鎘在不同質(zhì)地水稻土剖面中的分布特征及與作物吸收的關(guān)系.docx

1、第33卷，第2期2013年2月光譜學(xué)與光譜分析SpectroscopyandSpectralAnalysis鎘在不同質(zhì)地水稻土剖面中的分布特征及與作物吸收的關(guān)系秦魚(yú)生詹紹軍2,喻華2,涂仕華2,王正銀11. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院.重慶400716四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，成都四川610066摘要通過(guò)野外定點(diǎn)采集土壤和作物植株、籽粒樣品，利用石墨爐(novAA400)原子吸收法，研究了成都平原稻麥輪作下水稻土剖面中鎘的分布特征及其與水稻、小麥吸收鎘的相關(guān)性結(jié)果表明，土壤剖面中的鎘主要集中在。15cm的耕層土壤，總體表現(xiàn)為“向根層富集”的特征，土壤全鎘和有效態(tài)銅均隨土層深度的增加而逐漸降低，

2、3045cm土層的全銅和有效態(tài)銅含量平均值分別為表層的47.60%和39.49%。不同質(zhì)地土壤中的銅向下遷移地大小順序?yàn)樯叭乐厝乐腥?，?530cm土層的遷移量差異最大。土壤pH與015cm土層的有效態(tài)鎘含量間相關(guān)性不顯著(，=一0.46),與1530cm和3045cm土層有效態(tài)鎘含酸間呈顯著的負(fù)相關(guān)5=0.78一0.86)。水稻、小麥秸稈和籽粒餛含最與015cm和3045cm土層的全佛含敏間相關(guān)性不大(=一0.092一0.383,0.174-0.424),但與015cm和1530cm土尼的有效態(tài)鎘含雖呈顯著正相關(guān)(r=0.766-0.953)，與3045cm土層的有效態(tài)鎘含員相關(guān)性不顯著(r

3、=0.5260.584)。因此，土壤有效態(tài)鎘含鼠比全鎘含量更適合作為農(nóng)作物產(chǎn)品安全的土壤佛污染評(píng)價(jià)指標(biāo)。關(guān)鍵詞鎘；質(zhì)地；剖面分布；水稻；小麥；成都平原中圖分類號(hào)：X53;S151.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3964/j.issn.1000-0593(2013)02-0476-05收稿日期：2012-07-03,修訂日期：2012-10-20基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201295),四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院優(yōu)秀論文基金項(xiàng)H(2010LWJJ-07)和農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201003016)資助作者簡(jiǎn)介：秦魚(yú)生，1978年生，博士研究生，副研究員mail,shengyuq*通訊聯(lián)系

4、人e-mail：wan«_zhen«yin引言鎘(Cadmium)是對(duì)人類威脅最大的環(huán)境污染物之一，它主要通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體而危害健康.鎘污染土壤在世界范圍內(nèi)廣泛存在并日趨嚴(yán)取。，相關(guān)研究表明，我國(guó)受鎘污染的土壤擴(kuò)展迅速，已經(jīng)成為一個(gè)重要的環(huán)境問(wèn)題.環(huán)境流行病學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)部分銅污染地區(qū)已出現(xiàn)了鎘污染所致的慢性健康危害。因此，對(duì)鎘的環(huán)境行為與毒理研究已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)境科學(xué)中的熱點(diǎn)問(wèn)題。作物對(duì)鎘的吸收多少主要取決于土壤有效鎘含最，而有效鎘主要受土壤銅總量、溶解度、吸附和解吸等影響幻。±壤性質(zhì)如土壤pH、有機(jī)質(zhì)、機(jī)械組成、陽(yáng)離子代換最等因素與銅的吸附和解吸密切相關(guān).自

