污染稻田水分管理对水稻吸收积累镉的影响及其作用机理

污染稻田水分管理对水稻吸收积累镉的影响及其作用机理 生态学报 第 27 卷第 9 期Vo .l 27, No. 9 2007年 9月 Sep. , 2007 ACTA ECOLO G ICA S IN ICA 污染稻田水分管理对水稻吸收积累镉的影响 及其作用机理 1 1 2 , 31 2 , 3 , 3 1 1 纪雄辉 ,梁永超 ,鲁艳红 ,廖育林 ,聂 军 ,郑圣先 ,李兆军 ( 1. 湖南省土壤肥料研究所 ,长沙 410125; 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 ,北京 100081; )3. 农业部植物营养与养分循环重点实验室 , 北京 100081 摘要 : Cd污染稻田通过长期淹水灌溉能显著降低稻米中 Cd含量 。利用 Cd污染水稻土的盆栽试验 ,结合水稻根氧化铁膜特 ()征的分析 ,研究了不同水分管理对水稻吸收积累镉的影响及其作用机理 。结果表明 ,随着稻田淹水程度 时间和水量 的提高 , ) ))( ( ( 水稻根表氧化铁膜所吸附的还原态 Fe ?、M n ?显著增加 ,潮泥田和黄泥田长期淹水灌溉处理的水稻根膜中的 Fe ?分 ( ( ( ( ) ))) 别比湿润灌溉处理增加了 12. 6倍 p < 0. 01和 8. 5倍 p < 0. 01 ;不同水分管理的水稻根膜氧化铁 Fe ?含量的变化与根 ))( ( 膜 Fe ?表现极显著的相关性 ,但两者均与水稻根膜 Cd呈极显著的负相关 ,其中 , 2 种土壤长期淹水的水稻根膜 Fe ?分别 ( ( ) ) ( ) 比湿润灌溉增加了 1. 5倍 p < 0. 01 和 1. 0 倍 p < 0. 01 , 根膜吸 附的 Cd 含量分别 较湿润灌溉降低了 77. 9% p < 0101 和 ( ) 5013 % p < 0. 01;长期淹水处理导致水稻根系 、茎叶 、糙米中的 Cd含量均极显著低于相应的湿润灌溉处理 , 2 种土壤长期淹水 ( ) 的糙米平均 Cd含量比间歇灌溉的下降了 41. 3 % ,比湿润灌溉的下降了 70. 7 % p < 0. 01;不同水分管理的水稻糙米 Cd含量与 ))( ( 根膜 Cd含量呈极显著正相关 ,与根膜 Fe ?和 Fe ?呈极显著负相关 。综合分析认为 , Cd污染酸性稻田在长期淹水的还原 2 + 2 + 2 - 2 + 条件下 Fe等金属离子与 Cd的竞争吸附作用以及 S和 Cd的共沉淀作用加强 , 因而使得土壤中 Cd 的生物有效性明显 降低 。 ) ( 关键词 : Cd污染水稻土 ;淹水灌溉 ;根膜 Fe ?;根膜 Cd;糙米 Cd ( ) 文章编号 : 1000 20933 2007 09 23930 210 中图分类号 : S314; S365 , X171 文献标识码 : A The effec t of wa ter m ana gem en t on the m echan ism an d ra te of up ta ke an d a ccum u la t ion of ca dm ium by r ice grow in g in po llu ted pa ddy so il 1 2 , 3 , 3 1 1 1 1 J I X iong2H u i, L IAN G Yong2Chao, LU Yan2Hong, L IAO Yu2L in, N IE J un, ZH EN G Sheng2X ian, L I Zhao2 2 , 3 J un 1 S oil and Fertilizer Institu te of Hunan P rovince, Changsha 410125, Ch ina 2 Institu te of N a tu ra l R esou rce and R eg iona l P lann ing, Ch inese A caden ly of A g ricu ltu ra l S cience, B eijing 100081, Ch ina 3 Key L abora tory of P lan t N u trition and N u trien t cycla ing, M in istry of A g ricu ltu re, B eijing 100081, Ch ina ( ) A c ta E co log ica S in ica, 2007, 27 9 : 3930 ,3939. ( ) A b stra ct: Irrigation by con tinuou s flood ing cou ld re su lt in a d istinc t dec rease in the cadm ium Cdcon ten t of b rown rice grown in p addy so il po llu ted by cadm ium. The effect of wa te r m anagem en t on the m echan ism and rate of up take and ( ( ) 基金项目 :国家粮食科技丰产工程资助项目 2004BA520A13 26 ; 国家“十一五 ”科技支撑资助项目 2006BAD17B06 , 2006BAD02A15 , )2006BAD05B09 收稿日期 : 2006 207 224; 修订日期 : 2007 203 228 ( ) 作者简介 :纪雄辉 1965 ,,男 ,湖南平江人 ,博士 ,研究员 ,主要从事植物营养与农业环境研究. E2m a il: jixionghu i@ sohu. com 3 通讯作者 Co rre spond ing au tho r. E2m ail: yc liang@ caa s. net. cn ( Foun da t ion item : Th is wo rk wa s financ ially suppo rted by P ro jec t of N a tiona l Sc ience and Techno logy B ump e r fo r Gra in C rop s No. 2004BA520A13 2 ) ()6 ; The N a tiona l Sc ience and Techno logy Suppo rt P ro jec t of the E leven th F ive2year P lan No. 2006BAD17B06 , 2006BAD02A15 , 2006BAD05B09 Rece ived da te: 2006 207 224; A ccep ted da te: 2007 203 228 B iogra phy: J I X iong2H u i, P rofe sso r, m a in ly engaged in p lan t nu trition and agricu ltu ra l environm en t. E2m ail: jixionghu i@ sohu. com accum u la tion of cadm ium by rice was stud ied u sing rice po t exp e rim en ts com b ined w ith ana lysis of the charac te ristic s of m em b rane coated ou tside the roo ts of rice grow ing in two typ e s of p addy so ils po llu ted by cadm ium in H unan P rovince in ( ) ( ) 2005. The re su lts showed the amoun t of Fe ?and M n ?ab so rbed by the roo t coa ting of rice increa sed w ith the ( ) du ra tion of flood ing and the dep th of wate r in the p addy so ils. The Fe ?con ten ts of the roo t coating of rice grown in ( ) ( ) ( ) A lluvia l Loam y Paddy So il AL PS and Ye llow C layey Paddy So il YCPS irrigated by con tinuou s flood ing F I ( ) ( ) trea tm en ts we re inc reased by 12. 6 tim e s p < 0. 01 and 8. 5 tim es p < 0. 01 , re sp ec tively, comp ared w ith co rre spond ing ( ) con tro lled mo istu re irriga tion C Itreatm en ts. Co rrelation analysis revealed sign ifican t linea r re la tion sh ip s between the ( ) ( ) con ten t of ferric oxide s Fe ?and ferrou s Fe ?in the rice roo t coa ting fo r the d ifferen t wa ter m anagem en t treatm en ts. ( ) The Fe ?con ten t in the roo t coa ting of rice grown in the two typ e s of p addy so ils w ith the F I trea tm en ts increa sed by 1. ( ) ( ) 5 tim e s p < 0. 01 and 1. 0 tim es p < 0. 01 , resp ective ly, comp a red w ith the co rre spond ing C I treatm en ts. The cadm ium ( ) con ten ts in the roo t coa ting from the two typ es of p addy so ils w ith the F I treatm en ts dec rea sed by 77. 9 % p < 0. 01 and ( ) 50. 3 % p < 0. 01 , resp ec tive ly, comp a red w ith the co rrespond ing C I trea tm en ts. The d iffe ren t irrigation trea tm en ts ( ) ( ) re su lted in a strong negative re la tion sh ip between the con ten t of cadm ium and that of bo th Fe ?and Fe ?in the roo t coating of rice. Comp ared to the C I treatm en ts, the F I treatm en ts in p addy so ils a lso resu lted in d istinctly lower cadm ium con ten ts in the roo ts, straw and b rown rice. The ave rage cadm ium con ten ts in b rown rice grown on the two p addy so ils w ith ( ) F I trea tm en ts were dec reased by 41. 