汞(Hg)是一种对人体健康有害的重金属元素，具有广泛性和持久性，被列为优先污染物之一^[1]。更严重的是，Hg可以转化成毒性更强的甲基汞(MeHg)，严重威胁人类健康。稻田系统作为一种特殊的湿地生态系统，为土壤中汞甲基化细菌提供了有利的生存环境^[2]，加剧了土壤Hg甲基化过程，且水稻对MeHg的富集高于无机汞(IHg)，Zhang等^[3]发现糙米对MeHg的富集系数是IHg的800倍。有研究表明，摄取大米是中国内陆居民Hg暴露的主要途径^[4]。因此，研究稻田土壤中Hg甲基化和水稻积累Hg，对于进一步研发Hg污染耕地修复与安全利用技术，保障国家粮食安全具有重要意义。

在水稻生产中，配施有机物料通常能提高土壤肥力，促进水稻生长，从而提高产量^[5]。有机物料施用进入土壤后会逐渐被腐解，有效提高土壤活性有机碳的含量^[6]，可以为作物缓慢而持续地提供养分，有利于作物生长。然而，施用有机物料对稻田系统Hg迁移转化的作用受其来源和种类的影响。研究表明，水稻秸秆还田提高土壤MeHg的生成和水稻Hg的积累^[7-8]。孙涛^[9]发现，施用6% 的猪粪，稻米中总Hg(THg)的含量提高了约35%，而Shu等^[10]研究表明，向稻田土壤中施用1% ~ 4%(m/m)的生物质炭，能有效降低稻米对MeHg的富集。但有机物料的施用对土壤Hg甲基化过程和水稻富集Hg过程的影响尚缺乏系统研究，其影响机制也不清晰。

为科学评估Hg污染稻田有机物料施用的效应，本研究选择了油菜秸秆、猪粪和水稻秸秆生物质炭3种有机物料，研究不同有机物料对土壤Hg甲基化和糙米Hg富集的影响，以为Hg污染稻田合理选择有机物料种类提供科学指导。

1 材料与方法 1.1 供试材料

在江西省鹰潭市余江区刘家站采集0 ~ 20 cm表层稻田土壤作为供试土壤，在室温下风干后去除植物残体(如根系等)过2 mm筛备用。同时取部分土壤研磨后过0.149 mm筛用于土壤理化性质的测定，土壤理化性质的测定方法参考鲁如坤^[11]编著的《土壤农业化学分析方法》，其中土壤pH用电位法测定，CEC用乙酸铵法测定，有机质用高温外热重铬酸钾氧化–容量法测定，有效硫用磷酸盐–乙酸浸提–硫酸钡比浊法测定，其值分别为4.56、16.5 cmol/kg、22.6 g/kg、35.8 mg/kg。供试有机物料选取成熟油菜秸秆、腐熟猪粪和水稻秸秆生物质炭，油菜秸秆、腐熟猪粪取自江西鹰潭，水稻秸秆生物质炭购于南京三聚生物质新材料科技有限公司，有机物料的基本性质如表 1所示。

1.2 试验设计

将5 kg土壤装入塑料盆后按照设定的用量(0、1 mg/kg)添加外源Hg(以HgCl₂溶液的形式添加)，并加水至土表2 ~ 3 cm淹水老化30 d后达到平衡^[12]，随后向Hg处理的土壤中添加3种有机物料，添加量均为3%(m/m，以干重计)。试验共计5个处理：①空白对照(CK)，不添加外源Hg和有机物料；②添加外源Hg但不添加有机物料，即Hg对照(Hg)；③添加外源Hg和油菜秸秆(Hg+RS)，油菜秸秆为鲜样，剪成2 cm长后施用；④添加外源Hg和猪粪(Hg+M)；⑤添加外源Hg和生物质炭(Hg+BC)。每个处理3次重复。添加有机物料后充分搅拌均匀，继续保持淹水腐解30 d，随后采集土壤样品用于水溶性有机碳(DOC)、土壤THg和MeHg的测定。

