环境科学  2015, Vol. 36 Issue (2): 694-699   PDF    
引用本文
杨文弢, 王英杰, 周航, 易开心, 曾敏, 彭佩钦, 廖柏寒. 水稻不同生育期根际及非根际土壤砷形态迁移转化规律[J]. 环境科学, 2015, 36(2): 694-699.
YANG Wen-tao, WANG Ying-jie, ZHOU Hang, YI Kai-xin, ZENG Min, PENG Pei-qin, LIAO Bo-han. Transformation and Mobility of Arsenic in the Rhizosphere and Non-Rhizosphere Soils at Different Growth Stages of Rice[J]. Environmental Science, 2015, 36(2): 694-699.
水稻不同生育期根际及非根际土壤砷形态迁移转化规律
杨文弢, 王英杰, 周航, 易开心, 曾敏, 彭佩钦, 廖柏寒     
中南林业科技大学环境学院, 长沙 410004
收稿日期: 2014-08-22; 修订日期: 2014-09-28.
基金项目： 国家自然科学基金项目(41201530); 湖南省科技计划项目(2013FJ3042); 湖南省农业厅项目(湘农业联2014112-02); 湖南省重点学科建设项目(2006180)
作者简介：杨文弢(1989~),男,硕士研究生,主要研究方向为土壤污染与控制,E-mail:trickmen593@126.com
通讯联系人,廖柏寒,E-mail:liaobh1020@163.com
摘要：选取湖南某矿区污染稻田土,以盆栽试验的方式,采用美国 TCLP(toxicity characteristic leaching procedure) 和砷形态分析分级测定法,研究了水稻 (Oryza sativa L.)各生育期(分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期、成熟期)根际和非根际土壤中砷的赋存形态及转化规律. 结果表明: 1随着水稻生育期的延长, 根际及非根际土壤pH值和砷TCLP提取态含量均逐渐上升,且非根际土壤pH值和砷TCLP提取态含量均高于同时期根际土壤. 2水稻各生育期根际和非根际土壤中交换态砷(AE-As)含量均低于水稻种植前,并随着水稻生育期的延长逐渐上升. 与水稻种植前相比,铝型砷(Al-As)、铁型砷(Fe-As)和钙型砷(Ca-As)含量在水稻种植后逐渐上升,但并不显著. 残渣态砷(O-As)和总砷(T-As)含量在水稻种植后逐渐下降,在根际土壤中下降了37.30%和14.69%,在非根际土壤中分别下降了31.38%、8.67%. 3在水稻不同生育期,土壤中各形态砷含量均表现为:残渣态>铁型砷>铝型砷>钙型砷>交换态砷. 在pH值为5.0~5.8的范围内,各砷形态和砷TCLP提取态含量与pH值之间大都呈极显著或显著正相关,但根际土壤中钙型砷与pH值的相关关系较差.
关键词： 根际土壤     非根际土壤     水稻     TCLP     砷    
Transformation and Mobility of Arsenic in the Rhizosphere and Non-Rhizosphere Soils at Different Growth Stages of Rice
YANG Wen-tao, WANG Ying-jie, ZHOU Hang, YI Kai-xin, ZENG Min, PENG Pei-qin, LIAO Bo-han     
College of Environment, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China
Abstract: Speciation and bioavailability of arsenic in the rhizosphere and non-rhizosphere soils at different growth stages (tillering stage, jointing stage, booting stage, filling stage and maturing stage) of rice (Oryza sativa L.) were studied using toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) and arsenic speciation analysis. Pot experiments were conducted and the soil samples were taken from a certain paddy soil in Hunan Province contaminated by mining industry. The results showed that: ①With the extension of rice growth period, pH values and TCLP extractable arsenic levels in the rhizosphere and non-rhizosphere soils increased gradually. Soil pH and TCLP extractable arsenic levels in non-rhizosphere soils were higher than those in the rhizosphere soils at the same growth stage. ② At the different growth stages of rice, contents of exchangeable arsenic (AE-As) in rhizosphere and non-rhizosphere soils were lower than those before the rice planting, and increased gradually with the extension of the rice growing period. Contents of Al-bound arsenic (Al-As), Fe-bound arsenic (Fe-As) and Ca-bound arsenic (Ca-As) increased gradually after rice planting, but not significantly. Residual arsenic (O-As) and total arsenic (T-As) decreased gradually after rice planting, by 37.30% and 14.69% in the rhizosphere soils and by 31.38% and 8.67 % in the non-rhizosphere soils, respectively. ③At the different growth stages of rice, contents of various forms of arsenic in the soils were in the following order: residual arsenic (O-As)>Fe-bound arsenic (Fe-As)>Al-bound arsenic (Al-As)>Ca-bound arsenic (Ca-As)>exchangeable arsenic (AE-As). In the pH range of 5.0-5.8, significant positive linear correlations were found between most forms of arsenic or TCLP extractable arsenic levels and pH values, while the Ca-bound arsenic was poorly correlated with pH values in the rhizosphere soils.
Key words: rhizosphere soil     non-rhizosphere soil     rice     TCLP     arsenic    

