摘要：為探究不同養(yǎng)殖密度（低密度、中密度、高密度）泥鰍擾動對土壤孔隙水中砷（As）含量的影響，采集湖南瀏陽稻田表層土，以泥鰍為擾動生物，對泥鰍擾動土壤孔隙水中As含量變化進行研究，為進一步開展土壤-水環(huán)境中As循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：泥鰍擾動后，土壤pH隨時間先升高后降低，擴散層變寬，并逐漸向深層土壤擴散，泥鰍組土壤pH表現(xiàn)為：中密度組，低密度組，高密度組，低密度組和中密度組土壤溶解氧（DO）顯著高于對照組和高密度組（P＜0．05），中密度組土壤DO略高于低密度組，推測中密度組的擾動能力較其他密度組強；土壤-水界面pH和DO梯度變化明顯，低密度組和中密度組土壤-水界面DO變化梯度較高密度組大，分層現(xiàn)象明顯，各處理土壤體系DO表現(xiàn)為：土壤上覆水＞土壤-水界面＞土壤；泥鰍擾動促進了As由土壤向土壤上覆水遷移釋放，顯著增加了土壤上覆水As含量，其中低密度組促進效果較中密度組和高密度組顯著；各處理土壤孔隙水As含量隨時間逐漸減?。ㄑ退诔猓瑥耐寥郎钐幭蛲寥?水界面遷移，總體呈現(xiàn)為土壤表層小于深層，泥鰍擾動能顯著減少土壤孔隙水As含量，尤其對低密度組和中密度組土壤孔隙水As含量減少具有一定促進作用，同時也促進了土壤中As向土壤-水界面遷移釋放；第7天時，泥鰍組土壤孔隙水As含量變化最顯著，貫穿于整個土壤深度，低密度組As含量顯著小于中密度組和高密度組，說明低密度組促進效果較中密度組和高密度組顯著，這與土壤上覆水結(jié)果一致。研究表明，泥鰍擾動顯著減少了土壤孔隙水As含量，其中低密度組和中密度組對不同深度土壤孔隙水As含量減少具有一定的促進作用，同時也促進了土壤中As向土壤-水界面遷移釋放。

關(guān)鍵詞：泥鰍；平面光極；稻田土壤；pH傳感膜；DO傳感膜；As

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）09-1993-09 doi：10.11654/jaes.2024-0011

稻田土壤和水稻中存在重金屬As，人體持續(xù)攝入過量As會導(dǎo)致As中毒和膀胱癌、皮膚癌、肺癌和腎癌等。陳同斌等報道湖南稻田土壤中As含量是世界土壤平均As含量的8-544倍。研究發(fā)現(xiàn)稻田土壤富集的重金屬在pH和DO波動過程中會釋放到土壤上覆水中，從而減少土壤重金屬含量。Zhang等發(fā)現(xiàn)生物擾動會影響土壤pH和DO等理化性質(zhì)，進而改變土壤重金屬分布規(guī)律，對重金屬從土壤到孔隙水的擴散過程產(chǎn)生抑制作用。Atkinson等發(fā)現(xiàn)生物擾動會改變土壤pH和DO，pH改變對重金屬釋放速率的影響較DO顯著，在低pH和DO條件下重金屬更容易遷移釋放。沈丹琪等研究發(fā)現(xiàn)在弱堿性土壤環(huán)境下，稻蝦共作模式會降低土壤中As等重金屬含量，在低pH的土壤環(huán)境下，稻蝦共作模式會增加土壤中As等重金屬含量。稻田土壤淹水條件下pH的變化，鐵、錳等氧化物／氫氧化物結(jié)合的As因鐵、錳還原釋放，土壤中As生物有效性、移動性增加。而且稻田土壤淹水環(huán)境中，pH較旱地土壤高，促使As解吸釋放進入土壤上覆水或孔隙水中。生物擾動能顯著增加土壤孔隙水中As含量，同時也能促進土壤中As向上覆水的釋放，如河蜆擾動能顯著增加土壤孔隙水中As含量，從而促進土壤中As向土壤上覆水的釋放，增強As活性。He等發(fā)現(xiàn)泥鰍擾動更能增加土壤上覆水重金屬含量。由于生物擾動對稻田土壤孔隙水中As的研究鮮少，因此本研究采集湖南瀏陽稻田表層土，以泥鰍為擾動生物，利用pH和DO平面?zhèn)鞲心?gòu)建平面光極系統(tǒng)，將其應(yīng)用于稻田土壤模擬體系中，研究不同密度泥鰍擾動對不同深度土壤孔隙水中As的影響，為進一步開展土壤—水環(huán)境中As循環(huán)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和泥鰍