3 % comp a red w ith the in te rm itten t irriga tion IItreatm en ts, and were dec reased by ( ) 70. 7 % p < 0. 01 comp a red w ith the C I trea tm en ts. The cadm ium con ten t in the b rown rice had a strong po sitive re la tion sh ip w ith the cadm ium con ten t in roo t coa ting, bu t a rem arkab ly negative relation sh ip w ith fe rric oxide s in roo t coating fo r all water m anagem en t regim es. Conc lu sive ly, we deduced tha t the comp e titive ad so rp tion of m etal ca tion s like 2 + 2 + 2 - 2 + Few ith Cd, and the co2sed im en ta tion of Sand Cdinc rea sed greatly unde r the reduc tive cond ition of the con tinuou s flood ing irrigation wa te r in ac id p addy so il po llu ted by cadm ium , wh ich sign ifican tly reduced the b io2ava ilab ility of cadm ium in the so ils. ( ) Key W ord s: p addy so il po llu ted by cadm ium; con tinuou s flood ing irrigation; Fe ?in roo t coating; cadm ium in roo t coating; cadm ium in b rown rice 镉是毒性最大的重金属之一 。长期大量摄入 Cd会影响钙和磷的代谢 ,引起肾 、骨和肝的病理变化 ,诱发 骨质疏松 、骨软化和肾结石等疾病 。 20 世纪 40 年代在日本发生的骨痛病是由于镉污染水体和农田土壤 ,然 [ 1 ] 后经过食物链进入人体而引起的 。镉在土壤中积累超过一定的阈值将引起稻米镉含量超标 。我国将土壤 - 1 - 1 ( ( ))Cd含量为 0. 3 m g〃kgpH ?7. 5 或 0. 6 m g〃kgpH > 7. 5 作为保障农业生产和维护人体健康的土壤临界 4 2 ( ) 值 GB 15618 21995 。 20世纪 90年代初 ,我国 Cd污染耕地面积达 1. 3 ×10hm,涉及 11 个省市的 25个地区 , 7 [ 2 ] 每年生产“镉米 ”5. 0 ×10kg。浙江省遂昌县和温州地区相继出现 Cd中毒事件 ,病因都出自当地农田的 Cd - 1- 1 [ 3 , 4 ] 污染 ,糙米 Cd含量分别达到 1. 17 m g〃kg和 1. 30 m g〃kg。镉是湖南省稻田土壤中最为普遍的重金属 - 1 [ 5 , 6 ] 污染元素 ,污染土壤 Cd含量达 2. 8 ,51. 3 m g〃kg。 为了减少水稻对镉的吸收 ,目前对此研究有两种方式 :一是将土壤中的镉转化为难溶态 ,即土壤中的活性 [ 7,10 ] 态镉被“钝化 ”,从而使水稻难以吸收 ;二是将镉从土壤中去除 ,即利用工程或生物的方法“修复 ”镉污染 [ 11,15 ] 土壤 。但这些方法均不理想 ,而且难度大 、效果不稳定 。已有研究报道 ,水稻等湿地植物在厌氧条件下 [ 16 ] 通过根系释放出 O促使铁 、锰形成一种红色或红棕色氧化物胶膜沉淀于根表 。这种铁 、锰氧化物能有效 2[ 17 , 18 ][ 19 , 20 ]地阻止 或促进 水稻对养分和有毒元素的吸收 ,其作用方向和程度主要取决于膜的厚度及外界环境 [ 21 ] 条件 。但以往试验研究结果在水稻根表氧化物胶膜对土壤 Cd向植物体内转移的作用效果说法不一 ,而且 主要集中于掺 Cd 的 水 培 和 土 2沙 培 的 试 验 、并 利 用 添 加 含 Fe、M n 物 质 来 调 控 水 稻 根 表 氧 化 物 胶 膜 等 方 [ 22,24 ] 面 。而对于 Cd污染水稻土壤实行不同水分管理对稻米 Cd含量的影响 ,其机理是通过调控水稻根表氧 生 态 学 报27卷3932 2 + 2 + 2 - 化物胶膜 ,还是通过促进土壤中还原物质包括 Fe、M n等阳离子和 S等阴离子的变化从而影响污染土壤 中 Cd的生物有效性 ? 在以往的试验中仍难找到准确的 。本文采用盆栽试验 ,利用湖南省两种 Cd 污染 水稻土研究了湿润灌溉 、间歇灌溉和长期淹水灌溉的水稻根 、茎叶和糙米中 Cd含量变化 ,以及水稻根表氧化 物胶膜中的镉 、还原态和氧化态铁 、锰含量的变化 ,旨在阐明不同水分管理对水稻植株体内 Cd分布规律的影响 ,并探讨水分管理对污染土壤 Cd生物有效性调控的机理 ,为进一步寻求控制稻田 Cd污染的行之有效的农 艺提供科学依据 。 1 材料与方法 1. 