高砷煤矿污染稻田水稻对砷的吸收与赋存特征研究

邱丽娟，吴攀, ，张翅鹏, *，陈俊峰，黄臣臣，陶秀珍

1. 贵州大学资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025；2. 贵州省普通高等学校矿山环境污染过程与控制特色重点实验室，贵州 贵阳 550025；3. 贵州民族大学化学与生态环境工程学院，贵州 贵阳 550025

砷（As）是一种广泛存在且对动植物具有毒害作用的类重金属元素。As污染在已成为一个严峻的全球性环境问题（尤其在东南亚），目前已有数百万人口受到 As污染的影响（Bhattacharya et al.，2007）。近年来，含As地下水灌溉与矿产资源的开发利用等导致许多国家和地区的部分稻田受到严重As污染。水稻（Oryza sativa L.）是世界上最主要的粮食作物，并且比其他粮食作物更易吸收和积累As。在孟加拉国以及中国湖南、贵州、湖北等砷污染区，农田生产大米的砷含量高于 0.7 mg·kg-1（Hossain et al.，2007）。若长期食用可能会诱发癌症、心脏病和皮肤病等（王永杰等，2010），因此，水稻砷吸收富集是目前生物地球化学领域比较受关注的环境问题。

水稻根吸收土壤中的砷后输送转移至株体不同部位并富集转化。在不同生育时期，水稻对砷的吸收量存在差异。Wang et al.（2006）研究发现在水稻根、茎和叶中，分蘖期 As增加很快，拔节期显著降低，孕穗期和灌浆期有小幅度增加，成熟期达到最高；而 As在稻穗里的含量在孕穗期达到最高，灌浆期迅速降低，成熟期有所增加但仍低于孕穗期。彭小燕等（2010）发现水稻在分蘖期各部位As含量极显著增加，之后在灌浆期又有一定程度的增加，直到成熟期达到最大；籽粒 As的含量在不同时期由大到小的顺序为：孕穗期＞成熟期＞灌浆期。水稻吸收的砷在不同部位富集，成熟期水稻各部位砷含量呈根＞茎＞叶＞稻壳＞稻米的分布规律（Ye et al.，2012），Abedin et al.（2002）发现当用含 As 8 mg·L-1污染水浇灌时，根、茎叶、谷壳和糙米As含量分别为 107.5、91.8、6.1、0.42 mg·kg-1。水稻中砷的毒性不仅与其总量有关，还与其赋存形态有关（Duan et al.，2007），有必要从赋存形态角度深入认识水稻对砷的吸收和分配。As(Ⅲ)可能通过硅酸盐途径进入水稻根系，As(Ⅴ)可能主要通过磷酸盐吸收通道进入水稻根系（Ma et al.，2007），砷进入水稻体内后可以进行价态转化（Carey et al.，2011；Punshon et al.，2016）。Zheng et al.（2011）研究了不同形态砷在不同生长期的分配，表明在水稻不同生长期无机砷保持稳定，并且主要在灌浆期转运无机砷到稻米中。目前虽已有一定的相关研究（Li et al.，2017；Syu et al.，2015），但针对矿业活动造成的土壤污染背景下的相关研究还较少。

黔西南高砷煤矿区历史遗留矿渣已对小流域稻田土壤性质及砷含量造成影响。研究该流域水稻在不同生育时期对不同形态砷的富集、吸收、各器官对不同形态砷的转运能力及其分布特征，初步探讨水稻对砷的吸收与赋存形态特征，为深入认识矿业背景条件下砷在水稻中的富集及形态分布提供参考。

1 研究区概况

兴仁县位于贵州省西南部，其境内的煤矿是黔西南典型的高砷煤矿区之一。平均海拔 2014 m，全年降水量1320.5 mm，平均气温15.2 ℃。研究区为交乐村猫石头水库（Maoshitou Reservior）与石头寨水库（Shitouzhai Reservior）的灌溉区域（见图1）。猫石头水库上游因煤矿开采遗留的废弃煤矿矿井（部分属于高砷煤）及矿渣产生大量的酸性矿山废水（AMD），未经任何处理直接流入水库，导致该水库水质恶化，pH值介于 2～3之间，造成水体污染（吴攀等，2006）。石头寨水库及上游无酸性矿山废水汇入，水体未受污染，而水稻是该研究区的主要粮食作物之一，由于水资源不足当地居民长期使用该含砷灌溉水进行农业灌溉，导致该区土壤酸化及土壤砷含量偏高。其土壤pH为3.74～5.20，土壤有机质质量分数为13.68～34.20 g·kg-1。土壤As质量分数为24.81～141.37 mg·kg-1，土壤铁氧化物质量分数为3.5%～4.6%（段明宇等，2017）。

