江汉平原水稻中重金属元素累积效应及迁移运转特征

郑雄伟 孙为国 罗军强

摘要 以江汉平原潜江市、天门市、钟祥市、仙桃市调查区水稻根系、茎叶、稻米及其配套根系土为研究对象，分析了研究区水稻中重金属元素的累积效应和不同部位的迁移运转规律。结果表明，重金属元素在水稻中的富集程度差异较大，Zn、Cd、Cu在水稻中明显富集;稻米中Cd与Zn、Ni对水稻籽实吸收重金属的影响较大;土壤pH与水稻Cd、Zn、Ni的富集有一定的负相关关系。水稻重金属元素均在根系中最富集，茎叶次之，籽实最低，其中Zn 元素在根系、茎叶、籽实中含量最为稳定，而As元素在水稻各部位中变差最大。大米中Cd元素从茎叶内吸收的比例超过100%，水稻的根系在吸收过程中As和Cd容易迁移到体内，在其根部富集，出现根部重金属含量超富集的现象，表明As、Cd等元素在研究区内是影响水稻安全的主要因素。

关键词 水稻;重金属;迁移运转;富集系数;江汉平原

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

近年来，湖北省在全省范围内开展实施了“金土地”工程，随着土地质量地球化学评价工作的深入开展，取得了许多独具特色的为当地经济发展服务的优秀成果。随着人们对农产品安全性的日益关注，研究该地区土壤重金属元素对农产品造成的影响，其重要性是显而易见的。研究区为全国重要的商品粮基地，笔者依托土地质量地球化学评价调查成果，总结江汉平原土壤中重金属元素的地球化学分布特征，分析水稻中元素迁移转化、累积效應以及生物活性的规律，同时，探索水稻产地土壤中重金属元素的相关性，为优质农产品的开发利用和重金属污染修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省中部沿汉江平原区，调查总面积5 535 km2，行政上隶属于潜江市东北部6镇、天门市中东部9镇、钟祥市西部5镇、仙桃市西部13镇（场）等地（图1）。区内地势低平，水资源十分丰富。属于亚热带季风气候，具有光照充足、气候湿润、春温多变、初夏多涝、伏秋多旱、生长期长、严寒期短的气候特点。

江汉平原第四纪地层岩相岩性发育齐全，沉积层厚度大[1]。地层分布主要为全新统（Qh）和更新统（Qp）。全新统（Qh）露头区地层分布为孙家河组（Qhsal），覆盖区地层分布为郭河组（Qhgal）。更新统（Qp）露头区地层分布为上更新统（Qp2）古老背组（Qp3g）、中更新统（Qp2）白洋组（Qp2b）、下更新统（Qp1）云池组（Qp1y）。评价区内土壤pH以偏碱性为主。土壤类型以水稻土类潴育型水稻土为主，其次为潮土类灰潮土亚类。

1.2 样品采集

此次采集水稻样品和根系土样品总数为460件。农作物样品采集了水稻灌浆期根部及茎叶部位样品，水稻成熟期籽实样品。样品的采集优先考虑样品的代表性，采用对角线法或“五点梅花法”选取4～5个样点，根据地块植株密度、高矮、谷穗大小以及成熟度等因素，每个采样点按取1 m×1 m的面积采集，然后组合成1个样品，自然干燥后混匀铺平，用四分法缩分，取得1 000 g样品送化验室测试[2]。

根系土和农作物的样品均在农用大田区采集，并兼顾了土壤类型。在采集农作物的同点位上，采集相应根系土（0～20 cm）。根系土采样点主要分布在大宗农田土壤层较厚地带，避开明显点状污染地段、垃圾堆及新近堆积土、田埂等，垂直采集地表至20 cm深的土壤，保证上下均匀采集，弃去动植物残留体、砾石、肥料团块等，3～5个子样组合为1个样品。土壤样品原始重量大于1 000 g，经室内风干处理，干燥后用尼龙筛截取20目粒级，称取250 g样品送交实验室分析测试。