水稻是我国最主要的粮食作物. 研究表明，砷污染会导致水稻产量和品质下降，并经食物链危害人体健康[1]. 根部吸收是砷进入水稻的主要途径，因此根际土壤中砷的生物有效性一定程度上决定了水稻的受害程度. 反过来，水稻根系作用也改变了土壤中砷的含量与形态，影响砷对水稻本身的生物毒性[2]. 有研究表明，砷的毒性效应与总量无显著关系，而是与砷在土壤中的形态有关[3]. TCLP毒性浸出方法是当前国际上最常用的一种生态风险评价方法，主要用于检测固体介质或废弃物中重金属元素的溶出性和迁移性，国内已有许多学者利用TCLP毒性浸出方法评价水稻土壤中重金属的生物有效性[4,5,6]. 砷作为一种类重金属元素，在一些性质上与重金属元素相似. 因此，采用TCLP毒性浸出方法评价土壤中砷的生物有效性在一定程度上是可行的. 本研究采用砷形态分析分级测定法和TCLP毒性浸出方法对水稻各生育期根际及非根际土壤砷的生物有效性进行评价，以期为我国砷污染耕地的修复和粮食作物的安全生产提供一些参考. 1 材料与方法 1.1 试验材料

供试土壤来源于湖南省某矿区(113°06.042′ E，25°48.775′ N)周围稻田耕作层土壤(0-30 cm). 稻田土壤基本理化性质，见表 1.

表 1 供试土壤基本性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil
1.2 盆栽试验与土壤样品采集

盆栽试验在中南林业科技大学生命科学大楼3楼露天试验天台进行，花坛内光、水、气、热等环境条件均为自然状态，无人为干扰. 该地区属亚热带季风性湿润气候，气候温和，降水充沛，雨热同期，四季分明. 年平均气温16.8-17.3℃,年均降水量1 358.6-1 552.5 mm. 盆栽试验用箱为无盖正方形，长×宽×高=200 mm×200 mm×200 mm(内径)，离中线20 mm两侧有400目尼龙网，并以中线 对称. 每箱装土4.0 kg，将水稻种于两尼龙网之间，尼龙网内为根际土壤，左右两侧为非根际土壤. 水稻整个生育期划分为5个时期，分别为分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期和成熟期，每个时期3个平行样，共15盆. 供试水稻品种为湖南省常见杂交水稻Ⅱ优93(湖南亚华种业有限公司)，种子浸泡于0.5%的H2 O2 24 h后，覆上湿润纱布在培养皿中培养发芽，然后在未受污染的土壤中育秧. 育秧约20 d后，选取长势一致的水稻幼苗移栽，移栽时添加基肥K2CO3(按K2O计)0.22 g ·kg-1，(NH4)3PO4(按P2O5计)0.21 g ·kg-1，尿素(按N计)0.28 g ·kg-1. 水稻生长期间根据生长情况补充氮肥和有机肥，喷洒农药防止病虫害. 1.3 样品分析测定方法

