土壤中砷的迁移转化以及对农作物的影响

砷是一种有毒有害并致癌的化学元素.土壤砷污染是当前环境与健康问题研究的焦点之一.本文对土壤中环境中砷的来源、存在形态及其迁移转化以及砷对农作物的危害进行了综述.     

水分管理方式对寒地稻田土壤钾的影响

通过室内模拟试验,研究干湿交替和长期淹水对黑龙江省广泛分布的四种类型水稻土钾淋洗损失和不同形态钾含量的影响。结果表明,不同类型水稻土钾淋洗量随干湿交替次数增加或淹水时间的延长而增加,除草甸土在干湿交替处理下钾淋洗量高于淹水处理外,其他三种土壤在连续淹水条件下的钾淋洗量均高于干湿交替处理,且白浆土黑土暗棕壤。与连续淹水相比,干湿交替有利于外源钾在表土层积累,同时促进黑土、白浆土和草甸土中缓效钾释放,但减弱暗棕壤中缓效钾的释放。因此,为提高土壤中有效钾供给量,减少钾的淋洗损失,白浆土型水稻土和黑土型水稻土宜采取干湿交替的水分管理方式,草甸土型水稻土和暗棕壤型水稻土可适当延长淹水时间。     

改良剂对冷浸田土壤团聚体稳定性的影响

采集冷泉烂泥型和冷浸烂泥型冷浸田土壤,设置不添加任何物质和分别添加白云石粉、生物炭、粉煤灰、聚丙烯酰胺和混合改良剂等6个处理,在持续淹水和干湿交替2种水分管理下进行室内模拟培养试验。测定培养后第30、90、180和360天土壤团聚体分布及其水稳性。结果表明:在干湿交替条件下,改良剂对冷泉烂泥型和冷浸烂泥型冷浸田土壤团聚体的形成有促进作用,并随着培养时间的延长逐渐增强,达到180d时基本稳定;在持续淹水条件下,改良剂对2种类型冷浸田土壤团聚体的形成具有短暂促进作用,且不稳定。在几种改良剂中,粉煤灰和混合改良剂(粉煤灰+生物炭+聚丙烯酰胺)对2种类型冷浸田土壤大团聚体形成均表现促进作用。     

水分管理与秸秆还田对作物吸收土壤中砷的影响

为了解农田水分管理方式与秸秆还田对砷污染农田中生长农作物吸收砷的影响,在某一砷污染农田的水稻-油菜连作系统中设置稻季淹水灌溉与湿润灌溉和稻季秸秆还田与油菜季秸秆还田双因素试验,分析不同水分管理和秸秆还田对水稻和油菜各器官中砷积累的影响。结果表明,油菜籽粒中砷含量明显低于水稻谷物;稻季湿润灌溉水稻籽粒及茎叶中砷含量低于淹水灌溉,前者为后者的47.59%~48.30%和6.43%~13.36%;稻季水分管理方式对后续作物油菜籽粒砷积累影响不明显。水稻秸秆在油菜田还田处理的水稻籽粒中砷含量低于油菜秸秆在水田还田处理的水稻籽粒,但秸秆还田时间对油菜籽粒中砷含量影响不明显。分析表明,湿润灌溉土壤水溶性As(Ⅲ)和As(Ⅴ)总量及As(Ⅲ)/As(Ⅴ)的比例都显著低于淹水灌溉。研究认为,湿润灌溉和水稻秸秆油菜季还田可降低农产品中砷的积累。     

