復(fù)合污染下Cu、Cr、Ni和Cd在水稻植株中的富集特征

林華，張學(xué)洪，梁延鵬，劉杰，黃海濤

復(fù)合污染下Cu、Cr、Ni和Cd在水稻植株中的富集特征

林華，張學(xué)洪，梁延鵬*，劉杰，黃海濤

桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室，廣西 桂林 541004

掌握水稻對污染土壤中重金屬的吸收和富集特征，為科學(xué)認(rèn)識水稻中重金屬的殘留問題、健康風(fēng)險提供理論依據(jù)。采用田間試驗，研究了4個不同處理量Cu、Cr、Ni、Cd復(fù)合污染下水稻的富集特征及其隨生育期的變化規(guī)律。結(jié)果表明，重金屬在水稻植株各部位中吸收富集系數(shù)的大小依次為：Cd＞Cu＞Ni＞Cr，根部重金屬吸收富集系數(shù)是地上各部位的吸收富集系數(shù)的2～100倍。各重金屬在水稻植株不同部位的積累分布明顯不同，成熟期水稻植株中Cu在水稻不同部位的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為根＞莖≥葉＞米粒＞谷殼，Ni的分布規(guī)律為根＞葉＞莖＞米粒＞谷殼，Cr的分布規(guī)律為根＞葉＞谷殼≥莖＞米粒，Cd的分布規(guī)律為根＞莖＞葉＞米粒＞谷殼；且隨著重金屬處理量的增加，水稻植株不同部位的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)也呈上升趨勢。成熟期米粒中Cu、Ni、Cr和Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍分別為：4.50～6.19、1.86～4.63、0.72～0.76和0.08～0.39 mg·kg-1，與無公害食品標(biāo)準(zhǔn)（GB15199-94、GBT2762-2005）相比，米粒中Cu和Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未超標(biāo)，而Ni和Cd（Cd高劑量處理時）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超標(biāo)，存在食用安全風(fēng)險。重金屬在水稻植株不同部位的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨生育期均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，灌漿中期達(dá)到最大，而到成熟期又明顯降低。不同重金屬在水稻植株中的富集能力和分布規(guī)律均呈現(xiàn)明顯差異，不同生育期水稻植株中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯不同但其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化呈明顯規(guī)律性。

復(fù)合污染；重金屬；富集；生育期；水稻

20世紀(jì)以來，隨著采礦業(yè)、制造業(yè)、冶金業(yè)和交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)用化學(xué)品的大量使用及城市污水的排放，農(nóng)田土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重，且呈現(xiàn)為多元素共存造成的復(fù)合污染（宗良綱和丁園，2001），其重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險很高（陳志良等，2013）。受污染的土壤對作物的生長、產(chǎn)量、品質(zhì)均有較大的危害，尤其是它還有被作物吸收富集、進(jìn)入食物鏈，危害人畜健康的潛在危害（朱桂芬和王學(xué)鋒，2004）。稻米是全世界人民的主要食物，因此研究水稻對土壤中重金屬元素的吸收與積累規(guī)律對人類的食品安全和自身健康有著重要意義。

關(guān)于重金屬在水稻不同器官的分布和總量傳輸已進(jìn)行了較多的研究（周啟星等，1994；康立娟等，2002；莫爭等，2002），近年來開始關(guān)注重金屬在土壤-水稻體系的遷移、分布和總量傳輸?shù)膭討B(tài)變化（陳寶玉等，2010；劉昭兵等，2011；薛培英等，2010；BOSE和BHATTACHARYYA，2008； LI等2009），但相關(guān)研究報道集中在經(jīng)濟(jì)文化發(fā)達(dá)地區(qū)，而在西部地區(qū)的廣西粘性水稻土中，Cu、Cr、Ni和Cd對水稻復(fù)合污染的研究還鮮有報道。Cu、Cr、Ni和Cd是電鍍行業(yè)普遍采用的4種重金屬元素，極易隨電鍍廢水的排放進(jìn)入水體，進(jìn)而通過農(nóng)業(yè)灌溉進(jìn)入土壤中，形成重金屬復(fù)合污染（黃明等，2009；劉杰等，2006）。本文采用田間試驗，模擬電鍍污染土壤，研究多元復(fù)合污染下Cu、Cr、Ni和Cd 4種重金屬在水稻植株各部位的富集特征及其隨生育期的動態(tài)變化規(guī)律，為合理控制重金屬進(jìn)入水稻體，從而降低重金屬進(jìn)入食物鏈和人體提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1供試材料和試驗設(shè)計