5、然土壤中鎘大部分存在于表土層，被有機(jī)質(zhì)絡(luò)合，很難向下遷移，但在一定條件下吸附的銅可能被釋放并沿著土壤剖面垂直遷移，其遷移轉(zhuǎn)化能力取決于鎘的存在形態(tài)。目前大多數(shù)研究側(cè)竟于鎘從土壤表層到作物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及影響因素而銅在土壤中的垂直遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和作物通過(guò)根系對(duì)下層七壤中鎘吸收與土壤銅含量和形態(tài)的關(guān)系研究鮮有報(bào)道。為此.本文選擇成都平原稻麥輪作下受鎘污染的三種不同質(zhì)地的水稻土，研究鎘在不同質(zhì)地土壤剖面中的分布特征，探討不同剖面深度土壤全銅與有效鎘含量及其與作物籽粒和秸稈吸收鎘的關(guān)系，以及土壤剖面中銅的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為成都平原農(nóng)田土壤鎘污染治理和無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1研究區(qū)域概況

6、研究區(qū)域位于四川省德陽(yáng)市綿竹縣和旌陽(yáng)區(qū)境內(nèi)，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫15.7-C,年平均降雨量1053.2mm,年最大降水員為1421.4mm,最少降水量為608.7mm,降水的季節(jié)分配極不均勻。年日照時(shí)數(shù)多年平均為1011.3h,最多為1178.0h,最少為802.7h,多年平均無(wú)霜期為285天。區(qū)域內(nèi)主要土壤類型為河流沖積物發(fā)育而成的灰潮土或潮土，主要糧食作物有水稻、小麥、油菜、大麥等.德陽(yáng)市磷礦資源豐富，磷礦石產(chǎn)量占四川全省的90%以上.成都經(jīng)濟(jì)區(qū)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域土壤存在大面積的鎘異?，F(xiàn)象，近地表大氣塵、地表水、淺層地下水也存在不同程度的編污染，錨污染來(lái)源為龍門

7、山地區(qū)含銅巖（礦）石和工礦企業(yè)產(chǎn)生的近地表大氣塵.1.2土樣采集研究選擇了位于四川省成都平原德陽(yáng)市境內(nèi)的7個(gè)水精土剖面，樣點(diǎn)沿綿延河流經(jīng)方向分布，所有土壤樣點(diǎn)作物都為水稻/小麥輪作，土壤質(zhì)地為3種類型，分別為砂壤、中壤和重填土.在小麥?zhǔn)斋@期分別采集土壤和植株、籽粒樣品,在水稻收獲期采集植株、籽粒樣品分析測(cè)定銅含量.土壤樣品的采集時(shí)間為2010年5月6日至10日，小麥植株和籽粒樣品采集時(shí)間與土壤采集時(shí)間一致，水稻植株和籽粒樣品采集時(shí)間為2010年9月3日.土壤樣品采集方法為多點(diǎn)混合樣，每個(gè)樣點(diǎn)土樣采集個(gè)數(shù)為1215個(gè)，混合后用四分法去除多余土樣，最終每個(gè)剖面土樣樣品重量為L(zhǎng)Okg左右.植株樣品在

8、所采集的土壤樣品范圍內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)采樣，每個(gè)樣點(diǎn)采樣3株。土樣經(jīng)自然風(fēng)干，除去砂礫及動(dòng)、植物殘?bào)w，粉碎過(guò)篩后混合均勻并用記號(hào)筆標(biāo)注，最后裝于自封袋中保存?zhèn)溆眯←満退窘斩?、籽粒樣品?jīng)烘干、磨碎、過(guò)篩（40日）處理，用自封袋分裝備用。1.3儀器分析儀器分別為德國(guó)耶拿novAA400智能火焰-石墨爐原子吸收光譜儀，帶笊燈背景扣除裝置和MPE60自動(dòng)進(jìn)樣器；控溫式紅外消煮爐和0.1mg分析天平（AB104-S）.1.4測(cè)定方法土壤樣品測(cè)定項(xiàng)目包括有效銅和全鎘含最2項(xiàng)，土壤有效鎘采用Tessier（1979）五步連續(xù)提取法第一步，以1molLMgChCpH7）溶液浸提勇），石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定，其測(cè)定

9、條件如表h土壤全Cd采用混酸消煮（HC1-HNQ-HF-HCIOQ,石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定（GB/T171411997）,測(cè)定條件與有效銅相同.小麥、水稻秸稈和籽粒采用HNQ-HC1O,消解法進(jìn)行分析測(cè)定，同時(shí)添加空白消煮和標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)鼠控制和回收率校正，原子吸收光譜法測(cè)定小麥、水稻秸稈和籽粒Cd含量（GB/T5009.15-2003）.Table1Workingconditionsoftheafaratusinstudy頊目條件升溫程序溫度/C保持時(shí)間/s波長(zhǎng)228.8nm干燥9011020燈電流3.0mA灰化45010狹縫寬度0.8nm原于化13003進(jìn)樣景10pL凈化230042結(jié)果

