汞(Hg)属于非生命必需、 高毒的微量重金属元素，在水环境中能与沉积物中的有机物以及其它无机颗粒产生较强的结合力，因而沉积物是汞的主要分布场所^[1,2]. 由于沉积物既是Hg的主要分布相，也是众多水生生物的栖息地，且Hg能通过食物链富集，因此成为了许多水生动植物吸收Hg的主要来源^[3].

水稻是当今世界最重要的粮食作物之一，我国的种植面积占全国粮食作物的25%. 随着我国稻田重金属污染问题日趋严重，稻米中重金属的累积有上升的趋势^[4]，使得稻田土壤的汞污染状况及其化学行为成为各国相关学者研究的热点问题. 有研究发现，汞矿区的稻田生态系统具有很强的无机汞甲基化能力，水稻体内甲基汞含量远高于小麦、 玉米、 油菜等其它农作物^[5]. 汞矿区稻米可以像鱼类一样对甲基汞进行积累，而水稻对甲基汞的累积是一个“吸收-运移-富集”的动态过程，不同于其对无机汞的吸收，在汞矿区稻米已成为局部人群甲基汞暴露的主要途径^{[6, 7, 8, 9]}. 农田土壤中汞等重金属的迁移、 转化及其生物可利用性不仅与成土母质有关，还受耕作方式、 施肥、 灌溉等农田管理措施的影响^{[10, 11, 12, 13]}. 其中，耕作方式是影响土壤重金属含量、 垂直分布以及迁移转化的重要因素之一. 有报道显示，相比于常规耕作，免耕条件下由于作物残茬的表面积累、 化肥表施及大气沉降作用等因素的影响，一些元素可能在土壤表层富集^[14]. 而目前针对耕作制影响的研究主要集中在旱地，对水田的研究相对较少，其中关于汞的讨论更是鲜见报道. 由于不同重金属之间存在差异，不同类型土壤的性质也不尽相同，因此，关于不同耕作方式对水田土壤中汞的积累及其有效性影响的研究，有很多内容值得深入探索. 本研究以紫色水稻土长期定位试验为对象，通过测定稻田上覆水和不同深度剖面土壤及其孔隙水中总汞含量和甲基汞含量，分析长期采用不同耕作方式对紫色水稻土中汞累积、 迁移和甲基化的影响，以期为研究稻田生态系统中汞的环境化学行为以及合理的选择耕作方式提供基础数据.

紫色水稻土不同耕作制长期定位试验地始建于1990年，设在重庆市北碚区西南大学试验农场(N30°26′，E106°26′)，处于北碚向斜的中部，海拔230 m. 该处气候为亚热带季风性湿润气候，年均降雨量1 105.4 mm，年日照1 276.7 h，无霜期年均约334 d. 试验前一直采用四川盆地稻田传统耕作方法(一季中稻+冬水田)耕制. 该试验地土壤是中生代侏罗系沙溪庙组灰棕紫色沙泥岩母质上发育的中性紫色水稻土，为冲沟田，试验前土壤的基本理化性质见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 土壤的基本理化性质 Table 1 Physicochemical properties of soils pH 有机质 /g·kg-1 全氮 /g·kg-1 全磷 /g·kg-1 全钾 /g·kg-1 碱解氮 /mg·kg-1 速效磷 /mg·kg-1 速效钾 /mg·kg-1 土壤质地 7.10 23.09 1.74 0.75 22.71 120.09 7.51 71.12 重壤土

表 1 土壤的基本理化性质 Table 1 Physicochemical properties of soils

试验地共设置6种耕作类型(表 2)，每种类型设4块平行处理田(每个处理小区面积为4×5=20 m²)，于2015年5月至2015年7月每月一次对不同耕作处理共进行了3次分层取样，每次取样分别在每个处理田内按S型设置4个取样点，在每个取样点先后采集上覆水样(分上层水和界面水)，然后采集0~10、 10~20、 20~30 cm层次土壤样品，将各点取得的样品按同层次合并，由此得到每个处理的分析样品. 将采集到的水样注入洁净无汞的硼硅玻璃瓶采样瓶中，放入冷藏样品箱内0~4℃保存； 土样封存入经过酸预处理的50 mL离心管，用封口胶密封，低温4℃保存. 所有采样瓶以及其它硼硅玻璃瓶在使用前均用体积比为10%的HNO₃液浸泡24 h以上，并于采样前一天用去离子水和超纯水冲洗，离心管在烘箱中烘干后使用，玻璃器皿在马弗炉中500℃下加热1 h，冷却后用保鲜袋密封，放进采样箱中待用.

