-As、 Al-As、 Fe-As的含量，降低了Ca-As和R-As含量，HAP亦显著增加了土壤中A-As、 Al-As、 Fe-As的含量，降低了Ca-As含量，但对R-As影响不显著. 0.03~0.48 g ·kg^-1的DSP分别使A-As、 Al-As、 Fe-As增加了34.52%~73.98%、 140.26%~198.70%、 25.63%~82.63%，使Ca-As、 R-As降低了3.11%~52.76%、 23.53%~39.21%，且A-As在DSP添加量大于等于0.24 g ·kg^-1时与对照存在显著差异，R-As在DSP大于等于0.03 g ·kg^-1时与对照存在显著差异. 0.03~0.48 g ·kg^-1的HAP分别使A-As、 Al-As、 Fe-As增加了41.02%~70.06%、 37.66%~236.36%、 14.05%~19.60%，使Ca-As降低了9.97%~28.22%，且A-As在HAP 添加量大于等于0.06 g ·kg^-1时与对照存在显著差异. 耿志席等^[8]研究表明，磷能够增加土壤中砷的解吸，陈静等^[18]研究表明，土壤pH的升高也会促进土壤中砷的解吸. 本试验中，土壤A-As随DSP和HAP的添加而不断增加的现象符合这一规律. 在本试验条件下，2种含磷物质增加土壤中A-As的作用基本相当. DSP能够显著降低土壤中最难被作物利用的R-As含量，而HAP对R-As含量没有显著影响，这应当归因于DSP处理下的土壤pH和有效磷含量都比HAP高.

表 1(Table 1)

表 1 DSP和HAP对污染土壤中砷形态分布的影响 /mg ·kg-1 Table 1 Effects of DSP and HAP on the distribution of arsenic speciation in contaminated soil/mg ·kg-1 含磷物质 添加水平/g·kg-1 A-As Al-As Fe-As Ca-As R-As 0 0.43±0.12b 0.77±0.76b 25.05±1.02c 14.14±0.61a 38.46±2.74a 0.03 0.59±0.05b 1.85±0.42a 31.47±2.14b 12.69±1.95a 26.34±3.66b DSP 0.06 0.58±0.09ab 1.87±0.63a 39.92±6.47a 13.7±3.14b 29.41±4.38b 0.12 0.62±0.19ab 1.97±0.41a 41.42±0.77a 12.23±1.67b 28.37±2.28b 0.24 0.73±0.06a 2.3±0.62a 45.75±1.3a 6.68±0.35b 23.38±5.69b 0.48 0.75±0.05a 2.28±0.28a 43.02±2.64a 6.8±0.49b 23.93±1.15b 0 0.43±0.12b 0.77±0.76b 25.05±1.02a 14.14±0.61a 38.46±2.74a 0.03 0.61±0.1ab 1.06±0.22ab 28.57±2.91a 11.65±2.11b 37.29±1.79a HAP 0.06 0.67±0.12a 2.59±0.05a 29.49±3.2a 10.15±1.09b 37.81±3.29a 0.12 0.69±0.09a 1.56±0.58ab 29.96±3.98a 11.49±1.9ab 34.81±2.83a 0.24 0.72±0.08a 1.85±0.52ab 29.57±3.13a 12.73±1.42b 35.68±2.82a 0.48 0.73±0.09a 1.9±0.65ab 29.32±3.56a 11.23±2.71b 38.63±3.19a

表 1 DSP和HAP对污染土壤中砷形态分布的影响 /mg ·kg-1 Table 1 Effects of DSP and HAP on the distribution of arsenic speciation in contaminated soil/mg ·kg-1

图 3显示了不同添加量的DSP和HAP对水稻各器官中砷含量的影响. 从中可知，DSP使水稻根、 糙米中总砷和糙米无机砷含量降低. 与对照相比较，0.03~0.48 g ·kg^-1的DSP使根总砷、 糙米总砷和糙米无机砷含量分别降低了24.00%~29.61%、 12.09%~21.98%和34.15%~41.46%，根总砷、 糙米总砷和糙米无机砷含量分别在DSP添加量达到0.03、 0.12、 0.03 g ·kg^-1时与对照存在显著差异. DSP对茎叶和壳中总砷含量都没有显著影响. HAP亦使水稻根、 糙米中总砷和糙米无机砷含量降低. 与对照相比较，0.03~0.48 g ·kg^-1 HAP 分别使根总砷、 糙米总砷和糙米无机砷含量降低了16.22%~36.94%、 8.79%~21.98%和21.95%~40.24%，且在添加量分别达到0.03、 0.12和0.06 g ·kg^-1时使根总砷、 糙米总砷和糙米无机砷与对照存在显著差异. HAP使水稻茎叶总砷含量有所增加，且各处理都与对照存在显著性差异，在最大添加量(0.48 g ·kg^-1)时其使茎叶总砷增加了39.89%，但HAP对壳总砷含量没有显著影响.

