长期不同施肥下稻田系统汞的甲基化与转运特征及其作用机制

Rice is one of most prevalent and important food and our country is the largest country for rice production worldwide with its annual yield according for more than 40% of total national output. Currently, available data have shown that rice has high accumulation ability for methyl mercury (MeHg) and paddy soil could be the dominant potential MeHg source to tissues of rice plant. Rice consumption has been considered as the main pathway of human exposure to MeHg in Hg-contaminated area. Thus, how to reduce the mercury (Hg) methylation in rice paddy and inhibit the transformation and accumulation of MeHg from soil to rice plants (especially for rice seed) is an important and urgent subject. Long-term different fertilization practices could influence the physical and chemical properties of soil and microflora, which definitely further has an effect on the transformation and accumulation of Hg in soil. However, knowledge of the production, accumulation and action mechanisms of MeHg in rice paddy ecosystem under different ferilization conditions is particularly scarce. Therefore, in this study, rice paddy with long-term positioning fertilization was employed to explore the dynamic variations of MeHg, analyze the production and translocation process of MeHg and its influence factors, and understand the MeHg accumulation characteristics by rice under different fertilization practices. The obtained data would provide reasonable management basis of fertilization for reducing the exposure risk of MeHg caused by rice consumption.

稻米是当今世界最重要的粮食作物之一，我国是世界上最大的水稻生产国，稻谷常年产量占全国粮食总产量的40％以上。近年研究发现，稻米具有很强的甲基汞富集能力，稻田土壤是水稻体内甲基汞的主要来源，稻米食用已成为汞污染区人群甲基汞暴露的主要来源。因此，如何降低稻田系统汞的甲基化，抑制甲基汞向水稻植株特别是籽粒的迁移和积累，是重要的课题。长期不同施肥方式对稻田土壤理化性质及微生物区系有较大影响，这势必会影响到土壤中汞的转化、迁移、累积等环境化学行为。但目前对不同施肥条件下稻田系统中甲基汞的产生、富集过程和作用机制尚不清楚。为此，本研究以长期施肥定位试验稻田为研究对象，研究不同长期施肥条件下稻田系统中甲基汞的动态变化规律，解析甲基汞在稻田系统中的产生、运移过程及其影响因素，探寻不同施肥条件下稻米对甲基汞的富集特征，寻求合理的施肥方式，为降低通过稻米消费的甲基汞暴露风险提供科学施肥管理依据。

近年研究发现，稻田环境利于汞的甲基化，而稻米具有很强的甲基汞（MeHg）富集能力，大米食用已成为汞污染区人群甲基汞暴露的主要来源。因此，如何降低稻田系统汞的甲基化，抑制甲基汞向水稻植株特别是籽粒的迁移和积累，是水稻安全生产重要的课题。为此，考虑到不同的农业生产方式会影响到稻田土壤理化及生物性质，进而会影响到汞的甲基化过程，本项目以不同长期施肥稻田汞的转化特征与稻米甲基汞积累研究为主要任务，同时研究了不同酸性紫色土和不同轮作方式下稻田汞的甲基化特征。经过四年的研究，完成了既定目标任务。结果发现，长期施肥的各处理土壤甲基汞及稻米汞均高于未施肥的对照处理，稻田上覆水、界面水以及孔隙水的DOC、温度、DO、SO42-、PO43+、和Cl- 对稻田水中MeHg浓度影响较大，其中DOC影响最大，达到24.7%，长期不同施肥导致各处理土壤理化性质及微生物群落发生较大变化，稻田主要的甲基化微生物是Geobacteracea和Methanosarcinaceae；在各施肥处理中，NPK+S（秸秆还田）处理能够显著增加稻田DOC以及土壤中Geobacteracea和Methanosarcinaceae数量，提高稻田水中THg和MeHg浓度，以及水稻MeHg在稻米中浓度。不同的轮作体系对稻田土的理化性质造成了一定的影响，进而导致了稻田土汞甲基化的差异。冬水田长期的淹水环境使得其形成了严格的厌氧还原环境，有利于汞甲基化微生物的活性和MeHg的产生，MeHg在稻田土中的累积效应得到了加强。而水旱轮作因在水稻休耕期排水后种植其他旱地作物，可改变土壤的氧化还原条件，使土壤汞的甲基化率降低。冬季晒田对抑制稻田中汞的甲基化和促进MeHg的去甲基化比水旱轮作更为明显，但考虑到稻田的生产产出，采用水旱轮作的轮作方式更为经济有效。秸秆还田有利于稻田汞的甲基化，但经粉碎后再还田可降低稻米的甲基汞富集。