施磷肥对土壤_水稻体系中Hg迁移累积规律的影响

1、施磷肥对土壤水稻体系中Hg 迁移累积规律的影响X王洪君,王 楠,梁火亘赫,张 磊,曹玉军,陈宝玉X X中国农业科技东北创新中心农业环境与资源研究中心,长春130033摘 要:对水稻田施用不同剂量磷肥,定期测定土壤、水稻根、茎、叶和子粒中的Hg 的动态变化,研究Hg 在土壤和水稻各器官中的分配累积、动态变化规律,以及Hg 在土壤和水稻植株各器官的累积量与磷肥施用量的相关性等。结果表明:在水稻成熟期,在4个不同磷肥水平下,土壤和植株中Hg 的含量与磷肥施用量存在明显的剂量效应,Hg 在土壤及水稻植株不同器官的含量分布由大到小的次序为土壤>根>茎>叶>穗;叶、穗中重金属Hg

2、含量总体趋势为先升高后下降,根中重金属Hg 含量除10月初出现几个高值外,总体趋势为平稳,茎中重金属Hg 含量总体趋势为下降;Hg 在土壤和水稻各器官累积量与磷肥施用量达到极显著相关;Hg 在水稻植株体内富集系数为根>茎>叶>穗。关键词:磷肥;土壤;水稻;Hg;累积规律引文格式:王洪君,王楠,梁火亘赫,等1施磷肥对土壤水稻体系中Hg 迁移累积规律的影响J.吉林农业大学学报,2011,33(6:666-671.Influence of Phosphate Fertilizer on Hg Accumulation in the Soi-l RiceSystemW ANG H o

3、ng -jun,W ANG N an,LIANG Xu an -he,ZH ANG Lei,CAO Yu -jun,CHEN Bao -yu Agricultural Environment and Resource Research Centre,Northeast Agricultural Research Centre o f China ,Changchun 130033,ChinaAbstract:In this study rice was treated with different doses of phosphate,Hg in soil and various organs

4、 of rice were analyzed by dynamic measure ment.The rules of distribution and accumulation,dynamic change and the c orrelation of cumulative between heavy meals and soil and rice organs under different lev -els of phosphate were studied.The results showed:in mature stage,the content of Hg in soil and

5、 plants related to phosphate exists a clear dose -response under four different levels of phosphate.The distribution of Hg in soil and rice plants with different organs was as follows:soil>root>stem>leave >ear.The trend of Hg content in root was smooth in addition to a fe w high -value o

6、ccurred in early October.The trend of Hg content in ste m was declined,and in leaf and ear was first increased and then decreased.The accumulated c ontention of Hg in soil and various organs of rice reached a very significant correlation with phosphate fertilization.The enrichment rule of Hg in soi-

7、l rice syste m under different levels of phosphate:X XX 通讯作者基金项目:中国农业科技东北创新中心引进高层次人才启动基金项目(2008-05,博士后启动基金项目(2009-10作者简介:王洪君,男,硕士,助理研究员,研究方向:污染生态学。收稿日期:2011-04-01 网络出版时间:2011-09-2110:53root>stem>leave>ear.Key words:phosphate;soil;rice;Hg;accumulation近年来随着粮食产量的逐年提升,人们盲目地、不合理地使用化肥的现象较为普遍。由于化肥

8、中含有大量有害元素,随着施肥过程进入稻田土壤,致使稻田土壤中有害元素含量日益增高,明显高于其自然背景值,造成稻田生态破坏和环境质量恶化。肥料中含有多种重金属如砷、镉、铅、铬、汞等,主要来源于工业硫酸、磷矿石、污泥、生活垃圾等1。土壤中的Hg超过一定水平就会在植物体内积累。Hg是人类食物链中毒性最强且易于富集放大的有毒物质,特别是有机形态的Hg,由于水生生态系统(湿地、沼泽、稻田是产生甲基汞的重要场所,通过植物的富集和食物链的放大,对高级生物的生存状况和人类的健康构成严重威胁2。稻米是我国主要的粮食之一,全国60%以上的人口以稻米为主食3,现代水稻生产中化肥的大量使用,在增加水稻产量的同时,也造

9、成了土壤环境污染和稻米品质的下降4。因此对有害元素污染的有效控制及肥料的合理使用便成为土壤水稻生态系统中十分重要的研究内容。本研究旨在探索土壤水稻系统中,施磷肥导致的Hg 隐蔽性、长期性和不可逆性污染的富集特点及Hg 在土壤水稻系统中的分布、动态变化规律,以期为今后稻田环境的治理、减少Hg对土壤的污染、降低水稻中的有害元素含量、提高稻米品质、保证粮食安全提供科学依据。1材料与方法111试验材料111.1试验地自然概况田间试验位于吉林省九台市饮马河镇老稻田区(种植水稻约30年,选择老稻田区磷肥积累年限久,存在污染的机率大,地处东经125b25c126b30c、北纬43b51c 44b32c之间。

