土壤_水稻系统砷迁移累积的影响因素及调控措施_沈孝辉

土壤－水稻系统砷迁移累积的
影响因素及调控措施
沈孝辉1，李仁英1,2*，徐向华1，谢晓金1，郑慧琳1，黄维1，乔舒婷1
（１．南京信息工程大学应用气象学院，江苏省农业气象重点实验室，江苏南京２１００４４；２．土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），江苏南京２１０００８）
摘要：砷（Ａｓ）作为危害人类健康的污染物之一，对粮食安全和人类健康的威胁已引起全世界的广泛关注。

水稻对砷具有较强
的富集能力，目前对土壤中砷的有效性、水稻对砷的吸收、水稻内砷的运转及影响因素等方面进行了广泛深入的研究。

在总结目前研究成果的基础上，从土壤砷有效性和水稻砷吸收两个方面，讨论了土壤质地、有机质、灌溉方式、土壤微生物、根际环境、施肥种类、水稻品种及复合污染对土壤－水稻系统中砷迁移转化的影响因素及其机制，并从灌溉方式、施肥种类和方式及基因工程等方面进一步讨论了降低水稻砷吸收和积累的措施。

根据目前研究中出现的问题和不足，对未来尚需要进一步深入的研究提出自己的建议和展望。

关
键
词：砷；水稻；有效性；影响因素；措施
中图分类号：Ｘ５３
文献标识码：Ａ
文章编号：０５６４－３９４５（２０１４）０５－１２７３－０８
沈孝辉，李仁英，徐向华，谢晓金，郑慧琳，黄维，乔舒婷．土壤－水稻系统砷迁移累积的影响因素及调控措施［Ｊ］．土壤通报，２０１４，４５（５）：１２７３－１２８０
ＳＨＥＮＸｉａｏ－ｈｕｉ，ＬＩＲｅｎ－ｙｉｎｇ，ＸＵＸｉａｎｇ－ｈｕａ，ＸＩＥＸｉａｏ－ｊｉｎ，ＺＨＥＮＧＨｕｉ－ｌｉｎ，ＨＵＡＮＧＷｅｉ，ＱＩＡＯＳｈｕ－ｔｉｎｇ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇＦａｃｔｏｒｓｏｆＡｒｓｅｎｉｃＴｒａｎｓｆｅｒｉｎＳｏｉｌ－ＲｉｃｅＳｙｓｔｅｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＭｅａｓｕｒｅｓｔｏＭｉｔｉｇａｔｅＡｒｓｅｎｉｃＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｉｎＲｉｃｅ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌＳｃｉｅｎｃｅ，２０１４，４５（５）：１２７３－１２８０
土壤通报
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｉｌＳｃｉｅｎｃｅ
第45卷第5期2014年10月Vol.45,No.5Oct.,2014
收稿日期：２０１３－０９－１８；修订日期：２０１４－０３－２４
基金项目：国家自然科学基金项目
（４１００１１９０，４１２０５０８７，４１１０１２９４）、土壤与农业可持续发展国家重点实验室项目（Ｙ０５２０１００１８）、中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室项目、江苏省政府留学奖学金项目、江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２０１４１４７９）和南京信息工程大学实验室开放项
目（１４ＫＦ０６３）共同资助
作者简介：沈孝辉（１９８９－），男，江苏扬州人，硕士，主要从事土壤重金属污染及生物有效性。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｈｕｉ００７＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ*
通讯作者：Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｙｌｉ２００５＠ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
随着日益加剧的土壤砷污染，砷（Ａｓ）及其化合物
对人类健康的危害已引起全世界的广泛关注。

孟加拉国污染土壤中砷含量达到了８３ｍｇｋｇ－１，远高于土壤
中砷的背景值［１］。

我国许多地区如湖南、
湖北、江西、浙江、广东、广西和云南等地也发生了不同程度的砷污染问题。

由于水稻自身的特性及淹水栽培模式，水稻对砷具有很强的富集能力。

水稻是我国第一大粮食作物，全国６０％以上人口以稻米为主食，每年稻米消费量占粮食消费总量的５５％左右，水稻砷污染严重威胁到我国粮食安全［２］。

对来自中国、美国、英国和西班牙大米加工的婴幼儿食品检测发现，食品中主要为无机砷，占总砷含量的６０％以上，虽然抽样没有发现超标（１５０μｇｋｇ－１），但对８￣１２个月大的婴幼儿，从大米加工食品中摄取砷成为每天摄入砷的主要来源［３］。