供試土壤采自湖南瀏陽稻田土壤表層土，帶回實驗室風干，去除雜質(zhì)后磨碎過100目篩，后-20℃冷凍處理對底棲生物和蟲卵滅活，放置2d后，將土壤進行解凍和均質(zhì)化處理備用。經(jīng)測定分析，土壤pH為5.74，總As含量為71.69 mg·kg-1。

實驗?zāi)圉q購自湖南長沙水產(chǎn)批發(fā)市場，營底棲生活，生長的最佳溫度為25-28℃，最佳pH為6.6-7.4，其擾動具有很強的代表性，主要以土壤腐屑為食，人工馴養(yǎng)7d備用。暫養(yǎng)結(jié)束后，停食ld，選取體質(zhì)健壯、無病無傷、大小基本一致的12尾泥鰍作為試驗用魚。加入前將泥鰍放入濃度3% -4%的食鹽水中浸浴3-5 min消毒。

1.2 實驗裝置

本實驗在室內(nèi)進行，用本課題組自行研發(fā)稻田模擬系統(tǒng)實驗裝置（10 cm×10 cm×15 cm），內(nèi)含pH和DO平面?zhèn)鞲心?、土壤孔隙水取樣器、圖像采集裝置（PO設(shè)備）和黑布等，把裝置除觀測面外用錫箔紙包裹。將過100目篩土壤裝入上述方形裝置，使之形成10 cm厚的均質(zhì)土壤（供試土壤760 g），然后貼壁緩緩加入去離子水4 cm深，避免人為引起大面積攪動，先讓土壤與水沉淀平衡48 h，并且保證每天土壤表面有4 cm水層（圖1—圖3）。

1.3 實驗設(shè)置

本實驗按照養(yǎng)殖密度來設(shè)CK（對照組）、L（低密度組）、M（中密度組）、H（高密度組）四組，分別按照養(yǎng)殖密度為2 ind·cm-2（L）、4 ind·cm-2（M）、6 ind·cm-2（H）加入大小均一的泥鰍，CK組不加泥鰍。待泥鰍在裝置中適應(yīng)24 h后開始計時和圖像采集，圖像采集和土壤孔隙水（包括土壤上覆水）取樣每48 h進行1次，同時用精密pH計和DO儀測定土壤上覆水pH和DO。培養(yǎng)期間水溫保持25-28℃，相對濕度保持在75%左右，培養(yǎng)時間為15 d，淹水之時記為Od，第1天加入泥鰍，每組3個重復(fù)。

1.4 實驗方法

在暴露時間0（淹水期）、1、3、5、7、9、11、13、15 d時，用土壤孔隙水取樣器對0（土壤—水界面）-6 cm土壤深度內(nèi)的土壤孔隙水取樣，同時用注射器對土壤上覆水取樣，過0.22 μm濾膜，向過濾得到的溶液中滴加0.5 mL濃鹽酸，在-4℃條件下保存待測。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定水樣As含量。樣品檢測過程中每20個樣品加測一個標液并采用內(nèi)標溶液進行質(zhì)量控制，為保證分析的準確性，實驗全程做空白樣和平行樣，以確保測定的準確度。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本實驗所有數(shù)據(jù)用Excel 2010整理，用SPSS 24.0統(tǒng)計分析，用Graphpad Prism8和Planar Optode Analy-sor V4.5軟件制圖，用單因素方差分析和LSD多重比較分析確定不同處理之間的差異，其中P＜0.05表示具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 泥鰍擾動下土壤-水環(huán)境pH的動態(tài)變化