10、土壤为中性黑土,前茬均为水稻。土壤pH值为6167,全氮1193g/kg,全磷0119g/kg,速效磷0101g/kg,全钾0147g/kg,有机质14173g/kg,阳离子交换量25132cmol/kg,Hg 8195L g/kg。11112供试品种试验采用的品种为吉林省农业科学院水稻研究所2008年审定的水稻新品种/吉粳8060。该品种熟期适中,产量高,中抗稻瘟病,米质优,适宜在吉林省晚熟稻区、辽宁北部、宁夏引黄灌区、北疆沿天山稻区和南疆、河北北部稻区种植。11113供试肥料供试肥料及其元素含量见表1。表1供试肥料元素含量Table1.The element content of s el

11、ected fertilizer肥料Ferti li zer w(Hg/(L g#kg-1w(N/%w(P/%w(K/%尿素CO(N H22217046180磷酸二铵(NH42HPO491800460硫酸钾K2SO441890060112试验方法11211田间试验各处理在纯氮、纯钾施用量相同条件下,按公顷纯磷酸二铵施量的不同设置4个处理:T1140kg;T2180kg;T31120kg; T41160kg,每个处理4次重复,每个重复种植面积为20m2(4m5m。重复采用随机区组排列。11212样品采集及制备采集020c m耕层土壤混合样品,在水稻分蘖期、拔节抽穗期、灌浆期和成熟期各采集土样及水

12、稻植株,将采回的土样烘干,用土壤粉碎机粉碎后装袋保存。植株样品用清水洗净,放入100e烘箱杀青2h,取出后将植株按根、叶、茎和穗分离,包装贴签后放入80e 烘干至恒重,装入密封袋中保存备用。11213测定项目及方法土壤阳离子交换量用醋酸铵法测定;土壤pH值用电位测定法测定;土壤有机质含量用重铬酸钾法测定;土壤全氮含量667王洪君等:施磷肥对土壤水稻体系中Hg迁移累积规律的影响吉林农业大学学报Journal o f Jilin Agricultural University用硒粉-硫酸铜-硫酸消化法测定;土壤全钾含量、速效钾含量均用火焰光度计法测定;土壤速效磷含量用碳酸氢钠法测定;全磷含量用高氯

13、酸-硫酸溶液-钼锑抗比色法测定。土壤及水稻试样Hg含量的测定:将试样置于消解器的聚四氟乙烯塑料内罐中,加5mL浓硝酸,混匀后静置过夜。次日再加3mL H2O2,盖上内盖放入不锈钢外套中,旋紧密封。然后,将消解器放入普通干燥箱中加热,升温至120e后保持恒温23h,至消解完全,自然冷至室温。向消解液中加入5%硫脲5mL,再用10%HNO3溶液定容至25mL,利用原子荧光光度计(SK-2003AZ AFS测定Hg含量。11214数据处理方法数据采用Excel2003进行分析和制图,采用DPSV7105软件进行方差分析和显著性分析。2结果与分析211不同磷肥水平下H g在土壤水稻体系中的分布规律成熟

14、期不同磷肥水平下土壤及水稻根、叶、茎和穗Hg含量差异显著性分析结果见表2。根中Hg含量T1、T2、T3、T4与ck的Hg含量均差异显著,各处理之间差异显著;叶中Hg含量各处理与ck均差异显著,处理之间T1和T2、T3和T4之间差异显著;茎中Hg含量各处理与ck均差异显著,处理之间T1与T2与T3、T4之间差异显著;穗中Hg含量各处理与ck均差异显著,处理之间T1、T2与T3与T4之间差异显著。Hg在水稻植株中累积顺序均为根>茎>叶>穗。水稻成熟期,在4个不同磷肥水平中,c k水平下其土壤及水稻根、叶、茎和穗Hg含量均低于其他水平。随着磷肥施用量的不断增加,水稻植株对Hg的吸收

15、与积累量显著增加,但植株不同部位的吸收与积累量不同,吸收的Hg大部分滞留在根部,说明施用磷肥是土壤和水稻器官Hg 累积增加的重要原因。随着磷肥施用量的不断增加,土壤中Hg在土壤及水稻根、叶、茎和穗中的含量与ck均差异显著,这说明Hg在土壤和植株中的含量与磷肥有关,且大多数存在明显的剂量效应。表2Hg在土壤水稻体系中的分布Table2.The distribution of Hg in soi-l rice system处理Treatmentw(Hg/(L g#kg-1土壤Soil根Root叶Leaf茎Hal m穗SpikeT48190aA6177a A5174aA6134aA5109aAT38

