江漢平原水稻中重金屬元素累積效應(yīng)及遷移運(yùn)轉(zhuǎn)特征

鄭雄偉 孫為國(guó) 羅軍強(qiáng)

摘要 以江漢平原潛江市、天門(mén)市、鐘祥市、仙桃市調(diào)查區(qū)水稻根系、莖葉、稻米及其配套根系土為研究對(duì)象，分析了研究區(qū)水稻中重金屬元素的累積效應(yīng)和不同部位的遷移運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律。結(jié)果表明，重金屬元素在水稻中的富集程度差異較大，Zn、Cd、Cu在水稻中明顯富集;稻米中Cd與Zn、Ni對(duì)水稻籽實(shí)吸收重金屬的影響較大;土壤pH與水稻Cd、Zn、Ni的富集有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。水稻重金屬元素均在根系中最富集，莖葉次之，籽實(shí)最低，其中Zn 元素在根系、莖葉、籽實(shí)中含量最為穩(wěn)定，而As元素在水稻各部位中變差最大。大米中Cd元素從莖葉內(nèi)吸收的比例超過(guò)100%，水稻的根系在吸收過(guò)程中As和Cd容易遷移到體內(nèi)，在其根部富集，出現(xiàn)根部重金屬含量超富集的現(xiàn)象，表明As、Cd等元素在研究區(qū)內(nèi)是影響水稻安全的主要因素。

關(guān)鍵詞 水稻;重金屬;遷移運(yùn)轉(zhuǎn);富集系數(shù);江漢平原

Abstract Taking the rice roots， stems， leaves， rice and their supporting root soils in Qianjiang City， Tianmen City， Zhongxiang City and Xiantao City of Jianghan Plain as research objects， the cumulative effects of heavy metal elements in rice in the study area and the laws of migration and movement in different parts were analyzed.The results showed that the degree of enrichment of heavy metal elements in rice varies widely， and Zn， Cd， and Cu were significantly enriched in rice;Cd， Zn and Ni in rice had a greater effect on the absorption of heavy metals by rice seeds; soil pH had a negative correlation with the enrichment of Cd， Zn and Ni in rice.The heavy metal elements of rice were the most abundant in the root system， followed by the stems and leaves， and the seeds were the lowest. Among them， the content of Zn was the most stable in the roots， stems， leaves and seeds， and As had the largest variation in various parts of rice.The ratio of Cd element absorption from stems and leaves in rice was more than 100%. During the absorption process of rice roots， As and Cd easily migrated into the body， and their roots were enriched， resulting in the phenomenon of superrich root metal content， indicating that As， Cd and other elements were the main factors affecting rice safety in the study area.

Key words Rice;Heavy metals;Migration operation;Enrichment coefficient;Jianghan Plain

近年來(lái)，湖北省在全省范圍內(nèi)開(kāi)展實(shí)施了“金土地”工程，隨著土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)工作的深入開(kāi)展，取得了許多獨(dú)具特色的為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)的優(yōu)秀成果。隨著人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全性的日益關(guān)注，研究該地區(qū)土壤重金屬元素對(duì)農(nóng)產(chǎn)品造成的影響，其重要性是顯而易見(jiàn)的。研究區(qū)為全國(guó)重要的商品糧基地，筆者依托土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)調(diào)查成果，總結(jié)江漢平原土壤中重金屬元素的地球化學(xué)分布特征，分析水稻中元素遷移轉(zhuǎn)化、累積效應(yīng)以及生物活性的規(guī)律，同時(shí)，探索水稻產(chǎn)地土壤中重金屬元素的相關(guān)性，為優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用和重金屬污染修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省中部沿漢江平原區(qū)，調(diào)查總面積5 535 km2，行政上隸屬于潛江市東北部6鎮(zhèn)、天門(mén)市中東部9鎮(zhèn)、鐘祥市西部5鎮(zhèn)、仙桃市西部13鎮(zhèn)（場(chǎng)）等地（圖1）。區(qū)內(nèi)地勢(shì)低平，水資源十分豐富。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，具有光照充足、氣候濕潤(rùn)、春溫多變、初夏多澇、伏秋多旱、生長(zhǎng)期長(zhǎng)、嚴(yán)寒期短的氣候特點(diǎn)。

