秸稈還田和水分管理方式對土壤砷形態及水稻砷吸收的影響

顧國平,項佳敏,章明奎

(1.浙江省紹興市農業科學研究院,浙江 紹興 312003;2.浙江大學 環境與資源學院,浙江 杭州 310058)

砷是自然界廣泛存在的有毒金屬元素,人體吸收過量的砷或長期暴露于富砷環境中可誘發各類癌癥。土壤是農產品砷的重要來源,對砷污染土壤的治理是中國農田重金屬污染治理與修復研究的重要內容[1～4]。土壤砷污染治理的方法主要有工程措施法、物理化學修復法、微生物法、植物修復法和土壤動物修復法等[5～8],但這些技術因種種原因還未能推廣應用。農藝調控措施因具有操作簡單、費用低、技術較為成熟且被人們熟知等優點,是當今被許多地區選作農田重金屬污染治理的重要手段[9～12]。目前用于農田重金屬污染治理的農藝調控技術主要有水肥管理、低累積品種替換、土壤pH值調節、葉面調理劑及種植結構調整等,通過這些措施的實施可直接或間接減少農產品中重金屬的積累[13～17]。研究表明,砷及砷化物的毒性與其價態、水溶性等有關,好氧環境可降低土壤中砷的生物有效性,通過稻田水分可降低水稻對砷的吸收[13,18～20]。另外,砷污染農田中產生的秸稈含有較高的砷,秸稈還田不僅可通過影響土壤的氧化還原電位改變土壤中砷的生物有效性和化學形態,而且秸稈中本身的砷也可影響農產品的安全。秸稈還田方式主要有焚燒、直接還田、堆漚和過腹等。目前有關秸稈還田對土壤重金屬Cu、Cd、Pb、Zn形態及生物有效性的影響研究較多,但對秸稈不同還田方式影響土壤As形態轉化的研究較少[21～25]。為了探討秸稈還田和水分管理方式對污染土壤砷形態及水稻吸收砷的影響,指導砷污染農田的安全生產,我們采用盆栽模擬方法開展了4種秸稈還田方式與4種水分管理方式的組合試驗，現將試驗結果報道如下。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

試驗土壤采自某受砷污染的農田,土壤類型為脫潛水稻土。供試土壤質地為重壤土,土壤pH值為5.93,有機質含量為26.45 g/kg,土壤有效磷含量為12.43 mg/kg,速效鉀含量為115.46 mg/kg，土壤全砷含量為95.32 mg/kg。

1.2 盆栽試驗

盆栽試驗于2019年6月至10月在溫室內進行,為4種秸稈還田方式與4種水分管理方式的組合試驗,共16個處理。4種秸稈還田方式包括秸稈不還田(對照)、秸稈全量還田、秸稈半量還田和秸稈全量炭化還田。秸稈不還田：不施用秸稈。秸稈全量還田:以每公頃生產11250 kg秸稈計算,根據盆栽容器的截面積，折算秸稈全部還田量為82 g/盆,所用秸稈全砷含量為8.89 mg/kg(下同),將秸稈切碎后與土壤充分混合。秸稈半量還田:秸稈還田量為41 g/盆;秸稈全量炭化還田:將每盆82 g的秸稈在350 ℃的溫度及缺氧條件下在馬福爐內炭化3 h,然后施入土壤中。4種水分管理方式分別為常規水分管理(對照)、薄水淹灌、干濕交替、深水淹灌。常規水分管理:沿用傳統方法進行水分管理,前期淹水灌溉,后期根據水稻的生長需要進行烤田。薄水淹灌:在整個試驗過程中田面灌溉水層厚度在2 cm以下。干濕交替:在水稻生長前期與常規水分管理相同；在水稻孕穗期至黃熟期，交替進行淹水-濕潤灌溉,經歷3～4個灌溉-排水落干過程。深水淹灌:在整個試驗過程中田面灌溉水層厚度始終高于5 cm,直到收割前5 d。

