不同调控措施对个旧矿区水稻土As修复及水稻As累积的影响

杜丽娟，陈 璐，米艳华*，严红梅，孔令明，张文波，尹本林

（1.云南省农业科学院质量标准与检测技术研究所，云南 昆明 650221；2.云南省红河州个旧市大屯镇农业综合服务中心，云南 个旧 661077）

据最新研究结果显示，我国土壤有5.8×105km2地区砷含量超过10 μg/L，约有2 000万人生活在土壤砷污染高风险地区［1］。在采矿和冶炼密集活动区，大量闲置含砷尾矿库和任意排放矿渣加快了砷释放到土壤中的速度，我国每年产生砷渣5×105t，目前已囤积的砷渣有2×106t，砷渣的无害化处理以及再利用率低，因此在这些地区土壤砷污染问题尤其突出［2］。云南省有“金属王国”的美誉，矿产的开发带动了当地的经济，但是也带来了新的环境问题。在云南省红河州出现了砷污染程度超出阳宗海数倍的大屯海湖泊，经检测，大屯海砷含量超过国家标准限量96倍［3］。

因土壤的种类不同，理化性质不同，导致土壤中As的存在形态不同［4］，针对砷污染问题，前人采用了不同的修复方法，如固化修复［5］、吸附［6］、离子交换［7］、喷施叶面肥［8］等。钝化剂可以与重金属发生吸附、络合、沉淀、离子交换和氧化还原等一系列反应，降低重金属有效性，从而降低重金属的毒性［9-10］。Chika等［11］研究发现，向土壤中施加硅肥不仅可以促进水稻生长发育，还能缓解重金属的毒害作用。硅肥进入土壤后溶解性差，容易被土壤胶体吸收固定，不易被植物利用；而叶面硅肥不仅可以缓解重金属对作物的毒害作用，还有肥效好、养分利用率高、针对性强、施用方便等特点［12-13］。李慧敏等［8］研究发现，喷施叶面硅肥可以缓解生菜砷毒害、提高生菜的生物量和叶绿素含量。对于土壤重金属修复，固化/钝化方法是发展较快的处置技术，固化/钝化剂改变了重金属在土壤中的存在形态，使固化剂与重金属结合而降低其移动性［14］。由于生产过程中条件的限制，单一钝化剂有一定的局限性，难以满足生产的需要，取得的效果并不理想。陈喆等［15］采用复合钝化剂对镉污染土壤进行修复取得了较好的效果。砷污染土壤的修复不是一个简单的概念和行动，真正行之有效的治理应综合考虑整个生态系统、人体健康、砷污染修复技术水平、砷污染地区实际情况等变量，还须结合现有的环境保护法律法规［3］。基于云南省个旧矿区土壤及稻米中砷污染现状，拟选用纳米活性炭、硅钾钙镁肥、火山石、钙镁磷肥、有机肥、蛭石和硫酸亚铁7种土壤钝化剂与叶面硅肥联合或单施于砷污染土壤，在大田条件下对不同的土壤钝化-农艺联合修复调控措施设置水稻种植试验，分析研究不同的修复调控措施对土壤砷的钝化效果及对稻米中砷累积的影响，以期获得较好的联合修复技术，为矿区稻田土壤砷污染修复和稻米安全生产提供科学支撑，为建立土壤砷污染生态风险评价方法和指标体系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验地点

试验地点位于云南省个旧市大屯镇矿区周边稻田种植区，属岩溶盆地地貌，海拔1 220～1 350 m，区域常年平均气温18～20℃，年降水量800～1 000 mm。该区域多年来受矿业开采及污灌影响，农田土壤普遍表现为重金属As污染。土壤类型多为红壤性水稻土，试验田土壤基本理化性状为pH值5.5，有机质含量52.3 g/kg，阳离子交换量21.5 cmol/kg，有效磷含量16.7 mg/kg，速效钾含量77 mg/kg；As含量136.8 mg/kg。对照《土壤环境质量标准》（GB 15618-2018）二级标准，供试土壤重金属As含量均超出标准限量，且As含量是标准限量（≤30 mg/kg）的3.6倍。

1.1.2 钝化材料和叶面硅肥

供试钝化材料和叶面硅肥的来源及基本情况见表1，所用调控材料组合为：A1（86.4%蛭石+13.6%硫酸亚铁）、A2（66.7%纳米活性炭+33.3%硅钾钙镁肥）、A3（23.8%火山石+4.8%钙镁磷肥+71.4%有机肥），B1（叶面硅肥，SiO2≥25%）。