图 3

Fig. 3

图 3 DSP和HAP对水稻各根、 茎叶、 壳、 米中砷和米中无机砷含量的影响 Fig. 3 Effects of DSP and HAP on contents of As in root,stem, husk,brown rice and inorganic As in brown rice

本试验条件下，砷在水稻中含量由下到上呈逐渐递减趋势，各器官中砷含量分布为根> >茎叶>谷壳>糙米，这与前人的研究结果相同^[13]. 此外，DSP和HAP降低糙米中无机砷的效果比总砷略好，DSP降低糙米中总砷和无机砷的效果与HAP基本相当. 尽管2种含磷物质都降低了糙米无机砷含量，但仍未使其低于国家食品安全标准(GB 2762-2012)限值(0.2 mg ·kg^-1). 2.5 DSP和HAP对水稻各器官磷含量的影响

由图 4可知，DSP和HAP处理都使水稻根、 茎叶、 米中磷含量增加，使壳中磷含量降低. 0.03~0.48 g ·kg^-1的DSP使水稻根、 茎叶、 糙米中磷含量分别增加2.87%~103.83%、 32.79%~231.15%、 28.76%~47.64%，且与对照存在显著差异，使壳中磷含量降低了1.03%~11.28%，但与对照相比无显著差异. 0.03~0.48 g ·kg^-1的HAP分别使水稻根、 茎叶、 糙米中磷的含量增加61%~115%、 6.56%~88.52%、 8.80%~35.84%，且在添加量范围内与对照存在显著性差异，使壳中磷降低4.10%~20.51%，但未呈现规律性变化. 水稻各器官磷的分布规律为糙米>根>茎叶>壳. 为研究水稻各器官中磷、 砷的竞争关系，将水稻磷、 砷的含量做相关性分析可知(表 2)，磷、 砷在水稻根、 壳、 糙米中表现为负相关关系，茎叶中表现为正相关关系. 显然，磷、 砷在水稻不同器官中表现出不同的作用关系.

图 4

Fig. 4

图 4 DSP和HAP对水稻各根、 茎叶、 壳、 糙米磷含量的影响 Fig. 4 Effects of DSP and HAP on the contents of phosphorus in rice root,stem,husk and brown rice

表 2(Table 2)

表 2 土壤有效磷和水稻各器官磷砷间的皮尔逊相关系数 1) Table 2 Pearson analysis between As in all kinds of rice organs and soil available phosphorus 类型 根砷 茎叶砷 壳砷 米砷 米无机砷 DSP HAP DSP HAP DSP HAP DSP HAP DSP HAP 有效磷 -0.635 -0.637 0.859* 0.973** 0.294 -0.162 -0.838* -0.856* -0.544 -0.786 根磷 -0.317 -0.747 0.824* 0.896* -0.107 -0.055 -0.602 -0.927** -0.501 -0.733 茎叶磷 0.799 0.792 0.044 -0.336 -0.718 -0.764 -0.617 -0.633 壳磷 -0.36 -0.554 0.516 0.719 0.205 0.271 米磷 -0.963** -0.967** -0.778 -0.810 1) *为P<0.05，**为P<0.01

表 2 土壤有效磷和水稻各器官磷砷间的皮尔逊相关系数 1) Table 2 Pearson analysis between As in all kinds of rice organs and soil available phosphorus

由表 3可知，DSP和HAP都使水稻总生物量(水稻总生物量等于水稻各器官总重量之和)和糙米产量呈先增加后降低趋势. 在添加量达到0.12 g ·kg^-1时，DSP和HAP都使水稻总生物量和糙米产量达到最大，二者使总生物量增加了7.02%和18.61%，但仅HAP处理与对照有显著差异. 同时，二者分别使糙米产量增加了22.54%和30.62%，且均与对照有显著差异. 但是当DSP和HAP添加量达到0.48 g ·kg^-1时对水稻生长产生了严重的负面影响，分别使总生物量降低了77.20%和41.40%，使糙米产量减少了72.67%和41.80%. DSP在高浓度处理时严重抑制水稻生长可能主要是水稻生长受到了高磷胁迫和DSP中钠离子的毒害，使水稻植株表现出分蘖数减少、 植株矮小、 生长缓慢等症状. 而HAP对水稻的影响可能主要是土壤中过高的磷抑制了水稻的生长.