盆栽試驗在直徑為30 cm、高為30 cm的塑料容器中進行,每個處理用土量為10 kg,重復3次。在試驗前每個處理分別施N(尿素)、P(磷酸二銨)和K(硫酸鉀)1.0、0.6和1.0 g作為底肥。水稻采用移栽方式,每盆3株,品種為甬優538。在分蘗期加施肥料1次,用量同底肥。分別在苗期和灌漿期采集土樣,分析土壤水溶性As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的濃度及砷的化學形態;在黃熟期采集水稻植株,先用自來水沖洗植株,去除土壤及其他雜物，然后用去離子水沖洗植株。將沖洗后的植株按器官分為根部、莖葉和稻谷三個部分,用于砷含量分析。除水分管理方式與秸稈還田方式不同外，各處理的其它管理措施均相同。

1.3 分析方法

土壤有機質和總砷含量用風干土測定;土壤砷化學形態及水溶性砷含量采用新鮮土測定,再通過含水量校正。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化法測定;土壤總砷含量用王水消解-原子熒光光度計測定;土壤中的砷化學形態采用連續提取法[26],用1 mol/L NH4Cl、0.5 mol/L NH4F、0.1 mol/L NaOH、0.5 mol/LH2SO4分別提取交換態砷(松散結合態砷)、鋁結合態砷、鐵結合態砷、鈣結合態砷,總砷量減去以上各提取態砷為殘渣態砷。提取液中的砷含量用原子熒光光度計測定。土壤水溶性砷用去離子水提取,土水比為1∶10,提取時間1 h;為防止不同價態As相互轉化,向提取液加入0.1 mol/L的EDTA溶液1 mL,提取物中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)用高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜聯用法測定[27]。土壤pH值、Eh值用便攜式水質參數儀測定;水稻各器官中As含量采用GB/T 5009.11─2003中的方法,使用原子熒光光度計(AFS-7500)進行測定。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻產量的影響

由表1可知：與常規水分管理相比,部分深水淹灌與干濕交替處理(包括秸稈不還田+干濕交替、秸稈半量還田+干濕交替、秸稈半量還田+深水淹灌和秸稈全量炭化還田+深水淹灌)的稻谷產量都有下降,但降幅較小;與秸稈不還田+常規水分管理比較,秸稈不還田+干濕交替、秸稈半量還田+干濕交替、秸稈半量還田+深水淹灌和秸稈全量炭化還田+深水淹灌處理的稻谷產量分別降低了2.67%、3.08%、4.04%和3.06%；與秸稈不還田+常規水分管理比較,秸稈全量炭化還田+常規水分管理、秸稈全量炭化還田+薄水淹灌和秸稈全量炭化還田+干濕交替處理的稻谷產量分別增加了6.73%、4.37%、2.15%,表明秸稈全量炭化還田可輕微增加水稻的產量。

表1 不同秸稈還田和水分管理方式對稻谷產量的影響

2.2 不同處理對土壤pH和Eh值的影響

表2表明,秸稈還田與水分管理方式對土壤pH和Eh值有一定的影響。在苗期,一般是深水淹灌處理的土壤pH值高于其他水分管理方式的,在秸稈不還田、秸稈全量還田、秸稈半量還田和秸稈全量炭化還田方式下,深水淹灌處理的土壤pH值分別比常規水分管理提高了0.05、0.10、0.13和0.08。秸稈全量炭化還田處理有利于土壤pH值的提高,而秸稈全量還田與秸稈半量還田將導致土壤pH值的下降。與秸稈不還田比較,秸稈全量炭化還田的土壤pH值提高了0.16～0.25,而秸稈全量還田與秸稈半量還田分別下降了0.23～0.29和0.09～0.24。隨著處理時間的增加,秸稈全量還田和秸稈半量還田土壤的pH值逐漸升高,而秸稈全量炭化還田土壤的pH值則逐漸下降,最后各處理的土壤pH值趨于接近,表明秸稈還田方式對土壤pH值的影響主要發生在初期。