2 样品采集分析与数据处理

2.1 样品采集

2015年8—10月，按照水稻不同生长期（拔节期(Jointing stage)、灌浆期(Filling stage)和成熟期(Maturing stage)），在研究区采集整株水稻样品 10个（采样点分布见图1）。水稻样品带回实验室后先用自来水洗去泥土等杂质，再用超纯水冲洗3遍，随后置于105 ℃烘箱中杀青10～15 min，放入冷冻干燥机（GL-G20-II）进行干燥，称量干物重。水稻稻谷使用瓷质研钵进行脱壳，用微型粉碎机（天津泰斯特/FZ102）粉碎水稻根、茎、叶、稻壳和稻米（糙米），分装待用。

2.2 样品分析

图1 研究区样品采样点分布图Fig. 1 Map of the sampling sites in the study area

为分析水稻各器官（根、茎、叶、壳、米）砷形态含量，称取冷冻干燥后粉碎的水稻样品 0.3 g（精确至0.0001 g）于50 mL离心管中，加入10 mL 7%盐酸作为提取剂，在95 ℃水浴中提取45 min，提取率为95%，样品逐渐冷却至室温后取出，3500 r·min-1离心 5 min（上海安亭科学仪器厂，GL-20G-H），上清液用0.45 μm微孔滤膜过滤（为了防止不同形态As之间的转化，过滤过程要尽量短并保存在冰盒中）。使用高效液相色谱-氢化物发生-原子荧光光谱法（LC-AFS97）测定不同形态As含量（张萌等，2015）。总砷含量为无机砷含量[As(Ⅲ)和As(Ⅴ)]与有机砷（MMA和DMA）含量之和。空白样、平行样和标准溶液的处理与样品同步进行，以确保测定结果的准确度。As形态标液：As(Ⅲ)标准溶液（GBW08666）、As(Ⅴ)标准溶液(GBW08667）、MMA 标准溶液（GBW08668）、DMA 标准溶液（GBW08660）均购买于国家标准物质中心。

2.3 数据处理

运用Excel 2007、SPSS 21.0和Origin 8.5对实验数据进行处理与分析。采用Pearson's Correlation进行相关性分析。为了衡量水稻中 As从根部到茎部、茎部到叶部、茎部到壳部或壳部到稻米的运输能力，计算其转移系数（translocation factor，TF），计算公式如下（Bermudez et al.，2011）：

式中，TF为水稻中As从根部到茎部、茎部到叶部、茎部到壳部或壳部到稻米的转运系数；ωi和ωj分别表示水稻不同部位As质量分数（mg·kg-1）。

为了反映砷形态在各器官间的运输和分配情况，计算各部位形态砷质量分数比值（ratio，R），计算公式如下：

式中，R为水稻中根/茎、茎/叶、茎/稻壳或稻壳/米等部位形态砷质量分数的比值。

3 结果与讨论

3.1 各生育时期水稻各部位As的富集

3.1.1 水稻地下部根的As富集

水稻根部是土壤砷的主要吸收富集部位。拔节期、灌浆期、成熟期水稻根部砷质量分数分别为61.96、40.99、29.10 mg·kg-1。随着水稻生长，根部砷含量逐渐减少，成熟期含量降低至拔节期含量的46.97%（图2）。这可能与水稻生长期延长根部铁膜退化有关。有研究认为，在水稻营养生长主要阶段，根部分泌氧量较大，根部容易生成大量铁氧化物（傅友强等，2011），其对砷具有较强吸附过滤作用（Liu et al.，2004），到成熟期水稻根系泌氧能力减弱，生成的铁氧化物被还原溶解，导致根部砷含量的降低。

图2 不同生育时期水稻根部形态As含量Fig. 2 Concentration of As species in roots of rice during different growth periodsn=10. Different small letters indicating significant different at 0.05 level among the As content in the same species during different growth periods