砷还会通过食物链在人体内富集，如秸秆中砷通过动物饲料等方式传递，最后在人体内浓缩。

所以，水稻砷污染比人们预期要大［４］，如何降低砷在水稻内的积累是目前迫切需要解决的问题。

砷在水稻内的积累与土壤中砷的生物有效性及水稻对砷的吸收，即砷在土壤－水稻系统中的迁移转化有关。

目前对砷在土壤－水稻系统中迁移转化的影响因素进行了大量研究。

砷在土壤中以无机砷和有机砷形态存在，其中大多数为无机砷，包括三价砷（Ａｓ（ＩＩＩ））和五价砷（Ａｓ（Ｖ））；有机砷包括一甲基砷（ＭＭＡ）和二甲基砷（ＤＭＡ），但占土壤总砷比例极低［５］。

砷的毒性和生物有效性主要依赖于砷的存在形态，无机砷毒性大于有机砷，而在无机砷中，Ａｓ（ＩＩＩ）毒性远远大于Ａｓ（Ｖ）［６］。

不同形态的砷，有效性差异很大，离子吸附态砷易被水稻吸收；离子结合态砷与Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ离子结合形成难溶性砷化物，有效性降低［５］。

水稻对不同形态砷的吸收能力差异较大，水稻对无机砷吸收能力明显强于有机砷，且无机砷中Ａｓ（ＩＩＩ）比Ａｓ（Ｖ）更易被水稻根吸收。

研究表明，Ａｓ（ＩＩＩ）与硅共享同一转运通道，主要通过Ｌｓｉ１水通道蛋白进入根部，然后通过Ｌｓｉ２水通道蛋白运输到木质部；Ａｓ（Ｖ）与磷的化学性质相似，Ａｓ（Ｖ）通过磷的转运
系统进入水稻根系［７］。

所以硅、
磷等元素影响水稻对砷
第45卷土壤通报
的吸收和转移。

本研究从土壤中砷生物有效性和水稻对砷吸收转运两个方面，总结阐述了其影响因素及其机理，并在此基础上提出了降低水稻砷吸收的措施，从而为砷污染稻作区降低水稻砷积累提供重要的理论依据。

1土壤砷有效性的主要影响因素
1.1土壤质地
不同质地土壤中粒径差异很大，对重金属吸附能力不同，因此不同质地土壤重金属有效性存在着明显差异。

一般情况下，粗质地土壤对砷吸持能力较弱，砷含量小，但砷毒性较强，如沙质土壤和花岗岩衍生的土壤砷含量最低，淤积土壤和有机质含量高的土壤砷含量较高［８］。

砷有效性还与土壤中Ｆｅ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ等元素存在形态密切相关，如富含Ｆｅ、Ａｌ化合物酸性和弱酸性的红壤具有相当强的固砷作用，其中主要与铁氧化物有关，铁氧化物的铁阳离子和氢氧基组成的表面官能团通过质子缔合和离解而带电，是土壤中产生正电荷的主要物质之一，而砷在土壤溶液中以带负电荷砷氧阴离子存在，在静电引力作用下，砷氧阴离子能够跨越能量壁垒接近铁氧化物胶体的表面，产生专性吸附［９］，所以土壤中铁氧化物含量越高，能够提供的吸附位点就越多，对砷的吸附能力越强。

李勋光对我国常见几种土壤研究发现，土壤对Ａｓ（ＩＩＩ）和Ａｓ（Ｖ）吸附性能和土壤砷对水稻毒性大小顺序依次是砖红壤＞红壤＞黄棕壤［９］；邵云等人在研究不同质地土壤中砷对小麦胁迫作用时得知，黏土、壤土由于能够吸附一部分重金属而降低其生物有效性，从而缓解了砷的胁迫作用，而沙土对砷胁迫的缓解效果较差［１１］。