秸稈還田與水分管理方式對土壤Eh值的影響較為明顯(表2)。在所有的秸稈還田方式下,深水淹灌可導致土壤Eh值的顯著下降,而薄水淹灌和干濕交替有利于土壤Eh值的提高。秸稈全量還田和秸稈半量還田可以促進土壤Eh值的顯著下降,而秸稈全量炭化還田對土壤Eh值的影響較小。總體上,水稻生長前期土壤Eh值較低,而后期土壤Eh值普遍提高。

表2 不同秸稈還田和水分管理方式對土壤pH和Eh值的影響

2.3 不同處理對土壤中砷形態及水溶性砷含量的影響

對試驗土壤全砷含量的測定結果(表3)表明,除秸稈全量還田處理后的土壤全砷含量略有增加外,其他還田處理對土壤全砷含量的影響不明顯。對土壤砷的化學形態測定結果顯示,供試土壤中砷主要以殘留態(R-As)形式存在,其占土壤全砷的69.55%～72.49%;其次為氧化鐵結合態砷(Fe-As),其占土壤全砷的15.81%～19.32%;位于第三的為氧化鋁結合態砷,其占土壤全砷的6.21%～7.95%;鈣結合態砷與交換態砷的含量較低,分別占土壤全砷的3.41%～4.11%和0.29%～0.80%。

表3結果還表明,秸稈還田與水分管理方式對土壤R-As影響不明顯,但可對其他形態的砷產生一定的影響。其中,深水淹灌處理可降低Fe-As,增加Al-As;秸稈全量炭化還田有利于Ca-As的形成;同時,深水淹灌可促進交換態砷的形成,而薄水淹灌和干濕交替處理降低了交換態砷的含量。與常規水分管理相比,深水淹灌處理的土壤交換性砷含量增加了8.96%～30.77%,Al-As含量增加了14.09%～20.32%,Fe-As含量降低了2.34%～9.62%;薄水淹灌和干濕交替處理降低交換態砷的比例分別為36.73%～52.11%和38.46%～49.30%。與秸稈不還田比較,秸稈全量炭化還田的土壤Ca-As含量增加了10.15%～16.37%。

表3 不同秸稈還田和水分管理方式對土壤砷形態的影響 mg/kg

表4的結果表明,在不同水分管理土壤中水溶性砷含量以深水淹灌處理的最高,以干濕交替處理的最低,而薄水淹灌處理的土壤水溶性砷含量也低于常規水分管理;水溶性砷含量在苗期高于灌漿期。在苗期,在秸稈不還田、秸稈全量還田、秸稈半量還田和秸稈全量炭化還田方式下,深水淹灌處理的土壤水溶性砷含量比常規水分管理增加了29.73%～53.19%,薄水淹灌處理的土壤水溶性砷含量比常規水分管理下降了7.45%～18.92%,干濕交替處理的土壤水溶性砷含量比常規水分管理下降了12.36%～27.03%;在灌漿期,深水淹灌處理的土壤水溶性砷含量比常規水分管理增加了29.41%～36.59%,薄水淹灌處理的土壤水溶性砷含量比常規水分管理下降了8.33%～20.59%,干濕交替處理的土壤水溶性砷含量比常規水分管理下降了12.20%～29.41%。

表4 不同秸稈還田和水分管理方式對土壤水溶性砷含量的影響

As(Ⅴ)/As(Ⅲ)與水溶性砷含量有相反的變化規律,以深水淹灌處理的最低,以薄水淹灌和干濕交替處理的居前2位,而常規水分管理處理的居中。表明薄水淹灌和干濕交替處理有利于土壤高價砷的形成,從而可以降低砷的毒性。