1.3 分析方法

分析方法及准确度、精密度严格按照《生态地球化学评价样品分析技术要求（DD 2005—03）》执行，样品分析测试委托国土资源部湖北省地质实验测试中心完成。

按照规范要求，根系土样品分析过程中，分别使用电感耦合等离子体质谱法分析Cu、Zn、Cd、Pb等元素;电感耦合等离子体原子发射光谱法分析Ni元素，X射线荧光光谱法分析Cr元素，原子荧光光谱法分析As、Hg，电位法分析pH，所选用的分析方法检出限均满足《规范》的要求。

水稻样品用尼龙筛筛去泥土，四分法缩分，分取试样于尼龙筛中，用自来水多次清洗至水澄清，再用蒸馏水冲洗，置于不锈钢托盘中，于45 ℃烘箱中烘干后，专用的脱壳机脱壳，直接用粉碎机粉碎，将碎好的样品保存在塑料密封袋内。准确称取0.10～2.00 g试样于微波消解罐中，加入亚沸硝酸和MOS级过氧化氢，拧紧盖子，放入微波消解仪进行消化，反应结束后取出消解罐，放至赶酸器上，蒸至小体积，冷却后转移至比色管中，用超纯水定容，摇匀。采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd，另分取溶液于比色管中，加盐酸、硫脲-抗坏血酸溶液定容，摇匀，原子荧光法（AFS）测定As、Hg。

2 结果与分析

2.1 水稻重金属元素累积效应分析

2.1.1 研究区水稻及根系土重金属元素含量特征。

在研究区采集水稻及根系土样品460 件进行分析，结果见表1。水稻大米中，元素变化范围较大的有Cd（114倍）、Ni（50倍）、Hg（34倍）;根系土样品中，As、Hg元素的变异程度较大。从各元素富集系数来看，Zn、Cd、Cu在水稻中明显富集[3]，富集系数近10%～20%，存在较明显的累积现象，其他重金属元素基本上变化较小。

2.1.2 不同地质背景中水稻的富集系数。

研究区地质背景主要分为全新世湖冲积层（Qhal）、湖积层（Qhl）、湖冲积层（Qhlal）和更新世湖冲积层（Qp），由图2可见，水稻大米中，As、Pb、Cr、Ni元素在各地质单元中富集系数变化不大，而Cd、Hg、Cu、Zn则变化较大，其中Cd、Zn元素在更新世湖冲积层最为富集，Cu元素在全新世湖冲积层富集系数最高。

2.1.3 不同土壤类型中水稻的富集系数。

从水稻中各重金属元素在不同土壤类型下富集系数的变化情况（图3）可看出，As元素在各土壤类型中富集程度相差不大，仅在沼泽型水稻土略高;Pb、Cr、Ni则在各土壤类型中富集系数变化不大;Hg元素富集系数均超过5%，在潴育型和沼泽型水稻土中相对较高;Cd元素富集系数都在10%以上，其中在潴育型水稻土中明显富集，高达22%;活性较强、富集能力较大的Zn元素富集系数为18%～21%，说明其在各土壤类型中相对稳定，活化富集能力较强;Cu元素富集系数基本都在10%以上，有较好的富集能力，其中在潜育型水稻土类最为富集，淹育型水稻土中相对较低。

2.1.4 土壤pH与水稻富集系数的关系。

从土壤pH与水稻中元素的富集系数相关性（表2）可以看出，土壤pH与水稻中Cd、Zn、Ni的富集有一定的负相关关系，说明水稻中Cd、Zn、Ni的累积效应一定程度上受pH的影响。从水稻对重金属吸收富集的总趋势来看，水稻中重金属元素Cd的富集与Zn、Ni之间存在正相关关系，即在Cd存在的情况下，水稻植株内Cd与Zn、Ni之间的交互作用对水稻籽实吸收重金属的影响较大。按照稻米中各元素富集系数分别统计显示，稻米Cu与Ni有一定的正相关趋势，而稻米As元素富集能力与Cr、Zn之间为弱相关关系。

