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土壤施硅对水稻吸收砷的影响
第27卷第7期2006年7月
环 境 科 学Vol.27,No.7Jul.,2006
土壤施硅对水稻吸收砷的影响
郭伟1,朱永官13,梁永超2,刘文菊1,3,陈正1
(11中国科学院生态环境研究中心,北京 100085;21中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081;31河北
农业大学资源与环境学院,保定 071001
摘要:
通过盆栽试验研究在2种砷污染土壤中施加硅对水稻幼苗吸收砷的影响.,稻植株地上部和地下部生物量,,上部磷浓度增加18%~39%,但对地下部磷浓度影响不大.,pH值,施加2种2降低36%~59%,,42%~58%,地下部砷浓度降低
70%~82%..
关键词:
硅;中图分类号:
X53 :
A 文章编号:
025023301(20060721393205
EffectofApplicationofSilicononArsenicUptakebyRiceSeedlingsinSoil
GUOWei1,ZHUYong2guan1,LIANGYong2chao2,LIUWen2ju1,3,CHENZheng1
(11ResearchCenterforEco2EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China;21InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China;31CollegeofResourceandEnvironmentalScience,AgricultureUniversityofHebei,Baoding071001,China
Abstract:
Theobjectiveofstudywastoinvestigateeffectofsilicononarsenicuptakebyriceseedlingsintwosoilswithdifferentarsenicconcentrations.Theresultsshowthattheadditionofsiliconhaslittleeffectonshootandrootdryweightsofriceseedlings.TheadditionofsilicondidnotaffectshootandrootPconcentrationsofriceseedlingsgrowninlowarsenicsoil,butsignificantlyincreasedshootPconcentrationsonricegrowninhigharsenicsoil.IrrespectiveoftheinitialpHofK2SiO3solution,theadditionofsiliconsignificantlydecreasedshootandrootAsconcentrationsofriceseedlingscomparedwiththecontrol.ForseedlingsgrowninlowAs2contaminatedsoil,Asconcentrationsinshootandrootwerereducedby36%~59%and15%~37%withtheapplicationofsilicon,respectively.ForseedlingsgrowninhighAs2contaminatedsoil,Asconcentrationsinshootandrootwerereducedby42%~58%and70%~82%withtheapplicationofsilicon,respectively.Theseresultsareinagreementwithourpreviousreportsbasedonasolutioncultureexperiment.PossiblemechanismsoftheeffectofSionAsuptakewasalsodiscussed.Keywords:
silicon;As2contaminatedsoil;rice;decreaseuptake
近年来,在我国新疆、内蒙古、贵州以及孟加拉国、印度和东南亚等地由于砷污染引起的不良环境问题,给人们的生产、生活和健康带来了严重的危害[1~5].我国的许多地区如湖南、湖北、江西、浙江、广东、广西和云南等地都不同程度地发生了砷污染问题[6].最近,有文献报道孟加拉国用高砷地下水灌溉农田明显提高水稻米粒中砷的含量,甚至超过一些国家的卫生标准[7,8].遗憾的是,到目前为止,仍然没有一种行之有效的方法可以减少由于土壤砷污染经食物链给人体健康所带来的危害.
有研究证实,在土壤上施用硅肥可显著促进作物抗铁、锰和铝等重金属毒害,还可以显著提高作物的抗盐性,降低作物盐害
[9~11]
酸盐和磷酸盐是类似物,经试验证实在许多植物中,
砷酸盐都是通过磷酸盐的转运系统吸收的[13,14],水稻的茎叶中SiO2的含量可高达20%(干物质重[15],硅在水稻的生长发育过程中起着极其重要的作用,甚至被认为是其生长发育的必需元素之一[16].已有的水培试验证实在含As为1mg・L-1的营养液中加入28mg・L-1的外源硅可显著提高水稻的生物量,同时也显著地抑制了水稻对砷的吸收和转运[17].尽管如此,土壤环境与水培环境相比要复杂得多,影响作物生长和砷吸收转运的因素也更加多元化.因此,本研究的目的是在土培条件下,研究
收稿日期:
2005208217;修订日期:
2005211211
基金项目:
国家杰出青年基金项目(40225002;国家重点基础研究发
展规划(973项目(2002CB410808
作者简介:
郭伟(1976~,女,博士研究生,主要研究方向为农业生态
环境保护与污染控制.
