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2019 Volume 44 Issue 3
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Hong-yun ZHOU, Xiao-hang XU, Chen-dong YANG, et al. Effect of Nitrogen Fertilizer on Mercury Accumulated and Distribution in Rice[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2019, 44(3): 29-36. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2019.03.006
Citation: Hong-yun ZHOU, Xiao-hang XU, Chen-dong YANG, et al. Effect of Nitrogen Fertilizer on Mercury Accumulated and Distribution in Rice[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2019, 44(3): 29-36. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2019.03.006
shu

Effect of Nitrogen Fertilizer on Mercury Accumulated and Distribution in Rice

  • 1.

    School of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550003, China

  • 2.

    State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550081, China

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  • Corresponding author: Xiao-li QIAN ; 
  • Received Date: 10/09/2018
    Available Online: 20/03/2019

  • MSC: S511

  • Five nitrogen-treated groups of conventional urea fertilization:3 times per generation period adding (CK), urea as base fertilizer with1 time adding (CN1), urea+calcium nitrate+ammonium sulfate as tiller fertilizer with 1 time adding (NN2), urea+calcium nitrate+ammonium sulfate as ear fertilizer with 1 time adding (NN3), and urea+calcium nitrate+ammonium sulphate with 3 times adding (CNN3) were applied in heavily Hg-contaminated soils from Wanshan Hg mining area to investigate the effect on Hg accumulation in rice plants.The results show that there is no significant change in rice biomass in five nitrogen-treated groups under the same fertilizer application conditions, but NN2, NN3 and CNN3 could increase the rice seed yielding with the maximum increase of 9% being recorded in CNN3 group.Compared with CK, other nitrogen fertilizer treatments can all reduce the accumulation of Hg in rice, with the maximum decrease of 49% in grain recorded in NN3, and 39% in leaf in CNN3.The NN3 treatment exhibited the best cumulative effect on the decrease of Hg accumulation in rice and can be considered as an agronomic controlling measurement for Hg-contaminated soils.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Effect of Nitrogen Fertilizer on Mercury Accumulated and Distribution in Rice

    Corresponding author: Xiao-li QIAN ; 
  • Received Date: 10/09/2018
  • Available Online: 20/03/2019

Abstract: Five nitrogen-treated groups of conventional urea fertilization:3 times per generation period adding (CK), urea as base fertilizer with1 time adding (CN1), urea+calcium nitrate+ammonium sulfate as tiller fertilizer with 1 time adding (NN2), urea+calcium nitrate+ammonium sulfate as ear fertilizer with 1 time adding (NN3), and urea+calcium nitrate+ammonium sulphate with 3 times adding (CNN3) were applied in heavily Hg-contaminated soils from Wanshan Hg mining area to investigate the effect on Hg accumulation in rice plants.The results show that there is no significant change in rice biomass in five nitrogen-treated groups under the same fertilizer application conditions, but NN2, NN3 and CNN3 could increase the rice seed yielding with the maximum increase of 9% being recorded in CNN3 group.Compared with CK, other nitrogen fertilizer treatments can all reduce the accumulation of Hg in rice, with the maximum decrease of 49% in grain recorded in NN3, and 39% in leaf in CNN3.The NN3 treatment exhibited the best cumulative effect on the decrease of Hg accumulation in rice and can be considered as an agronomic controlling measurement for Hg-contaminated soils.

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  • 汞(Hg)是一种有毒有害的重金属元素，已被我国和联合国规划署、世界卫生组织、欧盟及美国环境保护署等机构列为优先控制污染物[1].中国土壤汞污染十分严重，土壤中汞的质量呈逐年增高趋势，而人为活动如矿山的开采、化学品的生产以及有机汞农药的大量施用等，是导致土壤汞的质量剧增的主要原因[2].贵州省汞矿资源丰富，位于铜仁市的万山汞矿誉有“中国汞都”之称，自秦朝开始至2004年政策性关闭以来，矿山开采与冶炼活动过程产生大量的废水、废渣及废气，已经对农田生态系统造成严重的破坏[3-4]，而水稻田作为汞矿区居民主要的耕作方式，稻田土壤汞污染十分严重，食用稻米已成汞矿区居民甲基汞暴露的主要途径[5-8].因此，积极探索稻田土壤汞污染的调控方法，减少稻田土壤汞向稻米中累积，为矿区居民通过食用大米产生的暴露风险提供技术方法，具有重要的现实意义.