土壤pH值用酸度计(PHS-3C，雷磁)测定，固液比为m(固) ∶V(液)=1 ∶2.5. 砷形态分析采用分级测定的方法[7]，分为交换态砷(AE-AS)、铝型砷(Al-As)、铁型砷(Fe-As)、钙型砷(Ca-As)、残渣态砷(O-As). TCLP毒性浸出试验[8]. 所有砷含量均用AFS-8220原子荧光分光光度计(北京吉天仪器有限公司)测定. 1.4 数据统计与分析

本研究数据统计与分析均采用OriginPro 8.5和SPSS 17.0进行处理. 2 结果与分析 2.1 水稻不同生育期根际及非根际土壤pH值的变化

从图 1可以看出，随着水稻生育期的延长，根际及非根际土壤pH值均逐渐上升. 与分蘖期相比，根际土壤成熟期pH值上升了0.62，非根际土壤上升了0.50. 这可能是因为，在水淹种植的情况下，土壤中硫酸盐会被还原生成硫化物，造成土壤pH值升高[9]. 非根际土壤pH在水稻各生育期均高于同时期的根际土壤. 已有研究发现[10]，水稻根系对NH4+的吸收会降低根际pH值，此外，根际微生物和根呼吸会产生CO2，同时也会分泌有机酸.

数据后不同字母表示差异显著，其中大写字母表示极显著差异(P<0.01)，小写字母表示显著差异(P<0.05)，下同图 1 水稻不同生育期根际及非根际土壤pH的变化 Fig. 1 Change of pH values in rhizosphere and non-rhizospheresoils at different growth stages of rice
2.2 水稻不同生育期根际及非根际土壤砷TCLP提取态含量的变化

采用TCLP毒性浸出方法来评价水稻在不同生育期土壤中砷的迁移变化规律，如图 2所示. 从中可以看出，随着水稻生育期的延长，根际及非根际土壤中砷TCLP提取态含量均上升显著，成熟期含量分别为分蘖期的10.32倍和5.32倍，此外，非根际土壤TCLP砷提取态含量在水稻各生育期均高于同时期的根际土壤，这可能是因为根际土壤pH低于非根际土壤(图 1)，导致一部分活性砷被减少. 而在孕穗期根际土壤的砷TCLP提取态含量出现下降，这可能与水稻在孕穗期生长比较快，对养分和砷的吸收较快有关[11].

图 2 水稻不同生育期根际及非根际土壤砷TCLP提取态含量的变化Fig. 2 Change of TCLP extractable concentrations of arsenic in rhizosphere and non-rhizosphere soils at different growth stages of rice
2.3 水稻不同生育期根际及非根际土壤砷形态的分布 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[12]. 目前，一些学者将砷形态分为交换态砷(AE-As)、铝型砷(Al-As)、铁型砷(Fe-As)、钙型砷(Ca-As)这5种[13,14]. 其中交换态砷易迁移、生物有效性高，而其它4种形态统称为难溶性砷.

由表 2可以看出，水稻各生育期根际和非根际 土壤中交换态砷(AE-As)含量均低于水稻种植前(表 1)，并随着水稻生育期的延长逐渐上升. 这可能是因为，随着水稻生育期的延长，土壤pH值逐渐上升，促进了土壤中砷的释放[15]. 与水稻种植前相比，根际土壤与非根际土壤中的铝型砷(Al-As)、铁型砷(Fe-As)和钙型砷(Ca-As)含量在水稻不同生育期逐渐上升，但并不显著. 这可能与这3种砷形态在土壤中溶解度低，水稻生长和pH值上升对其影响较小有关[16]. 残渣态砷和总砷含量在水稻种植后逐渐下降，在根际土壤中下降了37.30%和14.69%，非根际土壤中分别下降了31.38%、8.67%. 这表明，随着水稻生育期的延长，土壤中残渣态砷逐渐被活化，各形态砷含量均逐渐上升，低毒性砷被逐渐转化为高毒性砷，土壤砷毒性也逐渐上升. 此外，随着水稻生育期的延长，各砷形态含量上升幅度与该砷形态对水稻受害毒性有关，均表现出，交换态砷>钙型砷>铝型砷>铁型砷.