表1 供试钝化材料和叶面硅肥来源及其基本理化性质

1.1.3 供试植物

供试植物为水稻，品种为红优4号，由云南省红河州个旧市大屯镇农业综合服务中心提供。

1.2 试验设计

试验共设8个处理，分别为（1）CK：对照，不采用调控措施；（2）A1：750 kg/hm2（3）A2：1 125 kg/hm2；（4）A3：3 150 kg/hm2；（5）B1： 叶 面 硅肥 3 750 mL/hm2；（6）A1B1：A1+B1；（7）A2B1：A2+B1；（8）A3B1：A3+B1，每处理3次重复。试验小区面积40 m2，小区之间使用塑料膜包裹田坎防止相互影响，各处理设置独立灌溉沟渠，各处理设置3个重复。

试验于2015年4月进行育秧，土壤钝化剂A1、A2、A3撒施于稻田并利用旋耕设备将其与土壤充分混匀，2015年5月进行秧苗移栽。叶面硅肥于水稻抽穗期和水稻灌浆期分两次喷施，喷施时间选择为无风的晴天16：00～17：00。田间管理按大田常规操作进行。

1.3 样品采集与处理

2015年9月中旬水稻成熟，采集水稻植株连同根际土壤样品，水稻植株分为根、茎叶、谷粒3个部分，清洗干净后在105℃杀青30 min后70℃烘至恒重。谷粒使用小型砻谷机（JLG-Ⅱ型砻谷机，中储粮成都粮食储藏科学研究所）将水稻谷粒脱壳形成糙米样品；根、茎叶、糙米样品使用小型粉碎机粉碎，过0.150 mm的尼龙筛，用自封袋保存待测。土壤自然风干、磨碎后过0.150 mm的尼龙筛，用自封袋保存待测。

1.4 样品分析

土壤pH值用酸度计［STARTER 3100，奥豪斯仪器（上海）有限公司］测定，固液比值为1∶2.5［16］；对土壤进行湿法消解（混合酸比例为，HNO3∶HClO4∶HF=10∶1∶2）后，采用原子荧光法（GB/T 22105.2-2008）测定砷的含量。土壤砷形态采用Wenzel等［17］提出的As分级提取法，各个分级提取处理的样液经过湿法消解（混合酸比例为，HNO3∶HClO4∶HF=10∶1∶2）后，采用ICPMS（ELAN DRC-e型，美国Perkin Elmer公司）测定砷的含量。水稻样品根、茎叶、糙米进行湿法消解（混合酸比例为HNO3∶HCIO4=10∶1），采用原子荧光法（GB 5009.11-2014）测定砷的含量，无机砷直接将样品用HNO3提取，过滤，采用原子荧光法（GB 5009.11-2014）测定。

1.5 数据分析

文中的数据分析采用SPSS 22.0软件，用邓肯新复极差法对试验数据进行差异显著性检验（P＜0.05，P＜0.01）。新复极差法是用于方差分析的事后两两比较，以减少第二类错误。文中的图形处理用Excel 2016进行。

砷的转运系数指地上部砷含量与地下部砷含量的比值，用来评价砷由水稻地下部向地上部的运输和富集能力。水稻不同功能器官之间转运系数计算公式：R=S/L，其中R为转运系数，S为As地上部分含量（mg/kg），L为As地下部分含量（mg/kg）。

2 结果与分析

2.1 不同调控处理对土壤pH值和As形态的影响

随着土壤钝化剂和叶面硅肥组配施入，经过一季的水稻生长，土壤pH值明显升高。从图1可以看出，与对照相比，A1、A2和A3这3个处理的土壤pH值分别比对照升高了0.62、0.56和0.80；在联合调控处理中，与对照相比，所有处理措施均使土壤的pH值上升，A1B1、A2B1和A3B1 3个处理土壤pH值分别升高了0.53、0.34和0.48个单位，由此可以看出，单一土壤调控处理对土壤酸度调节效果优于联合调控处理，且在联合调控处理中A3B1调控处理对pH值调控效果最好。

图1 不同钝化剂处理对土壤pH的影响

土壤As形态分析结果见表2。经调控处理后土壤中非专性吸附态和专性吸附态含量都有不同程度的降低。单一钝化处理中，与对照相比，土壤As非专性吸附态含量分别降低了20.1%、34.3%和20.1%，专性吸附态含量分别降低了48.8%、54.5%和52.9%。在联合钝化处理中，与对照相比，A1B1、A2B1和A3B1联合处理的土壤非专性吸附态As含量分别降低了44.7%、30.4%和29.8%，专性吸附态含量分别降低了57.2%、49.2%和29.9%。与对照相比，经钝化剂处理后铁锰水化氧化物结合态都有不同程度的降低，而残渣态则有不同程度的增加。综合分析结果表明，添加联合钝化剂A1B1土壤As非专性吸附态、专性吸附态和铁锰水化氧化物结合态含量降低幅度最大，残渣态则相应的增加。