测定结果显示，水稻根部砷的赋存形态为As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)，未检测到有机态砷。土壤中有机砷含量低且容易挥发，可能不易在土壤-植物体系中迁移富集。在拔节期、灌浆期、成熟期，水稻根部As(Ⅲ)和 As(Ⅴ)平均质量分数分别为 19.79 mg·kg-1和42.17 mg·kg-1、15.88 mg·kg-1和25.16 mg·kg-1、8.61 mg·kg-1和 20.49 mg·kg-1。As(Ⅴ)含量为 As(Ⅲ)的 1.5倍以上。土壤溶液中砷的赋存形态主要为As(Ⅲ)（赵方杰，2014），水稻泌氧可在根际形成氧化微环境，促使 As(Ⅲ)氧化为 As(Ⅴ)（刘依依等，2015），从而有利于铁膜对 As(Ⅴ)的吸附（Chen et al.，2005）。随着水稻的生长，成熟期铁膜退化，根部As(Ⅲ)和As(Ⅴ)含量都逐渐降低。

3.1.2 水稻地上各部位As的富集

在拔节期，水稻茎、叶部砷质量分数分别为0.75 mg·kg-1、1.08 mg·kg-1；至灌浆期分别增加 183.56%、70.85%；灌浆期至成熟期茎部砷含量增加 9.01%，叶部减少57.94%（图3）。随水稻的生长，茎、叶部对砷的富集并未因为根部砷含量的降低而降低。拔节期至灌浆期是水稻茎、叶富集砷的主要生长期。

在拔节期、灌浆期和成熟期，水稻茎部As(Ⅲ)含量高于 As(Ⅴ)，茎部 As(Ⅲ)分别占总砷含量的75.94%、69.50%、83.35%，叶部分别占 52.68%、47.14%、75.87%。表明不同生长期水稻向茎部主要输送As(Ⅲ)，并在成熟期，茎、叶部As(Ⅲ)与总砷含量比值达到最大值。一方面因为稻田还原环境中土壤溶液中以 As(Ⅲ)为主（巩佳第，2015）；另一方面水稻根系对 As(Ⅴ)有较强的过滤作用（Liu et al.，2004），且有较多的 As(Ⅲ)吸收途径，主要通过硅酸盐通道进入根细胞，包括水通道蛋白Lsi1和外流性转运蛋白Lsi2（Zhao et al.，2010b），并通过木质部转移 As(Ⅲ)（Ren et al.，2014)。在水稻体内，As(Ⅲ)可能主要与富含巯基的植物螯合素（phytochelatins，PCs）络合储存（Moore et al.，2014），且可转化为 As(Ⅴ)，在木质部较明显（贾炎等，2012）。As在水稻体内可输送至穂部，在灌浆期至成熟期，稻壳中 As质量分数由 0.38 mg·kg-1降至0.30 mg·kg-1，其中 As(Ⅲ)由 51.46%降至 48.68%。成熟期稻米中As(Ⅲ)占总砷含量的73.78%。

图3 水稻不同生育时期地上部位形态As含量Fig. 3 Concentration of different arsenic in shoots of rice during different growth periodsn=10. Different small letters indicating significant different at 0.05 level among the As content in the same species in different organs during different growth periods

3.2 水稻中As的转运及形态分布

所分析的4项转运系数中（表1），拔节期TF（根-茎）最小，说明此阶段根对砷的阻留作用较强，减弱了砷对水稻地上部的毒害；从拔节期到成熟期，可能部分根部附着的砷被还原溶解并吸收输送至茎部，茎部砷含量随着根部砷含量的减少而增加，TF（根-茎）不断增大。拔节期TF（茎-叶）最大，说明水稻由茎部向叶部输送分配砷的能力相对较强；灌浆期至成熟期，随茎部砷含量的增加，叶部砷含量变化较小（图3），茎部向叶部输送分配砷的能力减弱，TF（茎-叶）降低；灌浆期至成熟期，茎部向稻壳输送分配砷的能力逐渐增强。成熟期稻米中 As含量仅为根部 As含量的 1/229，茎部 As含量的1/18，叶部As含量的1/6，稻壳As含量的1/2。