通过模式植物对富集砷的模拟得知土壤中砂粒含量对植物富集砷浓度影响较大，粉粒和黏粒含量也有一定影响［１２］。

所以含有砂砾较多的粗质地土壤对砷吸附性弱，砷含量小，但砷生物有效性提高，对植物危害大；而质地较细的黏重土壤相反。

1.2有机质
有机质影响稻田中砷的移动性及环境行为。

Ｅｄｕａｒｄｏ等［１３］将有机堆肥施入砷污染的淹水稻田中，土壤毛管水中砷含量增加，其中砷主要以二甲基砷（ＤＭＡ）为主。

Ｇａｒｅｔｈ等［１４］的研究也得出，添加有机质增加了土壤溶液中砷的有效性，导致穗中砷含量增加，并使水稻开花期推迟、生物量降低。

Ｒｏｗｌａｎｄ等［１５］对其机理进行了研究，结果表明，添加有机质后，微生物大量繁殖，消耗了大部分氧气，Ｅｈ降低，并将砷从铁氧化物和氢氧化物中释放出来，从而增加了砷的移动性。

朱维晃等［１６］的研究也表明，不同类型溶解有机质（ＤＯＭ），由于传递电子能力不同，对砷不同形态之间转化的影响程度也存在差异。

土壤中施入有机质后砷有效性增加的原因主要有以下两个方面：（１）有机质与砷之间竞争土壤胶体吸附位点，从而减少了土壤对砷的吸附；（２）添加有机质后，微生物大量繁殖，消耗了大部分氧气，Ｅｈ降低，从而将铁氧化物和氢氧化物中固定的砷释放出来，增加砷的生物有效性［１７］。

1.3灌溉方式
不同灌溉方式主要通过改变砷的形态而影响砷的生物有效性。

在土壤淹水时，土壤Ｅｈ较低，还原能力较强，从而使铁锰结合的砷化合物被还原或铁锰闭蓄的砷化合物释放出来，导致土壤溶液中砷的移动性和有效性增加；而在非淹水时期，土壤Ｅｈ较高，砷主要与铁锰氧化物结合，移动性和生物有效性显著降低［１８］。

有研究表明在西孟加拉邦和印度砷污染地区，干旱月份使用含砷污染水灌溉水稻，水稻中的砷含量却低于世界卫生组织规定标准。

此外，这些地区地下水受到砷污染，用较少的水灌溉，不但能够改变土壤Ｅｈ，还能够降低砷在耕作层中富集［１９］。

Ｔａｌｕｋｄｅｒ等［２０］研究发现，保持土壤水分近饱和的灌溉方式下，土壤Ｅｈ较高，毛管水中砷有效性比淹水灌溉低，并且此灌溉方式下，水稻籽粒砷含量只有淹水灌溉方式的４１％￣４５％。

Ｓａｒｋａｒ等［１９］在水稻移栽后的１５￣４０ｄ，采用４种灌溉方式发现，持续淹水（ＣＰ）灌溉，水稻土中的砷含量最高，其次是间歇淹水（ＩＰ）、保持土壤饱和含水量（ＳＡＴ）和保持土壤湿润（ＡＥＲ）的灌溉方式。

在ＡＥＲ的灌溉方式下，土壤Ｅｈ比较高，水稻根中的砷含量在４５和８０ｄ时最低，比ＣＰ分别低３１％和７％。

Ａｎｉｌ等［２１］研究发现在持续淹水条件下，铁还原菌要高于间歇灌溉，铁还原菌能够将铁氧化物还原，使得被铁氧化物固定的砷被释放出来，从而增加砷生物有效性。

稻田不同水分管理模式，主要影响着土壤Ｅｈ，改变铁锰氧化物含量及其对砷的吸持，影响砷的形态、砷的吸附解吸平衡，从而影响砷的有效性。

1.4微生物
微生物在长期与砷共存的过程中，进化出多种不同的砷转化机制，如甲基化、挥发、氧化和还原作用，或通过自身代谢及其代谢产物吸收、共沉淀固定砷，降低砷的有效性，减少水稻的吸收。