表2 不同钝化剂施用对As形态的影响 （mg/kg）

2.2 不同调控处理对水稻产量和水稻各部位As含量的影响

不同调控处理后对水稻产量的影响见图2。从图2可以看出，不同调控处理水稻产量差异显著（P＜0.05）。与对照相比，各调控处理对水稻均具有一定的增产效应，增产幅度为9%～29.7%，各处理增产效果表现为 A3B1＞A1B1＞A2B1＞A1＞A3＞B1＞A2＞CK。从单一的调控处理来看，A1、A2、A3和B1处理水稻分别比CK增产24.3%、9%、12.4%和12.3%，A1处理增产效果优于A2、A3和B1处理。从联合调控处理分析来看，A1B1、A2B1和A3B1处理水稻产量分别比CK增加了28.0%、27.2%和29.7%，A3B1处理增产效果优于A1B1和A2B1处理。整体表现为联合调控处理水稻增产效果优于单一调控处理。

图2 不同钝化剂处理对水稻产量的影响

从表3中可以看出，在单一钝化剂处理下，各处理根系、茎叶和糙米中As含量以及无机砷含量均有不同程度的降低。A1、A2、A3和B1 3个调控处理根系中As含量分别比对照降低了14.6%、14.4%、7.0%和3.8%；茎叶中As含量分别比对照降低了35.5%、32.4%、24.8%和7.9%；糙米中As含量分别比对照降低了46.4%、45.5%、45.2%和36.3%；糙米中无机砷含量比对照分别降低了49.5%、46.8%、46.8%和40.4%。联合调控处理后，根系、茎叶和糙米中As含量以及糙米中无机砷含量与对照差异显著（P＜0.05）。与对照相比，A1B1、A2B1和A3B1联合调控处理根系中As含量分别降低了18.1%、16.9%和16.5%；茎叶As含量分别降低了54.8%、37.1%和36.5%；糙米中As含量分别降低了60.3%、59.1%和54.1%；糙米中无机砷含量分别降低了77.1%、76.1%和59.6%。上述分析表明，试验中的调控处理措施均能降低水稻根系、茎叶和糙米对As的吸收累积，而喷施叶面硅肥后水稻各部位As含量低于单一钝化剂。总体来看，联合钝化剂处理对水稻各部位吸收积累As的抑制效果比单一钝化剂处理好，其中联合钝化剂处理A1B1水稻各部位吸收As含量低于其他处理，且糙米中As含量以及糙米中无机砷含量低于国家食品中污染物限量标准（GB 2762-2017）。

表3 不同钝化剂对水稻各部位中As含量影响 （mg/kg）

2.3 不同调控处理对水稻As转运系数的影响

从表4可以看出，As从水稻根系到茎叶的转运系数范围在0.188～0.338之间，从茎叶到糙米的转运系数在0.007～0.010之间，土壤As根系到茎叶的转运能力明显大于茎叶到糙米；与对照相比，根系到茎叶转运系数均有不同程度的降低，联合调控处理效果优于单一调控处理；茎叶到糙米的转运系数与对照没有显著性差异（P＞0.05）。根系到糙米的转运系数均低于对照，且与对照差异显著（P＜0.05）。综合分析不同处理，A1B1联合调控处理后根系到茎叶的转运系数低于其他处理（P＜0.05）。

表4 不同钝化剂对As在水稻各器官间转移系数的影响

2.4 土壤pH值、As形态和水稻各部位As含量的相关性分析

将各调控处理条件下土壤pH值、As形态和水稻各部位As含量以及糙米中无机As含量进行相关分析，结果见表5。由表中结果可以看出，土壤pH值升高可以降低专性吸附态As含量和铁锰水化氧化结合态As含量，增加残渣态As含量，降低糙米中As含量。非专性吸附态As含量与水稻根系As含量呈显著正相关关系（P＜0.05），与水稻茎叶、糙米中As含量以及无机As含量呈极显著正相关关系（P＜0.01）。专性吸附态砷含量与水稻根系、茎叶、糙米中As含量呈极显著正相关关系（P＜0.01）。

表5 土壤pH值、各形态As、水稻各部位As含量以及无机As含量的相关性

3 讨论

土壤中As对生物的毒害程度，不仅与土壤As总量有关，很大程度是由其在土壤中存在的形态决定。Wenzel等［17］提出的As分级提取法将土壤中砷形态分为非专性吸附态、专性吸附态、铁锰水化氧化物结合态、铁铝水化氧化物结合态和残渣态5个形态。非专性吸附态As是吸附在土壤颗粒表面的砷或可溶性砷，容易被生物吸收，危害性较大；专性吸附态和铁锰水化氧化物结合态砷在土壤理化性质发生变化时，部分可能被释放而成为有效态砷；铁铝水化氧化物结合态和残渣态，不易被生物吸收和进入水体，其危害相对较低。

