硅调控土壤—水稻中砷环境行为的研究进展

水稻是典型的湿地植被之一,淹水的生长环境使水稻积累砷的能力强于其他谷类作物,对稻米的安全性构成威胁。淹水稻田土壤溶液中砷的主要存在形态为亚砷酸,其与硅酸为化学类似物,亚砷酸可通过根细胞膜上硅酸的转运通道被吸收,因此,外源添加硅可以降低水稻对砷的吸收、累积以及稻米中砷的健康风险。本文从土壤中砷的生物地球化学过程,硅对土壤中砷环境行为的影响,水稻对砷的吸收与转运,外源硅对水稻吸收及累积砷的影响等方面进行了综述,并对今后开展的研究进行了探讨。     

土壤-水稻系统砷的生物地球化学过程研究进展

本文综述了具有不同渗氧能力基因型水稻对土壤砷结合形态、水稻根表铁膜、砷吸收的影响以及不同根际氧化还原条件对土壤砷形态、水稻砷积累、砷转运载体表达的影响,分析了硅的不同施加量对水稻砷吸收的研究进展及其作用机制,从土壤铁矿物氧化和还原两个方面总结了根际铁循环对砷环境行为的影响以及对砷污染土壤修复的潜在价值,以期为最终降低水稻砷吸收提供理论参考。微生物介导的铁氧化还原对砷的环境行为如砷的溶解释放、吸附沉淀、形态转化等有重要影响,而铁细菌的胞外电子传递过程促进了铁的矿物相转化并耦合砷的钝化,在未来工作中值得进一步关注和研究。     

叶面施硅对水稻吸收和转运无机砷和甲基砷的影响

为探讨叶面施硅对水稻吸收和转运不同形态砷[As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、MMA(Ⅴ)和DMA(Ⅴ)]的影响,采用水培模式和高效液相-原子荧光光度计(HPLC-AFS)相结合的方法,探究了水稻幼苗叶面施硅后其吸收不同形态砷的能力及其体内不同形态砷含量的变化。结果表明:4种砷形态处理下,叶面施硅可降低水稻地上部和根部砷含量,其中As(Ⅴ)、MMA(Ⅴ)处理下,叶面施硅水稻根中砷含量显著低于对照,降幅分别为26.16%、35.32%(P0.05),As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理下,叶面施硅后,水稻地上部砷浓度显著低于对照(P0.05),降幅分别为23.03%和42.98%;叶面施硅处理还可降低水稻对砷的吸收能力,其中As(Ⅴ)、MMA(Ⅴ)处理下,叶面施硅水稻对砷的吸收显著低于对照,降幅分别为29.08%、35.17%(P0.05);此外,叶面施硅可以降低水稻地上部与根系砷形态含量,其中As(Ⅴ)处理下,叶面施硅的水稻地上部As(Ⅲ)含量比对照显著降低32.60%(P0.05),As(Ⅴ)和MMA(Ⅴ)处理下,水稻根系As(Ⅴ)和MMA(Ⅴ)含量分别比对照显著降低55.30%和30.61%。但是,叶面施硅对不同形态砷在苗期水稻体内的转运没有显著影响。总之,叶面施硅可抑制水稻对不同形态砷的吸收与累积,在一定程度上降低水稻砷毒害。     

水稻砷污染健康风险与砷代谢机制的研究

水稻是人类主要的粮食作物之一，然而，目前稻米主要生产区（东南亚地区）的土壤和灌溉水砷污染严重，导致稻米中砷的积累；砷在稻米中的积累通过食物链传递，对人体健康构成严重威胁。所以，稻米砷污染问题已成为东南亚地区比较突出且急需解决的环境问题之一，而减少水稻对砷的吸收、控制水稻体内砷向籽粒转移、降低籽粒中砷的生物有效性是解决这一问题的关键途径。因此，深入理解水稻对砷的吸收、体内转运和转化等代谢机制非常有必要。近年来有关水稻对砷的吸收和体内砷代谢机制的研究取得了很大进展。研究表明，水稻根系通过磷吸收通道吸收五价砷（As（Ⅴ）），水通道吸收三价砷（As（Ⅲ））。进入水稻体内的砷，一部分由地下部转运到地上部，其中一部分进一步被转运到水稻籽粒中。根表铁膜能抑制水稻对As（Ⅴ）的吸收和向地上部的转运。在水稻的地下部和（或）地上部还存在着As（Ⅴ）还原、As（Ⅲ）甲基化等砷形态的转化过程。最近，水稻砷酸盐还原酶基因已经被克隆和表征。     