拔节期至成熟期，水稻中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的分布不断发生变化。根部As(Ⅲ)含量降低，茎部As(Ⅲ)含量升高，根/茎As(Ⅲ)质量分数比值R不断减小；随着茎部As(Ⅲ)含量的增加，茎/叶R值由0.99增大至 3.49，茎/稻壳 R值由 7.61增加至 13.11。与As(Ⅲ)相比，根部更容易赋存As(Ⅴ)（图2），各生长期根/茎As(Ⅴ) 质量分数比值R大于As(Ⅲ)；拔节期至灌浆期，茎部As(Ⅴ)含量小于叶部As(Ⅴ)含量，茎/叶R值小于1，但到成熟期，茎/叶R值增加至2.13，这说明在成熟期，茎部与叶部相比可能更易赋存As(Ⅴ)。成熟期水稻各部位As(Ⅲ)含量比值为根∶茎∶叶∶稻壳∶稻米=91.6∶20.5∶6.3∶1.6∶1；As(Ⅴ)含 量 比 值 为 根 ∶茎 ∶叶 ∶稻 壳 ∶稻 米 =620.8∶12.2∶5.7∶4.7∶1。

3.3 水稻各器官形态As的相关性分析

相关分析结果表明（表2），水稻各器官中不同形态As之间具有显著相关关系。水稻根部、茎部、叶部、壳部中As(Ⅲ)与As(Ⅴ)均具有显著正相关关系（0.319～0.648），稻米中 As(Ⅲ)与 As(Ⅴ)具有极显著正相关关系（r=0.928；P＜0.01)。As(Ⅲ)与 As(Ⅴ)之间可能通过氧化-还原反应发生价态的转变，从而保持动态平衡。

水稻根部形态As与地上部位形态As之间具有显著相关关系，根部 As(Ⅲ)与叶部 As(Ⅲ)、叶部As(Ⅴ)、壳部 As(Ⅲ)或壳部 As(Ⅴ)具有显著正相关关系（0.317～0.532），根部 As(Ⅴ)与壳部 As(Ⅴ)具有显著正相关关系（r=0.463；P＜0.01）。As(Ⅴ)进入水稻根系后，可能直接向地上部转运或被砷酸盐还原酶（Arsenate reductase，AR）迅速还原成As(Ⅲ)，部分As(Ⅲ)卸载到木质部向地上部转运。地上部位各器官不同形态 As之间具有显著相关关系，其中茎部 As(Ⅲ)与稻米 As(Ⅲ)具有显著正相关关系（r=0.582；P＜0.05）；叶部 As(Ⅴ)与稻壳 As(Ⅲ)具有显著正相关关系（r=0.321；P＜0.05）。水稻地下部和（或）地上部各器官吸收和转运砷时，As(Ⅲ)与As(Ⅴ)在适宜条件下互相转化，以保持水稻体内As(Ⅲ)与 As(Ⅴ)的平衡。

表1 总砷迁移系数（TF）及形态砷含量比（R）Table 1 The translocation factor (TF) of total arsenic and the content ratio of arsenic species (R)

表2 水稻各器官形态砷的相关性分析Table 2 Correlation analysis between As (Ⅲ) and As (V) in different organs

4 结论

（1）随着水稻生长，根部对 As的富集逐渐降低，而水稻茎、叶部对As富集并未随根部As含量降低而降低；拔节期至灌浆期是茎、叶部对 As富集的主要生长期。

（2）不同生育时期水稻根部主要富集As(Ⅴ)，但水稻向茎部主要输送As(Ⅲ)，成熟期茎、叶部和稻米中As(Ⅲ)占总砷含量的70%以上。

（3）拔节期根部阻留As能力和茎部向叶部输送分配As的能力都相对较强，但随着水稻生长逐渐减弱。水稻成熟期茎部与叶部相比，可能更易赋存 As(Ⅴ)。成熟期水稻各部位 As(Ⅲ)含量比值为根∶茎∶叶∶稻壳∶稻米=91.6∶20.5∶6.3∶1.6∶1；As(Ⅴ)含量比值为根∶茎∶叶∶稻壳∶稻米=620.8∶12.2∶5.7∶4.7∶1。

（4）水稻各器官吸收和转运不同形态砷的同时存在相互转化，以保持体内As(Ⅲ)与As(Ⅴ)的平衡。