3通讯联系人,E2mail:
ygzhu@rcees.ac.cn
.Ma和Takahashi发
现在营养液中加入外源硅可以显著地减少水稻幼苗对磷的吸收,但他们并没有给出合理的解释[12].砷
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土壤施加外源硅对水稻吸收砷的影响.1 材料与方法1.1 供试土壤与植物
浓HNO3在120°C下消煮30h,冷却后定容至50mL容量瓶中.溶液中的砷用原子荧光测定(2202E,北京海光分析仪器公司、磷用电感耦合等
离子体发射光谱测定(InductivelyCoupledPlasma2OpticalEmissionSpectrometer,Optima2000DV,PerkinElmer,USA.为了保证消煮和测定过程的
供试的2种含砷量不同的污染土壤均采自湖南省郴州市的水稻田(0~20cm,其基本性质见表1.水稻品种来自湖南省农业厅的威优77,它是一种常见的南方晚稻品种.
表1 供试土壤的基本化学性质
Table1 Selectedchemicalpropertiesofthesoils准确性,加入了标准物(茶叶G07605,国家标准
.1pH的影响
土壤低砷土
高砷土
全砷/mg・kg-1
351719
1918
pH64753
OC/%33114
无论是否调节K2SiO3水溶液的pH值,在低砷和高砷污染土壤中添加2种浓度的外源硅均没有显
著改变土壤pH值(7172,7165.这一结果的产生,可能是因为硅的施入量还没有达到使土壤pH值发生改变的浓度.梁永超等曾报道在土壤中施入50mg・kg-1的硅,土壤pH值没有发生变化;但当施加
1.2 盆栽试验方法
(1植株培养 挑选个大、饱满的水稻种子若干
粒,用10%的双氧水浸泡10min,然后用蒸馏水完全洗净,均匀放入湿润的珍珠岩中发芽,定期浇水,保持珍珠岩湿润.3周后,挑选大小一致的3叶期的幼苗转移至土壤中.
(2土培试验 土培试验采用直径715cm、高14cm的PVC罐,每罐装500g土壤.分别在低砷、高
硅的浓度达到400mg・kg-1时,土壤的pH值发生了显著的改变[19]1
2.2 施硅对水稻生物量的影响
砷土壤中添加外源硅(K2SiO3水溶液使土壤中外源硅的浓度分别为0、50、100mg・kg-1,并把土壤搅拌均匀,在移苗前,淹水平衡2周.为了平衡由于添加K2SiO3所引起的各处理间K浓度的差异,加入相应量的KCl溶液,以保证各处理之间的K+浓度的一致.K2SiO3水溶液呈强碱性,避免试验结果可能是由于添加硅后,使土壤pH值改变带来的影响,为此设置了对照处理.将K2SiO3水溶液的pH值人为调整到与土壤pH值接近的715左右(使用稀HCl溶液,然后再将其添加至供试土壤中,处理的浓度同上.为了保证试验过程水稻的正常生长,在每kg土壤中施加氮012g(尿素、施磷0115g(磷酸氢钙.在整个试验期间,罐内的土壤始终保持淹水状态,每个PVC罐种植1棵水稻苗,每个处理重复4次.土培4周后,先用蒸馏水将水稻苗完全洗净,然后分别按地上部和地下部收获,测定其干物质产量和植株中砷、磷的浓度.
(3测定方法 土壤有效态硅使用柠檬酸提取2钼蓝比色法测定,有机碳采用重铬酸钾氧化2比色法测定[18].收获后,水稻植株分为根和茎叶2部分,在70°C下干燥48h,称量根、茎叶的干物质重量.分别称量015g左右磨碎的根和茎叶样品,用5mL的
+
试验中,在低砷和高砷污染土壤中施加2种浓
度的外源硅,水稻地上部或地下部生物量均没有发生显著的变化(表2.大量的温室试验和田间试验证实硅能够促进水稻的生长,提高水稻的产量[20,21].Ma等证实水稻植株中66%的硅是在生殖生长期吸收的,因此他们认为硅在这个阶段对水稻生长的促进作用是至关重要的[22].在本次试验中,收获时水稻苗还只是处于营养生长期,这可能是造成这一试验结果的原因之一.
表2 施硅对水稻植株地上部和地下部生物量的影响/g
Table2 Shootandrootdryweightsofrice
seedlingsgrowninsoilculture/g
土壤低砷土
施硅处理/
mg・kg
05050100100
-1
K2SiO3
溶液pH
12715127151271512715
地上部干
物质量/g
1122±01140196±01061121±01120199±01161103±01170173±01070180±01150186±01050197±01150188±0113
地下部干
物质量/g
0125±01040121±01020125±01030121±01020122±01030117±01010117±01030117±01010118±01040119±0103(ANOVA
高砷土05050100100
硅处理
pH
差异显著性分析
不显著不显著
7期环 境 科 学1395
2.3 施硅对水稻植株中磷浓度的影响
磷和砷是同族元素,化学性质相似;五价的砷在
被根细胞吸收时和磷竞争同一转运蛋白,形成竞争吸收[13,14].因此依据水培试验的结果,有必要测定植物样品中磷的浓度,从而探讨硅对植物吸收磷的影响是否会影响到砷的吸收.