實驗期間，各處理土壤-水環(huán)境pH的動態(tài)變化如圖4所示，對照組土壤上覆水pH持續(xù)下降，第5天后下降迅速，這可能是無泥鰍擾動時土壤結(jié)構(gòu)較緊密，酸性土壤之間進行物質(zhì)交換，導(dǎo)致上覆水H+積累，使上覆水pH降低，第11天后趨于穩(wěn)定（pH=6.8）。與對照組相比，泥鰍組上覆水pH波動幅度較小，這說明泥鰍的添加對pH變化起到了一定的緩沖作用，泥鰍組上覆水pH降低的原因可能是生物新陳代謝產(chǎn)生并釋放CO2，增加上覆水CO2分壓，造成土壤酸化，從而降低水體pH，而泥鰍組土壤上覆水pH升高的原因可能是泥鰍干擾增強了微生物的光合作用過程，產(chǎn)生了氧氣并進一步提高了pH。第13天后泥鰍組上覆水pH均趨于穩(wěn)定，分別為7.2（低密度組）、7.1（中密度組）和7.3（高密度組）。各處理土壤pH隨培育時間先升高后降低，擴散層明顯變寬，并逐漸向深層土壤擴散，這與盧楠等的研究結(jié)果一致。各處理土壤出現(xiàn)高pH （7.1）的時間有差異，對照組在第5天時就出現(xiàn)了高pH（7.1），同時pH擴散層明顯變寬，第11天時，土壤pH達到最大，最大值在7.0-7.2范圍內(nèi)，且垂直貫穿了整個土壤，對照組土壤pH變化主要來源于上覆水的緩慢滲透。由于泥鰍的加入，低密度組土壤pH在第1天時，從高pH上覆水向界面乃至土壤擴散，第7天時出現(xiàn)了高pH（7.1），第11天時，土壤pH達到最大，最大值在7.0-7.3范圍內(nèi)，且貫穿了整個土壤。中密度組和高密度組土壤在第9天時出現(xiàn)了高pH（7.1），在第11天時，中密度組土壤pH達到最大，最大值在7.0-7.3范圍內(nèi)，第9天時，高密度組土壤pH達到最大，最大值在7.0-7.3范圍內(nèi)。試驗結(jié)束后泥鰍組土壤pH值較對照組低，其中泥鰍組土壤pH表現(xiàn)為：中密度＞低密度＞高密度。泥鰍組土壤pH升高可能是泥鰍擾動提高了泥鰍對土壤—水界面之間DO的消耗能力，而該過程促進了土壤—水界面之間以及土壤內(nèi)部發(fā)生反硝化作用，進而增加土壤pH，后期泥鰍組土壤pH上下波動可能是泥鰍活動過程中的呼吸作用以及代謝產(chǎn)物分解產(chǎn)生CO2，從而調(diào)節(jié)土壤pH。高密度組土壤pH在第9天后顯著低于低密度組、中密度組和對照組（P＜0.05），這可能是由于高密度組泥鰍密度過大增大了土壤緊實度，不利于上覆水pH向土壤內(nèi)部滲透造成的。

2.2 泥鰍擾動下土壤-水環(huán)境DO的動態(tài)變化

在實驗期間，各處理土壤-水環(huán)境DO的動態(tài)變化如圖5所示，泥鰍組土壤上覆水DO均顯著低于對照組（P＜0．05），這是由于泥鰍的活動范圍主要集中在土壤表層，消耗土壤上覆水DO較多。對照組土壤上覆水DO在第7天后增幅很大，第13天時達到最大，最大值為7.8 mg·L-1，而泥鰍組土壤上覆水DO在第9天后逐漸減小，且低密度組土壤上覆水DO顯著大于中密度組和高密度組。對照組和高密度組土壤DO在0%-5%范圍內(nèi)無明顯變化，對照組土壤DO在第9天后趨于穩(wěn)定，其土壤—水界面有分層現(xiàn)象但不明顯，高密度土壤DO在5%以下，低密度組和中密度組土壤DO在5%-10%范圍內(nèi)輕微增加，顯著大于對照組和高密度組DO，中密度組土壤DO略高于低密度組，這表明泥鰍擾動雖然沒有增加DO滲透到土壤深處，但是土壤孔隙DO會有所提高，這就會導(dǎo)致土壤DO增加。泥鰍組土壤-水界面較對照組具有明顯起伏趨勢，低密度組和中密度組土壤-水界面較高密度組具有明顯分層現(xiàn)象，中間凸起更為明顯，DO變化梯度較大，這與很多研究結(jié)果類似。高密度組土壤—水界面D0無明顯變化的原因可能是高密度組泥鰍密度太大，其活動范圍受到抑制，削弱了泥鰍擾動能力。低密度組和中密度組土壤-水界面分層現(xiàn)象和DO在第11天后基本趨于穩(wěn)定。各處理土壤DO表現(xiàn)為：土壤上覆水＞土壤-水界面＞土壤，土壤-水界面DO較土壤上覆水低是因為土壤表層和挖掘孔隙中，生物通過呼吸和硝化作用消耗DO，而土壤-水界面DO變化主要來源于上覆水DO的緩慢滲透。