16、185aA6109bB4189bB5190aAB4183bBT28174bB5146cC4189bB5130bBC4161cBCT18171bcB4198dD4169cC4180cC4151cCck8168cB4185eE3136dD3140dD2194dD注:同列上标不同小写字母表示差异显著(P<0105,大写字母表示差异极显著(P<0101Note:The values with different s ubs cript le tters di ffer signi ficantly(with s mall letter,P<0105or very significan

17、tly(wi th capital letter,P<0101212不同磷肥水平下Hg在水稻植株各器官动态变化规律Hg在水稻植株各器官的动态变化见图1(A. Hg在根中的动态变化;B.Hg在叶中的动态变化;C.Hg在茎中的动态变化;D.Hg在穗中的动态变化。由图1可见,根中Hg含量除10月初出现几个高值外,总体趋势为平稳;叶中Hg含量总体趋势为先升高后下降。具体为7月份快速升高,8、9月份呈下降趋势,7月初为最低值,8月初达到最高值;茎中Hg含量总体呈下降趋势,具体趋势为8、9月份呈下降趋势,8月初为最高值,10月初达到最低值;穗中Hg含量总体趋势为先升高后降低,具体为8月份呈快速升高趋

18、势,9月份呈缓慢下降趋势,8月初为最低值,9月初达到最高值。7月初水稻根部Hg含量在秧苗期很低,而在668吉林农业大学学报2011年12月Journal o f Jilin Agricultural University2011,December分蘖期根部积累量迅速上升,在随后的拔节期到孕穗期根部积累量慢慢减少,在成熟期又开始上升。原因可能是水稻根部在分蘖期生长旺盛,对养分的吸收量大,Hg 随之进入根部,随后,由于根部积累较多的Hg,使根部的代谢加强,导致Hg 从根部不断向地上部分迁移,同时根部化学性状的改变以及原生质泌溢等作用抑制了根部的吸收机能5,使根部从土壤中吸收的Hg 逐渐减少,但成熟

19、期由于水稻地上部分已经完成养分的吸收,多余的养分又回到根部,Hg 又随之进入根部。水稻叶部Hg 的含量在拔节期达到最大值,随后的孕穗期到成熟期积累的Hg 呈现逐步下降的趋势。这种变化规律可以认为是水稻叶部在分蘖期生长旺盛,吸收机能加强,使叶部迅速吸收从土壤和根部传输上来的Hg 。在拔节期,水稻叶部对Hg 的耐性和代谢机制加强,使吸收和积累的Hg 明显减少,叶部对Hg 的代谢机制开始减弱,从土壤和根部传输上来的Hg 在茎部又逐渐积累。水稻茎对Hg 积累随时间的变化呈逐步下降的趋势,由于水稻分蘖期没有明显的茎,地上部分Hg 主要积累在叶片中,随着茎部长势及养分吸收逐渐加强,水稻叶部的Hg 向茎部迁

20、移作用加强,成熟期茎生长趋于停滞,茎中的大量Hg 随养分向水稻根及穗部转移,因此茎中Hg 在成熟期缓慢下降,而穗中的Hg 含量在生长期呈现先升高后降低的趋势。213 不同磷肥水平与Hg 在土壤及水稻植株各器官累积的关系根据成熟期土壤及水稻器官的Hg 含量和各处理磷肥施用量,分别建立土壤及水稻器官的Hg 含量和磷肥施用量相关方程,其中y 表示土壤及水稻器官中的Hg 含量,x 表示小区磷肥施用量,得出的回归方程及相关系数见表3。由表3可知,土壤及水稻器官的Hg 含量和磷肥施用量相关方程比较发现,Hg 无论对土壤还是水稻各器官都达到极显著相关,表明Hg 在土壤及水稻植株各器官累积中受磷肥施用量影响较

21、大。通过上面的相关性分析可以得出结论:施用磷肥可以导致Hg 在土壤水稻体系中累积,且随着单位面积内磷肥施用量的增加,Hg 污染也随之加重。669王洪君等:施磷肥对土壤水稻体系中Hg 迁移累积规律的影响吉林农业大学学报Journal o f Jilin Agricultural University表3土壤及水稻器官Hg含量和磷肥施用量的相关系数Table3.Correlation coefficient of Hg content in soil and rice organ and phosphate fertilizer rate部位Location回归方程Regressi on equa

22、tion Correlationcoefficient土壤Soil y=010003x+010*根Root y=010030x+010*叶Leaf y=010030x+010*茎Hal m y=010042x+010*穗Spike y=010028x+010*214不同磷肥水平下H g在土壤水稻体系中的富集规律为了解Hg在土壤水稻体系中的迁移特性,收集4个月的监测数据,计算Hg在水稻植株地上部分(根、茎、叶、穗的吸收富集系数(表4。所谓吸收富集系数是指重金属在水稻植株地上各个部位的质量分数与土壤中对应的质量分数之比6。生物富集系数被用来反映土壤植物体系中元素迁移的难易程度,这是植物将重金属吸收