表 2(Table 2)

表 2 长期定位试验的耕作类型及其施肥量 1) Table 2 Treatments of the long-term field experiment and its quantity of fertilizers 编号 耕作类型 处理方式 施肥量/kg·hm-2 T1 垄作免耕(中稻-冬水田) 作垄规格：一垄一沟55 cm，垄顶宽25 cm，沟宽30 cm，沟深35 cm； 水稻平作，水稻生长期间保持沟内水深25~30 cm； 水稻收获后，稻茬留在稻田，自然腐烂，灌冬水休闲至第二年4月 尿素：273.1 过磷酸钙：500.3 氯化钾：150.1 T2 垄作免耕(中稻-油菜) 作垄规格和水稻生长期水分管理与T1相同； 水稻收获后垄埂上种植油菜； 油菜生长期间降低垄沟水位，保持浸润灌溉，来年油菜收获后灌水种植水稻 T3 厢作免耕(中稻-油菜) 作厢规格：一厢一沟120 cm，厢宽85 cm，沟宽35 cm，沟深35 cm； 水稻移栽后，水面与厢面齐平，水稻收获前保持厢沟内水深25~30 cm，收获后，种植油菜； 第二年油菜收后将残茬埋在沟底，灌水保持厢沟内水面与厢面齐平，种植水稻 T4 水旱轮作(中稻-油菜) 淹水平作种植水稻，水稻收获后，排干稻田积水翻耕，将稻茬(50~60 cm深)翻入土中，种油菜； 油菜生长期，保持沟内无积水； 油菜收获后灌水翻耕犁耙种水稻 T5 常规平作(中稻-冬水田) 每年三犁三耙翻耕植稻，水稻收获后灌冬水休闲至第二年4月 CK 空白对照 田间不灌溉，不耕作，不种植，不施肥 1) 过磷酸钙做底肥一次施用； 尿素用量的2/3做底肥，1/3做追肥； 氯化钾底肥和追肥各1/2

表 2 长期定位试验的耕作类型及其施肥量 1) Table 2 Treatments of the long-term field experiment and its quantity of fertilizers

水样带回实验室后立即抽滤过0.45 μm的滤膜(Millipore，美国)，用于分析溶解态汞(DHg)和溶解态甲基汞(DMeHg). 供试土壤在24 h内于3 000 r·min^-1、 4℃恒温条件下离心30 min，结束后上清液用针式过滤器过0.45 μm(Millipore)滤膜获得孔隙水，用于分析DHg、 DMeHg. 土样经冻干机避光冻干和玛瑙研钵磨细过100目筛后，其总汞用DMA-80固体进样自动测汞仪(意大利麦尔斯通公司)直接测定，而土壤甲基汞采用硝酸和硫酸铜溶液浸提，二氯甲烷萃取并结合水相乙基化等温气相色谱-冷原子荧光法(GC-CVAFS)测定^[15]. 所有用于测定汞含量的水样均用亚沸蒸馏纯化过的盐酸酸化，使各种形态的汞保持稳定. DHg和DMeHg分别按照美国环境保护署Method 1631^[16]和Method 1630^[17]方法测定.

分析过程中的质量控制采用空白试验、 加标回收率及平行样控制. 方法检出限(MDL，即3倍空白的标准偏差)分别为0.2 ng·L^-1(DHg)和0.02 ng·L^-1(DMeHg)，而方法空白均低于检出限. 加标回收率为96%~112%(DHg)和86%~109%(DMeHg)，平行样分析的相对标准偏差为5.4%(DHg)和6.9% (DMeHg). 试验所用的土壤总汞标准物质分别为GBW07405(CSS-5)，测定过程中其加标回收率为94%~109%.

数据处理与图形制作分别使软件SPASS 18.0与Origin 8.1.