江漢平原第四紀(jì)地層巖相巖性發(fā)育齊全，沉積層厚度大[1]。地層分布主要為全新統(tǒng)（Qh）和更新統(tǒng)（Qp）。全新統(tǒng)（Qh）露頭區(qū)地層分布為孫家河組（Qhsal），覆蓋區(qū)地層分布為郭河組（Qhgal）。更新統(tǒng)（Qp）露頭區(qū)地層分布為上更新統(tǒng)（Qp2）古老背組（Qp3g）、中更新統(tǒng)（Qp2）白洋組（Qp2b）、下更新統(tǒng)（Qp1）云池組（Qp1y）。評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)土壤pH以偏堿性為主。土壤類(lèi)型以水稻土類(lèi)潴育型水稻土為主，其次為潮土類(lèi)灰潮土亞類(lèi)。

1.2 樣品采集

此次采集水稻樣品和根系土樣品總數(shù)為460件。農(nóng)作物樣品采集了水稻灌漿期根部及莖葉部位樣品，水稻成熟期籽實(shí)樣品。樣品的采集優(yōu)先考慮樣品的代表性，采用對(duì)角線(xiàn)法或“五點(diǎn)梅花法”選取4～5個(gè)樣點(diǎn)，根據(jù)地塊植株密度、高矮、谷穗大小以及成熟度等因素，每個(gè)采樣點(diǎn)按取1 m×1 m的面積采集，然后組合成1個(gè)樣品，自然干燥后混勻鋪平，用四分法縮分，取得1 000 g樣品送化驗(yàn)室測(cè)試[2]。

根系土和農(nóng)作物的樣品均在農(nóng)用大田區(qū)采集，并兼顧了土壤類(lèi)型。在采集農(nóng)作物的同點(diǎn)位上，采集相應(yīng)根系土（0～20 cm）。根系土采樣點(diǎn)主要分布在大宗農(nóng)田土壤層較厚地帶，避開(kāi)明顯點(diǎn)狀污染地段、垃圾堆及新近堆積土、田埂等，垂直采集地表至20 cm深的土壤，保證上下均勻采集，棄去動(dòng)植物殘留體、礫石、肥料團(tuán)塊等，3～5個(gè)子樣組合為1個(gè)樣品。土壤樣品原始重量大于1 000 g，經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干處理，干燥后用尼龍篩截取20目粒級(jí)，稱(chēng)取250 g樣品送交實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試。

1.3 分析方法

分析方法及準(zhǔn)確度、精密度嚴(yán)格按照《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求（DD 2005—03）》執(zhí)行，樣品分析測(cè)試委托國(guó)土資源部湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成。

按照規(guī)范要求，根系土樣品分析過(guò)程中，分別使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析Cu、Zn、Cd、Pb等元素;電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法分析Ni元素，X射線(xiàn)熒光光譜法分析Cr元素，原子熒光光譜法分析As、Hg，電位法分析pH，所選用的分析方法檢出限均滿(mǎn)足《規(guī)范》的要求。

水稻樣品用尼龍篩篩去泥土，四分法縮分，分取試樣于尼龍篩中，用自來(lái)水多次清洗至水澄清，再用蒸餾水沖洗，置于不銹鋼托盤(pán)中，于45 ℃烘箱中烘干后，專(zhuān)用的脫殼機(jī)脫殼，直接用粉碎機(jī)粉碎，將碎好的樣品保存在塑料密封袋內(nèi)。準(zhǔn)確稱(chēng)取0.10～2.00 g試樣于微波消解罐中，加入亞沸硝酸和MOS級(jí)過(guò)氧化氫，擰緊蓋子，放入微波消解儀進(jìn)行消化，反應(yīng)結(jié)束后取出消解罐，放至趕酸器上，蒸至小體積，冷卻后轉(zhuǎn)移至比色管中，用超純水定容，搖勻。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)定Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd，另分取溶液于比色管中，加鹽酸、硫脲-抗壞血酸溶液定容，搖勻，原子熒光法（AFS）測(cè)定As、Hg。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻重金屬元素累積效應(yīng)分析

2.1.1 研究區(qū)水稻及根系土重金屬元素含量特征。

在研究區(qū)采集水稻及根系土樣品460 件進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。水稻大米中，元素變化范圍較大的有Cd（114倍）、Ni（50倍）、Hg（34倍）;根系土樣品中，As、Hg元素的變異程度較大。從各元素富集系數(shù)來(lái)看，Zn、Cd、Cu在水稻中明顯富集[3]，富集系數(shù)近10%～20%，存在較明顯的累積現(xiàn)象，其他重金屬元素基本上變化較小。

2.1.2 不同地質(zhì)背景中水稻的富集系數(shù)。

研究區(qū)地質(zhì)背景主要分為全新世湖沖積層（Qhal）、湖積層（Qhl）、湖沖積層（Qhlal）和更新世湖沖積層（Qp），由圖2可見(jiàn)，水稻大米中，As、Pb、Cr、Ni元素在各地質(zhì)單元中富集系數(shù)變化不大，而Cd、Hg、Cu、Zn則變化較大，其中Cd、Zn元素在更新世湖沖積層最為富集，Cu元素在全新世湖沖積層富集系數(shù)最高。