1 供试土壤 () 两个供试土壤分别为 :河流沉积物发育的潮泥田 系统分类为底潜简育水耕人为土 , B 1. 4. 5 ,采自湘阴 () 县白泥湖乡里湖村 ;板页岩发育的黄泥田 系统分类为普通铁聚水耕人为土 , B 1. 3. 4 ,采自长沙县路口镇路 口村 。两个土壤的养分特征及 Cd含量见表 1 ,土壤的全量及有效 Fe、M n、Zn、S见表 2。 表 1 供试土壤的养分特性及 C d含量 Ta b le 1 The n u tr ien t proper t ie s an d C d con ten ts in the so ils u sed for exper im en ts 有机质 全氮 碱解氮 有效磷 有效钾 全量 Cd 有效 Cd O. M. To ta l N A va il. N A va il. P A va il. K To tal Cd A vail. Cd pH 土壤 So ils - 1 - 1 - 1 ()()()- 1 - 1 - 1 - 1 m g〃kg m g〃kg m g〃kg ( ) ( ) () () g〃kg g〃kg m g〃kg m g〃kg 潮泥田 5. 12 23. 0 1. 73 135. 1 4. 2 147 1. 31 0. 292 A lluvia l Loam y Paddy So il 黄泥田 5. 81 27. 9 1. 99 203. 1 8. 7 163 0. 93 0. 065 Ye llow C layey Paddy So il 表 2 供试土壤中的全量 Fe、M n 及有效态 Fe、M n、Zn、S含量 Ta b le 2 The To ta l Fe, M n, an d a va ila b le Fe, M n, Zn, S con ten ts in the so ils u sed for exper im en ts 全量 Fe 有效 Fe 全量 M n 有效 M n 全量 Zn 有效 Zn 有效 S To ta l Fe A va il. Fe To ta l M n A va il. Fe To ta l Zn A va il. Zn A va il. S 土壤 So ils - 1 ()m g〃kg - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 - 1 ( ) () ( ) () () () g〃kg m g〃kg g〃kg m g〃kg m g〃kg m g〃kg 潮泥田 A lluvia l 24. 97 36. 96 0. 42 42. 17 132. 85 3. 60 38. 72 Loam y Paddy So il 黄泥田 Ye llow 18. 82 55. 93 0. 15 8. 34 87. 13 2. 42 25. 84 C layey Paddy So il 1. 2 盆栽试验 试验于 2005年晚稻期间在湖南省土壤肥料研究所网室内进行 。共设 3 个水分灌溉方式的处理 : ?长期 ( ) 淹水 Con tinuou s flood ing irriga tion,在水稻生长期间 ,土面上始终保持 2,3 cm 水层的淹水状态 ; ?间歇灌溉 ( ) In te rm itten t irriga tion,从水稻分蘖期开始 ,先灌 2,3 cm 水 ,待其消耗至无明水 ,土壤刚出现开裂再灌下一次 ( ) (水 ,如此循环 ; ?湿润灌溉 Con tro lled mo istu re irriga tion,从水稻分蘖开始 ,始终保持田面湿润状态 土表无 ) 明水 。试验设 3 次重复 ,随机区组排列 ,并设保护行 。采用盆栽试验 ,试验用盆为 27 cm ×30 cm 的白色陶瓷 () 盆钵 ,装土前土壤经风干过筛 筛孔径为 0. 3 cm ×0. 3 cm ,每盆装土 9. 0 kg,并将氮 、磷 、钾肥与土壤充分混 匀 。除水分管理措施外 ,试验期间各处理的病虫害防治等栽培管理措施一致 。 - 1 - 1 - 1 - 1 () ( ) 施肥量分别为尿素 1. 5 g〃kgN 0. 077 g〃kg,钙镁磷肥 4. 8 g〃kgP O 0. 064 g〃kg,氯化钾 1. 5 2 5 - 1 - 1 ( ) () g〃kgK O 0. 128 g〃kg。供试杂交水稻组合为威优 46 O ryva sa tiva L. ,采用水旱育秧 , 6月 25日播种 , 2 7 月 18 日移栽 ,每盆移栽 3蔸 ,每蔸 2株 , 10月 20日收割 。 1. 3 测定方法 水稻成熟后 ,单独测定各盆钵水稻籽实 、秸秆重量 。收割水稻后 ,将新鲜根系连土一起取出 ,装入网袋 ,用 自来水冲洗 、挑捡出砾石和异物 ,然后用蒸馏水将新鲜根系冲洗 3 遍 。首先用硫酸铝溶液提取根系表面的还 [ 25 ] ) ) ( ( 原物质 , ICP2A ES测定提取液中 Fe、M n、Cd含量 ,其 Fe、M n含量分别作为根膜还原铁 Fe ?、锰 M n ?。 [ 26 ]( 提取后的根系继续用 DCB 法 提取根膜氧化物质 :整个根系在室内温度 20 ,25 ?用 30 m l DCB 溶液 0. 03 )mo l /L N aCHO〃2HO、0. 125 mo l /L N aHCO加 0. 6 g N aSO浸提 60 m in,取出根系 ,将提取液定容至 50 3 6 5 72 32 2 4 ( ) m l, ICP2A ES法测定提取液中的 Fe、M n、Cd, 其 Fe、M n 含量分别作为根膜氧化 态 铁 Fe ?、氧化 态锰 M n( ) ?,将 2个溶液的 Cd浓度相加作为根膜 Cd含量 。将提取后的根系烘干称重 ,并作为被除数计算根膜中的 ) ) ) )() ( ( ( ( Fe ?、Fe ?、M n ?、M n ?