稻田镉砷污染阻控原理与技术应用

我国农田土壤重金属污染治理已成为重大国家需求;水稻是重金属超标最为严重的粮食作物;镉/砷污染稻田是农田重金属污染治理的重点与难点。以农产品安全为目标,以定向调控重金属的活性、阻隔其转移的阻控技术,是农田重金属污染治理的新思路,对解决稻田重金属污染治理难题具有重大意义。铁是稻田中最为重要的活性元素,稻田铁循环是连接养分循环与镉/砷行为的枢纽;调控铁与碳/氮循环的耦合过程,可降低土壤中镉/砷向水稻根系迁移的活性,从而减少水稻植株吸收积累镉/砷。硅与硒等营养元素与水稻镉/砷吸收转运密切相关,外源施加硅/硒养分可降低水稻吸收、转运镉/砷的功能基因表达,提高其解毒功能基因表达,从而抑制镉/砷从水稻根系向籽粒的转运。基于以上原理研发了硅/硒营养调控的生理阻隔技术、铁循环调控的钝化技术,并研制了相应的产品。大田试验结果表明,生理阻隔和土壤钝化技术单独应用或组合应用,均可有效降低稻米中镉/砷含量,从而提高稻米的安全性,具有广阔的应用前景。     

磷硅肥配施抑制华南地区水稻籽粒砷积累的效果

选取华南地区广泛种植的杂交水稻品种"培杂泰丰",利用外源添加砷(50 mg·kg~(-1))的土壤盆栽试验,研究不同施用量的磷硅肥对水稻生长特性和砷积累的影响。结果表明,施用磷硅肥的处理,水稻糙米中砷含量为0.504~0.586 mg·kg~(-1),低于农业部颁布的粮食中砷限量标准(NY 861—2004)中大米砷限值。相关性分析表明,水稻糙米砷含量与水稻植株的生物量、稻谷千粒重和秸秆中硅/砷摩尔比呈显著负相关,与秸秆中磷/砷摩尔比呈极显著负相关;糙米的砷含量随磷、硅肥的施加而降低。综合分析表明,在华南地区同类中度砷污染土壤中可有效控制砷向水稻籽粒运输累积的磷、硅肥最优施加量及配比为40 mg P·kg~(-1)土、50 mg Si·kg~(-1)土。     

华南地区不同品系水稻积累砷特征及其影响因素

选用华南地区较为常见的杂交稻、优质常规稻2个水稻品系,16个水稻品种,通过土壤盆栽试验,待其成熟收获后,分析水稻根表、根部、秸秆、糙米中砷含量及相关影响元素的含量,旨在研究不同水稻品系(种)对砷吸收、转运和积累规律以及其影响因素,为低积累、高耐性水稻品系(品种)的选择及相应的农业措施提供科学的理论依据.结果表明,砷在水稻中的分布情况为根表>根部>秸秆>糙米;供试的糙米中砷含量为0.18～0.47 mg·kg<'-1>,均符合国家卫生标准(GB 4810-1994).水稻根表铁锰膜中砷含量随根表中铁、锰的增加而富集,相关分析表明,根表铁锰膜形成可以有效降低糙米砷积累,而秸秆磷可以有效降低秸秆中砷的积累.杂交稻各部位的砷含量及转移系数均高于常规稻,且秸秆和糙米砷含量差异达到显著水平;天优122的糙米砷积累能力高于其他品种,美香占2号低于其他品种.     