    氮肥是农业生产中必不可少的肥料，始终与农业土壤-植物系统相伴.合理确定施氮量，可以提高水稻的产量和品质.氮肥进入土壤后会与土壤发生反应或产生自身形态转化，并在施肥点及其施肥半径内影响土壤理化性质[9].同时，氮素是影响水稻生产的一个重要因素，其影响程度仅次于水[10-11].研究表明，植物吸收土壤中的重金属受到土壤中各种离子的影响，如低施氮水平有利于降低稻米中的As，Cd的质量[12-13]；氮肥的不同形态对土壤中Zn，Cu和Cd的溶出均有促进作用[14]；尿素和铵态氮肥能够增加土壤中水溶及盐溶态Cu，Cd的质量[15].但是，大部分研究均针对As，Cd，Zn等重金属元素，对矿区土壤的肥料施用对水稻吸收累积Hg的研究鲜有报导.本研究选取万山垢溪土法汞冶炼区作为试验地点，采用万山五坑汞污染严重的土壤作为试验材料，以水稻为研究对象开展盆栽试验，探讨不同氮肥品种和施用方式对水稻各部位吸收Hg的影响，以期为Hg污染农田区域的合理施肥提供理论依据和技术支撑.

1.   材料与方法

    1.1.   试验材料

    1.1.1.   氮肥购置

  • 供试氮肥为尿素、硫酸铵氮肥和硝酸钙氮肥，3种氮肥中总氮的比例分别为46%，21%，11%.尿素购买于贵阳农业科学研究院肥料供销社，硫酸铵氮肥购买于历下昌磊化工经营部，硝酸钙氮肥购买于李想农资.

    • 1.1.2.   供试土壤

  • 供试土壤来自万山汞矿区五坑(WK)受大规模炼汞影响后Hg污染严重的农田土.采集0~20 cm的表层土壤，剔除土样中沙石和动植物残体后，平铺于塑料薄膜上于野外阴凉干燥处自然风干3~4 d，压碎后过筛(10目)分别装入直径50 cm，高80 cm的硬质塑料桶中，每桶50 kg.供试土壤的理化性质如表 1所示.

    • 1.1.3.   供试水稻

  • 供试水稻材料名称为两优302(Oryzasativa L.)，该品种属中熟偏迟籼型早稻，感温性较强；具有高感稻瘟病，中感白叶枯病的特征.本试验于2017年4月25日播种，6月3日移栽，9月12日收获，全生育期146 d.

    • 1.2.   试验设计

  • 本试验共设5个处理，每个处理设4个平行.处理包括：全尿素肥按生长期分3次添加常规施肥对照(CK)、尿素作基肥1次性添加(CN1)、尿素+硝酸钙+硫酸铵作分蘖肥1次性添加(NN2)、尿素+硝酸钙+硫酸铵作穗粒肥1次性添加(NN3)、尿素+硝酸钙+硫酸铵照生长期分3次添加(CNN3).尿素在CK，CN1处理中占比为100%，在NN2，NN3，CNN3处理中占60%，硫酸铵氮肥和硝酸钙氮肥在处理中均为20%.土壤平衡15 d后加水，使土壤保持在淹水状态.采集长势相同苗龄(一个月左右)的水稻秧苗，移栽于塑料桶中，每桶4株水稻苗，随机排列，整个水稻的生长发育期按照大田模式管理.按研究表明的水稻最适施肥量为基准，根据万山土壤肥力及当地农户常用施肥情况对氮肥添加量酌情调节，使用(202.5 kg/hm2N)为本试验最适施肥量来进行试验设置[16-17].氮肥添加量如表 2所示.

    • 1.3.   样品采集与测定

    1.3.1.   样品的采集与前处理

  • 于成熟期(约150 d)采集水稻植株样品，用陶瓷剪刀先采集穗，然后将植株连根拔起，现场用自来水冲洗植株直至根和地上部完全无泥土和附着物，带回实验室后，将植株按根、茎、叶、壳、米部位分开，用去离子水反复冲洗干净后放入冰箱(4 ℃)低温冷藏保存，然后置于冷冻干燥机(FDU-1110)中-40 ℃以下干燥，取出后称取各部位生物量干质量.

    植株样品冷干称质量后采用植物样品粉碎机(AQ-180E)磨碎过100目筛，果实采用小型水稻脱壳机(JLGJ-45型)分离为壳和米，再采用植物样品粉碎机(AQ-180E)磨碎过100目筛.用于测定各部位THg的质量；同时采集土壤样品，风干后过200目筛，用于测定土壤的理化性质.为避免交叉污染，每个样品间均用去离子水及无水乙醇清洗用具.