从图 1可以看出，各个耕作方式下不同深度土壤中总汞以及甲基汞含量均明显高于空白对照组，表明被耕作种植植物的土壤有利于汞在沉积物中的累积和甲基化. 土壤总汞含量的剖面分布状况因耕作方式的不同而异[图 1(a)]，5种耕作方式下稻田土壤总汞含量的变化范围为：94.23~205.45 μg·kg^-1. 对照组(CK)的土壤总汞含量受土壤深度的影响较小，水旱轮作(T4)和常规平作(T5)条件下土壤总汞含量随土层加深呈下降趋势，其中T4下降最为显著，而免耕冬水(T1)、 垄作免耕(T2)以及厢作免耕(T3)处理下都在10~20 cm层次达到最高. 除CK外，在0~10 cm和10~20 cm土层，土壤总汞含量分别以T4和T1最高，但均以T3最低； 20~30 cm土层T1、 T2、 T5接近，高于T3和T4. 这可能是因为常规平作(翻耕深度20 cm左右，每年两次)和水旱轮作(翻耕深度20 cm左右，每年三犁三耙)均有人为翻耕土壤的处理，使下层土壤Hg在长期淹水或周期性干湿交替的作用下释放到孔隙水中，其中大部分随水体迁移到土壤表层，二者相比水旱轮作更有利于汞的迁移转化. 而T1条件下虽然也长期淹水，且T2和T3为沟水浸润种植，但这3种耕作方式下土壤均不翻不耕，导致Hg向下淋失，因此有表层土壤总汞含量减少而在中层相对富集的趋势，其中免耕冬水处理效果最为明显. 空白处理中各层次的土壤总汞含量接近，说明不经扰动的耕作土在没有上覆水的情况下不会出现浓度梯度的特征，其少量的外源汞(湿沉降作用等)在未渗入前可能再次挥发而进入大气，亦或渗入后完成了均匀分配.

图 1

Fig. 1

图 1 不同耕作方式下土壤中总汞和甲基汞含量 Fig. 1 Contents of total mercury and methylmercury in purple paddy soil of different tillage systems

对比图 1可以发现，CK土壤甲基汞含量基本不受土壤深度的影响，其波动幅度比土壤总汞还小. 5种处理下土壤甲基汞含量的变化范围为：0.17~1.16 μg·kg^-1. 图 1(b)显示，除CK外的5种耕作方式中，T1与T3土壤甲基汞含量在中层出现峰值，这一趋势与其土壤总汞变化相似； T2和T4均为表层与中层接近，且高于下层； T5呈现出与其土壤总汞剖面分布相似的趋势，即随土壤深度增加而逐渐降低. 此外，各个土层在不同耕作方式下土壤甲基汞含量顺序与土壤总汞相比也不尽相同，0~10 cm土层为T5≈T3≈T1>T2>T4； 10~20 cm土层为T3≈T1>T2>T4≈T5； 而20~30 cm土层为T5≈T4>T1≈T2≈T3，这可能与影响甲基化与去甲基化的因素有关，稻田生态系统复杂，不同的耕作方式也会使得稻田土壤pH值、 温度、 氧化还原电位等有所差异.

甲基汞占总汞的比例可用来判断甲基汞产率并间接反映汞的甲基化能力^{[18, 19, 20]}. 5种处理的土壤甲基汞占总汞比例见表 3，其变化范围为：0.128%~0.851%. 在0~10 cm层，土壤甲基汞占总汞比例表现为：T3>T1>T5>T2>T4； 10~20 cm层的顺序与0~10 cm相似：T3>T1>T2≈T5>T4； 但在20~30 cm层，5种耕作方式的大小为：T4>T5>T3>T1>T2. 此外，T1、 T2、 T3以及T5在20~30 cm层的比例均低于0~10 cm与10~20 cm层的值，而T4则相反. 另外，5种耕作方式土壤甲基汞占总汞比例整体上大于对照组，表明稻田在耕作条件下汞的甲基化能力有所提高，这可能与微生物的根际活动有关.

表 3(Table 3)

表 3 土壤甲基汞占总汞的比例 Table 3 Proportion of methylmercury in total mercury in soil /% 土层深度/cm T1 T2 T3 T4 T5 CK 0~10 0.665±0.233 0.505±0.207 0.782±0.656 0.308±0.081 0.628±0.042 0.193±0.050 10~20 0.541±0.234 0.393±0.087 0.851±0.334 0.384±0.205 0.391±0.086 0.157±0.082 20~30 0.148±0.082 0.128±0.104 0.196±0.080 0.406±0.169 0.307±0.031 0.180±0.119