秸秆还田和水分管理方式对土壤砷形态及水稻砷吸收的影响

为了解农艺措施对砷污染农田水稻安全生产的影响,设置了4种秸秆还田方式与4种水分管理方式的组合盆栽试验,探讨了不同秸秆还田与水分管理方式对土壤砷形态及水稻砷吸收的影响。结果表明:秸秆全量炭化还田有利于土壤pH值的提高,而秸秆全量还田与秸秆半量还田会导致水稻生长前期土壤pH值的下降;深水淹灌可显著降低土壤Eh值,增加土壤交换态砷、铝结合态砷和水溶性砷含量,从而提高水稻稻谷中砷的含量;薄水淹灌与干湿交替有利于土壤Eh值的提高,从而降低交换态砷和水溶性砷含量,提高As(Ⅴ)/As(Ⅲ)比值,降低稻谷中砷的积累;秸秆全量炭化还田有利于钙结合态砷的形成,轻微增加水稻的产量,其稻谷中砷含量明显低于秸秆全量还田和秸秆半量还田处理的。因此,秸秆全量炭化还田比秸秆全量还田更有利于砷污染农田水稻的安全生产。     

苗期水稻吸收和转运砷的基因型差异研究

采用营养液培养的方法,研究了在根表无铁氧化物膜形成的情况下,苗期水稻对生长介质中三价砷和五价砷吸收及向地上部转运的基因型差异。水稻植株分别暴露在含20(M五价砷和含五价砷、三价砷各10(M的营养介质中14d,对水稻生物量的影响存在显著的基因型差异,在6个水稻基因型中,砷处理促进了根系的生长,但抑制了地上部的正常生长,只有基因型94D-22除外,2周的砷暴露对其生长虽然有抑制作用,但这种抑制效应并不显著;不同程度的砷暴露并没有对根中砷浓度、地上部砷浓度产生明显影响(94D-22除外),但基因型之间砷浓度的变化趋势与有铁膜形成时相比存在明显差异。营养液中三价砷和五价砷共存时,基因型94D-22茎叶中砷浓度最高(69.5mg/kg),是其他基因型的1.8～3.1倍,并且94D-22对砷的吸收能力和转移能力也最大,KY1360和94D-64对砷的转移能力最弱,这与有铁膜形成且经过整个生长季的水稻对砷吸收和转运能力的影响结果不同。     

秸秆还田和水分管理方式对土壤砷形态及水稻砷吸收的影响

为了解农艺措施对砷污染农田水稻安全生产的影响,设置了4种秸秆还田方式与4种水分管理方式的组合盆栽试验,探讨了不同秸秆还田与水分管理方式对土壤砷形态及水稻砷吸收的影响。结果表明:秸秆全量炭化还田有利于土壤pH值的提高,而秸秆全量还田与秸秆半量还田会导致水稻生长前期土壤pH值的下降;深水淹灌可显著降低土壤Eh值,增加土壤交换态砷、铝结合态砷和水溶性砷含量,从而提高水稻稻谷中砷的含量;薄水淹灌与干湿交替有利于土壤Eh值的提高,从而降低交换态砷和水溶性砷含量,提高As(Ⅴ)/As(Ⅲ)比值,降低稻谷中砷的积累;秸秆全量炭化还田有利于钙结合态砷的形成,轻微增加水稻的产量,其稻谷中砷含量明显低于秸秆全量还田和秸秆半量还田处理的。因此,秸秆全量炭化还田比秸秆全量还田更有利于砷污染农田水稻的安全生产。     

砷污染土壤不同比例客土对大豆生长和吸收砷的影响

为探究砷污染土壤的客土修复效果,利用在农业部岳阳实验站的微区试验,研究不同客土比例与方式对砷污染土壤的修复效果及其对大豆生长、吸收砷等的影响。结果表明:污染土壤与客土不同比例混合后能使土壤的砷含量不同程度降低,且其含量降幅与客土比例正相关,相应地,大豆对砷的吸收和累积量随客土比例的增加而减少。与对照(即污染土壤)相比较,污染土壤和清洁土壤比例为60∶40时,大豆地上部总生物量(含茎、叶、荚和籽粒)达到最大值,且根、茎、叶、荚和籽粒的砷含量分别比对照降低30.1%、45.3%、39.8%、66.9%和82.8%;其他不同客土比例处理下,大豆各部位的砷含量均与客土比例存在显著的正相关关系。研究表明,合适比例的客土可以降低土壤和大豆砷含量,并促进大豆生长。     