表 3(Table 3)

表 3 DSP和HAP对水稻总生物量和糙米产量的影响 Table 3 Effects of DSP and HAP on the total biomass of rice and brown rice production 添加水平/g·kg-1 总生物量/g·株-1 糙米产量/g·株-1 DSP HAP DSP HAP 0.00 65.57±9.07a 65.57±9.07b 20.67±1.19b 20.67±1.19c 0.03 68.73±10.06a 72.73±10.76a 21.57±1.27b 23.8±0.7b 0.06 66.9±10.77a 76.17±11.25a 22.93±1.51b 26.37±0.72ab 0.12 70.17±10.79a 77.77±11.6a 25.33±1.33a 27±0.82a 0.24 27.03±3.9b 66.43±9.69b 10.43±1.2c 25.47±3.04ab 0.48 15.05±2.34b 38.43±5.44c 5.65±0.07d 12.03±1.72d

表 3 DSP和HAP对水稻总生物量和糙米产量的影响 Table 3 Effects of DSP and HAP on the total biomass of rice and brown rice production

DSP和HAP提高土壤A-As含量，表明二者均提高了土壤砷的迁移能力和生物可利用性. 其原因主要是DSP和HAP都显著提高了土壤pH和土壤有效磷含量(图 1、 2). OH^-能够配位取代土壤吸附的砷，所以土壤pH升高会增强砷的解吸^[21]，而磷和砷在元素周期表中为同族元素，具有相似结构和性质，磷能够竞争土壤中带正电荷胶体吸附砷的位点，使土壤中砷被释放出来^[22]. 此外，DSP显著降低了土壤中最难被作物利用的R-As含量，而HAP对R-As没有显著影响. 土壤A-As含量的增加和R-As含量的降低应当都是土壤砷被活化在土壤砷形态分布上的反映. 显然，DSP提高砷在土壤中迁移能力的作用要强于HAP. 这个规律与DSP提高土壤pH和有效磷含量的作用大于HAP应当有直接关系. 研究表明，磷与砷不仅在土壤中存在竞争吸附关系，而且在植物体内也存在竞争关系^[23]. 薛培英等^[24]研究证明了高浓度的外源磷会抑制砷的转运，植物中PO^3-₄和AsO^3-₄在竞争植物膜转运蛋白方面表现为拮抗作用^[25]，且水稻各器官对磷、 砷的转运能力也大不相同^[13]. 一系列的研究表明，磷砷的相互关系在不同植物、 不同磷砷比以及不同类型土壤中具有明显的差异^{[10, 26, 27, 28]}. 本研究中，DSP和HAP处理下水稻根、 壳、 糙米中磷砷含量存在负相关关系，且糙米中磷砷含量呈极显著相关关系(RDSP=-0.963^**、 RHAP=-0.967^**)(表 2)，糙米中磷的含量也明显高于其他器官，而茎叶中磷砷存在正相关关系. 显然，水稻各器官中砷含量受到2种相反作用影响：第一、 水稻体内磷砷拮抗作用抑制砷在水稻中的迁移转运; 第二、 含磷物质增加A-As，降低R-As，促使土壤砷的迁移能力和生物可利用性增强. 从水稻根、 糙米砷含量降低的现象以及根、 糙米中磷和砷的相关关系来分析，在上述2种相反的作用中，磷、 砷拮抗作用是占主导地位的. 水稻根砷由根表铁膜吸附砷和根系内的砷2部分组成，根表铁膜砷往往占多数^[29]. 根砷含量的降低可能主要是因为根表铁膜吸附的砷减少了，根系内部吸收富集的砷不一定降低. 而水稻茎叶中砷含量增加的现象，以及茎叶中磷、 砷含量之间的正相关关系则说明在水稻茎叶中磷、 砷之间可能并不存在拮抗关系.

4 结论

(1)DSP和HAP处理都使土壤pH和土壤有效磷显著增加，并导致了土壤A-As含量的增加，DSP还导致R-As含量显著降低，DSP提高砷在土壤中迁移能力的作用要强于HAP.

(2)DSP和HAP均显著降低了水稻根总砷、 糙米总砷、 糙米无机砷含量，但HAP显著增加了水稻茎叶总砷含量. DSP和HAP降低糙米中无机砷的效果比总砷略好，DSP降低糙米中总砷和无机砷的效果与HAP基本相当. 分析表明，水稻各器官中砷含量受到2种相反作用影响：第一、 水稻体内磷砷拮抗作用抑制砷在水稻中的迁移转运; 第二、 含磷物质增加A-As，降低R-As，促使土壤砷的迁移能力和生物可利用性增强. 在本试验条件下，磷砷的拮抗作用在水稻根、 糙米这两个器官中有明显的体现.

(3)较低添加量(小于等于0.12 g ·kg^-1)的DSP和HAP使水稻总生物量和糙米产量有所增加，但随着添加量的继续增加，2种含磷物质明显抑制了水稻生长，急剧降低了水稻总生物量和糙米产量，HAP的抑制作用相对较轻.