不同磷水平对砷污染土壤中油菜生长的影响

采用盆栽试验研究了不同磷肥水平对砷污染土壤中油菜生长和吸收累积砷的影响.结果表明,在200 mg/kg砷污染土壤中,没有施入磷肥的情况下,油菜几乎不能生长,植株僵硬,趋于死亡,产量极低.当分别施人0.2 g/kg和0.4以g磷肥后,油菜株高、生物量和产量等指标均显著提高,砷毒害作用显著降低.在P0.2和P0.4两个磷水平下,油菜根系砷含量较对照分别提高171％和111％;茎叶中砷含量较对照分别提高24.45％和13.0％;角果皮中砷含量较对照分别增加44.49％和345％.磷肥的施用,显著提高了砷在油菜各部位的含量.与P0.2处理相比,P0.4处理下油菜根系、茎叶中砷含量有降低趋势,但角果皮中砷含量显著增加.不同浓度磷肥的施用促进了砷由地下向地上部分转移,尤其是向角果皮中转移.随着土壤中磷浓度的增加,油菜籽粒中砷含量也逐渐增加.但均没有超过0.7mg/kg国家安全标准.     

H2O2介导的Fenton反应对砷镉污染下水稻生物量的影响

采用土壤-石英砂根袋法,研究了淹水和干湿交替两种水分条件下,模拟天然降雨中微摩尔级浓度H2O2介导Fenton反应对砷镉污染土壤上水稻生长的影响。结果表明,添加砷浓度30 mg·kg-1处理组在有Fenton反应的情况下显著提高了水稻在分蘖期的干重和鲜重,在添加砷浓度30 mg·kg-1和镉浓度0.3 mg·kg-1的复合污染处理组Fenton反应也提高了水稻在成熟期的干重和鲜重,同时Fenton反应增加了添加镉浓度为0.3、3 mg·kg-1处理组的稻谷产量。模拟研究证明,H2O2介导的Fenton反应可以缓解砷、镉污染对水稻的胁迫作用,提高水稻的生物量和产量。     

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。     

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。     

P、Fe及水分对土壤砷有效性和小麦砷吸收的影响

为探讨外源调控措施对土壤中砷的结合状态和植物砷吸收的影响,利用室内盆栽试验,研究了外源添加不同的磷酸盐、FeCl_3和不同水分条件下土壤中砷的有效性和小麦砷吸收的变化。研究结果显示,加Fe能显著降低土壤pH值、土壤溶液中砷的含量及土壤中非专性吸附态和专性吸附态砷的含量,降低植物对砷的积累。施加不同形态磷酸盐后,土壤溶液中砷的浓度显著增加,其中以KH_2PO_4和Ca(H_2PO_4)_2处理条件下增加效果更明显。加磷处理也能显著增加小麦地上部砷含量,但对土壤不同提取态砷的含量影响不明显。不同土壤含水量并不能引起土壤pH的显著变化,饱和水处理时土壤溶液和土壤各提取态砷的含量略高于干湿交替处理。小麦地上部分砷的含量与土壤溶液砷浓度和土壤中专性吸附态砷含量分别呈极显著(P0.01)和显著(P0.05)正相关,而与无定形Fe-Al氧化物结合态和晶质Fe-Al氧化物结合态均呈显著负相关(P0.05)。小麦地上部生物量与专性吸附态和晶质Fe-Al氧化物结合态砷之间呈显著正相关(P0.05),与无定形Fe-Al氧化物结合态和残渣态砷含量之间呈显著负相关(P0.05),其中与无定形Fe-Al氧化物结合态砷含量的相关性达极显著水平(P0.01)。地上部砷含量和生物量之间呈极显著负相关(P0.01)。结果表明:不管是在加磷还是不加磷的条件下,FeCl_3均能显著降低土壤溶液中砷的含量和小麦对砷的吸收;三种磷酸盐处理显著增加了土壤溶液和小麦地上部砷的含量,小麦地上部对砷的积累在三种磷酸盐处理之间没有显著差异。     