许多微生物能将Ａｓ（Ⅲ）甲基化，这些微生物主要利用亚砷酸甲基转移酶（Ａｒ－ｓｅｎｉｔｅＭｅｔｈｙｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒａｓｅ）将Ａｓ（ＩＩＩ）甲基化，最终生成单甲基砷（ＭＭＡ）和二甲基砷（ＤＭＡ）等甲基砷产物，这些产物毒性均低于Ａｓ（ＩＩＩ）［２２］。

此外，还发现蓝细菌不但能将砷甲基化，还能引起砷挥发现象［２３］。

如果能够将
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5期沈孝辉等：土壤－水稻系统砷迁移累积的影响因素及调控措施
砷挥发，不但能够降低水稻砷积累而且还可以永久去除稻田中的砷，减少稻田中的砷污染。

砷氧化微生物能够将毒性较强的Ａｓ（ＩＩＩ）氧化成毒性较弱的Ａｓ（Ⅴ），而Ａｓ（Ｖ）在土壤溶液中以阴离子形式存在，很容易吸附在土壤颗粒表面，降低砷的有效性［２４］。

有研究表明，淹水稻田中无机砷以Ａｓ（ＩＩＩ）为主就是由于微生物的作用［２５］。

铁（Ｆｅ）是地壳中含量最丰富的金属元素之一，且铁氧化菌能够氧化Ｆｅ（ＩＩ），形成的铁氧化物能够有效的吸附土壤溶液中的砷。

Ｃｈｅｎ等［２６］研究发现水稻根际存在大量厌氧反硝化铁氧化菌，当加入硝酸盐时，这些菌能有效氧化Ｆｅ（ＩＩ），使砷和土壤中的氧化产物共沉降，或直接吸附于铁氧化产物上，降低砷的生物有效性。

王兆苏等［２７］也得出在微生物铁氧化过程中，Ａｓ（ＩＩＩ）被氧化成Ａｓ（Ⅴ），被铁氧化物固定，降低砷的移动性。

由于铁氧化菌良好的除砷效果，所以常用铁氧化菌修复砷污染的水和土壤［２８］。

微生物对砷有效性影响主要体现在两个方面：一是微生物直接作用，通过微生物代谢，包括氧化、还原和甲基化过程，改变砷的形态，影响其有效性和毒性［２２］；二是微生物间接作用，主要通过微生物代谢产物、改变土壤环境和自身吸附等改变砷的移动性，影响其生物有效性。

2水稻砷吸收的主要影响因素
2.1根际环境
根系是水稻从土壤中吸收营养元素及有害物质的最主要部位，根际微环境直接影响到水稻对砷的吸收。

水稻是一种典型湿地植物，为适应缺氧环境，水稻形成了发达通气组织，能够高效率的将大气中氧气运输到根部，使淹水环境中还原态Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋氧化，形成红棕色胶体铁膜包裹在根表。

根系对砷吸收差异主要受铁胶膜的影响。

使用Ｘ－射线吸收近边结构（ＸＡＮＥＳ）分析铁膜主要成分，发现铁胶膜主要是由２条衍射线结构的水铁矿组成，还有少部分针铁矿和赤铁矿等晶体矿物［２９］。

由于铁胶膜的阻碍作用和对不同形态砷的亲和力差异，从而影响水稻对砷的积累。

郭伟等［３０］研究表明，根表铁胶膜对砷起到了富集作用，使铁胶膜上富集的砷浓度远远高于土壤和根中的砷浓度，并促进了根系对砷的吸收；而刘文菊研究发现，铁膜对水稻砷的吸收起到阻碍作用［３１］；Ｈｏｓｓａｉｎ等［３２］发现铁膜能够降低根和籽粒中砷的积累。

这些研究表明，铁膜对水稻砷的吸收和积累发挥着不同作用，造成这些差异的原因可能与水稻铁膜厚度和老化程度不同有关。

铁膜形成量主要取决于土壤中Ｆｅ２＋含量和根系微环境的氧化能力，并受施肥种类的影响［２９］。

陈学萍等［２９］研究表明，施加ＫＮＯ３能够显著降低铁膜的形成，并影响铁膜中砷的形态，ＫＮＯ３和Ｋ２ＳＯ４处理时铁膜中砷以Ａｓ（Ⅴ）为主，而ＫＣｌ处理时则以Ａｓ（Ⅲ）为主。