田间水肥管理措施及石灰施用对水稻Cd As积累的影响

通过水肥管理及石灰施用等农艺措施阻控水稻Cd、As的积累被认为是经济、易行和有效的措施,但相关措施仍缺乏大田的验证和优化。为此,本研究在湖南省开展了多年多点水肥及石灰施用等农艺阻控对水稻Cd、As积累影响的田间试验。2014—2016年,连续3年在攸县和湘潭研究了常规灌溉、开花后淹水和全生育期淹水3种管理模式对水稻Cd、As积累的影响。结果均表明淹水能显著降低糙米的Cd浓度,但提高了As浓度,后期淹水和全淹水分别使糙米中的Cd浓度降低了15%~30%和26%~45%,但使As浓度提高了6%~25%和11%~65%。2016—2017年,连续两年在湘潭研究了秸秆、硅肥、硫肥和锰肥及其与石灰联用对水稻Cd、As积累的影响。结果表明硅肥和硫肥对水稻Cd、As积累的阻控效果不稳定,大田条件下单独施硅肥难以达到显著降低糙米中Cd、As浓度的效果,施用高剂量(2250 kg·hm-2)的硫肥能显著降低糙米中As浓度。施用生石灰(1500 kg·hm-2)对糙米Cd浓度没有产生显著影响,但施用Ca CO3(12 000 kg·hm-2)能显著降低糙米和秸秆的Cd浓度,甬优538的糙米Cd浓度降低了54%,可见,施用足够量的Ca CO3是阻控水稻Cd积累的有效措施。该研究的结果表明合理的水肥管理措施能降低水稻Cd、As的积累,施用Ca CO3将土壤p H上调至6.5左右是阻控水稻Cd积累的有效措施。     

外源磷或有机质对板蓝根吸收转运砷的影响

采用土壤培养方法,研究了不同含砷水平土壤中添加外源磷或有机质对砷在板蓝根地下部和地上部累积与分配的影响.结果表明,在外源添加磷或者有机质的情况下,与自然土相比含砷土对板蓝根的生长有一定的促进作用;在自然土(13.4 mg/kg)中,外源磷没有明显影响板蓝根地下部对砷的累积,却显著降低了砷由地下部向地上部的转运,并且添加200 mg P2O5/kg显著降低了砷在地上部的累积.然而,在含砷土(33.4 mg/kg)中,100 mg P2O5/kg处理显著降低了砷在地下部的累积,但随磷用量的增加反而促进了地下部砷的累积;在添加有机质试验中,10 g/kg的有机质显著降低了自然土中板蓝根地下部和地上部对砷的累积,并且砷的吸收能力也明显下降.在含砷土(23.4 mg/kg)中,添加5g/kg的有机质不仅降低了砷在板蓝根中的富集,而且降低了其对砷的吸收能力,提高了砷由地下部向地上部的转运,但是随着有机质施用量增至10 g/kg,地下部砷含量及其吸收砷的能力均有一定程度的增大.因此,在砷水平较低的自然土壤上种植板蓝根添加200 mg P2O5/kg和10 g/kg的有机质是控制砷在该草药体内积累的适宜用量,而在砷水平较高的土壤上100 mg P2O5/kg和5 g/kg的有机质是降低板蓝根体内砷累积的适宜用量.     

农田土壤中砷的来源及调控研究与展望

砷是一种对环境乃至人体健康危害非常严重且近年来备受关注的有毒类金属元素。通过总结近年国内外相关研究结果,认为我国农田中存在较明显的砷累积趋势,并对农田中砷的自然和人为来源进行了分析。同时,从农田中砷的移除和降低砷有效性的角度,就目前采用的物理、化学、生物和农艺等相关调控措施进行了系统介绍,并对今后的相关研究方向及热点进行了展望。     

不同施砷量对烤烟砷吸收、积累及分布的影响

采用盆栽试验研究了不同施砷量对烤烟砷吸收、积累和分布的影响,结果表明,土壤中施砷可增加烤烟对砷的吸收,提高其富集系数,导致地上部、地下部、烟灰和烟气中砷的积累,且随着土壤中施砷量的增加而提高,但施砷可降低烤烟的位移系数,即降低由地下部向地上部运输砷的能力.砷能分布在烤烟的各个部位,在烤烟各器官中的分布规律为:根>下部叶>茎>中部叶>上部叶.     

