安晨昕，王鐵良，李玉清

(沈陽農業(yè)大學，沈陽 110866)

由于我國總體水資源不足，隨著國民經濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，灌溉用水不斷被工業(yè)和城市生活用水所擠占，農業(yè)缺水日趨嚴重，特別是北方地區(qū)，水資源嚴重匱乏，只能通過節(jié)水灌溉、污水灌溉甚至超采地下水來彌補農業(yè)灌溉用水的不足[1]。據(jù)《第一次全國污染源普查公報》報道，目前我國有近2 000萬hm2的耕地受鎘(cd)、砷(As)、鉻(cr)、鉛(Pb)等重金屬的污染[2]，約占總耕地面積的1/5，其中As污染的耕地面積近1.33萬hm2，涉及11個省25個地區(qū)，導致每年糧食減產多達1 000萬t，受污染糧食多達1 200萬t，合計經濟損失至少達200億元[3]。2002年，農業(yè)部稻米及制品質量監(jiān)督檢驗測試中心對稻谷與大米進行檢測，主要超標污染物是鎘、砷，其中砷對農作物有劇毒、致畸和致突變效應，被美國毒物和疾病登記署列為最嚴重的10種有毒物之首。李月芬通過分析得出土壤水溶態(tài)砷和鐵錳氧化結合態(tài)砷與土壤pH值呈現(xiàn)極顯著正相關，殘渣態(tài)砷與土壤有機質呈現(xiàn)極顯著負相關[4]。葉華香對土壤中重金屬和理化性質之間進行了Pearson相關分析，得出砷與土壤pH 、有機質存在相關關系，與土壤速效磷存在顯著負相關[5]。但以上研究都是測定土壤中的重金屬含量而并非單純的研究砷這一種元素對土壤的影響。

擬通過小區(qū)試驗，研究不同質量濃度含砷水灌溉對土壤的pH值、有機質、全氮、速效磷、速效鉀質量分數(shù)以及土壤含砷量的影響，得出砷水濃度與土壤性質之間的相關關系；并分析了水稻長勢、產量及品質。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2014年5-10月在沈陽農業(yè)大學水利學院的試驗基地進行，試驗基地位于北緯41°50′01.77″東經123°33′31.59″，春秋短促多風，夏季平均氣溫約為25.6 ℃，年降水量約1 000 mm，夏季降水占60%以上。試驗的水稻品種為沈農9816。土壤為采自試驗基地的棕壤土，試驗初始的土壤理化指標為：pH值7.25，有機質、全氮質量分數(shù)分別為23.17、1.73 g/kg，速效磷、速效鉀、全量砷(As)質量分數(shù)分別為117.85、126.47、7.31 mg/kg。試驗選用化學藥品亞砷酸鈉(NaAsO2)配置灌溉用砷水溶液。

1.2試驗設計

試驗以小區(qū)方式種植水稻，其規(guī)格為3.5 m×1.2 m，為防止灌溉水相互滲透的影響，采用筑埂并用塑料薄膜包埂的形式進行保護，為防止含砷灌溉水被稀釋而影響試驗結果，設置遮雨棚。砷水灌溉圍繞農田灌溉水質標準設置了6個濃度梯度(0.27、0.2、0.14、0.09、0.05、0.02 mg/L)，其中農田灌溉水質標準濃度為0.05 mg/L，設置清水灌溉作為對照組[6]。

每年5月25日進行泡田，按照行株距30 cm×13 cm的標準配置進行插秧[7]，供試品種為沈農9816。返青期開始使用相對應質量濃度的含砷水進行灌溉，每2 d灌水一次，灌水量約為0.1 m3。水稻成熟后每小區(qū)分別取土壤樣品3組，按照標準進行處理，測定土壤的pH值、有機質、全氮、速效磷、速效鉀以及砷的質量分數(shù)。

根據(jù)測試結果，采用Office 2010、SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理。利用SPSS19.0軟件中Pearson相關分析和曲線擬合功能對不同質量濃度含砷水灌溉下土壤的相關理化性質進行分析，得出相關關系及最優(yōu)的曲線模型。

2 結果與分析

2.1 灌溉水中砷的濃度與土壤理化性質及砷質量分數(shù)的相關關系

使用不同質量濃度的含砷水灌溉水稻后，土壤的pH值、有機質、全氮、速效磷、速效鉀及土壤中砷質量分數(shù)隨砷水濃度的變化情況如表1所示。由表1可知，經不同砷水平灌溉后，土壤的全氮、速效磷和速效鉀質量分數(shù)均低于原始土；土壤中砷質量分數(shù)相比原始土有所增高。利用SPSS19.0對砷水濃度與土壤各指標進行Pearson相關分析，結果見表2。

由相關分析的結果得出，砷水濃度與速效磷、速效鉀質量分數(shù)呈現(xiàn)顯著負相關關系，與全氮質量分數(shù)呈現(xiàn)極顯著負相關關系，與土壤中砷質量分數(shù)呈現(xiàn)極顯著正相關關系。葉華香和李月芬研究的砷對pH值和有機質的影響規(guī)律[4,5]在本試驗的研究濃度范圍內未體現(xiàn)出。