23、转移到体内能力大小的评价指标7。生物富集系数高,表明地上部分植物体内重金属富集质量分数大。由表4可知,Hg在水稻植株体内富集系数为根>茎>叶>穗。表4水稻植株不同器官对Hg的吸收富集系数Table4.Abs orption concentration coefficient of Hg in differ-ent organs of rice处理Treatment根Root叶Leaf茎Hal m穗Spike3讨论磷肥施用量对土壤水稻系统中Hg含量存在明显的剂量效应,表明这些元素较易从土壤向水稻植株体内迁移积累。研究区域内水田土壤中Hg含量低于5土壤环境质量标准68二级标准的限

24、值,符合标准中规定的一般农田的要求,重金属的综合污染指数表明研究区域内水田土壤Hg含量未达到污染水平。Hg在土壤和水稻各器官累积量与磷肥施用量呈正相关,如过量施用磷肥会导致土壤和水稻植株Hg含量升高,Hg对土壤和水稻植株造成污染,进而对人类健康构成严重威胁。Hg在水稻植株体内富集系数研究表明,地下部分植物体内Hg 富集质量分数大于地上部分植物体内Hg富集质量分数。关于重金属在作物各器官的分布国内外进行了大量的研究。郦逸根等研究发现,在水稻成熟期重金属大部分停留在根部,少量向地上部分迁移;重金属在水稻植株不同器官的含量为根部>根基茎>主茎>穗>子实>叶9。赵步洪等试

25、验表明,水稻植株不同器官Cd2+的浓度和累积量的大小顺序为根>茎鞘>叶片,说明水稻吸收的Cd2+大量累积于根系中,符合/末端分配规律010。镉和锌在小麦、玉米、水稻各器官的残留累积量中以根最高,茎叶居中,子粒中的含量远远低于根系中的含量11-13。关共凑等得出结论为重金属在水稻植株不同器官的质量分数分布由大到小的次序为根>茎>子实>叶14。水稻不同器官对重金属元素的吸收蓄积能力存在很大差异,以根富集重金属元素的能力最强,一般以根>茎>叶>子粒(或糙米的顺序递减15-16。过多施用磷肥造成土壤有害元素积累,易被作物吸收,从而对人畜造成危害17。上述

26、研究中共同点是Hg在根中累积的最多,其次是茎,Hg之所以在根中含量较高可能与Hg进入根的皮层细胞后和根内蛋白质、多糖类、核酸等化合成为稳定的大分子络合物或不稳定性有机大分子而沉积有关。本研究结果表明,Hg在水稻植株中累积顺序均为根>茎>叶>穗,与上述研究结果存在差异的是叶和穗中Hg的累积顺序,产生这种现象的机理还有待进一步研究。本研究及上述研究均表明Hg在土壤和植株中的含量与磷肥有关,且大部分存在明显的剂量效应,但通过与国家标准限值(水稻子粒限值NY861-2004对比,还未达到污染的水平。比较Hg在土壤及水稻各器官的含量与磷肥施用量相关性发现,Hg无论对土壤还是水稻各器官都

27、达到极显著相关,表明Hg在土壤及水稻植株各器官累积中受磷肥施用量影响较大。本研究670吉林农业大学学报2011年12月Journal o f Jilin Agricultural University2011,December王洪君等: 施磷肥对土壤 水稻体系中 Hg 迁移累积规律的影响 与其他一 些学者 研究结 果基本 一致。Mishra 和 Singh 的研究表明, 玉米对重金属的吸收随土壤中 重金属含量增加而增加 18 。杜心等研究表明, 随 营养液中砷、 汞浓度的增加, 水稻根部和地上部 砷、 汞含量显著增加 19 。 Hg 在水 稻植 株 体内 富集 系数 为根 > 茎 >

28、; 叶> 穗, 总体规律与各方面报道基本一致 6, 14 , 即 当土壤中 Hg 含量低时, 富集系数低, 而当土壤中 Hg 含量高时, 富集系数高, 存在的个别差异可能 与水稻品种、 气候、 土壤 pH 值和阳离子交换量有 直接关系, 有待于进一步研究。 13 9 10 7 8 671 株中的富集和分布 J . 环境化学, 2002, 21( 2 : 110 -116. 聂发辉. 关于 超富集 植物 的新理 解 J . 生态 环境, 2005, 14 ( 1 : 136 -138. 王勇, 窦森. 长春市郊区土壤 水稻体系 重金属含量及迁 移 规律 J . 吉林农业大学学报, 2008

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