    • 1.3.2.   样品的测定

  • 植物样品总汞(THg)的测定：称取0.1~0.2 g(精确到0.000 1 g)样品于50 mL离心分离管中；加5 mL HNO3/HSO4(4/1)于样品中，摇匀；管盖拧松放入水浴锅中加热3 h(95 ℃)；离心管中加入少许超纯水(DDW)和0.5 mL BrCl2，然后用DDW定容接近25ml刻度线，加盖，放置24 h以上，加入400 μL NH2OH·HCl，用超纯水定容至25 mL，摇匀；澄清后取上清液＜7 mL于气泡瓶中，再加入200~400 μL SnCl2于气泡瓶中，使用F732-V冷原子吸收测汞仪进行测定[18].

    土壤总汞(THg)测定：采用王水消解，BrCl氧化和NH2OH·HCl还原多余的BrCl，再经SnCl2还原后用F732-V冷原子吸收测汞仪进行测定.

    土壤pH值采用(土:水=1:2.5)pH值计测定(NY-T 1377-2007)；Eh，EC也分别使用PHS-510氧化还原电位测量仪、DDS-11A电导率仪测定其数值；有机质采用重铬酸钾外加热法进行测定.

    • 1.4.   数据处理

  • 所有数据输入Excel 2016作预处理，然后利用SPSS 17.0和Origin9.0进行数据统计和分析.

2.   结果与分析

    2.1.   水稻生物量的影响

  • 不同氮肥处理对水稻生物量的影响如图 1所示.在不同氮肥处理下，其生物量干质量在91.7~163.4 g之间，各处理生物量干质量范围分别是CK：124.49±34.82 g，CN1：100.73±17.98 g，NN2：127.95±26.88 g，NN3：115.55±7.60 g和CNN3：129.32±14.06 g.各处理生物量干质量水平略有差异，总体表现为CNN3＞NN2＞CK＞NN3＞CN1，但较对照CK组差异无统计学意义(图 1).对于水稻果实和地上部分，氮肥不同处理间差异无统计学意义.对水稻根部而言，CK处理的干质量显著高于NN3处理，而其他处理间差异无统计学意义，与其他水稻部位差异性趋势不同，可能是水稻在收割过程中部分根被损耗而造成的.

    由上可见，氮肥添加的时期及氮肥种类对水稻植株生物量的增加无显著影响.虽然各处理生物总量无明显变化，但3种氮肥混合添加的处理组水稻的结实率略有升高，根据水稻果实的干质量，NN2，NN3，CNN3处理的水稻增产率分别为3%，2%和9%.

    • 2.2.   水稻不同部位中Hg质量分数的变化

    2.2.1.   稻米

  • 各施肥处理下稻米中Hg质量分数变化如图 2所示.在不同氮肥处理稻米的生物量无显著变化的情况下，稻米中汞的质量分数差异有统计学意义，总体变化范围为0.78~1.83 μg/g.其中最高是常规施肥CK组，其平均质量分数高达1.14±0.08 μg/g；最低处理为NN3组，平均质量分数为0.87±0.08 μg/g.数据结果表明，与CK处理相比，3种氮肥混合在穗粒期添加的NN3处理显著降低了稻米中Hg的质量.不同施肥处理之间汞的质量分数水平表现为NN3 < CNN3 < NN2 < CN1 < CK，说明4种施肥处理均能显著降低稻米中汞的质量和吸收量，其中以NN3处理降低效果最为明显.

    可见，稻米汞的吸收累积与氮的不同形态间存在着关联，硝态氮和铵态氮的添加能够明显抑制稻米中汞的吸收累积.同时，CN1处理显著低于CK处理，说明尿素作基肥施用比正常分次施肥，也有明显抑制稻米对汞吸收累积的作用.

    • 2.2.2.   根、茎、叶、壳

  • 根中Hg质量分数变化如图 3a所示，5个不同处理间差异无统计学意义.处理CK，CN1，NN2，NN3，CNN3的汞质量分数分别为(8.01±1.04)，(7.92±1.22)，(10.07±1.93)，(10.13±4.05)，(8.52±1.32) μg/g.

    茎中Hg质量分数变化如图 3b所示，在不同氮肥处理下，水稻茎中汞质量分数在2.81~4.59 μg/g之间，最高处理为CK组，平均高达4.37±0.20 μg/g；最低处理为NN3组，平均为3.08±0.13 μg/g.汞质量分数表现为CK＞NN2＞(CN1，NN3，CNN3).