Ｃｈｅｎ等研究发现，在根表有铁膜时Ａｓ（Ⅴ）含量大于Ａｓ（Ⅲ），没有铁膜时，情况相反，这表明铁膜对Ａｓ（Ⅴ）有更强的亲和性［３３］。

2.2肥料种类
2.2.1硅肥水稻是一种喜硅作物，对硅的吸收量很大，水稻茎叶中硅的含量超过１０％，所以有人将硅肥定义为即Ｎ、Ｐ、Ｋ之后第四大元素肥料。

目前，硅在增加水稻产量及降低水稻砷积累方面表现出巨大潜力。

对不同砷污染土壤中施用硅肥，发现低污染土壤中水稻幼苗植株地上部砷浓度降低３６％￣５９％；高砷土壤中，地上部砷浓度降低４２％￣５８％，说明砷污染土壤中施用硅肥可显著抑制水稻幼苗对砷的吸收［３４］。

Ｌｉ等［３５］通过对全生育期水稻研究得知，施用硅肥使秸秆、稻壳和籽粒中砷含量分别降低７８％、５０％和１６％。

因此，施用硅肥能够降低水稻对砷的吸收和转运，减少水稻各部位砷的积累量。

目前，硅肥降低水稻砷吸收的机理已被阐明。

硅和砷具有相似结构，两者共用硅的运输通道，添加外源硅后，硅和砷之间竞争硅的转运通道，从而降低水稻对砷的吸收和转运［８］。

２.2.2磷肥磷是植物生长代谢必需的元素之一，磷和砷属于同族元素，在土壤－植物体系中的行为有相似之处。

陈玉等［３６］研究表明，随着营养液中磷浓度的增加，水稻根对五价砷的吸收能力降低，说明了磷能够竞争性抑制五价砷的吸收。

在土培条件下，施加较高的磷肥抑制了水稻对砷的吸收［３７］。

Ｗａｎｇ等［３８］研究得知，施加外源磷可以降低砷对水稻的毒害作用。

磷减少水稻对砷吸收的原因可能与五价砷酸盐与磷共用水稻的转运通道，两者竞争吸收有关。

而杨玲等［３９］研究表明砷污染土壤上增施磷肥可提高秸秆、颖壳和糙米的砷含量；Ｈｕ等［４０］研究发现，磷降低铁膜形成量，使得铁膜对砷的吸附量减少，砷更易被水稻吸收。

出现这种差异可能与磷肥施用量［３９］、水稻品种［４１］及土壤类型［４２］等因素有关。

最近研究表明，灌溉方式对磷和砷之间的交互作用也有影响，湿润灌溉使土壤毛管水中砷有效性低于淹水灌溉，且地下部分砷向上转运速度也较慢，这说明在湿润条件下，磷能够降低水稻对砷的吸收，而在淹水时，磷则促进了砷吸收，所以在有氧灌溉条件下，施用一定量的磷能缓解砷对水稻的危害［２０］。

2.2.3硫肥作物吸收硫不仅用于自身物质合成，还参与一些生化反应，所以硫是作物生长必需的元素之一。

Ｚｈａｎｇ等［４３］在水稻幼苗期施硫发现，硫促进了根系砷积累，但降低了秸秆砷含量。

对全生育期研究发现，
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第45卷土壤通报
施硫降低了籽粒砷积累，增加了铁膜形成量和根叶部位谷胱甘肽（ＧＳＨ）含量［４４］。

施硫降砷主要是由于硫元素能够影响植物体内含硫抗氧化剂含量，如ＧＳＨ，它是生物体内一种重要抗氧化剂，有重金属解毒功能，能与Ａｓ（Ⅲ）形成植物螯合肽（ＰＣ），是植物体内的重要解毒机制［４５］，它和富含半胱氨酸多肽金属硫蛋白（ＭＴｓ）是植物细胞中最好的两种重金属几何配体，水稻叶片中Ａｓ（Ⅲ）与ＧＳＨ结合成ＰＣ能够降低砷从叶向穗的转移，降低籽粒砷含量［４６］。

