龙州县稻谷根系土锗元素含量特征及影响因素

卢炳科，吴含志，梁丽君

广西地质调查院，广西 南宁 530023

Ge 是典型的稀散金属元素，在地壳中含量极低，平均浓度仅为1.0 μg/g。全球土壤Ge 含量平均值为1.0 μg/g，中国土壤Ge 平均值为1.7 μg/g[1-2]。在自然界中Ge一般难以独立存在，主要以类质同象赋存或伴生于硫银矿、锗石、锌铅矿、铁、煤、铝土矿等矿物中，是重要的生命必需微量健康元素，具有独特的生理学功能[3-4]。Ge 可分为无机和有机Ge 两种化合物，无机Ge 有一定毒性，有机Ge 具有杀菌、消炎、抗癌等功能。Ge 易形成络合物随着水体迁移或被植物吸收，土壤中Ge 在特定条件下能影响微生物的活性效应，从而对作物正常的生长发育产生影响[5]。Ge 在工业领域用途广泛，目前关于其研究报道主要是Ge 的生理学功能、化学成分提取和分析方法以及伴生矿中Ge 的分布和赋存规律[6]。国内外对土壤与农作物中Ge的含量特征及影响因素研究较少[7-8]。研究稻谷根系土Ge 含量分布特征及其富集影响因素，对于提高稻谷Ge 含量、发展优质富Ge 大米、促进身体健康、支撑乡村经济振兴具有重要意义。

1 研究区概况

龙州县地处广西西南边陲，位于北回归线以南、左江中上游，东经106°33′11″～107°12′43″，北纬22°8′54′～22°44′42″。东邻崇左江州区，东南接宁明县，南靠凭祥市，西北与越南相邻，东北连大新县，距南宁市200 km，是一座具有1 290 多年历史的边关商贸文化名城，是我国与东南亚各国进行文化、贸易交往的重要门户。西有水口关，西南为平而关，素有“边防重镇、小香港”之美称。人口约27 万人，总面积2 311.19 km2，其中农用地1 825.28 km2。地势自西北向东南倾斜，四周高，中间低，属于典型的喀斯特岩溶区。主要农业种植为水稻、甘蔗、玉米、蔬菜及水果等。

2 工作方法

2.1 样品采集与处理

研究小组在研究区采集水稻籽实与根系土样品，用手持GPS 定位器，为研究稻谷根系土Ge 含量的相关性，确保2 个样点在同时间、同点位采集，各采集43 件，每件样品由5 个等量子样点组合而成，按照梅花点法采样，根系土采样深度0～20 cm，充分混匀后用四分法留取土样约1.5 kg。在每个根系土样点同步采取稻谷籽实150～200 g，均匀组合成一个混合样。研究小组在采样时避开肥料、排污物、病虫害等可能对元素含量产生影响的样品。采集的根系土经自然风干后，去除岩屑、碎石、植物根系及虫体等杂物，过2 mm（10 目）尼龙筛并混匀，用四分法取200 g 送实验室分析。采集的稻谷籽实样品通过晒干、脱粒、去壳、风干及研磨，之后送实验室分析。

2.2 分析测试

根系土检测元素为 Ge、Se、pH 值、Corg、As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、Cu、Zn 及MgO 等；用电感耦合等离子体质谱法测根系土Ge 和B，原子荧光光谱法（AFS）测As、Hg、Se，X 射线荧光光谱法（XRF）测Cr、P、Pb、Zn、Al2O3、Fe2O3、SiO2、K2O、S，容量法（VOL）测Corg，玻璃电极法（ISE）测pH 值，同时插入国家一级标准样进行质量监控，所有样品报出率为100%，准确度、精密度监控样合格率为100%，异常点重复样合格率为100%。

稻谷大米样品经微波消解，分析Ge、Se、As、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、Cu、Zn。用 电感耦合等离子体质谱法测定大米Ge、As、B、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 和Ni。插入标准物质监控分析质量，所有元素含量相对偏差＜10%。样品分析按照《地质矿产实验室测试质量管理规范》（DZ/T 0130-2006）、《多目标区域地球化学调查规范（1 ∶25 万）》（DZ/T 0258-2014）和《生态地球化学评价样品分析技术要求》（DD 2005-03）等规范进行质量控制。