和根膜 Cd含量 。土壤全 Fe、M n、Cd及根系 提取还原物质和铁胶膜后 、 茎叶 、糙米中的 Cd含量用 ETHO S P lu s微波消解仪消解 , ICP法测定 。根系 Cd含量为硫酸铝溶液 、DCB 溶液 浸提出的 Cd和浸提后根系消解后测定的 Cd三者之和 。土壤的相关化学性状包括有机质和全量氮 、有效氮 、 [ 25 ]( )磷 、钾养分和有效 Fe、M n、Zn、S等采用常规分析方法 测定 ;土壤交换态 Cd用 1. 0 mo1 /L M gC l pH 7. 0 溶 2 [ 27 ] 液提取 , ICP2A ES测定 。 1. 4 统计方法 试验各处理均重复 3次 ,结果取其平均值 ,用 SPSS10 软件进行统计分析 。 2 结果与分析 2. 1 不同水分管理对根表氧化物胶膜的影响 ( ) ( ) 2. 1. 1 根膜的 Fe ?、M n ?含量 ) ) ( ( 通过提取 2 种土壤不同水分管理的水稻根表的还原物质 ,其还原态铁 Fe ?、还原态锰 M n ?含量 ()图 1 可以看出 , 2种水稻土从湿润灌溉 、间歇灌溉到长期淹水 ,随着土壤灌水程度的增加 ,水稻根表氧化物 胶膜吸附的亚铁呈极显著增加 ,而土壤之间差异不显著 。其中 ,潮泥田和黄泥田长期淹水处理的水稻根膜 Fe ( )( ) ( ) ?含量分别比间歇灌溉的增加了 2. 3倍 p < 0. 01 和 1. 3 倍 p < 0. 01 ,分别比湿润灌溉增加了 12. 6 倍 ( ( ()) ) p < 0. 01 和 8. 5 倍 p < 0. 01 。尽管两个土壤有效铁含量存在一定差异 表 2 ,而在间歇灌溉和长期淹水 )( 条件下两个土壤的水稻根膜吸附的还原态 Fe ?差异不明显 。为了解释其中原因 ,笔者对两个土壤进行了 ( )( ) 20 d的恒温 25 ?培养试验 ,结果表明 ,淹水条件下潮泥田的氧化还原电位 Eh为 - 312 mV ,而黄泥田则为- 159 mV。可见 ,黄泥田在淹水条件下 Eh远高于潮泥田 ,抵消了其土壤有效铁高的效果 。 不同水分管理的 ))( ( 水稻根膜中还原态锰 M n ?含量变化与亚铁 Fe ?表现出相同的趋势 ,但远低于 Fe ( ) ( ) ?。根膜 M n ?含量随着土壤淹水程度的提高而增加 ,以潮泥田的效果更为明显 ,淹水处理的根膜 M n( )( ) ?含量较间歇和湿润灌溉的极显著增加 ,黄泥田各灌溉处理的根膜 M n ?含量均低于相应的潮泥田 ,与 ) )( ( 图 1 不同水分管理下水稻根膜中的还原态 Fe ?和 M n ?含量 ) ( ) ( F ig. 1 Fe ?and M n ?con ten ts in roo t coa ting of rice grown in the two typ e s of Cd po llu ted p addy so ils w ith d iffe ren t wa te r m anagem en ts ( ) 柱上标注字母 A , B , C, D 表示 L SD 多重比较差异极显著 p < 0. 01 B a rs w ith alp habe tica l le tters of A , B , C, D m ean s sign ifican t a t p < 0. 01 acco rd ing L SD MR T - 1 ) ) () ) ( ( ( 图 ?和 ?中的数据分别为水稻根膜中还原态 Fe ?和 M n ?含量 m g〃kg , 干基 The da ta in ? and ? a re fe rrou s Fe ?and - 1 ( ) () reductive M n ?con ten ts in rice roo t coating m g〃kg , DW , re sp ec tively;湿润灌溉 Con tro lled mo istu re irriga tion;间歇灌溉 In te rm itten t irriga tion; 淹水灌溉 Con tinuou s flood ing irriga tion;潮泥田 A lluvia l Loam y Paddy So il;黄泥田 Ye llow C layey Paddy So il; 下同 the sam e be low 生 态 学 报27卷3934 ()土壤中全 M n和有效 M n差异 表 2 表现一致 。 ) ( )(( ) 根膜中 M n ?/ Fe ?比值随着淹水程度的提高而降低 表 3 ,潮泥田湿润 、间歇和长期淹水灌溉处理 ) ( )) ( ) ( ( 的 M n ?/ Fe ?比值分别为 0. 107、0. 091 和 0. 038 ,黄泥田 3 个处理的 M n ?/ Fe ?依次为 0. 063、 01036和 0. 015。可见 ,水稻土淹水程度提高 ,根膜中还原态铁 、锰的含量明显增加 ,但还原态锰含量增加的幅 ()度小于还原态铁 ,这种现象在土壤有效 M n /有效 Fe比值 表 2 较低的黄泥田中表现尤为明显 。 ) )( ( 2. 1. 2 根膜的 Fe ?、M n ?含量 ) )(( ( )DCB 法提取根膜中的氧化态铁 Fe ?、氧化态锰 M n ?结果 图 2 表明 , 2 种土壤水分管理从湿润灌 ))( ( 溉至长期淹水 ,随着稻田淹水程度的提高 ,水稻根膜氧化态 Fe ?含量显著增加 ,而根膜中 M n ?含量变 ) ( 化表现无规律 性 。潮 泥 田 和 黄 泥 田 长 期 淹 水 处 理 的 水 稻 根 膜 中 Fe ?含 量 分 别 比 间 歇 灌 溉 的 提 高 了 ( ( ( )( ) )) 4716 % p < 0. 05 和 28. 4 % p < 0. 05 ,分别比湿润灌溉的增加了 1. 5倍 p < 0. 01 和 1. 