当硫供应不足时，ＧＳＨ含量降低，使其与Ａｓ（Ⅲ）形成ＰＣ减少，Ａｓ（Ⅲ）移动性增强，向地上部转运增加［４４］。

Ｎｅｅｌａｍ等［４７］报道，在砷胁迫环境下，含硫金属硫蛋白在水稻体内对砷解毒作用占据主导地位。

Ｃｈａｋｒａｂａｒｔｙ等［４８］利用基因芯片技术得知，水稻幼苗在砷酸盐和亚砷酸盐胁迫下，两个金属硫蛋白家族基因（Ｏｓ１２ｇ３８２９０和Ｏｓ１２ｇ３８０５１）表达量都出现上调，此外还发现硫酸盐转运家族一个基因（Ｏｓ０３ｇ０９９７０）表达量上调了１０倍。

不同肥料中元素主要影响着水稻砷的吸收和转运。

水稻中硅和磷元素的吸收通道同时也是砷的主要吸收路径，所以在吸收和运输过程中存在着竞争关系；含硫的蛋白质和多肽能够与砷螯合，降低其毒性和可移动性。

2.3水稻品种
不同水稻品种对砷吸收存在显著差异，选取耐砷低吸收型水稻品种，是减少水稻砷积累的最简单有效的方法之一。

Ｒａｋｅｓｈ等［４９］对９０个品种稻穗砷含量测定发现，有２０个品种砷含量较低，在７９￣２８５μｇｋｇ－１之间，适合作为主食；６９个品种砷含量较高，长期食用，存在一定风险。

有研究表明，不同水稻品种根部砷含量和砷向籽粒中迁移难易程度都存在着显著性差异［５０］。

不同品种水稻对砷吸收积累的差异可能与水稻耐砷能力及耐受机理有关。

研究发现，不同品系水稻中，杂交稻在砷污染土壤中根长、株高及干物质积累量均优于常规稻和糯稻，说明杂交稻耐砷程度要好于常规稻和糯稻，而常规稻对砷比较敏感［５１］。

在砷污染土壤上，种植杂交稻后，土壤中溶解碳（ＤＯＣ）高于籼稻和粳稻，而种植粳稻溶解氮（ＤＯＮ）含量较高，ＤＯＣ和ＤＯＮ是土壤有机质最活跃的组分，影响土壤中物质的吸附、解吸、迁移和生物毒性等过程［５２］。

此外Ｔｒｉｐａｔｈｉ等［５３，５４］发现耐砷水稻品种和砷敏感型水稻品种在砷胁迫环境下，活性氧自由基、脂质过氧化作用、促氧化酶、巯基代谢和氨基酸含量都存在明显差异。

2.4复合污染
复合污染的土壤成分比较复杂，不同污染物之间
存在着协同或拮抗作用，影响水稻的吸收。

近年来由于工业活动频繁，使用重金属污染的地下水灌溉，使得镉（Ｃｄ）和砷成为农用地上最为主要的污染物。

水稻对镉和砷的吸收在不同灌溉方式下差异很大，在淹水条件下，水稻镉含量很低，但砷却增加；而湿润灌溉条件下，情况正好相反［５５］。

砷和锑属于同一族元素，两者具有相似的化学性质。

有研究表明硫化物矿石中，高含量锑往往伴生着高浓度砷，所以砷和锑共同污染现象很普遍。

冯人伟等研究发现砷显著促进植物对锑吸收，且低剂量砷促进作用要高于高剂量砷［５６］。

硒和砷在人体和动物体内存在拮抗作用，两者之间形成复合物降低游离砷浓度，此外硒还可通过干扰砷与巯基及甲基结合，降低砷毒性［５７］，但在植物体内存在一定差异，廖宝凉等研究水稻体内砷硒交互作用时发现，低浓度硒对砷毒性有降低作用，但是较高浓度的硒对砷的毒性具有促进作用，这可能与它抗氧化及减轻砷对植物体内抗氧化酶抑制作用有关［５８］。