供試土壤為桂林農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗田土壤，其基本理化性質(zhì)：pH 6.9，有機質(zhì)32.7 g·kg-1，總磷2.59 g·kg-1，總氮3.61 g·kg-1，總銅、總鉻、總鎘和總鎳分別為39.02、109.49、0.32、53.44 mg·kg-1。供

試作物為水稻Ⅱ優(yōu)838（屬中秈遲熟三系雜交組合）。

1.2試驗方法

各試驗小區(qū)面積為2 m×2 m＝4 m2，小區(qū)間筑20～30 cm寬的土埂，用塑料薄膜包埂，薄膜深度50～60 cm，四周設(shè)保護(hù)行，以防側(cè)滲相互干擾。參照GB 15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，試驗設(shè)置4個重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度（表1），每種處理設(shè)3個平行小區(qū)，進(jìn)行大田試驗。

表1 污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計Table 1 The designed concentrations of heavy metals in test soil mg·kg-1

將分析純的CuSO4、CrCl3、NiC12、CdCl2按設(shè)計的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制液體混合物施加至0～20 cm耕作層土壤中，灌水、充分混勻、放置1～2天后，秧苗移栽。種植株行距26.4 cm×16.5 cm，每穴3株秧苗。肥水管理參照當(dāng)?shù)厮旧a(chǎn)要求實施。

1.3樣品采集及分析

分別采集不同生育期（分糵末期、拔節(jié)末期、灌漿中期和成熟期）的水稻植株，用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗3遍，將植株的不同器官分離后105 ℃下殺青，80 ℃烘干至恒重。分取各部位粉碎，稱取干重為2 g植株樣品，采用HNO3-HC1O4（4∶1，V/V）混酸體系，于電熱板上加熱消解，用體積分?jǐn)?shù)為0.2%硝酸定容至25 mL，用原子吸收光譜儀（PE-AA700，Perkin Elmer）測定消解液中重金屬（莫爭等，2002）。以國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07604（GSV-3）為內(nèi)標(biāo)控制分析質(zhì)量，同時做一份空白試驗。

2 結(jié)果和討論

2.1重金屬Cu、Ni、Cr和Cd在成熟期水稻植株中富集特征

所試重金屬在成熟期水稻不同部位的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2。

從表2可看出：成熟期的水稻植株中Cu、Ni、Cr和Cd主要富集在根部，只有少量向地上部分遷移，但不同重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)因水稻的不同部位而異。Cu在水稻植株不同部位質(zhì)量分?jǐn)?shù)為根部＞莖≥葉＞米粒＞谷殼；Ni的分布規(guī)律為根部＞葉＞莖＞米粒＞谷殼；Cr的分布規(guī)律為根部＞葉＞谷殼≥莖＞米粒；Cd的分布規(guī)律為根部＞莖＞葉＞米粒＞谷殼。這說明重金屬在水稻體內(nèi)的分布規(guī)律是在新陳代謝旺盛的器官累積較大，而營養(yǎng)儲存器官如果實、籽粒、莖葉中累積較少（CAIRNEY和MEHARG，2002；關(guān)共湊等2006）；且隨著重金屬添加量的增加，水稻植株不同部位的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)也呈上升趨勢，其中根部的增長趨勢最明顯，而米粒和谷殼中Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無明顯增加。

表2 水稻成熟期植株各部位重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Heavy metal concentrations in organs of rice in mature stage mg·kg-1

在重金屬低、中、高劑量處理下，可食部位米粒中Cu、Ni、Cr和Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍分別為：4.50～6.19、1.86～4.63、0.72～0.76和0.08～0.39 mg·kg-1。較之無公害食品標(biāo)準(zhǔn)（Cu≤10 mg·kg-1，GB15199-94；Ni≤0.4 mg·kg-1、Cr≤1.0 mg·kg-1、Cd≤0.2 mg·kg-1，GBT2762-2005），米粒中Cu、Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未超標(biāo)，但米粒中Ni和Cd（Cd高劑量處理時）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超標(biāo)，存在食用安全風(fēng)險。

為明確水稻對所投放重金屬的富集特性，采用了吸收富集系數(shù)來表征水稻體內(nèi)重金屬元素富集的難易程度。吸收富集系數(shù)越大，水稻對重金屬的富集能力越強。吸收富集系數(shù)即為水稻某部位某種重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤中該種重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值（SALT等，1995；賈中民等，2011；王鵬等，2014）。水稻對Cu、Ni、Cr和Cd的吸收富集系數(shù)見表3。

由表3可知：水稻不同部位對所試4種重金屬的富集能力明顯不同。根部重金屬吸收富集系數(shù)明顯大于地上各部位的吸收富集系數(shù)，最小達(dá)到2倍而最大可達(dá)100倍，表明重金屬絕大部分富集在水稻根系，地上部分的富集能力較弱。對照所試4種