2.1.3 不同土壤類(lèi)型中水稻的富集系數(shù)。

從水稻中各重金屬元素在不同土壤類(lèi)型下富集系數(shù)的變化情況（圖3）可看出，As元素在各土壤類(lèi)型中富集程度相差不大，僅在沼澤型水稻土略高;Pb、Cr、Ni則在各土壤類(lèi)型中富集系數(shù)變化不大;Hg元素富集系數(shù)均超過(guò)5%，在潴育型和沼澤型水稻土中相對(duì)較高;Cd元素富集系數(shù)都在10%以上，其中在潴育型水稻土中明顯富集，高達(dá)22%;活性較強(qiáng)、富集能力較大的Zn元素富集系數(shù)為18%～21%，說(shuō)明其在各土壤類(lèi)型中相對(duì)穩(wěn)定，活化富集能力較強(qiáng);Cu元素富集系數(shù)基本都在10%以上，有較好的富集能力，其中在潛育型水稻土類(lèi)最為富集，淹育型水稻土中相對(duì)較低。

2.1.4 土壤pH與水稻富集系數(shù)的關(guān)系。

從土壤pH與水稻中元素的富集系數(shù)相關(guān)性（表2）可以看出，土壤pH與水稻中Cd、Zn、Ni的富集有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明水稻中Cd、Zn、Ni的累積效應(yīng)一定程度上受pH的影響。從水稻對(duì)重金屬吸收富集的總趨勢(shì)來(lái)看，水稻中重金屬元素Cd的富集與Zn、Ni之間存在正相關(guān)關(guān)系，即在Cd存在的情況下，水稻植株內(nèi)Cd與Zn、Ni之間的交互作用對(duì)水稻籽實(shí)吸收重金屬的影響較大。按照稻米中各元素富集系數(shù)分別統(tǒng)計(jì)顯示，稻米Cu與Ni有一定的正相關(guān)趨勢(shì)，而稻米As元素富集能力與Cr、Zn之間為弱相關(guān)關(guān)系。

2.2 水稻不同部位中元素遷移系數(shù)分析

2.2.1 水稻不同部位中重金屬元素含量特征。

同一種類(lèi)的植物對(duì)不同重金屬元素的吸收富集能力不同，不同種類(lèi)的植物對(duì)同一種重金屬元素的吸收富集能力也不同[4]。表3給出了研究區(qū)93件水稻根部、莖葉及稻米中元素平均含量，可見(jiàn)水稻體內(nèi)各元素的分布規(guī)律比較明顯，均在水稻根系部位含量最高，大米中含量最低，其中，Zn在水稻根系、莖葉和稻米中的含量變化范圍最小，僅相差1.5倍，說(shuō)明Zn在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中各器官吸收能力最為穩(wěn)定;而As元素在水稻各部位中變差最大，根系與大米相差達(dá)413倍，表明As在水稻生長(zhǎng)過(guò)程其含量衰減最顯著。

2.2.2 重金屬元素在水稻不同部位中的累積效應(yīng)。

植物體的不同部位對(duì)重金屬元素積累的狀況不一樣，通常是植物的地下部分極大地高于地上部分[5]。由圖4可見(jiàn)，各元素均在根系中最富集，莖葉次之，籽實(shí)最低;水稻的根系在吸收過(guò)程中，As和Cd容易遷移到體內(nèi)，在其根部富集，出現(xiàn)根部重金屬含量高于土壤中重金屬含量的現(xiàn)象[6]，是根系土全量的數(shù)倍，表明As、Cd等元素在研究區(qū)內(nèi)是影響水稻安全的主要因素。

按照各重金屬的生物遷移尺度，水稻各器官整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)重金屬元素的蓄積響應(yīng)順序分別為：根，砷>鎘>銅>汞>鋅>鉛>鉻>鎳;莖葉，汞>銅>鋅>鎘>砷>鉻>鎳>鉛;籽實(shí)，鋅>鎘>銅>汞>砷>鎳>鉻>鉛。

2.2.3 重金屬元素在水稻不同部位中的遷移系數(shù)。

按照水稻不同部位（莖葉和籽實(shí)）中的元素含量與水稻根系中的元素含量進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得出各元素在水稻不同部位的遷移系數(shù)，以研究水稻不同部位對(duì)元素的吸收能力。由圖5可見(jiàn)，進(jìn)入水稻籽實(shí)中的元素主要富集在根系部位，而富集在水稻根中的元素僅有一小部分向水稻地面以上部分遷移，各元素向莖葉、籽實(shí)的遷移過(guò)程中逐漸降低，越向上部遷移量越少[7]。