所以污染物数量和种类均对水稻砷的吸收有明显的影响。

3降低水稻砷积累的措施
通过以上论述可知，影响土壤－水稻系统中砷迁移转化的因素包括土壤质地、有机质、微生物等土壤物理化学性质，水稻灌溉、施肥等田间管理和水稻品种等。

对于特定的水稻产区，土壤物理化学性质的改变是个长期的过程，因此，本文重点讨论降低水稻砷吸收的水稻灌溉方式、土壤施肥种类及水稻基因等措施。

3.1灌溉方式
采取适当的灌溉方式，降低水稻砷吸收和积累，是一种较为有效的办法，具有较强的可行性和操作性。

Ｓａｒｋａｒ［１９］等研究发现，非充分灌溉是降低西孟加拉邦和印度砷污染水稻砷积累的一个重要措施。

陈丽等［５９］的研究也得出同样的结论，淹水管理模式下，水稻砷含量要高于其他灌溉方式。

Ｌｉ等［３５］得知，在水稻生长期排水，显著降低了水稻砷的积累，但对水稻的产量没有显著影响。

根据这些研究成果可知，在水稻生长过程中，在不影响水稻生长的情况下，适当排水，以达到降低水稻砷积累的目的。

但对于复合污染土壤中，则应综合考虑各种污染物之间的拮抗与协同作用，如镉和砷复合污染土壤上，水稻完全分蘖期之前，保持淹水，之后排水，这样既能降低水稻砷含量又能降低镉的累积［５５］。

3.2施肥方式
施肥是降低水稻砷积累的重要措施，但降砷效果受土壤种类、施肥量、肥料种类的影响。

虽然施肥即促进水稻生长又降低了水稻砷吸收和积累，但是施肥也
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5期沈孝辉等：土壤－水稻系统砷迁移累积的影响因素及调控措施
存在一定问题，如肥料利用率、性价比等问题。

采用价格低廉，来源广泛的富硅改良剂－粉煤灰和钢渣施加到砷污染的水稻田中，使水稻籽粒砷分别下降４４％、４５％，而产量上升了２１％、３４％，这说明粉煤灰和钢渣是一种性价比较高的硅肥种类［６０］。

肥料施用量也影响着水稻砷吸收，林志华等［６１］研究表明，高Ｎ、高Ｐ营养液不但具有减轻Ａｓ（ＩＩＩ）和Ａｓ（Ｖ）对水稻的毒害作用，而且降低水稻根系和叶片中Ａｓ（ＩＩＩ）和Ａｓ（Ｖ）含量，但是过量施肥会造成利用率降低，经济效益差，所以不宜大规模推广。

此外，有时施肥会出现降砷和促进水稻生长矛盾的情况，如在贫瘠土壤中，由于微量肥料易于流失，加入螯合剂－微量肥料混合物，虽然能够避免肥料流失，缓效释放，但却增加砷的有效性。

Ｍｏｈａｍｅｄ等［６２］研究发现，向砷污染砂质黏土中加入螯合剂乙二胺四乙酸（ＥＤＴＡ）－微量肥料混合物，虽然能够促进作物生长，但土壤中砷有效性和植物累积量都出现了增加。

所以，在现有的研究成果上，施肥应综合考虑，需要达到既能促进作物生长又能降低砷累积量，此外又要考虑到经济效益等问题。

3.3基因工程
基因工程的发展，为我们定向改变水稻品种提供了重要手段，达到降低水稻砷含量的目的。

通过分子生物学手段，导入特定的基因片段，可培育出抗砷水稻品种，改变砷的形态、降低砷毒性和移动性，并减少砷在籽粒中积累。

对不同品种水稻耐砷性研究发现，在水稻６号染色体和１０号染色体上各存在两个和一个砷耐性基因，他们控制着细胞膜上运输载体蛋白的合成，这为基因培育耐砷品种提供了更好依据。

王利红［６３］等通过转基因技术，将砷酸还原酶基因（ＯｓＡＣＲ２．１）和亚砷酸甲基转移酶基因（ＡｒｓＭ）转入到水稻愈伤组织，分别得到两个转基因阳性苗，测定两种转基因水稻籽粒砷含量，发现ＡｒｓＭ基因型水稻糙米和谷壳中总砷含量明显降低，ＯｓＡＣＲ２．１型水稻谷壳中总砷含量显著降低，但糙米中总砷含量变化不大。