    叶中Hg质量分数变化如图 3c所示，在不同氮肥处理下，水稻叶中汞质量分数在17.47~28.54 μg/g之间，最高的处理为CK组，其质量分数高达27.16±1.18 μg/g，最低处理为CNN3组，平均为18.38±0.62 μg/g.汞质量分数表现为(CK，NN2，NN3)＞(CN1，CNN3).

    壳中Hg质量分数变化如图 3d所示，在不同氮肥处理下，稻壳中汞质量分数在1.45~2.31 μg/g之间，CNN3为最高处理，平均为2.09±0.22 μg/g，NN3为最低处理，平均为1.71±0.17 μg/g.与常规施肥的CK处理相比，NN2和CNN3处理的汞质量分数与CK处理差异无统计学意义，而CN1和NN3处理其汞质量分数显著低于CK处理.

    综上所述，不同氮肥处理，对水稻根汞的吸收累积无显著影响，CN1，NN3，CNN3对茎汞的抑制效果最强，CN1和CNN3处理能显著降低水稻叶对汞的吸收累积，而CN1和NN3处理能显著降低稻壳对汞的吸收累积.在4个处理组中，CN1处理对降低水稻茎、叶、壳汞的吸收累积影响均有统计学意义(p＜0.05).

    • 2.3.   水稻不同部位中Hg绝对含量变化

    2.3.1.   稻米

  • 如图 4所示，在不同氮肥处理下，稻米中汞的绝对量在33.21~99.56 μg之间，最高为CK组，平均绝对量为72.25±23.43 μg，最低处理为NN3，平均绝对量为37.13±2.73 μg，稻米中汞质量降低了49%，表明与CK处理相比，3种氮肥混合在穗粒期添加的NN3处理显著降低了稻米中Hg的吸收量.而CN1，NN2，CNN3处理的汞的绝对量均低于CK处理的汞的绝对量，但相互间差异并无统计学意义，说明CN1，NN2，CNN3处理均能降低水稻中汞的吸收累积，但在4个处理组中，NN3处理组降低效果最为显著.

    由此可见，4种处理均能降低稻米中汞的吸收累积，其中NN3处理的效果最为显著，从食品安全健康方面考虑，NN3处理为农户应选择的最优处理.

    • 2.3.2.   根、茎、叶、壳

  • 不同氮肥处理下，处理CK，CN1，NN2，NN3，CNN3的汞绝对量分别为(59.47±24.78)，(41.81±6.81)，(59.46±11.49)，(48.18±19.99)，(48.80±11.17) μg，4种氮肥处理的汞的绝对量均低于CK处理的汞的绝对量，但差异并无统计学意义(图 5a).

    不同氮肥处理下，水稻茎中汞的绝对量在46.03~146.82 μg之间，最高处理为CK，其质量为99.49±29.86 μg，最低的处理为NN3，其质量为71.76±18.58 μg，但各处理间差异并无统计学意义(图 5b).

    图 5c中可以看出，水稻叶中汞的绝对量在208.30~454.59 μg之间，最高处理为CK，其质量为360.93±60.14 μg，最低处理为CNN3，其绝对量为223.29±14.06 μg.与常规施肥的CK处理相比，NN2和NN3处理的汞的绝对量与CK处理差异无统计学意义，而CN1和CNN3处理的汞的绝对量显著低于CK处理，且CN1和CNN3处理间差异无统计学意义.

    图 5d中可以看出，稻壳中汞的绝对量在8.76~21.50 μg之间，最高的处理为CNN3，其质量高达17.38±3.37 μg；最低处理为CN1，绝对量为11.52±1.93 μg，各处理间差异无统计学意义.

    以上数据显示，不同氮肥处理下，根、茎、壳均呈现相同趋势，水稻植株汞的质量差异无统计学意义，而叶与以上部位表现不同趋势，CN1和CNN3处理能对降低水稻叶中的汞质量有明显影响.其原因可能是与水稻植株不同器官汞的来源不同有关，除土壤中的汞之外，大气中的汞对水稻汞的吸收累积也有一定的影响[19-20]，而叶中汞质量较高，受到了高质量分数大气汞的影响，从而导致了水稻叶汞质量表现趋势与其他部位不同.