研究小组通过参考标准物质、实验室内部检查、异常点的重复检验、空白试验、外部检查等，对样品分析质量进行严格监控，样品分析质量精确，数据分析可靠。

2.3 数据处理

研究小组用SPSS 19 数据处理软件进行元素含量参数统计和皮尔斯相关性分析，用Excel 绘制折线图和散点图。

3 结果与讨论

3.1 根系土元素地球化学特征

研究小组将研究区稻谷根系土样品Se、Ge、Corg、MgO 及pH 值分析结果进行地球化学参数统计分析（见图1 和表1）。结果显示，根系土Se 含量变化范围为0.24～1.57 μg/g，平均值为0.654 μg/g，大于中国土壤背景值0.29 μg/g，变异系数为0.366，属于弱变异分布。Ge 含量范围为0.89～1.71 μg/g，按照DZ/T0295-2016 规范进行分级，有20 件样品Ge 含量属于较丰富以上水平（Ge ＞1.4 μg/g），占比46.51%；Ge 平均值为 1.37 μg/g，略低于广西土壤背景值1.41 μg/g，也小于中国土壤背景值1.70 μg/g；其变异系数为 0.157，为均匀分布，表明根系土中Ge 含量空间变化较小。Corg、MgO 平均含量高于广西土壤背景值。根 系 土As、Cd、Cr、Hg、Pb、Zn、Ni、Cr等8 种重金属平均含量较低，均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618-2018）的筛选值，环境质量属于低风险水平。

表1 研究区水稻根系土元素含量特征表（N=43）

图1 研究区水稻根系土及籽实Ge 含量分布折线图

3.2 稻谷元素地球化学特征

研究区稻谷籽实元素含量参数统计结果如表2 和图1 所示。结果显示，As、Cd、Cr、Hg 及Pb 等重金属含量最大值均未超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762-2017）的限量值。籽实Se 含量平均值为 0.044 μg/g，含量变幅为0.021～0.11 μg/g，发现21 件稻谷样品达到了富Se 大米国家标准，富Se 率为48.84%（≥0.04 μg/g），其变异系数为0.494，属于变异分布特征。Ge 含量跨度范围为0.000 3～0.002 8 μg/g，平均值为 0.001 μg/g，变异系数为0.479%，属于变异分布特征，说明稻谷籽实 Ge 含量波动较大。根系土Ge 含量差异性虽小，但实际生产中，Ge 的存在形态、理化性质（pH 值、质地、Corg 等）、元素间的相互作用、水稻品种、大气干湿沉降、灌溉、化肥使用等，都有可能对稻谷Ge 元素的累积产生影响，导致水稻籽实Ge 含量波动较大。

表2 研究区水稻籽实元素含量特征表（N=43）

3.3 根系土元素对稻谷Ge 含量的影响

据研究显示，Ge 不但能改变作物光合色素的含量组成，还能促进抗氧化酶物质的活性[7]。水稻正常生长过程中需要不断从环境吸收养分物质，其他养分元素的吸收也会影响Ge 的分配吸收。皮尔斯相关性分析显示，研究区稻谷籽实Ge 与根系土SiO2含量呈显著负相关性（r=-0.677，P ＜0.01），与根系土K2O、Na2O 及Ge 含量也呈明显负相关性，表明根系土中SiO2、K2O、Na2O、Ge 含量升高时，将影响稻谷籽实Ge 含量，两者具有明显的拮抗性。有研究表明，Si 与Ge 元素同族，具有相似的地球化学性质，两者在运输、分配和吸收机制上可能存在竞争[7]。根系土Ge 含量较高时，作物通过光照蒸腾作用向茎叶转移，导致Ge 在植株体内积累增多，对水稻籽实的正常生长产生抑制或拮抗作用[9]。稻谷籽实Ge与根系土MgO、CaO、Ni、P、Cr 含量呈显著正相关性（r ＞0.500，P ＜0.01），与Mn、S、Se、Zn、As、Fe2O3、Al2O3、Cd、B、I、Mo、Corg 及pH 值等含量呈显著正相关性（r ＞0.314，P ＜0.01）。根系土 pH 值在一定程度上影响元素在土壤中的存在形态和有效态，控制元素的迁移和转化，从而影响稻谷对元素的吸收富集[1]。研究区稻谷籽实Ge 与根系土 pH 值、Corg 含量存在明显正相关性，说明根系土pH 值、Corg 含量变化，对稻谷籽实Ge 的吸收、分配有影响。