2.3 泥鰍擾動下土壤上覆水As的動態(tài)變化

在培育過程中，各處理土壤上覆水As的動態(tài)變化如圖6所示，泥鰍組上覆水As含量顯著大于對照組（P＜0．05），說明生物擾動對上覆水A。含量提高具有一定的促進作用，增強了As活性，即生物擾動促進了土壤重金屬向土壤上覆水的釋放，這可能是生物擾動導(dǎo)致水體DOC含量增加，DOC不僅能夠與As在鐵（氫）氧化物上競爭結(jié)合位點，而且還會使鐵（氫）氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，減少As的吸附位點，從而增加上覆水As含量。對照組土壤上覆水As含量在整個培養(yǎng)周期內(nèi)逐漸減少（由2.1 mg·L-1減少至0.4mg·L-1），第5天后減少緩慢，第11天后穩(wěn)定不變。泥鰍組土壤上覆水As含量表現(xiàn)為先增加后減少，As含量在1.3-6.9 mg·L-1范圍內(nèi)，均在第9天后趨于穩(wěn)定，其中低密度組和中密度組土壤上覆水As含量在第5天時達到最大，最大值分別為6.9 mg·L-1和5.2 mg·L-1，而高密度組土壤上覆水A。含量在第3天時達到最大，最大值為4.8 mg·L-1，這可能是泥鰍擾動作用下，土壤向土壤上覆水釋放部分重金屬，同時泥鰍擾動不斷更新土壤表面的吸附點位，從而使土壤顆粒對重金屬離子的吸附能力更強，在一定程度上也抑制土壤重金屬向上覆水的釋放，也可能是土壤表層生成的吸附態(tài)重金屬的鐵錳氧化物在生物物理混合作用下被掩埋到土壤中，降低重金屬在上覆水中的含量，等生物適應(yīng)環(huán)境后，擾動幅度減小，上覆水As含量變化緩慢。綜上所述，泥鰍擾動促進了As由土壤向上覆水的遷移釋放，顯著增加了上覆水中As含量，其中低密度組的促進效果較中密度組和高密度組顯著，減輕了土壤污染程度的同時增加了水體的污染程度，這說明，適當添加生物量泥鰍可以顯著改變土壤As污染狀況。