表 2 水稻根际及非根际土壤各生育期砷形态的含量 Table 2 Contents of various forms of arsenic in rhizosphere and non-rhizsophere soils at different growth stages of rice
2.4 根际及非根际土壤中pH值与砷各形态含量之间的关系

随着水稻生育期的延长，在根际及非根际土壤 中，土壤pH值逐渐上升(图 1)，且土壤中交换态砷(AE-As)、铝型砷(Al-As)、铁型砷(Fe-As)和钙型砷(Ca-As)含量逐渐上升(表 2)，为研究水稻各生育期土壤pH值的变化对交换态砷(AE-As)、铝型砷(Al-As)、铁型砷(Fe-As)和钙型砷(Ca-As)含量的影响，对pH值和上述不同砷形态之间进行相关性分析(图 3).

图 3 根际及非根际土壤中pH值与砷各形态含量的关系 Fig. 3 Correlations between pH values and various forms of arsenic contents in the rhizosphere and non-rhizosphere soils

由图 3(a)可以看出，在根际土壤中，pH值与交换态砷(AE-As)、铝型砷(Al-As)和铁型砷(Fe-As)含量之间均呈现极显著的正相关关系(RAE-As2=0.716，RAl-As2=0.464，RFe-As2=0.520；n=15，R0.012= 0.411)，而与钙型砷(Ca-As)含量之间相关性不显 著(RCa-As2=0.238；n=15，R0.052=0.264). 图 3(b)为非根际土壤中pH值与各砷形态之间的相关关系. pH值与交换态砷(AE-As)和铝型砷(Al-As)之间呈现极显著的正相关关系(RAE-As2=0.648，RFe-As2=0.530；n=15，R0.012=0.411)，与钙型砷(Ca-As)和铝型砷(Al-As)含量之间呈现显著正相关关系(RCa-As2=0.306，RAl-As2=0.274；n=15，R0.052=0.264). 2.5 根际及非根际土壤中pH值与砷TCLP提取态含量之间的关系

为研究水稻各生育期土壤pH值的变化对根际及非根际土壤中砷TCLP提取态含量的影响，分别对其进行相关性分析(图 4). 结果表明，土壤pH值与根际及非根际土壤TCLP砷提取态含量之间均呈现极显著正相关关系(R根际2=0.648，R非根际2=0.752；n=15，R0.012=0.411).

图 4 根际及非根际土壤中pH值与砷TCLP提取态含量之间的关系 Fig. 4 Correlations between pH values and TCLP extractable concentrations of arsenic in the rhizosphere and non-rhizosphere soils
3 讨论

本研究采用TCLP方法对水稻各生育期根际及非根际土壤砷的生物有效性进行评价. 随着水稻生育期的延长，根际及非根际土壤中砷TCLP提取态含量均逐渐上升(图 2)，且根际土壤中含量低于非根际土壤. 其原因可能是，在水稻根系分泌物和微生物的影响下根际土壤pH值低于非根际土壤(图 1). 有研究表明[3]，土壤pH值对土壤中砷的生物有效性有显著的影响，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，从而提高砷的生物有效性. 比较根际及非根际土壤中砷TCLP提取态和交换态砷含量，在根际土壤中砷TCLP提取态含量低于非根际土壤，但交换态砷含量高于非根际土壤，这可能与水稻根系分泌物和微生物作用有关，水稻根系能富集土壤中的砷，但也降低了根际土壤中砷的生物有效性. 采用TCLP法评价土壤重金属生态风险在美国已经开展较长时间，而我国则刚刚起步. 刘春早等[17]、孙叶芳等[18]利用TCLP法评价了土壤重金属污染及其生态环境风险，并认为TCLP法可评价土壤污染物的潜在风险并且成为现阶段方便快捷的主要评价方法. 周航等[19]研究发现，土壤Pb、Cd和Cu的TCLP提取态含量与水稻根系和糙米中Pb、Cd和Cu的含量之间存在显著或极显著的正相关关系，TCLP提取态含量能较好地表示重金属在土壤中的生物有效性. 陈杰华等[20]研究了纳米羟基磷灰石对土壤重金属的固定和修复,并通过TCLP法对固定效果进行了评价.