2.4 不同處理對水稻各器官中砷積累的影響

表5表明,水稻各器官中砷含量有明顯的差異,由根部至莖葉再到稻谷呈現明顯的下降,這一結果表明,進入水稻植株中的砷主要積累在根部和莖葉中。秸稈還田和水分管理方式可對水稻稻谷和莖葉砷的積累產生明顯的影響,一般以干濕交替處理的最低,以深水淹灌處理的最高;而秸稈還田和水分管理方式對根部砷積累的影響較小。與常規水分管理對照相比，深水淹灌處理的稻谷砷含量增加了22.78%～59.78%,薄水淹灌處理的稻谷砷含量下降了28.26%～42.70%,干濕交替處理的稻谷砷含量下降了43.48%～60.76%；深水淹灌處理的水稻莖葉中砷含量增加了-1.31%～7.01%,薄水淹灌處理的水稻莖葉中砷含量下降了3.20%～20.25%,干濕交替處理的水稻莖葉中砷含量下降了11.11%～23.83%；深水淹灌處理的水稻根部砷含量增加了3.32%～4.20%,薄水淹灌處理的水稻根部中砷含量下降了1.59%～13.09%,干濕交替處理的水稻根部中砷含量下降了2.75%～11.11%。表5的結果還表明,在不同的水分管理條件下,秸稈全量炭化還田處理的水稻各器官中砷的積累量均低于秸稈全量還田和秸稈半量還田處理的。

表5 不同秸稈還田和水分管理方式對水稻各器官砷含量的影響 mg/kg

3 討論

土壤中砷的生物有效性與其化學形態有關,后者又與土壤性狀和土壤物質組成密切相關。研究表明,土壤氧化還原電位等土壤性狀可改變土壤砷的化學形態[10,20],從而影響土壤砷的生物有效性。土壤氧化還原電位(Eh)可改變土壤中砷的賦存形態,淹水可促進土壤Eh值的降低,使鐵(氫)氧化物被還原溶解,As(Ⅴ)被還原成As(Ⅲ),砷的生物有效態含量因而顯著升高,大量的砷被釋放到土壤溶液中,會促進作物對土壤中砷的吸收[14]。本研究結果表明,深水淹灌可提高稻谷中砷的含量,薄水淹灌和干濕交替可降低稻谷中砷的積累,其原因與水分管理可改變土壤氧化還原電位有關,深水淹灌降低了土壤Eh,增加了土壤交換態砷、鋁結合態砷和水溶性砷含量;而薄水淹灌和干濕交替有利于土壤Eh的提高,可以在一定程度上促進土壤中砷與鐵(氫)氧化物結合,從而降低土壤中水溶性砷的含量,降低交換態砷和水溶性砷含量。另外,本研究發現,秸稈還田增加了稻谷中砷的積累,其原因可能是秸稈還田把秸稈中的砷重新帶入農田,而秸稈較易被分解,其中的砷較易釋放為有效性較高的砷,從而增加水稻對土壤砷的吸收。但本研究結果也表明,不同方式的秸稈還田也會影響水稻對土壤砷的吸收,秸稈全量炭化還田處理水稻吸收的砷量明顯低于秸稈全量還田處理的,其原因是秸稈全量炭化還田有利于鈣結合態砷的形成,從而可以降低土壤有效態砷的含量。

有研究[28]表明,農田土壤中砷的氧化還原和甲基化等生物化學過程是影響水稻砷毒性的重要作用機制,而淹水還原條件是驅動農田土壤砷的生物化學過程的關鍵環節,是引起水稻對土壤砷大量吸收累積的主要原因。土壤中砷化合物的毒性表現為:砷(Ⅲ)>一甲基化亞砷酸>二甲基化亞砷酸>二甲基化砷>一甲基化砷>砷(Ⅴ)。而還原條件有利于砷(Ⅲ)的形成,這表明還原環境不僅可以增加砷的生物有效性,同時也可以促進水稻對毒性較高砷(Ⅲ)的吸收。這是由于水淹缺氧環境有利于鐵/砷還原菌的活動,導致鐵礦物的還原溶解、砷釋放還原以及砷的甲基化。Bennett等研究表明土壤溶液中鐵(Ⅱ)濃度和砷(Ⅲ)濃度呈極顯著正相關[29],說明鐵礦物的還原溶解引起了砷的釋放還原。

4 結論

本研究結果表明,在砷污染的農田中在水稻生長期間田面長期淹水會增加水稻籽粒和莖葉中砷的積累,而薄水淹灌和干濕交替水分管理比常規水分管理可以降低稻谷中砷的積累。從水稻的安全生產考慮,在砷污染的農田中秸稈還田應采用秸稈全量炭化還田方式。