2.4 泥鰍擾動下土壤孔隙水中As的動態(tài)變化

在培育過程中，各處理不同深度土壤孔隙水As的動態(tài)變化如圖7所示，在為期15 d的培育過程中，有無泥鰍擾動在時空上均對土壤孔隙水As含量產(chǎn)生了顯著影響（P＜0．05）。各處理土壤孔隙水As含量隨天數(shù)逐漸減少，均從土壤深處向土壤-水界面遷移，多數(shù)表現(xiàn)為隨深度增加而增加，不同深度土壤孔隙水As含量總體呈現(xiàn)為表層低于深層，這與張淋淋等的研究結(jié)果相反。對照組土壤孔隙水As含量在0-1.0cm深處無明顯變化，泥鰍組土壤孔隙水As含量變化較對照組顯著，這可能是與重金屬產(chǎn)生強烈吸附作用的土壤顆粒被泥鰍食用后以糞便形式被排泄至土壤表層，從而影響土壤重金屬含量的變化。第0天（淹水期）時，各處理土壤孔隙水As含量主要集中在6 cm深處，As含量為36.3 mg·L-1。第1天時，泥鰍組土壤孔隙水As含量顯著大于對照組，尤其是低密度組和中密度組的5.0-6.0 cm深處，土壤孔隙水As含量在35.9-48.3 mg·L-1范圍內(nèi)。第3天和第5天時，對照組土壤孔隙水As含量顯著大于泥鰍組，泥鰍組土壤孔隙水As含量在整個深度分散比較均勻，這說明泥鰍擾動對土壤孔隙水As含量降低具有一定的促進作用，降低了As的活性，這可能是由于缺氧條件導(dǎo)致金屬硫化物沉淀，從而減少土壤孔隙水As含量。在第7天時，泥鰍組土壤孔隙水As含量變化最顯著，且貫穿于整個土壤深度，泥鰍組土壤孔隙水As含量顯著大于對照組，可能是起初泥鰍產(chǎn)生的物理和生物擾動聯(lián)合作用促進了土壤孔隙水As的釋放，也可能是泥鰍擾動增加了土壤—水界面DO的穿透深度，從而導(dǎo)致金屬硫化物的氧化，F(xiàn)e/Mn化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，而這一過程會快速吸附水體重金屬并與之發(fā)生共沉降，從而增加了土壤孔隙水As含量，其中低密度組土壤孔隙水As含量顯著小于中密度組和高密度組。第9天到第15天時，低密度組和中密度組土壤孔隙水As含量顯著小于高密度組和對照組，這說明適當添加泥鰍量對減少土壤孔隙水As含量具有促進作用。整個培育期，對照組土壤孔隙水As含量的變化可能是微生物加快土壤有機質(zhì)降解和硫化物氧化，釋放了重金屬，也可能是靜水條件下，土壤中的As通過分子擴散作用釋放至上覆水。泥鰍組土壤—水界面孔隙水（h=0 cm）As含量顯著大于對照組，這可能是生物擾動改變了表層土壤的界面接觸面積，影響重金屬運移，進而影響土壤-水界面的重金屬含量。泥鰍組土壤—水界面孔隙水As含量均表現(xiàn)為先增加后減少，可能是生物灌溉促進了As從孔隙水向土壤-水界面或上覆水的轉(zhuǎn)移，也可能是隨著泥鰍擾動程度的變化，被釋放至上覆水的重金屬與懸浮顆粒物結(jié)合再次沉降至土壤表面。泥鰍組土壤—水界面孔隙水As含量在第9天后均變化緩慢，其中低密度組和中密度組As含量在第3天時達到最大值，最大值分別為12.3 mg·L-1和10.1 mg·L-1，高密度組As含量在第1天時達到最大值，最大值為11.6 mg·L-1。綜上所述，泥鰍擾動能夠顯著減少土壤孔隙水A。含量，尤其對低密度組和中密度組土壤孔隙水As含量降低具有一定的促進作用，同時也促進了土壤中As向土壤—水界面以及上覆水的遷移釋放。

3 結(jié)論

（1）有無泥鰍擾動在時空上均對土壤上覆水As含量產(chǎn)生了顯著影響（P＜0．05）。泥鰍擾動促進了As由土壤向土壤上覆水遷移釋放，顯著增加了上覆水中As含量，其中低密度組的促進效果較中密度組和高密度組顯著。

（2）有無泥鰍擾動在時空上均對土壤孔隙水As含量產(chǎn)生了顯著影響（P＜0．05）。各處理土壤孔隙水A。含量隨天數(shù)逐漸減少（淹水期除外），均從土壤深處向土壤-水界面遷移，多數(shù)表現(xiàn)為隨深度增加而增加，對照組土壤孔隙水As含量在0-1.0 cm深處無明顯變化。第7天時，泥鰍組土壤孔隙水As含量變化最顯著，且貫穿于整個土壤深度，泥鰍組土壤孔隙水As含量顯著大于對照組，其中低密度組土壤孔隙水As含量顯著小于中密度組和高密度組。

（責任編輯：葉飛）

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFD1700101）；湖南省自然科學(xué)基金（2022JJ30306）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX20230689）