表 3 土壤甲基汞占总汞的比例 Table 3 Proportion of methylmercury in total mercury in soil

有研究发现，沉积物水是沉积物形成及其与周围水体进行物质交换的敏感指示器^[21]. 从图 2(a)可以看出，稻田上覆水中DHg含量的变化范围为：31.32~44.77 ng·L^-1，而土壤孔隙水的变化范围是：36.12~70.80 ng·L^-1. 5种处理DHg含量均随水深而略有增加，且在上层水中差别很小，这可能是因为水体逐渐进入缺氧还原状态，湖底沉积物吸附的汞解析再悬浮进入界面水. 另外，界面水中除T4、 T5偏高外，其余3种也很接近. 对比图 2(a)与图 1(a)可以发现，各个耕作方式下孔隙水DHg含量与对应土壤总汞含量在剖面上的波动趋势基本相同，T1、 T2以及T3的孔隙水DHg含量均在10~20 cm层出现最大值，而T4和T5则随土层加深逐渐降低. 区别在于DHg含量在0~10 cm层以T4最高，T3、 T5次之； 但T5和T4在10~20、 20~30 cm层均为最低及次低； 10~20 cm层以T3最大； 20~30 cm层T1、 T2、 T3接近. 这表明孔隙水中DHg含量与对应层次土壤总汞含量有关，且相比而言免耕冬水更容易使汞富集在土壤中，而干湿交替的水旱轮作则有利于汞的活化，使其向孔隙水中迁移.

图 2

Fig. 2

图 2 不同耕作方式下稻田上覆水及土壤孔隙水中DHg和DMeHg含量 Fig. 2 Contents of DHg and DMeHg in overlaying water and sediment porewater of different tillage systems

稻田上覆水和土壤孔隙水中DMeHg含量的变化范围分别为：0.82~3.82 ng·L^-1、 4.43~9.34 ng·L^-1，其剖面分布如图 2(b)所示. 不同耕作方式下各个土层孔隙水中DMeHg含量均大于对应上覆水的值，这可能是因为底泥中具有更有利于微生物甲基化的环境，且在长期非扰动状态下，与颗粒物结合的甲基汞易于下沉而进入沉积物. 就上覆水而言，上层水中DMeHg含量均小于对应水土界面水的值，这可能与光照引发的水体表层MeHg降解有关^[22]. 5种耕作方式在表层水和界面水中DMeHg含量均为：T5>T4>T1>T2≈T3. 就土壤孔隙水中DMeHg含量的剖面分布而言，T4和T5均在10~20 cm层出现最小值，且T4在各个土层的值均大于T5. 而T1、 T2以及T3的DMeHg含量分布规律则相反，三者均在10~20 cm层出现最大值且此时基本接近. 在0~10、 10~20以及20~30 cm层，土壤孔隙水中DMeHg含量分别为：T3>T4>T2>T1>T5、 T1>T2≈T3>T4>T5、 T4≈T2>T3>T5≈T1，但均远大于对应层次土壤甲基汞含量.

从表 4可以看出，DMeHg占DHg的比例范围为：2.58%~9.13%(上覆水)、 9.70%~16.33%(孔隙水). 各个处理在界面水处DMeHg占DHg的比例均高于上层水，这与图 2中DHg含量与MeHg含量的趋势一致. 而在不同深度的土壤孔隙水中，DMeHg占DHg的比例大小与表 3也有相似之处，即在20~30 cm层，5种耕作方式的大小为：T4>T5>T3>T1>T2. 而在0~10 cm、 10~20 cm层分别以T3、 T1最大，均以T5最小. T4、 T5的DMeHg占DHg比例随土壤深度增加而上升，这与图 1(a)中土壤总汞含量以及图 2(a)中孔隙水DHg含量的变化趋势相反. T1、 T2均在10~20 cm层达到最大值. 整体而言，土壤孔隙水中DMeHg占DHg比例高于上覆水的值.

表 4(Table 4)

表 4 上覆水和孔隙水中DMeHg占DHg的比例 Table 4 Proportion of DMeHg in DHg in overlaying water and sediment /% 位置 T1 T2 T3 T4 T5 上层水 4.21±1.25 2.68±0.43 2.58±0.19 4.66±1.98 6.73±2.17 界面水 8.76±3.21 5.10±0.57 4.82±0.74 8.42±0.81 9.13±1.03 0~10 cm 11.35±0.99 12.01±1.07 12.44±2.09 10.73±0.78 9.70±1.48 10~20 cm 15.23±2.12 14.26±1.99 12.43±3.06 12.91±2.36 10.69±1.40 20~30 cm 10.41±0.94 9.26±3.17 11.76±0.43 16.33±3.58 14.17±2.74