水稻根系吸收As后，可能直接向地上部转运或被砷酸盐还原酶（AR）还原水稻根系内的As［18］，一部分通过木质部向地上部转运，另一部分与植物螯合素（PC）结合，在根细胞液泡内被区室化［19］。硫酸亚铁是具有比表面积大、表面活性基团多、吸附能力强等特点，多被用于吸附重金属［20］。蒋明磊等［21］比较研究了三氯化铁和硫酸亚铁处理含砷（V）废水，发现硫酸亚铁更适合处理工业含砷废水，可以避免带入新污染物氯离子。赵慧敏［22］发现硫酸亚铁对土壤中的砷有较稳定的效果。活性炭和火山石具有较大的表面积和较强的重金属吸附能力，能固定吸附土壤中的重金属［23-24］。陈维芳等［25］研究表明改性活性炭可以通过离子交换显著提高对砷酸盐的吸附能力。蛭石具有较好的物理和化学稳定性，具有较高的离子交换容量［26］，可以用来吸附废水中的重金属［27］。磷能够和砷竞争土壤中带正电荷胶体的吸附位点，土壤中的砷被释放出来，减少水稻对砷的吸收［28-29］。雷鸣等［30］研究发现含磷物质可以显著降低水稻根系中总砷、糙米总砷和无机砷含量。陈玉等［31］研究发现，随着营养液中磷浓度的增加，水稻根系对砷（V）的吸收能力降低，表明了磷能够抑制砷（V）的吸收。Wang等［32］研究表明，添加外源磷可以降低砷对水稻的毒害作用。Chen等［33］研究表明，在土壤提取液中，大部分As会和可溶性有机质结合，降低As生物可利用性。硅不仅可以促进水稻生长发育［34］，而且还能缓解重金属对水稻的毒害作用［35］。砷和硅的结构相似，两者共用硅的转运通道，添加外源硅后，硅和砷之间竞争同一个运输通道，从而减少水稻对砷的吸收和转运［36］。Li等［37］研究表明，土壤添加硅肥后，水稻茎叶、稻壳和籽粒中砷含量都有明显的降低。徐向华等［38］在大田试验条件下，叶面喷施硒硅复合溶胶后可以显著抑制稻米砷积累。本研究结果也表明，添加蛭石+硫酸亚铁、纳米活性炭+硅钾钙镁肥、火山石+钙镁磷肥+有机肥后水稻根系、茎叶和糙米中砷含量有不同程度的降低，在土壤钝化剂作用基础上配施叶面硅肥，水稻增产效果优于单一钝化剂。采用不同的钝化处理，尤其是配施叶面硅肥的联合处理，明显的降低了土壤中砷（非专性吸附态砷，部分专性吸附态和铁锰水化氧化物结合态）的有效性，减少了水稻根系对土壤中有效态砷的吸收转运，使水稻籽粒中的As达到可以安全食用的标准。污染土壤的修复技术，是以降低污染风险和削减污染物总量为目的，通过改变污染物在土壤中存在的形态，降低其在环境中的可迁移性和生物可利用性，本研究获得了较好的联合修复技术（蛭石+硫酸亚铁+叶面硅肥），为矿区稻田土壤砷污染修复和稻米安全生产提供科学支撑，为建立土壤砷污染生态风险评价方法和指标体系提供理论依据。

4 结论

（1）添加土壤钝化剂后土壤pH值均有不同程度的升高。非专性吸附态、专性吸附态和铁锰氧化物结合态As含量均有不同程度的降低，残渣态均有增加，且联合钝化剂对土壤As形态的调控效果优于单一钝化剂。添加蛭石+硫酸亚铁土壤钝化剂后，非专性吸附态、专性吸附态As含量分别降低了44.7%和57.2%，降低幅度最大。

（2）不同处理对水稻均有不同程度的增产效果，蛭石+硫酸亚铁、纳米活性炭+硅钾钙镁肥和火山石+钙镁磷肥与叶面硅肥联合调控处理后水稻产量分别增加28.0%、27.2%和29.7%，增产效果明显优于单一调控措施。不同处理水稻根系、茎叶、糙米中As含量和无机砷含量都有不同程度的降低，且所有处理糙米中As含量和无机砷含量低于国家食品中污染物限量标准（GB 2762-2017），其中蛭石+硫酸亚铁+叶面硅肥联合调控处理糙米中As含量和无机砷含量降低60.3%和77.1%，低于其他处理。

（3）在不同钝化剂处理下，根系到茎叶、茎叶到糙米、根系到糙米的转运系数都低于对照，蛭石+硫酸亚铁+水稻生长后期喷施硅肥的联合调控处理土壤As从根系到茎叶转运系数都低于其它调控处理。