通過SPSS19.0軟件中的曲線擬合功能分別選用線性模型、二次曲線模型、三次曲線模型進行回歸分析曲線擬合。軟件分析后得到曲線模型的數(shù)據(jù)指標，并以R2為標準優(yōu)先選取最優(yōu)曲線模型。通過對比，確定各土壤指標與砷水濃度的曲線模型：全氮選取三次曲線模型(R2：0.996 Sig：0.007)；速效磷選取三次曲線模型(R2：0.965 Sig：0.011)；速效鉀選取三次曲線模型(R2：0.907 Sig：0.047)；砷含量選取三次曲線模型(R2：0.906 Sig：0.047)。

表1 不同質量濃度含砷水灌溉下土壤各指標的變化Tab.1 Each index of soils under different concentrationarsenic water irrigation

注：表1中同列不同小寫字母為α≤0.05的顯著性水平。下同。

表2 砷水濃度與土壤各指標間的相關系數(shù)Tab.2 The coefficients of correlation between concentrationsof arsenic in water and the indicator of soil

注：*表示在0.05水平上顯著；**表示在0.01水平上顯著。

2.2 不同質量濃度的含砷水灌溉對土壤全氮、速效磷、速效鉀的影響

土壤的全氮質量分數(shù)與砷水濃度的關系曲線如圖1所示，土壤中全氮質量分數(shù)隨著砷水濃度的增加而減少，兩者間顯著相關。當砷水濃度≤0.1 mg/kg時，土壤全氮質量分數(shù)呈明顯下降趨勢；當砷水濃度在0.1～0.2 mg/L時，土壤全氮質量分數(shù)無明顯變化，維持在0.9 g/kg左右；當砷水濃度≥0.2 mg/L

圖1 不同質量濃度的含砷水灌溉下土壤全氮質量分數(shù)的變化Fig.1 Changes in soil nitrogen under different concentrations of arsenic-free water for irrigation

時，土壤全氮質量分數(shù)再一次呈現(xiàn)明顯下降趨勢。土壤全氮質量分數(shù)的變化幅度隨著灌溉砷水濃度的增加而增加，最高砷水濃度(0.27 mg/L)灌溉下土壤全氮質量分數(shù)降低了57.83%，最低砷水濃度(0.02 mg/L)灌溉下土壤全氮質量分數(shù)降低了41.51%。

土壤的速效磷質量分數(shù)與砷水濃度的關系曲線如圖2所示，土壤速效磷質量分數(shù)隨著砷水濃度的增加而減少，兩者間顯著相關。當砷水濃度≤0.1 mg/L時，土壤速效磷質量分數(shù)呈明顯下降趨勢；當砷水濃度在0.1～0.25 mg/L時，土壤速效磷質量分數(shù)圍繞17.5 mg/kg上下浮動；當砷水濃度≥0.25 mg/L時，土壤速效磷質量分數(shù)再一次呈現(xiàn)明顯下降趨勢。土壤速效磷質量分數(shù)的變化幅度隨著灌溉砷水濃度的增加而增加，最高砷水濃度(0.27 mg/L)灌溉下土壤速效磷質量分數(shù)降低了85.85%，最低砷水濃度(0.02 mg/L)灌溉下土壤速效磷質量分數(shù)降低了80.94%。

圖2 不同質量濃度的含砷水灌溉下土壤速效磷質量分數(shù)的變化Fig.2 Changes in irrigation water at different concentrations of arsenic in soil available phosphorus content

土壤的速效鉀質量分數(shù)與砷水濃度的關系曲線如圖3所示，土壤中的速效鉀質量分數(shù)隨著砷水濃度的增加而減少，兩者間顯著相關。當砷水濃度≤0.1 mg/L時，土壤速效鉀質量分數(shù)呈明顯下降趨勢；當砷水濃度在0.1～0.2 mg/L時，土壤速效鉀質量分數(shù)無明顯變化，維持在65 mg/kg左右；當砷水濃度≥0.2 mg/L時，土壤速效鉀質量分數(shù)再一次呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢。土壤速效鉀質量分數(shù)的變化幅度隨著灌溉砷水濃度的增加而增加，最高砷水濃度(0.27 mg/L)灌溉下土壤速效鉀質量分數(shù)降低了55.85%，最低砷水濃度(0.02 mg/L)灌溉下土壤速效鉀質量分數(shù)降低了44.22%。

圖3 不同質量濃度的含砷水灌溉下土壤速效鉀質量分數(shù)的變化Fig.3 Changes of soil available potassium under different concentrations of arsenic-free water for irrigation

2.3 不同質量濃度的含砷水灌溉對水稻長勢及產量的影響

砷水灌溉降低土壤中的全氮、速效磷及速效鉀質量分數(shù)，從而會在一定程度上影響水稻的長勢和產量。不同質量濃度的含砷水灌溉后水稻的長勢及單株產量指標如表3所示。