3.   讨论

  • 本研究中，不同氮肥影响下水稻各部位的Hg的质量呈现不同程度的降低，稻米中NN3处理绝对量较CK组降低了49%，而水稻叶中CNN3处理绝对量较CK组降低了38%，其他根、茎部位亦表现出一定的降低趋势.可见，硝态氮和铵态氮的形式对于汞的吸收累积有抑制作用.研究结果显示，氮肥带入土壤中的阴、阳离子可以产生直接与重金属发生离子交换作用产生沉淀反应，以及更复杂的协同/拮抗作用来影响土壤和植物根系中重金属的行为[21].特别是当氮肥中带有硝态氮和铵态氮时，施入土壤后会与植物根际土壤发生一系列的反应.当土壤中NH4+增多时，会造成pH值下降，而土壤中NO3-增多时则相反，从而改变土壤的理化性质.同时，pH值是影响植物吸收累积重金属的重要因素之一[22].对于重金属而言，当pH值较低时，土壤中的颗粒主要以静电吸附为主，由于H+质量分数的增加，导致表面官能团被破坏，使得与重金属离子所形成的络合物被解吸，从而吸附态的重金属离子进入土壤溶液中，更易被植物吸收.随着pH值的增高，OH+质量分数也升高，土壤中的粘土矿物、水合氧化物以及有机质表面的负电荷都会增加，对重金属离子的吸附能力也增强，且不容易发生解吸作用，当pH值升高到一定的程度时，会产生沉淀，导致溶解于土壤溶液中的重金属离子迅速减少，也使得植物从土壤中吸收的重金属相应减少.此外，当土壤中OH+质量分数增加时，其他阳离子质量分数减小，对重金属离子而言，其吸附竞争性减小，更有利于土壤的吸附[23-24].另一方面，NH4+和NO3-都容易被土壤吸附，而与土壤中的重金属结合，使其重金属沉积于土壤中不被植物所吸收，从而降低植物中的重金属的质量[25-26].从水稻生育角度而言，研究表明，水稻的施氮量与干物质累积量在拔节期和抽穗期的线性关系均有统计学意义.尽管水稻含氮量最高时为分蘖期，但此时施肥叶片生长过于旺盛反而抑制水稻果实的生长，而在水稻穗粒期时，水稻对氮素的吸收再次达到高峰，此时氮素是从营养器官向籽粒中分配，氮肥的施入有利于水稻的生长及果实的产生[27].因此，NN3处理中在穗粒期施不同种类的氮肥，其中的硝态氮和铵态氮既增强了土壤对汞离子的吸附能力，同时在此时期施肥更好地促进了植物的生长，减少对重金属的累积.

    另外，水稻各部位Hg质量分数由大到小顺序为：叶、根、茎、壳、米的趋势，而汞绝对量由大到小顺序为：叶、茎、米、根、壳，绝对量与汞的质量分数变化趋势不同是由于各部位生物量的不同而造成的.但从中仍可见Hg在植物中的分布是不均匀的，Hg在植物各部位中的相对含量存在一定的差异.研究结果显示，植物体内Hg的质量与分布受到植物的类型、土壤和大气中Hg的质量的影响.此外，植物年龄对其Hg的质量也有一定的影响.一般来说，生长的时间越长，植物组织部分中Hg的质量越高[28-32].

    本研究中，添加了硝态氮和铵态氮的NN2，NN3，CNN3处理相对常规施肥的CK处理结实率较高，以CNN3处理为最高.可见，不同种类氮肥的混合施用在促进水稻生长上有着重要的作用.研究表明，在水稻的营养生长阶段，氧化过程在体内物质代谢占主导地位，铵态氮为还原性物质，在这个阶段添加能够促进植物体内的氧化代谢过程，加强碳水化合物的水解，在使还原糖增多的同时，氨基酸与蛋白质也更易形成.而在水稻的生殖生长阶段，体内的物质代谢以还原过程为主导，施用氧化态的硝态氮，能够促进物质代谢的还原过程，使淀粉的贮藏增加，有利于幼穗发育与开花结实[33].

4.   结论

  • 本试验以贵州万山汞矿区为研究区域，通过露天水稻盆栽试验，探讨不同氮肥种类及处理方式对水稻不同部位中汞的吸收和累积的影响，研究结论如下：

    1) 在相同施肥量条件下，其他氮肥处理与常规施肥(CK)处理生物量无显著变化，但不同种类氮肥混合施用的处理组其结实率更高，最高可增加9.0%.

    2) 与常规施肥(CK)相比，其他氮肥处理均能降低水稻对汞的吸收累积，但对水稻各部位的降低效果不同，NN3处理下稻米中汞质量较CK组降低49%，为最优处理.

Figure (5)  Table (2) Reference (33)

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