在水稻种植前及水稻各生育期，根际及非根际土壤中各砷形态含量变化显著. 比较表 1与表 2，水稻各生育期根际及非根际土壤中交换态砷(AE-As)、铝型砷(Al-As)、铁型砷(Fe-As)和钙型砷(Ca-As)含量均低于水稻种植前，并随着水稻生育期的延长逐渐上升，这可能与水稻根表铁膜的形成有关. 郭伟等[21]研究发现，在水稻生长的分蘖期,根表铁膜的存在成为根际砷的富集库，促进了水稻植株对砷的吸收. Greipsson等[22,23]也指出，不同厚度和处于不同老化程度的铁氧化物膜在一定条件下可以钝化污染物的活性，使其吸附在铁膜中，从而成为减少根系吸收污染物的屏障. 因此，在水稻根表铁膜的作用下，水稻根系对根际土壤中砷的吸收应该主要发生在水稻生育的前期. 比较根际及非根际土壤各砷形态的含量可以发现，根际土壤中交换态砷(AE-As)、铝型砷(Al-As)、铁型砷(Fe-As)和钙型砷(Ca-As)含量均高于非根际土壤. 这说明了水稻根系对土壤中的砷有富集作用，这与张广莉等[24]研究结果相同. 同样，水稻根系也会吸收根际土壤中的砷，会降低根际土壤中砷含量. 从试验结果可以看出，在上述的两种相反的作用中，水稻根系对土壤中各形态砷的富集作用是占主导地位的. 分析水稻根际及非根际土壤各生育期各砷形态的含量(表 2)，水稻不同生育期时期土壤中砷以残渣态(46.5%-68.3%)为主，其次是铁型砷 (14.0%-40.8%)，之后为铝型砷(3.8%-6.8%)和钙型砷(3.0%-9.6%)，交换态砷(0.03%-0.33%)所占比例最低. 这说明在整个水稻生育期内，土壤中砷均主要以残渣态形式存在，有效态砷含量最低，这与一些学者[25]的研究结果相同. 同时，谢正苗等[26]也指出，土壤中砷的形态与水稻的受害程度密切相关，水稻的受害程度顺序为交换态砷(AE-As)>钙型砷(Ca-As)>铝型砷(Al-As)>铁型砷(Fe-As)>残渣态砷(O-As)，交换态砷(AE-As)是土壤中毒性最强的一种砷形态，易被植物吸收. 因此，水稻根际土壤中交换态砷的含量能直接反映水稻的砷受害程度. 4 结论

(1)随着水稻生育期的延长，根际及非根际土壤pH值和砷TCLP提取态含量均逐渐上升，且非根际土壤pH值和砷TCLP提取态含量均高于同时期根际土壤.

(2)水稻各生育期根际和非根际土壤中交换态砷(AE-As)含量均低于水稻种植前，并随着水稻生育期的延长逐渐上升. 与水稻种植前相比，铝型砷(Al-As)、铁型砷(Fe-As)和钙型砷(Ca-As)含量在水稻种植后逐渐上升，但并不显著. 残渣态砷(O-As)和总砷(T-As)含量在水稻种植后逐渐下降，在根际土壤中下降了37.30%和14.69%，非根际土壤中分别下降了31.38%和8.67%.

(3)在水稻不同生育期，土壤各形态砷含量均表现为：残渣态>铁型砷>铝型砷>钙型砷>交换态砷. 残渣态砷含量占总砷的68.3%-46.5%，交换态砷所占比例不到0.5%.

(4)在pH值为5.0-5.8的范围内，各砷形态和砷TCLP提取态含量与pH值之间大都呈极显著或显著正相关，但根际土壤中钙型砷与pH值的相关关系较差.

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