供试水稻品种为杂交籼型稻天优华占(中国水稻研究所、中国科学院遗传与发育生物学研究所和广东省农业科学院水稻研究所选育，全生育期平均123.1 d)。用30% H₂O₂溶液浸泡水稻种子15 min后，在25℃的黑暗条件下浸种24 h，去除瘪粒后将水稻种子放在湿纱布上催芽24 h，随后从中挑选出生长状况良好且基本一致的种子进行育苗。待出苗后培育30 d移栽至对应编号的盆中，每盆3穴，每穴2株。移栽前一周向每盆土壤中加入基肥：N 0.20 g/kg(尿素)，P₂O₅ 0.15 g/kg(CaH₂PO₄·H₂O)，K₂O 0.20 g/kg(KCl)，并采集土壤样品测定土壤中DOC、THg和MeHg的含量。整个水稻生育期保持淹水，待水稻成熟后收获测定产量，并在–50℃下冻干后脱壳磨碎，测定糙米中THg和MeHg的含量。

1.3 测定指标与方法

土壤DOC的测定参考王艳等^[13]的方法：称取5 g新鲜土样，加入25 ml超纯水充分混合，230 r/min振荡1 h，4 000 r/min离心10 min，取上清液过0.45 μm滤膜，用TOC-V_CPH自动分析仪(岛津，日本，检出限为0.005 g/kg)测定滤液中有机碳含量。

土壤样品THg的测定参考GB/T 22105.1—2008《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定——原子荧光法第1部分：土壤中总汞的测定》^[14]：准确称取0.25 g土壤样品于消解管中，加入10 ml(1+1)王水溶液(盐酸︰硝酸=3︰1配成王水后，用超纯水稀释一倍)，在100℃水浴中消解2 h；待消解结束后，冷却至室温，用去离子水定容至25 ml，摇匀后用原子荧光光度仪(AF-610D2，北京北分瑞利分析仪器公司，检出限为0.005 ng/g，下同)测定。

糙米THg的测定参考GB 5009.17—2014《食品安全国家标准食品中总汞及有机汞的测定》，利用高压密封消解罐法来进行^[15]：称取0.25 g左右糙米粉末样品，置于聚四氟乙烯内管，加入浓硝酸(优级纯)4 ml浸泡过夜，次日加入3 ml 30%(V/V)H₂O₂(优级纯)，盖上内盖，旋紧不锈钢外罐后放入烘箱，140 ℃条件下维持4 h；在箱内冷却后，将消解液转移至离心管并定容，用冷原子荧光光度计(CVAFS，AF-610D2，北京北分瑞利分析仪器公司)测定消解液中THg的含量。

土壤和糙米样品MeHg的测定参考赵家印等^[16]的方法：称取适量样品置于15 ml离心管中，加入2 ml氢氧化钾–甲醇溶液(m/m =1∶4)，涡旋混匀后置于恒温振荡箱中消解4 h，消解条件为60℃、250 r/min；冷却后定容，摇匀管中溶液后离心(20 min，4 000 r/min，25 ℃)；上清液经过滤后经乙基化反应，用美国Brooks Rand MERX全自动甲基汞分析仪(检出限为0.028 ng/kg)测定。

采用土壤标准物质(GBW07445)和大葱标准物质(GBW10049)作为THg的质控样品，其回收率分别为93% ~ 105%、97% ~ 103%。由于我国尚无糙米MeHg的标准物质，MeHg的质控样品选用沉积物标准物质(ERM-CC580)，其回收率为99% ~ 105%。

1.4 数据处理

糙米Hg(包括THg和MeHg)的富集系数可通过如下公式计算：

$ {\text{BC}}{{\text{F}}_{{\text{Hg}}}} = \frac{{{\text{H}}{{\text{g}}_{{\text{rice}}}}}}{{{\text{H}}{{\text{g}}_{{\text{soil}}}}}} $