土壤高砷污染对冬小麦和油菜生长影响的比较研究

采用盆栽试验研究了土壤高浓度砷污染对冬小麦和油菜生长、生物量、产量的影响及磷、砷在此2种作物各个部位的累积规律。结果表明,200 mg·kg-1土壤砷污染显著抑制了冬小麦的生长,收获时冬小麦株高较对照降低17%;冬小麦地上部分、根系的生物量和产量较对照分别降低了52.2%,60.6%和46.8%。但土壤砷污染对油菜株高、生物量影响均不显著,产量较对照降低了15.4%。砷在冬小麦、油菜各部位的含量为根系>茎叶>颖壳(角果皮)>种子。相同砷污染条件下,小麦根系砷浓度(74.86 mg·kg-1)显著高于油菜根系砷浓度(57.76 mg·kg-1),但地上部分砷含量差异不大,冬小麦籽粒中砷的含量高于油菜籽粒,但均未超过0.7 mg·kg-1。土壤砷污染对冬小麦、油菜根系、茎叶中磷含量影响不大,但显著降低了颖壳(角果皮)中磷的含量。油菜较冬小麦对砷有更高的耐性,砷污染土壤中种植越冬作物时,更适合种植油菜。     

Application of iron and silicon fertilizers reduces arsenic accumulation by two Ipomoea aquatica varities

A 45 d pot experiment was conducted to examine the effects of silicon fertilizer or iron fertilizer on the growth of two typical Ipomoea aquatica cultivars(Daye and Liuye) and arsenic(As) accumuation of Daye and Liuye grown in As-contaminated soils at different As dosage levels. The results showed that the application of these two fertilizers generally enhanced the growth of the plants, which may be partly attributable to the reduction in As toxicity. The addition of these two fertilizers also significantly reduced the uptake of As by the plants though the iron fertilizer was more effective, as compared to the silicon fertilizer. The accumulation of As in shoot portion was weaker for Daye than for Liuye. The research findings obtained from this study have implications for developing cost-effective management strategies to minimize human health impacts from consumption of As-containing I. aquatica.     

土壤砷污染及其对作物的毒害研究进展

综述了土壤中砷的形态、毒性、转化、污染等研究现状和土壤砷有效性的影，响因素，以及砷对作物形态、生理、产量等的影响，总结了作物砷毒害的生理机制，分析了作物砷毒害研究中存在的问题，提出了今后的研究方向和建议。     

硅硫材料对复合污染土壤镉砷赋存形态的影响

为探究含硅含硫材料对极重度(矿区)镉砷复合污染土壤镉、砷形态动态变化的影响,以及轻、重度镉砷复合污染耕地土壤与淹水条件下含硅含硫材料对土壤镉、砷形态变化的影响,本试验采集三种不同污染程度土壤(极重度矿区污染土壤、重度污染耕地土壤、轻度污染耕地土壤),通过室内土壤培养的方法模拟施用含硅含硫材料,研究单一施用(G、S)、混合施用(GS)和混合施用结合淹水处理(GSI)对轻、重度耕地土壤镉砷赋存形态的影响,单一施用(G1、G2、S1、S2)、混合施用(GS1、GS2)以及不同施用浓度处理对极重度矿区污染土壤镉砷赋存形态的影响。结果表明:含硅、含硫材料均能降低矿区镉砷复合污染土壤中弱酸可溶态镉含量,降低幅度为6.42%～13.46%,残渣态含量上升幅度为89.84%～248.57%,显著降低土壤中镉的有效性,其中施用量高的含硅含硫材料处理(GS2)效果最为明显。硅硫材料各处理使土壤中残渣态砷上升了4.74%～13.98%,降低了土壤中砷的有效性,其中施用量低的含硅含硫材料处理(GS1)效果最为明显。硅硫材料对轻、重度污染土壤中弱酸可溶态镉含量均有降低,降低幅度为10.14%～29.93%,残渣态含量上升幅度为21.89%～60.8%,所有处理中含硅含硫材料结合淹水处理(GSI)效果最好,但砷在淹水处理下反而使残渣态分别下降了16.51%～23.96%。含硅含硫材料可降低三种类型土壤镉、砷生物有效性,含硅含硫材料混合处理优于单一处理,耕地土壤GSI处理降低土壤镉砷有效性效果最好。