3.4 土壤水稻系统Ge 迁移累积

生物吸收系数（Ax）一般用来表征农作物吸收富集元素的能力，用于评价根系土对作物的作用和影响[9]。Ax=农作物元素含量/根系土元素含量×100%。生物吸收系数分为4 个等级：（1）强烈吸收（Ax ＞100%）；（2）中等吸收（10%＜Ax ≤100%）；（3）微弱吸收（1%＜Ax≤10%）；（4）极弱吸收（Ax≤1%）。结果显示，研究区稻谷籽实Ge 生物吸收系数（Ax）最大值为 0.24%，最小值为 0.02%，平均值为 0.10%，变异系数为 55.9%，说明籽实对Ge 含量的吸收富集差异性较大。43 件稻谷样品生物吸收能力全部为极弱吸收，说明Ge从根系土向籽实迁移的富集率较弱，即稻谷对根系土Ge 的吸收能力极弱。

Ge 元素在农作物根系土中的迁移累积，不仅受稻谷本身机制影响外，还与土壤理化性质、元素化学性质等因素有关[9]。研究区稻谷籽实Ge 含量生物吸收富集系数（Ax）与根系土pH值、Corg 含量的相关性如图2、图3 所示。从图2 可知，Ge 生物吸收系数（Ax）与根系土pH 值呈显著正相关性（R2=0.293，P ＜0.01），说明提高土壤 pH 值，有利于促进Ge 在水稻根系土的迁移累积。Ge 生物吸收系数（Ax）与根系土Corg含量呈明显正相关性（R2=0.139，P ＜0.01），说明Corg 含量变化，对籽实Ge生物吸收富集有影响。因而可以适当调节根系土pH 值和Corg 含量，来提高稻谷Ge 生物吸收富集系数，开发优质富Ge 大米。

图2 稻谷籽实Ge 生物吸收系数与根系土pH 值相关性散点图

图3 稻谷籽实Ge 生物吸收系数与根系土Corg 含量相关性散点图

4 结语

（1）研究区稻谷根系土 Ge 平均值为1.37 μg/g，低于中国土壤背景值，含量范围为0.89～1.71 μg/g，属于均匀分布；籽实Ge 平均值为0.001 μg/g，变幅范围为0.000 3～0.002 8 μg/g，属于变异分布。

（2）稻谷籽实Ge 与MgO、CaO、Fe2O3、Ni、P、Cr、Mn、S、Se、Zn、As、Corg、pH 值等元素存在显著相关性，而与根系土SiO2、K2O、Na2O 及Ge 含量呈明显负相关性。

（3）稻谷籽实 Ge 生物吸收系数（Ax）平均值为0.10%，变化范围为0.02%～0.24%，为极弱吸收，说明Ge 元素从根系土向稻谷中迁移富集能力较弱。稻谷Ge 生物吸收系数与根系土pH 值、Corg 含量等呈明显正相关性。

（4）根据以上研究成果，结合龙州县实际，研究小组建议该县因地制宜进行农田施肥管理，在稻谷生长期有针对性地补充适量富含与Ge呈正相关性元素的有机肥料，减少施加富含与Ge 呈负相关性元素的肥料，促进稻谷对土壤Ge 的吸收能力，提高籽实Ge 含量；重点对耕地土壤环境重金属及Ge、Se 等元素开展系统调查研究，摸清耕地土壤质量家底，识别其来源，并在土壤质量优良区大力开发绿色无公害富Ge、富Se 大米，提高大米附加值，助力乡村经济振兴。