式中：Hg_rice表示糙米中Hg的含量(µg/kg)；Hg_soil表示土壤中Hg的含量(µg/kg)。公式中糙米和土壤Hg的形态应保持一致。

用Excel 2013进行试验数据处理，SigmaPlot 14.0进行绘图，相关性分析采用Pearson法，差异显著性分析采用LSD法。

2 结果与分析 2.1 有机物料对土壤汞甲基化的影响

与Hg对照相比，添加有机物料没有改变土壤中THg的含量，但不同处理下土壤MeHg含量差异显著(P < 0.05，图 1)，施用猪粪处理下土壤MeHg含量升高了31.7%，而油菜秸秆和水稻秸秆生物质炭处理下土壤MeHg含量下降了20.3% 和44.5%。CK、Hg、Hg+RS、Hg+M和Hg+BC处理土壤MeHg比率分别为3.14%、3.79%、2.85%、4.85% 和2.08%。

施用不同种类的有机物料后，土壤DOC含量出现差异(图 2A)。与Hg对照相比，油菜秸秆和水稻秸秆生物质炭处理下土壤DOC含量分别下降了12.2% 和27.1%，而猪粪处理下土壤DOC含量上升了14.1%。4个加Hg处理的土壤DOC含量与土壤MeHg比率显著正相关(R²=0.991，P < 0.01，n=4)(图 2B)。

2.2 有机物料添加对水稻产量和稻米汞含量的影响

空白对照CK与Hg对照(Hg)处理下水稻的产量没有显著性差异，而施用有机物料处理都显著提高了水稻的产量。与空白对照相比，油菜秸秆、猪粪和水稻秸秆生物质炭的施用分别提高水稻产量17.6%、33.0% 和39.9%(图 3)。

与CK处理相比，Hg对照及有机物料处理的糙米THg和MeHg含量显著提高(图 4)。与Hg对照相比，不同有机物料处理下糙米THg和MeHg含量呈现出了明显差异。其中，施用猪粪使糙米THg和MeHg含量分别升高了34.5% 和30.3%，而油菜秸秆和水稻秸秆生物质炭的施用使糙米Hg含量下降，其中THg含量下降了34.6% 和46.9%，MeHg含量下降了36.2% 和48.4%。Hg、Hg+RS、Hg+M和Hg+BC处理下糙米MeHg占THg比率分别为98.5%、96.1%、95.4% 和95.8%。

Hg对照及有机物料处理的糙米对THg的生物富集系数(BCF)大小排序为Hg+BC < Hg+RS < Hg < Hg+ M，与Hg对照相比，油菜秸秆和水稻秸秆生物质炭处理下糙米THg的富集系数分别降低38.3% 和47.4%，而猪粪处理下糙米THg的富集系数比Hg处理高30.0%（图 5A）。糙米MeHg的富集系数大小排序为Hg+RS < Hg+ BC≈Hg+M≈Hg，与Hg对照相比，油菜秸秆处理下糙米MeHg的富集系数降低20.1%，而猪粪和水稻秸秆生物质炭处理下分别下降1.06% 和7.00%（图 5B）。

3 讨论 3.1 有机物料对土壤汞甲基化的影响

3种有机物料的添加对土壤DOC含量的影响出现了显著差异，土壤MeHg含量也随之呈现出差异。土壤DOC作为土壤中较活泼的一类有机质，不仅可以为甲基化细菌提供充足的碳源^[17]，还能与土壤中Hg形成Hg-DOC复合物来控制土壤Hg的生物有效性^[18]。猪粪施用显著提高了土壤DOC的含量，促进了土壤Hg甲基化过程的进行。近期研究表明，无机Hg与DOC复合物在沉积物中更易溶解，也更易被微生物吸收并发生Hg甲基化作用^[19-21]。水稻秸秆生物质炭具有比表面积大、孔隙度高的特点，可通过吸附土壤中Hg的方式来降低土壤中Hg的生物有效性，抑制土壤MeHg的产生，从而降低稻田Hg污染风险^[22-23]。油菜秸秆中含有丰富的硫素，进入土壤后在腐解过程中硫素也会被释放^[24]，土壤中的Hg与硫结合形成较稳定的复合物，从而降低了土壤中Hg的生物有效性，进一步降低了土壤中MeHg的含量。