重金屬在水稻各部位的吸收富集系數(shù)可發(fā)現(xiàn)，水稻各部位對Cd的富集系數(shù)均是最大，對Cu的富集系數(shù)次之，對Cr的富集系數(shù)最小；表明水稻對Cd吸收富集能力最強而對Cr吸收富集能力較弱。

表3 水稻植株不同部位對4種重金屬的吸收富集系數(shù)Table 3 The enrichment coefficients of four heavy metals in differentparts of paddy plants

2.2不同生育期水稻對Cu、Ni、Cr和Cd的富集特征

水稻在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)重金屬的處理下，其根部、莖部和葉部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的生育期變化情況分別見圖1、圖2和圖3。試驗結(jié)果表明，重金屬Cu、Ni、Cr和Cd在水稻植株中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化較為明顯。

從圖1可看出，水稻根部Cr和Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)在分蘗末期均較低，根部Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)在分蘗末期、拔節(jié)末期和成熟期的差別不大，根部Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)在分蘗末期和成熟期的差別也不大；而在灌漿中期根部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速上升，達(dá)到最大，之后根部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，且這種變化趨勢隨著重金屬處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而更明顯。此研究結(jié)果與莫爭等（2002）和關(guān)共湊等（2006）的研究結(jié)果（其研究認(rèn)為重金屬在分蘗期水稻中累積量最大）不一致，這可能是因為供試水稻品種、土壤理化性和種植季節(jié)不同所致。其原因可能是外源性水溶態(tài)的Cu、Ni、Cr和Cd投入耕作層后，在實驗初期土壤有效態(tài)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，水稻根部經(jīng)過分蘗期和拔節(jié)期兩個生長代謝旺盛期對重金屬的大量吸收和累積，到灌漿中期達(dá)到最大。隨后，因根部累積了大量的重金屬，導(dǎo)致其生長代謝和吸收機能受到抑制（莫爭等，2002），且根部的重金屬會不斷轉(zhuǎn)運到地上部位，土壤中有效態(tài)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間延長和土壤氧化還原電位改變發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)變而有所降低（朱桂芬等，2004；WANG等2003），根部從土壤中吸收的重金屬量減少，同時其生物量也不斷增加，因此，隨著時間的延續(xù)，在根部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)也逐漸下降。

圖1 Cu、Ni、Cr和Cd不同處理下不同生育期水稻根部的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 1 Heavy metal concentrations in roots in different growth stages under different treatments with Cu, Ni, Cr and Cd

對于水稻莖部，從總體上看（圖2），其積累的重金屬在分蘗末期和拔節(jié)末期質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近，在灌漿中期達(dá)到最大，到成熟期時莖部各重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)又明顯下降。這種變化規(guī)律可認(rèn)為是水稻莖部在分蘗期、拔節(jié)期代謝旺盛，雖然重金屬從根部向上轉(zhuǎn)運很快，但此時莖部的生物量也迅速增加，故各重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)在這兩個生育期變化并不顯著；在隨后的生育期里，莖部對重金屬的代謝機制有所弱化（莫爭等，2002）、耐性有所增強（WANG等2003），從土壤和根部轉(zhuǎn)運上來的重金屬會在莖部逐漸積累，灌漿中期達(dá)到最大；隨后水稻生長代謝進(jìn)一步減緩，由根部向上遷移的重金屬量顯著減少，且累積在莖部的重金屬仍向葉部和稻谷遷移，故在成熟期莖部的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)又明顯減少。此外，隨著重金屬處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水稻莖部Ni、Cr、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨生育期的變化趨勢更明顯；但低、中劑量處理時莖部Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)在拔節(jié)末期、灌漿中期和成熟期均分別很相近并無明顯增加趨

勢，這可能是因為這兩種處理劑量均處于水稻莖部對Cu的耐性范圍。

圖3 Cu、Ni、Cr和Cd不同處理下不同生育期水稻葉部的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 3 Heavy metal concentrations in leaves in different growth stages under different treatments with Cu, Ni, Cr and Cd

水稻葉部對Cu、Ni、Cr和Cd 4種重金屬隨生育期富集特征（圖3）與其在根和莖部的富集特征相一致，也表現(xiàn)為從分蘗末期→拔節(jié)末期→灌漿中期呈上升趨勢，灌漿中期達(dá)到最大，而到成熟期時又明顯降低。葉部重金屬的變化可認(rèn)為是水稻根部和莖部重金屬的向上傳輸、遷移，分蘗期、拔節(jié)期正在處于積累過程，所以此時葉部重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，到灌漿中期達(dá)到最大，而隨后水稻生長代謝明顯減緩，重金屬向葉部的傳輸迅速減少，且此時大量老葉枯萎脫落，取而代之的是中后期新長的葉片，所以成熟期葉部的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)又明顯下降。