0 倍 p < 0. 01 。其 () ) ( 中 ,尽管黄泥田全 Fe含量低于潮泥田 ,但由于其土壤有效 Fe含量高 表 2 ,导致各处理的根膜 Fe ?,除湿 润灌溉外 ,均极显著高于潮泥田的相应处理 。 ))( ( 图 2 不同水分管理下水稻根膜中的氧化态 Fe ?和 M n ?含量 ( ) ( ) F ig. 2 Fe rric oxide Fe ?and m angan ic oxide M n ?con ten ts in roo t coating of rice grown in the two typ e s of Cd po llu ted p addy so ils w ith d ifferen t wate r m anagem en ts ( ( )) 柱上标注字母 A , B , C, D 和 a, b, c, d分别表示 L SD 多重比较差异极显著 p < 0. 01 和显著 p < 0. 05 B a rs w ith a lp habetica l le tters of A , B , C, D and a, b, c, d m ean s sign ifican t at p < 0. 01 and p < 0. 05 acco rd ing L SD MR T, re sp ec tively 表 3 不同水分管理下根膜中还原态与氧化态铁 、锰的关系 Ta b le 3 Re la t ion am on g Fe( ?) , M n ( ?) , Fe( ?) , M n ( ?) in roo t coa t in g of r ice grown in the two type s of C d po llu ted pa ddy so ils w ith d ifferen t wa ter m ana gem en ts ( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )M n ?/ Fe ? M n ?/ Fe ? Fe ?/ Fe ? M n ?/M n ? 土壤 so il 处理 Trea tm en t 潮泥田 湿润灌溉 0. 107 0. 058 0. 228 0. 414 A lluvia l Loam y Paddy So il Con tro lled mo istu re irriga tion 间歇灌溉 0. 091 0. 017 0. 568 2. 962 In term itten t irrigation 长期淹水 0. 038 0. 014 1. 236 3. 240 Con tinuou s flood ing irriga tion 红黄泥 湿润灌溉 0. 063 0. 020 0. 181 0. 575 Ye llow C layey Paddy So il Con tro lled mo istu re irriga tion 间歇灌溉 0. 036 0. 019 0. 471 0. 878 In term itten t irrigation 长期淹水 0. 015 0. 009 0. 859 1. 419 Con tinuou s flood ing irriga tion ) ) ( ( 尽管不同水分管理的根膜中 M n ?绝对含量规律性不明显 , 但与还原态锰铁比值相似 , M n ?/ Fe ( )() ?比值也随着土壤还原程度的提高而下降 表 3 ,从湿润 、间歇灌溉至长期淹水 ,潮泥田和黄泥田的水稻 ) ( )) ( ) ( ( 根膜 M n ?/ Fe ?比值均表现明显的下降趋势 ,而且均分别低于相应的 M n ?/ Fe ?的比值 ,说明淹 )) ( ( 水条件下 M n ?被氧化的速率也慢于 Fe ?。 随着淹水程度的提高 , 2种土壤中水稻根膜还原态铁和氧化态铁均表现出依次升高的趋势 。对根膜提取 ) ( )) ( )( ( 液中的还原态 Fe ?x 与氧化态 Fe ?y 进行线性回归 : 2 ( )R= 0. 8672 , p = 0. 00246 y = 0. 4681 x + 695. 34 潮泥田 2 ( ) R= 0. 7893 , p = 0. 01142 黄泥田y = 0. 6020 x + 1174. 20 2种土壤表明极显著或接近极显著线性相关 。从线性方程的斜率 K 值分析 ,黄泥田大于潮泥田 ,主要是 ( ) 由于黄泥田在淹水条件下土壤氧化还原电位 Eh 显著高于潮泥田所致 。氧化态锰和还原态锰的相关性较 差 。可见 ,土壤长期淹水后 ,还原态铁急剧增加 ,在根系输送 O的作用下 ,促进了根表氧化铁胶膜的形成 。 2 ) ( )) ( ) (( ( )进一步分析还原态铁 、锰与氧化态铁 、锰的比值 [ Fe ?/ Fe ?和 M n ?/M n ?] 表 3 表明 ,从湿 ) ( ) ( 润灌溉 、间歇灌溉 至淹 水灌 溉 , 随 着淹 水程 度的 提 高 , 潮泥 田和 黄 泥田 水稻 根 膜 中 Fe ?/ Fe ?和 M n ( ) ( )?/M n ?均依次明显升高 ,而且潮泥田的 2个比值比黄泥田的高 ,锰的还原态与氧化态比分别高于铁的 2 + ()还原态与氧化态比 。可见 ,随着淹水程度的提高 ,根膜氧化铁量增加 ,其对 Fe的相对 氧化铁量 吸附量也 随之增加 ,而且相对根膜氧化态锰的还原态锰吸附量升高更快 。 2. 2 不同水分管理对胶膜 Cd含量的影响 将还原物质 提取液和 DCB 提取液中的 Cd 含量相 () 加作为根膜吸附的 Cd 含量 图 3 。其结果显示 , 2 种 土壤从湿润 、间歇灌溉至淹水灌溉 ,淹水程度提高 ,根膜 中 Cd含量依次下降 。潮泥田和黄泥田长期淹水处理的 ( ) 根膜 Cd含量分别比间歇灌溉降低了 41. 8 % p < 0105 ( ) 和 28. 