大米中元素對(duì)水稻根系的遷移系數(shù)最高為Zn，達(dá)75%，顯示Zn被吸收后，并不會(huì)被根部截留，而是主動(dòng)由根部傳輸至地上部位，為植物提供營(yíng)養(yǎng)[8];Cu遷移至糙米的能力僅次于Zn，水稻能通過(guò)暫存在葉中的Cu直接從根部遷移至糙米中[9]。其余元素均低于20%，表明稻谷生長(zhǎng)過(guò)程中，從水稻根系直接吸收的作用有限，其大部分停留在根系內(nèi)。

水稻莖葉中，元素Zn、Hg、Cr、Cu對(duì)根系的吸收比例明顯偏高，說(shuō)明水稻根系在向上輸送營(yíng)養(yǎng)時(shí)，對(duì)重金屬元素Zn、Hg、Cr、Cu產(chǎn)生明顯的截留作用，聚積在莖葉部位。水稻籽粒對(duì)莖葉的吸收特點(diǎn)，也因元素不同而差異較大，稻米與莖葉含量的比值就說(shuō)明了這一點(diǎn)。研究表明，Cd為水稻糙米高富集元素[10]，由圖5可見(jiàn)，大米中Cd元素從莖葉內(nèi)吸收的比例超過(guò)100%，說(shuō)明大米中Cd含量受莖葉影響的因素較大。

3 結(jié)論

（1）稻米中Cd、Zn元素在更新世湖沖積層最為富集，Cu元素在全新世湖沖積層富集系數(shù)最高。Cd元素在潴育型水稻土中明顯富集，Zn元素在各土壤類(lèi)型中相對(duì)穩(wěn)定，活化富集能力較強(qiáng)。

（2）稻米中Cd與Zn、Ni之間的交互作用對(duì)水稻籽實(shí)吸收重金屬的影響較大。土壤pH與水稻Cd、Zn、Ni的富集有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明水稻中Cd、Zn、Ni的累積效應(yīng)一定程度上受pH的影響。

（3）水稻中重金屬元素主要集中在根部，其中Zn 元素在根系、莖葉、籽實(shí)中含量最為穩(wěn)定;而As元素在水稻各部位中變差最大。研究表明，大米中Cd元素從莖葉內(nèi)吸收的比例超過(guò)100%，說(shuō)明稻米中Cd含量受莖葉影響的因素較大。

水稻的根系在吸收過(guò)程中，As和Cd容易遷移到體內(nèi)，在其根部富集，出現(xiàn)根部重金屬含量超富集的現(xiàn)象，表明As、Cd等元素在研究區(qū)內(nèi)是影響水稻安全的主要因素。

參考文獻(xiàn)

[1] 張德存，李金平，楊軍，等.湖北省江漢流域經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查總報(bào)告[R].武漢：湖北省地質(zhì)調(diào)查院，2011.

[2] 溫曉華，張琢，何中發(fā).根系土中重金屬元素分布特征及在農(nóng)作物中的遷移[J].上海國(guó)土資源，2012，33（2）：34-38.

[3] 王新，吳燕玉.重金屬在土壤-水稻系統(tǒng)中的行為特性[J].生態(tài)學(xué)雜志，1997，16（4）：10-14.

[4] 陳懷滿(mǎn).土壤-植物系統(tǒng)中的重金屬污染[M].北京：科學(xué)出版社，1996：104-112.

[5] 廖自基.環(huán)境中微量重金屬元素的污染危害與遷移轉(zhuǎn)化[M].北京：科學(xué)出版社，1989.

[6] 韓愛(ài)民，蔡繼紅，屠錦河，等.水稻重金屬含量與土壤質(zhì)量的關(guān)系[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2002，14（3）：27-28，32.

[7] 莫爭(zhēng)，王春霞，陳琴，等.重金屬Cu、Pb、Zn、Cr、Cd在水稻植株中的富集和分布[J].環(huán)境化學(xué)，2002，21（2）：110-116.

[8] 虞銀江，廖海兵，陳文榮，等.水稻吸收、運(yùn)輸鋅及其籽粒富集鋅的機(jī)制[J].中國(guó)水稻科學(xué)，2012，26（3）：365-372.

[9] 嚴(yán)玉萍.銅對(duì)不同水稻品種種子萌發(fā)和生長(zhǎng)的影響及其在籽粒中積累的差異[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[10] 馬芳宇.江漢平原富硒土壤與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量初探[J].資源環(huán)境與工程，2012，26（2）：194-200.