无论是否调节K2SiO3溶液的pH值,在低砷和高砷污染土壤中添加2种浓度的外源硅,水稻根中的磷浓度均没有发生显著的变化.但是在高砷土壤中,添加2度增加了18%~39%,稻植株地浓,平p<01001和.果不完全一致].在水培条件下,加硅可以显著地降低水稻植株中地上部磷的浓度,而且硅对于磷吸
收的抑制程度大于砷.水培试验硅抑制磷吸收的结果与以往的一些文献报道相一致,其机理并不十分清楚[12,23].但在土培试验条件下却有一些相关的报道,即在土壤中添加外源硅后,硅可以交换、释放土壤中吸附的磷,从而使得土壤溶液中磷浓度增加[24].在本次试验中测定了移苗48h时土壤溶液中的磷浓度,与对照相比,(.添加果和土培条件下的试验结果还是有一定差异的,不能简单的将水培试验的结果套用在土培试验中,说明了进行土培试验的必要性.2.4
施硅对水稻植株中砷浓度的影响
图1 施硅处理下生长在低砷污染土壤(a和高砷污染土壤(b中的水稻植株地上部磷浓度
Fig.1 ShootPconcentrationsofriceseedlingsgrowninlowarseniccontaminatedsoil(a
andhigharseniccontaminatedsoil(bwithsilicontreatments
无论是否调节K2SiO3水溶液的pH值,在砷污
染土壤中添加2种浓度的外源硅均显著的降低了水稻植株地上部(图2,p<01001和地下部的砷浓度(图3,p<01001.在低砷土壤中施加2种浓度的外源硅使水稻植株砷浓度地上部降低36%~59%,地下部降低15%~37%;在高砷土壤中加硅,地上部砷浓度降低42%~58%,地下部砷浓度降低70%~82%.这一试验结果与水培试验中得到的结论是一致的,但可能与水培试验中添加外源硅抑制砷吸收的机理不同.因为在水培试验中加硅显著地抑制了水稻植株对磷的吸收.经试验证明在多种植物中五价砷均是通过磷的转运体系被吸收的[13,14],而磷的吸收是受细胞膜上转运蛋白的数量来调节的,
当水稻植株减少磷的吸收时,可能就意味着其转运蛋白数量的减少,从而将导致其吸收砷减少[25].但在土培试验中,加硅没有显著影响低砷土壤中水稻植株地上部的磷浓度,反而显著增加高砷土壤中水稻植株地上部的磷浓度.尽管在此次的土培试验中,整个试验过程始终处于淹水状态,土壤溶液中的砷应该是以三价砷为主[26].但在根际由于根的放氧作
转化成As(Ⅴ.Blute等人曾报用可能会使As(Ⅲ
占20%,道过在香蒲植物根表上吸附的砷As(Ⅲ
占80%[27].因此土培条件下硅抑制水稻对As(Ⅴ
砷吸收的机理一方面可能是由于五价砷和磷竞争吸收所导致的,因为施加外源硅促进了水稻植株对磷的吸收,所以减少了对五价砷的吸收;另一方面,因
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2 (a和高砷污染土壤(b中的水稻植株地上部砷浓度
Fig.2 ShootAsconcentrationsofriceseedlingsgrowninlowarseniccontaminatedsoil(a
andhigharseniccontaminatedsoil(bwithsilicon
treatments
图3 施硅处理下生长在低砷污染土壤(a和高砷污染土壤(b中的水稻植株地下部砷浓度
Fig.3 RootAsconcentrationsofriceseedlingsgrowninlowarseniccontaminatedsoil(a
andhigharseniccontaminatedsoil(bwithsilicontreatments
为K2SiO3加入土壤之后会有部分转化成H4SiO4分子,而植物对于硅的吸收利用是以H4SiO4分子的形式进行的[28],在此时的土壤pH值(7172,7165条件下土壤中的三价砷也主要是以分子形式存在的[28],也可能与硅形成竞争吸收,因此减少了植株对三价砷的吸收.然而,为了确定土培条件下施加外源硅抑制水稻幼苗对砷吸收的机理,更进一步的深入研究是必不可少的.
到降低砷危害风险的目的提供了科学的依据.但还
应做进一步地深入研究,开展大田试验探讨硅抑制水稻吸收砷的机理.
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3 结论
证明了在砷污染的土壤中添加外源硅可显著地抑制水稻对砷的吸收,验证了水培试验的结果,为进一步探讨在砷污染农田中通过施用硅肥的方法来达
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