1 % p < 0. 05 ,平均为 34. 9 % ; 分别比湿润灌溉 ( )( ) 的降低了 77. 9 % p < 0. 01 和 50. 3 % p < 0101 ,平均 为 64. 1 % 。 从不同灌溉处理中 ,水稻根膜所吸附 Cd 的变化与 )( 根膜中还原态 Fe ?含量呈现出相反的趋势 。分别进 图 3 不同水分管理下水稻根膜 Cd含量 行线性回归分析表明 , 2 个土壤的水稻根膜 Cd 与根膜 F ig. 3 Cd con ten ts in rice roo t coa ting from the two typ e s of Cd )( Fe ?的相关性接近或达到极显著水平 ,其中 :po llu ted p addy so ils w ith d iffe ren t wa te r m anagem en ts 2 R潮泥田= 0. 6171 , p = 0. 01244 柱上标注字母 A , B 和 a, b, c 分别表示两个土壤单独 L SD 多重 2 ( ) R = 018533 , p = 0. 00067 比较的差异极显著 p < 0. 01 B a rs w ith a lp habe tica l lette rs of A , B 黄泥田 and a, b, c m ean s sign ifican t a t p < 0. 01 acco rd ing L SD MR T of each ( ) 同时对水稻根膜 Cd 与根膜氧化态铁Fe ?进行 so il, resp ec tive ly 线性回归 : 2= 0. 7838 , p = 0. 00150 潮泥田R 2黄泥田 R = 017805 , p = 0. 00158 均达到极显著负相关 。说明随着淹水程度的提高 ,根膜还原态铁和氧化态铁含量增加 ,根膜中的 Cd 含 量却呈现极显著的负相关 。 2. 3 稻田淹水对水稻植株体内 Cd分布的影响 不同水分管理的水稻根 、茎叶 、糙米中的 Cd含量见图 4 ,总的说来 ,根 、茎叶 、糙米 Cd含量依次下降 。从 不同土壤之间比较 ,潮泥田各处理根 、茎叶 、糙米中 Cd含量均极显著高于黄泥田的相应处理 。与黄泥田的相 应处理相比 ,湿润灌溉处理下潮泥田水稻根系 、茎叶 、糙米 Cd含量分别高出 34. 8 % 、58. 5 %和 77. 6 % ,间歇灌 溉处理下分别高出 18. 1 % 、63. 8 %和 73. 3 % ,长期淹水处理下分别高出 13. 4 % 、74. 6 %和 75. 6 % 。 () 对 2种土壤各处理的水稻根系 、茎叶 、糙米 Cd含量单独进行 L SD 检验 图 4 表明 ,长期淹水处理的根系 、 生态学报27卷3936 图 4 不同水分管理下水稻根 、茎叶和糙米中的 Cd含量 F ig. 4 Cd con ten ts in rice roo ts, straw and b rown rice from the two typ es of Cd po llu ted p addy so ils w ith d iffe ren t wa te r m anagem en ts ( ( ) ) 柱上标注字母 A , B , C和 a, b, c分别表示单个土壤 、单一项目的 L SD 多重比较差异极显著 p < 0. 01 和显著 p < 0. 05 B a rs w ith a lp habe tica l lette rs of A , B , C和 a, b, c m ean s sign ifican t of each so il and each item a t p < 0. 01 and p < 0. 05 acco rd ing L SD MR T, re sp ective ly 茎叶和糙米中 Cd含量均分别极显著低于湿润灌溉 。其中 ,长期淹水灌溉处理下潮泥田和黄泥田的糙米 Cd 含 ( ) 量分别比间歇灌溉下降低了 46. 6 %和 36. 1 % ,平均为 41. 3 % ,分别比湿润灌溉下降低了 72. 0 % p < 0. 01 和 ( ) 69. 4 % p < 0. 01 ,平均为 70. 7 % 。 ) )( ) ( ( 进一步分别以不同水分管理下根膜中 Fe ?、Fe ?和 Cd的含量为自变量 x ,糙米 Cd含量为因变量 ( )() ))( ( y 进行线性回归 图 5 显示 ,两个土壤中糙米 Cd含量与根膜中 Fe ?、Fe ?含量呈极显著负相关 ,而与 根膜 Cd含量呈极显著正相关 。 3 讨论 耐渍水植物的重要特征之一是根系具有较强的氧化能力 ,能把大气中的氧高效率地输送到根尖 ,使根际 2 + 2 + 处于氧化状态 ,从而使淹水土壤中高浓度的 Fe、M n等在根表被氧化而沉积起来 ,形成明显可见的氧化物 [ 16 ] 和氢氧化物胶膜 。已有试验报道 ,这种氧化物胶膜具有很强的吸附能力 。本研究表明 : ?随着淹水程度的 )))( ( ( 提高 ,水稻根膜吸附的还原态铁 Fe ?显著增加 ,而且在根表所形成氧化态铁 Fe ?与还原态铁 Fe ?呈 ) ) ) ( ) ) ( ( ( ( 显著的线性相关 , 但 M n ?与 M n ?相关性较差 ; ?淹水程度的提高 , M n ?/ Fe ?和 M n ?/ Fe ( )?两个比值均逐渐下降 ,而且后者分别显著低于前者 ,说明随着土壤还原程度的增加 ,被还原而吸附在水 ( ) 稻根膜上的锰的增长幅度低于铁 ,还原态锰随之被氧化而形成根表氧化膜所占的比例也小于铁 ; ?M n ?/ ( )) ( )( M n ?和 Fe ?/ Fe ?两个比值随着淹水程度增加而增加 ,而且前者分别大于后者 。表明了还原态锰 、 铁被吸附在根膜上的速率大于其被氧化的速率 ,而且根膜所吸附的还原态锰被氧化的速率小于还原态铁 。