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。     

不同改良剂和水分管理对水稻吸收积累砷的影响

为筛选出有效治理As污染农田土壤的修复模式,采用盆栽试验的方法,比较了不同混合改良剂和水分管理对As污染土壤中水稻吸收积累As的影响。结果表明,土壤以及水稻籽粒、茎叶和根系中的As含量在不淹水条件下较低,在淹水条件下较高,在孕穗期至灌浆期淹水条件下处于前两者之间。不同水分管理方式下,添加Si+Mo使籽粒As含量降低4.8%～19.9%,茎叶As含量降低16.9%～56.3%;添加Fe+Ca使籽粒As含量降低26.6%～50.6%,茎叶As含量降低40.3%～81.2%。添加改良剂还能降低水稻根系向茎叶和籽粒转运As的能力。综合而言,不淹水+Fe+Ca处理降低水稻As含量的效果最明显。     

客土比例对土壤及油菜砷有效性的影响

为探究客土修复砷污染土壤的长期效果,在农业农村部岳阳农业环境野外科学观测实验站设计了客土与污染土壤不同混合比例的微区试验,研究了混合比例对土壤砷含量及油菜生长、吸收砷等的影响。结果表明：客土降低了污染土壤的砷含量,且土壤有效砷含量的降幅与客土比例显著相关,油菜各部位对砷的吸收量随客土比例的提高而降低。客土比例为40%时,油菜茎叶和籽粒的生物量最高,分别比污染土中增加了7.8%和12.8%,且根、茎叶和籽粒的砷含量分别比污染土中降低了67.4%、68.4%和82.2%。随客土比例的提高,土壤团聚体平均质量直径呈增加趋势,土壤pH和阳离子交换量则呈降低趋势。根据本研究结果,客土比例对土壤有效砷及pH、团聚体平均质量直径和阳离子交换量等理化指标具有显著影响,合适比例的客土能促进油菜生长并大幅度降低油菜的含砷量。     

砷污染下菌根接种对番茄生长和砷吸收的效应

为研究砷(As)污染条件下菌根真菌对番茄植株生长和砷吸收的效应,采用盆栽法,以全生育期的番茄植株为材料,对生长在不同砷浓度土壤中的番茄植株接种菌根真菌进行研究。结果表明:无论是接种还是不接种处理,基质砷添加水平增加植株总根长和比根长均呈现减少趋势;砷添加浓度从0 mg/kg增加到100mg/kg时,植株根冠比增加,但砷添加浓度为200 mg/kg时,对照植株根冠比在整个生育期明显增加,而在开花期和坐果期接种显著降低了植株根冠比;添加砷显著增加地上部分和根系砷含量,加砷后结果率显著降低,未接种植株结果量明显减少且质量下降,在200 mg/kg时,接种还是未接种植株均不结果实,但加砷条件下接种降低番茄果实中的含砷量和砷吸收量。     

不同价态砷的土壤碱性磷酸酶效应研究

【目的】砷是土壤污染的主要元素之一,研究As5+、As3+单一和复合污染对土壤碱性磷酸酶活性的影响,揭示其对土壤碱性磷酸酶的作用机理,为砷污染监测提供理论依据。【方法】采集江西鹰潭红壤、陕西榆林风沙土、陕西杨凌土娄土各2个肥力水平的土样为供试土壤,采用室内模拟法,研究不同含量As5+、As3+以及二者复合污染下供试土壤碱性磷酸酶活性的变化。【结果】As5+和As5++As3+均能抑制土壤碱性磷酸酶活性,随As5+和As5++As3+含量的增加,相对碱性磷酸酶活性持续减小;采用模型E=A/(1+B×C)可较好表征相对碱性磷酸酶活性(E)与砷含量(C)间的关系(A、B为参数),揭示出土壤碱性磷酸酶活性可作为表征土壤As5+和As5++As3+污染程度的监测指标,且As5+和As5++As3+对碱性磷酸酶活性的作用机理为完全抑制作用(包括竞争性抑制和非竞争性抑制)。As3+对土壤相对碱性磷酸酶活性影响较小。As5+与As3+之间存在一定的交互作用,除了低肥力水平红壤及土娄土中As5+和As3+含量均小于50mg/kg时二者表现为协同作用外,在其他供试土壤中均为拮抗作用。不同供试土壤As5+的生态剂量ED10和ED50差异较大,砷对土壤造成轻度污染的含量为25mg/kg。【结论】土壤碱性磷酸酶可作为土壤As5+及As5+与As3+复合污染程度的监测指标。     