Ｓｍｉｔａ等［６４］将水稻谷胱甘肽Ｓ－转移酶家族中的ＯｓＧＳＴＬ２基因导入拟南芥植物中，转基因植物不但能够抵御Ａｓ（Ⅴ）等重金属胁迫，同时还能抵御非生物逆境如冻害等，如果能够将该基因在水稻体内超表达，不但能够降低砷毒害，而且还能抵御其他非生物胁迫。

水稻对ＤＭＡ（Ⅴ）吸收远小于其他形态砷，且根系对甲基砷外排速率明显高于无机砷，如果通过基因工程改造根系微生物，将砷甲基化，不但可以降低水稻对砷的吸收，还可以降低砷的毒性。

Ｍｅｎｇ等［６５］通过基因工程将假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）甲基化基因导入到粳稻
中，结果在转基因水稻根部和茎部发现了一甲基砷（ＭＡｓ（Ｖ））和二甲基砷（ＤＭＡｓ（Ｖ）），此外转基因水稻砷挥发是非转基因水稻１０倍。

此外，水稻自身也有代谢砷和降低砷毒害的一套机制，如砷的甲基化和络合作用，若能通过基因工程手段，使控制这些过程基因超表达，降低砷毒性和移动性，减少砷在籽粒部位积累速度，这对培育抗砷水稻品种将有重大意义。

4结论与展望
土壤－水稻系统中砷迁移转化受许多因素的影响，这些因素主要影响土壤砷的生物有效性和水稻对砷的吸收和转运。

但对于砷迁移转化的某些影响因素的作用也存在着一些争议，如铁膜对水稻砷的吸收起着抑制作用还是促进作用，目前还没有达成一致的认识。

大部分的研究表明，铁膜是砷进入水稻根的一道屏障，抑制水稻对砷的吸收；但也有研究报道，铁膜促进的水稻砷的吸收。

为什么铁膜对水稻砷吸收的作用结果不一致，铁膜对水稻砷吸收还受哪些因素的影响，这都需要我们进一步深入研究。

此外，由于土壤－水稻系统中砷迁移转化受许多因素的影响，因此，除了考虑上述的影响因子外，应综合考虑土地利用状况、土壤的理化性质及温度、水分等气象条件。

目前，在降低水稻砷吸收的措施研究方面已取得很大进展。

一方面田间大田试验取得了一定的成果，如在砷污染地区施用粉煤灰和钢渣，减少水稻生长过程中淹水时间，适当排水等都是实践性较强的措施，但在砷污染严重地区，需要对土壤进行修复，而现行的土壤修复方法成本高，修复周期长等缺点，不适宜稻田的修复，所以我们需要从根源上减少砷污染，保护基本耕地。

另一方面选育抗砷低砷吸收型水稻品种是降低水稻砷积累的一种最有效的方法，在农民实际使用中无需增加任何额外的措施，但在选育的过程中，要注意到产量和品种的地区适宜性问题，否则会导致经济效益的下降，难以推广。

最后通过基因工程定向改变低吸收耐砷水稻，已经取得一些进展，但转基因水稻安全不确定性和我国对转基因作物的严格控制，使其商业化推广缓慢，这需要我们进一步完善转基因水稻对人类生态安全评价体系，健全完善转基因水稻的管理制度。

参考文献：
［１］ＵＬＬＡＨＳ．Ｍ．ＡｒｓｅｎｉｃｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒａｎｄｉｒｒｉｇａｔｅｄｓｏｉｌｓｏｆＢａｎｇｌａｄｅｓｈ［Ｒ］．Ｂａｎｇｌａｄｅｓｈ：ＤｈａｋａＣｏｍｍｕｎｉｔｙＨｏｓｐｉｔａｌ，
１９９８．
［２］董飞，卢瑛，张建国，等．珠江三角洲稻田土壤砷及其向水稻籽粒迁移特征［Ｊ］．生态环境学报，２００９，１８（６）：２１３７－２１４０．
１２７７。