由表3可以看出，不同砷水平灌溉下，株高、結實率以及千粒質量都小于對照，而且在最大濃度灌溉下，水稻的長勢、單株產量指標均低于對照，其中株高和每穗粒數(shù)均為最小，說明砷水灌溉對水稻的長勢和單株產量具有一定抑制作用，低濃度砷灌溉與對照差異不顯著。

表3 不同質量濃度的含砷水灌溉對水稻的長勢及單株產量的影響Tab.3 Effects of different concentrations ofarsenic on growing and yield of rice

2.4 不同質量濃度的含砷水灌溉對土壤含砷量的影響

土壤含砷量與砷水濃度的關系曲線如圖4所示，當砷水濃度小于0.1 mg/L時，土壤中砷質量分數(shù)呈現(xiàn)明顯上升趨勢；當砷水濃度在0.1～0.2 mg/L之間時上升緩慢，土壤中砷質量分數(shù)上升到了11.5 mg/kg開始趨于平緩；當砷水濃度大于0.2 mg/L時，土壤中砷質量分數(shù)又開始增加。土壤含砷量的變化幅度隨著灌溉砷水濃度的增加而增加，最高砷水濃度(0.27 mg/L)灌溉下土壤含砷量增加了70.33%，最低砷水濃度(0.02 mg/L)灌溉下土壤含砷量增加了17.84%。

圖4 不同質量濃度的含砷水灌溉下土壤砷質量分數(shù)的變化Fig.4 Changes in soil arsenic content in water at different concentrations of arsenic in irrigation

2.5 不同質量濃度的含砷水灌溉對水稻品質的影響

土壤中的砷會在一定程度上會影響到稻米的品質[8,9]。稻米品質測試主要包括外觀品質，碾米品質，營養(yǎng)品質,衛(wèi)生品質。根據(jù)標準NY/T 419-2000，綠色稻米的粒形(長寬比)為1.5～2.0；糙米率≥83%，精米率≥74%；對營養(yǎng)品質的要求為：直鏈淀粉量11.0%～22.0%，蛋白質量≥5%；對衛(wèi)生品質的要求為：稻米中含砷量≤0.15 mg/kg。不同質量濃度的含砷水灌溉后水稻的品質指標如表4所示。

表4 不同質量濃度的含砷水灌溉對水稻的品質的影響Tab.4 Effect of different concentrations of arsenic-containing water irrigation on quality of rice

本試驗稻米品質由表4可知，外觀品質：不同質量濃度的含砷水灌溉對稻米的長寬比影響無明顯差異，均能達到綠色大米標準；碾米品質：堊白粒率之間差異顯著且均低于CK，糙米率與精米率除CK均接近但未達到綠色大米標準，但各處理間差異不明顯，說明砷對稻米的碾米品質有一定的抑制作用；營養(yǎng)品質：不同砷水平下水分含量無明顯差異；蛋白質含量和直鏈淀粉含量均達到綠色大米標準，且無明顯差異，說明在砷水濃度低于0.27 mg/L的范圍內，砷對水稻營養(yǎng)品質無明顯不利影響；衛(wèi)生品質：稻米中砷含量隨著灌溉砷水濃度的增加而增加，高出灌溉水質5倍的含砷灌溉水灌溉水稻，精米含砷量依舊低于0.15 mg/kg，均能達到綠色大米標準。

在2013年5-10月，在同時期同地點使用相近質量濃度的含砷水灌溉水稻，研究結果如表5所示。

表5 2013年不同質量濃度的含砷水灌溉對水稻的品質的影響Tab.5 Influence in 2013 in different concentrations ofarsenic-containing water irrigation on quality of rice

研究發(fā)現(xiàn)砷水灌溉對水稻單株產量和碾米品質有一定抑制作用，但對水稻的外觀品質、營養(yǎng)品質無明顯不利影響，稻米中砷含量隨著砷水濃度的增加而增加，且都能達到綠色大米的標準。2013年試驗所得結論與2014年所得結論一致。

3 結 語

試驗分別用6個不同質量濃度的含砷水灌溉水稻小區(qū)，通過對種植前后土壤及水稻各個指標的測定結果的對比分析得到以下結論。

(1)砷水灌溉會降低土壤中全氮、速效磷及速效鉀的質量分數(shù)，其質量分數(shù)與砷水濃度成反比，變化幅度隨砷水濃度的增加而增加，從而會對水稻的長勢和產量造成一定程度的抑制作用。

(2)砷水灌溉會增加土壤中砷的質量分數(shù)，其質量分數(shù)與砷水濃度成正比，變化幅度隨砷水濃度的增加而增加，從而會對稻米的品質造成一定程度的抑制作用。

(3)在砷水濃度小于0.27 mg/L的低濃度階段，砷水灌溉對水稻的長勢和單株產量以及稻米的碾米品質都具有一定的抑制作用，但均未顯現(xiàn)出明顯差異；對于稻米的外觀和營養(yǎng)品質無明顯不利影響；對于稻米的衛(wèi)生品質有不良的影響，稻米中含砷量隨砷水濃度的增加而增加，但在灌溉水含砷量高于灌溉標準5倍的情況下依舊能達到綠色大米標準。

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