这 主要是由于铁元素的活泼性高于锰而较易发生氧化还原反应的缘故 。 试验同时显示 ,水稻根膜氧化铁量提高 ,却降低了根膜中 Cd的含量 ,根表氧化铁量与其吸附的 Cd 呈显 )( 著的负相关 。可能的解释是随着根膜氧化铁增加 ,其吸附的还原态铁 Fe ?以更大的比例增加 ,由于吸附竞 2 - 2 + )( 争作用以及还原条件下 S与 Cd共沉淀作用导致了根膜中 Cd的下降 。同时 ,根膜中还原态铁 Fe ?亦与 ( ) 根膜 Cd含量呈显著性负相关 。所以 ,笔者推断 ,不同水分管理下镉污染水稻土的根膜 Cd含量与根膜 Fe ? )( 存在的负相关 ,实际上是土壤中 Fe ?与 Cd在根表的相互作用而形成的间接关系 。 ()就两个土壤而言 ,在黄泥田的土壤有效 Cd远低于潮泥田 约相当于 1 /5 的前提下 ,不同水分管理下黄泥 (( )) 田的根膜 Cd含量甚至高于潮泥田的相应处理 图 3 。同时对两个土壤通过淹水恒温 25 ?培养表明 ,淹水 ( )后 ,潮泥田和黄泥田的氧化还原电位 Eh均迅速下降 , 20 d后分别逐渐稳定在 - 312 mV 和 - 159 mV ,但土壤 ) )( ( 图 5 不同水分管理下水稻糙米 Cd与根膜 Fe ?、Fe ?和 Cd含量的相关关系 ) ( ) ( F ig. 5 R e lation sh ip be tween Cd con ten ts in b rown rice and Fe ?, Fe ?and Cd con ten ts in roo t coa ting of rice grown in the two typ e s of Cd po llu ted so ils w ith d iffe ren t wa ter m anagem en ts pH 均明显升高 , 20 d后分别逐渐稳定在 6. 97 和 6. 32。根膜中 Cd的积累机理可从以下两点得到解释 : ?土壤 有效铁含量及氧化还原电位较高的黄泥田 ,其不同灌溉处理的根膜氧化铁量分别高于相应的潮泥田 ,在两个 )( 土壤的相同处理之间根膜 Fe ?没有显著差异的条件下 ,根膜氧化铁的高吸附能力使得黄泥田中根膜对土 壤 Cd的吸附增加 ; ?与潮泥田相比 ,黄泥田土壤有效硫低 ,并且在淹水的还原条件下 Eh较高而 pH 较低 ,是 2 - 2 + 导致 S与 Cd共沉淀作用小于潮泥田的主要原因 。 [ 28 ] 镉在氧化条件下比在还原条件下更容易由无效态转化为水溶态和交换态 , Gam b re ll研究表明 ,这种转 化在酸性条件下尤为明显 。当 pH 值为 4. 5时 ,处于氧化条件下的植物镉含量是还原条件下的几十倍 ,当 pH [ 29 ] 值为 7. 5时 ,处于两种状态下的植物镉含量几乎没有显著变化 。 R eddy认为 ,随着 Eh值的增大 ,土壤中水 溶性镉含量 、水稻吸收镉的总量及地上部镉量随之增加 。也有研究表明 ,生长在重金属污染土壤中的湿生植 被 ,可免遭重金属的毒害 ,这是由于根际的重金属元素与根表的铁膜共沉淀或被铁膜吸附 ,从而使镉等重金属 [ 30 , 31 ] 的有效性降低 。本研究结果表明 ,随着土壤淹水程度的提高 ,水稻根系 、茎叶和糙米各部分的 Cd含量均 显著下降 。然而 ,究竟是还原条件使 Cd转变为无效态 ,还是还原环境刺激了根膜氧化铁的增加而阻挡 Cd进 入水稻体内 ? 一些研究表明 ,水稻根表铁膜对介质中 Cd的吸收及其在水稻体内的转移起重要作用 。它既可以促进也 [ 23 , 24 , 32 ] 可抑制水稻根系对 Cd的吸收 ,其作用程度取决于水稻根表铁膜的厚度 。当根表铁膜较薄时 ,促进水 - 1稻对镉的吸收 ,在铁膜数量达到 20825 Fe m g〃kg干根重时 ,这种促进作用达到最大 ;而后随着铁胶膜数量的 [ 25 ] 继续增加 ,反而抑制水稻根系对 Cd的吸收 。本试验在 Cd污染水稻土上通过长期淹水管理使根膜氧化铁 )( Fe ?数量显著提高 ,但远没达到这个临界值 ,水稻根膜中的 Cd含量与糙米 Cd 呈显著性正相关 ,这一结果 似乎与前人的相符 。然而 ,通过对不同水分管理下两个土壤之间的根膜 Cd和糙米 Cd的比较 ,发现黄泥田的 () 根膜 Cd含量高于潮泥田的相应处理 ,而糙米 Cd含量则显著低于潮泥田的相应处理 图 4 ,说明根膜 Cd 含 生 态 学 报27卷3938 量并不是影响糙米 Cd的主要因素 。 水稻植株体内积累的 Cd存在显著性差异 ,黄泥田各灌溉处理的根系 、秸秆和糙米 Cd含量分别显著低于 潮泥田的相应处理 。从两个土壤全 Cd和有效 Cd的差异可以看出 ,土壤有效态 Cd是导致水稻 Cd吸收积累 Cd的关键因素 ;但进一步从土壤中有效 Cd差异的分析结果看 ,潮泥田的土壤有效 Cd 含量为黄泥田的 4. 49 倍 ,潮泥田 3个灌溉处理的糙米 Cd含量是黄泥田相应处理的 3. 74 ,4. 47倍 ,平均为 4. 10倍 ,与土壤 Cd的比值相近 ,证明稻田实行不同的水分管理能显著影响土壤 Cd的生物有效性 ,但与土壤有效 Cd含量高低是分不 开的 。 ( ) 可见 ,酸性稻田土壤实行长期淹水管理主要是通过降低土壤氧化还原电位 Eh 来增加土壤中的还原态 2 - 铁 、锰等阳离子和 S等阴离子 ,以及在淹水后逐渐升高的 pH 作用下 ,加剧了土壤中这些还原态阳离子与2 + 2 + Cd的竞争吸附 ,和还原态阴离子与 Cd的共沉淀作用 ,从而达到降低水稻糙米中 Cd含量的目的 。Referen ce s: [ 1 ] H uang Y Z, Zhu Y G, H uang F T, et a l. 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