微生物在不同pH下对水稻土胶体中砷释放的影响

为探讨水稻土胶体与类金属砷（As）的生物地球环境行为,本研究对比分析了微生物在初始pH=3和初始pH=7的不同酸碱条件下对土壤胶体负载As释放的作用差异,并揭示其内在机制。结果表明：在pH=3条件下微生物作用相对较弱,对胶体悬液pH与Eh影响较小,与无菌对照组相比,溶液中Fe²⁺与As含量均有所提高,且释放的As主要为氧化态As（Ⅴ）;在pH=7条件下微生物活性较强,至28 d时可使胶体悬液pH升至8.12,Eh降至-55 mV,形成强还原环境,铁还原溶解量明显增多,Fe²⁺含量是无菌对照组的2.79倍,并且胶体中吸附态As随着Fe的还原溶解而释放,主要为还原态As（Ⅲ）。相关性分析表明,土壤胶体中As的释放与铁氧化物的还原转化有关,溶液中As释放量与Fe²⁺含量呈显著正相关关系,尤其在中性条件下As（Ⅲ）含量与Fe²⁺极显著正相关（r=0.798**,P<0.01）。研究表明,在中性环境条件下较强的微生物活性可提高土壤胶体中铁氧化物的异化还原,同时增强As的释放与转化。     

被污染土壤砷的化学形态与含量变化分析研究

采用连续提取法对土壤中砷的化学形态进行分析研究,比较加入不同改良剂时砷的各种形态含量的变化。结果表明,在加入改良剂时,土壤中5种形态的砷含量均有所改变,易于被植物吸收的可交换态砷的含量均有下降;在分别加入氧化钙和碳酸钠固体时,可交换态砷含量分别下降42．11％和70．10％,但以碳酸盐形态存在的砷含量却升高646．01％和618．78％;实验发现加入8-羟基喹啉时,易于被植物吸收的可交换态和碳酸盐结合态砷的含量下降值最大,显示出较好的砷污染改良效果。     

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。     

铁改性生物炭对水稻土中砷/铁还原的影响

为探讨铁改性生物炭对水稻土中砷（As）/铁（Fe）形态转化的影响,本研究以湖南某矿区周边As污染稻田土壤为研究对象,研究对照组（CK）、生物炭（CS）、铁改性生物炭（CFS）和蒽醌-2,6-二磺酸盐（AQDS,AS）4个处理对As/Fe形态转化及微生物群落结构的影响。结果表明：培养至49 d时,各处理中释放的As（Ⅲ）浓度为CS（383.6 μg·L^-1）>AS（335.7 μg·L^-1）>CK（296.9 μg·L^-1）>CFS（109.7 μg·L^-1）;Fe（Ⅱ）浓度为CFS（166.3 mg·L^-1）>AS（155.1 mg·L^-1）>CS（123.8 mg·L^-1）>CK（72.43 mg·L^-1）。CK、CS、CFS、AS处理中溶解性有机碳（DOC）分别被利用了52.37%、56.96%、55.29%、53.52%;3个处理组液相层中DOC的腐殖化程度显著高于CK。16S rRNA基因测序结果表明,优势微生物为变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）,约占细菌总量的70.0%;CFS处理组中As/Fe还原菌（Clostridium、Geobacter和Anaeromyxobacter）的相对丰度显著高于其他处理。研究表明,施加铁改性生物炭会改变DOC的生物利用性及微生物群落结构,从而调控水稻土中As（V）/Fe（Ⅲ）的还原,为水稻土As污染修复提供理论基础。