表 4 上覆水和孔隙水中DMeHg占DHg的比例 Table 4 Proportion of DMeHg in DHg in overlaying water and sediment

北碚缙云山降雨中总汞含量范围为7.47~120.11 ng·L^-1[23]，大气湿沉降虽然对没有上覆水的稻田土壤中汞含量的深度分布没有明显影响，但应是稻田上覆水中汞的主要来源之一. 此外，除对照外其它耕作制下不同层次土壤中汞含量的梯度分布可能是外援输入的汞(施肥、 灌溉)在土壤各层次进行了二次分配. 稻田是一种独特的湿地生态系统，通常在水淹条件下，湿地环境中丰富的可溶性碳和腐殖酸，为甲基化细菌提供了理想的生存条件，进而导致汞的甲基化作用增强. 垄作免耕和厢作免耕因表中层(0~20 cm)长期以毛管水浸润，水热状况稳定，为微生物的生长创造了良好的条件. 并且不同耕作处理土壤酶活性大小顺序为：垄作免耕>水旱轮作>冬水免耕>常规平作，各个处理的土壤酶活性从表层到底层均依次降低^[24]. 所以在0~20 cm层垄作免耕及厢作免耕的甲基汞含量相对较高，而常规平作较低，但在0~10 cm层以及10~20 cm层之间仍然有所波动，表明还有其它因素的影响. 如作物根系主要集中分布在0~20 cm土层，根系分泌物过度积累而达到较高的浓度时可通过降低土壤pH、 络合、 还原以及与微生物共同作用来增加某些元素的溶解性和移动性，从而影响作物对汞的吸收. 而对于空白对照组，可能由于汞源及微生物甲基化所需的能量等有所不足，从而其微生物作用较小，使其未出现不同层次土壤的梯度分布. 不同的耕作方式对稻田的影响也有所不同，使得汞及甲基汞含量差异明显，其具体的作用机制还有待进一步研究.

该试验地自1990年起已运行约25年，投放了大量的N、 P养分及有机物质，其初级生产力水平较高，有机质的降解可消耗土壤中大量氧气，从而形成厌氧环境，另外，微生物内源代谢活动强烈^[25]，这均有利于MeHg的生成. 但免耕冬水(T1)、 垄作免耕(T2)、 厢作免耕(T3)常年未翻动土壤，土层人为干扰小，且T1一直处于淹水状态，T2和T3也是沟水浸润种植，这会造成土壤底层长期过度缺氧. 有研究发现，在高度缺氧条件下，由于部分汞转变成了稳定的硫化汞，使得可利用的活性二价汞减少，从而降低了汞的甲基化速率，这也是沉积物中甲基汞占总汞比例通常小于1%的原因之一^[26]. 而水旱轮作(T4)与常规平作(T5)每年翻耕土壤，从而提高了土壤养分含量，并增强了土壤的通气性，避免高度缺氧. 有报道表明，水体、 沉积物中的甲基汞含量随有机物含量的增高而上升^[27,28]，且T4的干湿交替特点有助于甲基化反应的发生^[29]. 因此，在20~30 cm层虽然T4、 T5的土壤总汞含量以及孔隙水中DHg含量相对低于T1、 T2、 T3，但其土壤甲基汞含量以及孔隙水中DMeHg含量却相对较高，其土壤甲基汞占总汞的比例以及孔隙水中DMeHg占DHg的比例也相对较大.

(1) 5种耕作方式均有利于土壤总汞的累积和甲基化. 其中总汞富集效果相对明显的现象出现在免耕冬水制下的10~20cm层. 而水旱轮作更有利于汞的迁移转化，且其底层土壤中汞甲基化能力比表中层强，相反，其余4种处理下则是表中层较强.

(2) 5种耕作方式中，水旱轮作和常规平作的稻田上覆水中DHg和DMeHg含量相对其它3种处理较高，因此这两种方式对上覆水中汞含量的影响较大.

(3) 各个处理下，土壤孔隙水中DHg含量与该层次土壤总汞含量有关，两者在土壤剖面上的波动趋势基本相同. 免耕冬水、 垄作免耕的孔隙水DMeHg含量及其甲基化能力均在10~20 cm层出现最大值. 水旱轮作和常规平作土壤孔隙水的DMeHg含量在10~20 cm层有最低峰，这两种处理的孔隙水中汞的甲基化率随土壤深度的增加而上升.