3 結(jié)論

（1）Cu在成熟期水稻植株不同部位的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為根部＞莖≥葉＞米粒＞谷殼，Ni的分布規(guī)律為根部＞葉＞莖＞米粒＞谷殼，Cr的分布規(guī)律為根部＞葉＞谷殼≥莖＞米粒，Cd的分布規(guī)律為根部＞莖＞葉＞米粒＞谷殼。

（2）重金屬在水稻植株各部位中富集能力的大小次序為：Cd＞Cu＞Ni＞Cr，4種重金屬在水稻根部富集能力強，而在地上各部位的富集能力較弱；根部Ni向米粒遷移能力較其他3種重金屬更強，米粒中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.86～4.63 mg·kg-1，均已超標(biāo)，

存在食用安全風(fēng)險。

（3）Cu、Cr、Ni和Cd重金屬在水稻植株不同部位的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨生育期的變化均表現(xiàn)為從分蘗末期→拔節(jié)末期→灌漿中期呈上升趨勢，灌漿中期達(dá)到最大，而到成熟期時又明顯降低。

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Enrichment of Heavy Metals in Rice under Combined Pollution of Cu, Cr, Ni and Cd

LIN Hua, ZHANG Xuehong, LIANG Yanpeng*, LIU Jie, HUANG Haitao
College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology; Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology; Guilin 541004, China

Absorption and Accumulation Characteristics of heavy metals by rice in the heavy-metal polluted soils were analyzed to provide theoretical basis for recognizing heavy metals residue in rice, health risk. The enrichment characteristics and changes of Cu, Cr, Ni and Cd integrated effects in rice during their growing were studied through field experiment. The results showed that the enrichment sequence of four heavy metals was Cd ＞ Cu ＞ Ni ＞ Cr, and Cu, Cr, Ni and Cd enrichment coefficients of roots was 2～100 times than that of aerial parts. The distribution of Cu, Cr, Ni and Cd in paddy plant was significantly different. Cu concentration in different parts of the rice plant at mature period was root ＞ stem ≥ leaf ＞ grain ＞ chaff, the distribution order of Ni was root ＞ leaf ＞stem ＞ grain ＞ chaff, the distribution order of Cr was root ＞ leaf ＞ chaff ≥ stem ＞ grain, and the distribution order of Cd was root ＞stem ＞ leaf ＞ grain ＞ chaff. With the heavy metal pollution intensity increasing, the concentration of Cu, Cr, Ni and Cd in different part of rice increased obviously. The concentration of Cu, Ni, Cr and Cd in the grains under maturity stage were 4.50～6.19 mg·kg-1, 1.86～4.63 mg·kg-1, 0.72～0.76 mg·kg-1and 0.08～0.39 mg·kg-1, respectively. Cu and Cr concentration in grain of rice at mature period did not exceed the standard (10 mg·kg-1and 1.0 mg·kg-1, GB15199-94), while Ni and Cd concentration in grain exceeded the unpolluted food standard (0.4 mg·kg-1and 0.20 mg·kg-1, GBT2762-2005), Ni and Cd ingestion from this rice may pose a health risk to human. The variation of accumulation of Cu, Cr, Ni and Cd in different part of rice along with growing time was similar. The concentration of heavy metal in root, stem and leaf were all increased first, then decreased as rice growing, and reached the highest levels at filling stage, but decreased sharply at maturing stage. The accumulation and distribution of different heavy metals by rice was significant difference, the concentration of heavy metals in rice in different growth period was significant different but the variation of heavy metal content was obvious.

combined pollution; heavy metals; bioaccumulation; growth stages; rice

X53

A

1674-5906（2014）12-1991-05

廣西自然科學(xué)基金項目（2011GXNSFF018003）；廣西科技攻關(guān)計劃項目（桂科重1298002-3）；“八桂學(xué)者”建設(shè)工程專項經(jīng)費資助

林華（1984年生），男，講師，主要從事重金屬環(huán)境行為研究。E-mail: linhua@glut.edu.cn

*通信作者：梁延鵬，男，高級實驗師。E-mail: ypliang1980@163.com

2014-08-28

林華，張學(xué)洪，梁延鵬，劉杰，黃海濤. 復(fù)合污染下Cu、Cr、Ni和Cd在水稻植株中的富集特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(12): 1991-1995.

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