2.2 水稻不同部位中元素迁移系数分析

2.2.1 水稻不同部位中重金属元素含量特征。

同一种类的植物对不同重金属元素的吸收富集能力不同，不同种类的植物对同一种重金属元素的吸收富集能力也不同[4]。表3给出了研究区93件水稻根部、茎叶及稻米中元素平均含量，可見水稻体内各元素的分布规律比较明显，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、茎叶和稻米中的含量变化范围最小，仅相差1.5倍，说明Zn在水稻生长过程中各器官吸收能力最为稳定;而As元素在水稻各部位中变差最大，根系与大米相差达413倍，表明As在水稻生长过程其含量衰减最显著。

2.2.2 重金属元素在水稻不同部位中的累积效应。

植物体的不同部位对重金属元素积累的状况不一样，通常是植物的地下部分极大地高于地上部分[5]。由图4可见，各元素均在根系中最富集，茎叶次之，籽实最低;水稻的根系在吸收过程中，As和Cd容易迁移到体内，在其根部富集，出现根部重金属含量高于土壤中重金属含量的现象[6]，是根系土全量的数倍，表明As、Cd等元素在研究区内是影响水稻安全的主要因素。

按照各重金属的生物迁移尺度，水稻各器官整个生长过程对重金属元素的蓄积响应顺序分别为：根，砷>镉>铜>汞>锌>铅>铬>镍;茎叶，汞>铜>锌>镉>砷>铬>镍>铅;籽实，锌>镉>铜>汞>砷>镍>铬>铅。

2.2.3 重金属元素在水稻不同部位中的迁移系数。

按照水稻不同部位（茎叶和籽实）中的元素含量与水稻根系中的元素含量进行对比计算，得出各元素在水稻不同部位的迁移系数，以研究水稻不同部位对元素的吸收能力。由图5可见，进入水稻籽实中的元素主要富集在根系部位，而富集在水稻根中的元素仅有一小部分向水稻地面以上部分迁移，各元素向茎叶、籽实的迁移过程中逐渐降低，越向上部迁移量越少[7]。

大米中元素对水稻根系的迁移系数最高为Zn，达75%，显示Zn被吸收后，并不会被根部截留，而是主动由根部传输至地上部位，为植物提供营养[8];Cu迁移至糙米的能力仅次于Zn，水稻能通过暂存在叶中的Cu直接从根部迁移至糙米中[9]。其余元素均低于20%，表明稻谷生长过程中，从水稻根系直接吸收的作用有限，其大部分停留在根系内。

水稻茎叶中，元素Zn、Hg、Cr、Cu对根系的吸收比例明显偏高，说明水稻根系在向上输送营养时，对重金属元素Zn、Hg、Cr、Cu产生明显的截留作用，聚积在茎叶部位。水稻籽粒对茎叶的吸收特点，也因元素不同而差异较大，稻米与茎叶含量的比值就说明了这一点。研究表明，Cd为水稻糙米高富集元素[10]，由图5可见，大米中Cd元素从茎叶内吸收的比例超过100%，说明大米中Cd含量受茎叶影响的因素较大。

3 结论

（1）稻米中Cd、Zn元素在更新世湖冲积层最为富集，Cu元素在全新世湖冲积层富集系数最高。Cd元素在潴育型水稻土中明显富集，Zn元素在各土壤类型中相对稳定，活化富集能力较强。

（2）稻米中Cd与Zn、Ni之间的交互作用对水稻籽实吸收重金属的影响较大。土壤pH与水稻Cd、Zn、Ni的富集有一定的负相关关系，说明水稻中Cd、Zn、Ni的累積效应一定程度上受pH的影响。

（3）水稻中重金属元素主要集中在根部，其中Zn 元素在根系、茎叶、籽实中含量最为稳定;而As元素在水稻各部位中变差最大。研究表明，大米中Cd元素从茎叶内吸收的比例超过100%，说明稻米中Cd含量受茎叶影响的因素较大。

水稻的根系在吸收过程中，As和Cd容易迁移到体内，在其根部富集，出现根部重金属含量超富集的现象，表明As、Cd等元素在研究区内是影响水稻安全的主要因素。

参考文献

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