3.2 有机物料对稻米Hg的影响

本研究选用的3种有机物料均提高了水稻产量。与水稻产量表现不同的是，3种有机物料对糙米Hg含量的影响出现了显著差异，但有机物料的添加对糙米中MeHg占THg比例并没有显著影响。糙米Hg(包括THg和MeHg)主要来源于土壤^[25]，有机物料的添加能通过影响土壤Hg甲基化和水稻富集Hg过程影响糙米对Hg的积累。施用猪粪使糙米THg和MeHg的含量显著升高，而油菜秸秆和水稻秸秆生物质炭处理下糙米THg和MeHg含量则显著下降，说明猪粪的施用促进了糙米对THg和MeHg的积累，提高了糙米的健康风险。

猪粪处理下糙米THg的BCF高于单加Hg处理，说明猪粪进入土壤腐解后产生的DOC不仅促进了土壤MeHg的生成，还提高了土壤Hg的生物有效性，从而提高了糙米THg含量。而油菜秸秆和水稻秸秆生物质炭处理下糙米THg的BCF均低于单加Hg处理，说明这两种有机物料可以通过影响土壤Hg的生物有效性降低水稻对THg的富集。与糙米THg的富集规律不同，猪粪和水稻秸秆生物质炭处理下糙米MeHg的BCF与单加Hg处理没有显著差异，说明猪粪和水稻秸秆生物质炭的施用对糙米富集MeHg过程的影响可以忽略。与以上2种有机物料不同，油菜秸秆的添加能有效降低糙米MeHg的BCF，说明油菜秸秆可以在水稻Hg甲基化过程和水稻富集MeHg过程中均起到抑制作用，这是因为油菜秸秆在土壤中腐解后产生的含硫化合物可以与Hg和MeHg螯合形成稳定结构^[26]，从而降低土壤Hg的生物有效性，达到阻控糙米Hg积累的效果。此外，油菜秸秆和水稻秸秆生物质炭处理下糙米MeHg含量的降幅均高于THg，说明施用油菜秸秆和水稻秸秆生物质炭对降低糙米MeHg积累的效果优于THg。

本文仅测定了有机物料施用30 d后的土壤MeHg和DOC含量变化，及收获期水稻Hg富集特征。实际上，有机物料组分及其矿化与腐殖化过程不同^{[5, 27]}，将对土壤Hg甲基化和水稻吸收Hg有重要影响，有机物料施用后不同时期土壤Hg甲基化过程及水稻Hg富集特征的监测，将有利于进一步深入理解Hg污染土壤施用有机物料的环境效益。

4 结论

1) 施用猪粪可以有效提高水稻产量，但猪粪提高了土壤Hg的生物有效性。施用猪粪不但提高糙米吸收THg的能力，增加糙米THg含量，而且促进了土壤Hg甲基化过程的发生，增加土壤和糙米MeHg含量，但MeHg的富集系数没有显著改变。

2) 施用水稻秸秆生物质炭和油菜秸秆可以增加水稻产量，且均降低了糙米THg和MeHg的含量，但作用机制并不完全相同。油菜秸秆不仅能抑制土壤Hg甲基化过程，还能降低糙米对THg和MeHg的富集系数，而水稻秸秆生物质炭主要通过抑制土壤Hg甲基化过程，降低土壤MeHg含量和糙米THg的富集系数。

3) 在Hg污染稻田中应当慎重施用猪粪，建议施用油菜秸秆或水稻秸秆生物质炭来提高土壤肥力，并阻控水稻吸收Hg。

致谢: 感谢华中农业大学刘玉荣教授和郝芸芸在甲基汞测定中的指导和帮助！