10、與討論2.1不同質(zhì)地土壤中鎘的垂直分布特征從圖1可以看出，在030cm所有土壤樣品的全第含最都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其范圍為0.911.77mgkgT,平均值為1.30mg-kg-*,這說(shuō)明該采樣區(qū)域土壤鎘污染較為嚴(yán)重。在015cm耕層中，全Cd含量:以砂壤土最低，中壤最高，重壤土與中壤土相近；不同質(zhì)地土壤中有效Cd與全Cd含跟變化規(guī)律相似。在1530cm土層中，全Cd含量高低依次為：重壤砂壤中壤，而有效Cd含鼠則為中壤砂壤重壤；在3045cm土層中，全Cd含鼠高低依次為：重壤中壤砂壤.而有效Cd含屋則為中壤砂壤R重壤。所有樣點(diǎn)土壤剖面全Cd和有效態(tài)Cd含域均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸降低的特征

11、，其中質(zhì)地偏輕的砂壤土1530cm和3045cm全Cd含最較015cm分別降低12.26%和53.77%,有效態(tài)Cd含最分別降低21.74%和60.00%；質(zhì)地適中的中壤土1530cm和3045cm全Cd含最較015cm分別降低50.33%和56.95%,有效態(tài)Cd含娥分別降低36.36%和65.55%,質(zhì)地偏重的重壤土1530cm和3045cm全Cd含雖較015cm分別降低28.77%和49.32%,有效態(tài)Cd含量分別降低51.63%和65.85%.045cm土層全Cd含雖變化表明Cd向下遷移以砂壤最強(qiáng)，重壤次之，而中壤最差；不同質(zhì)地土壤鎘向下遷移能力的差異主要表現(xiàn)在1530cm土層，而30

12、45cm的差異較小.4.003.002.001.0000.500.400.300.200.100SamplesSamplesFig.1Distributionofsoiltotalcadmium(a)andavailabkcadmium(b)indifferenttexturesoil土壤剖面不同深度pH與全Cd含最、有效態(tài)Cd含量間的相關(guān)關(guān)系均表現(xiàn)出一致性（表2）。雖然土壤pH與全Cd含景都呈正相關(guān)性，但其實(shí)際意義不大，因?yàn)橥寥乐腥k含址的高低并不取決于pH,而是錦污染源.土壤剖面中有效Cd含量與土壤pH都呈負(fù)相關(guān)，而全Cd含前與有效態(tài)Cd含最在0-30cm土層為正相關(guān)，在3045cm土層呈

13、負(fù)相關(guān)。015cm土層由于受外界因素如作物種植、施肥、大氣沉降等影響較為直接，通常土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，且是最易受到污染的土層，土壤pH、全Cd含髭和有效態(tài)Cd含鼠的相關(guān)系敗都不顯著.隨著土層深度的增加，受外界因素的影響逐漸減弱，因此1530cm和3045cm土層pH和有效態(tài)Cd含量的相關(guān)性都達(dá)到顯著水平，且相關(guān)性有隨土層深度增加而增加的趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)分別為一0.780-和一0.860.1530cm土層土壤全Cd含域和有效態(tài)Cd含盈相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(r=-0.960*),但3045cm土層的相關(guān)性不顯著(r=-0.420).Table2CorrelationbetweenpH,totalCd

14、andavailableCdatdifferentsoildepths土層深度相關(guān)系數(shù)pH全儒有效銅pH1.000。15cm全銅0.3901.000有效制-0.4600.5301.000pH1.0001530cm全佩0.630,1.000«有效鎘-0.780"-0.9601.000PH1.000««3045cm鈉0.670*1.000*有效鎘-0.860,-0.4201.0002.2水稻一小麥輪作中不同質(zhì)地土填上作物對(duì)錦的吸收與分配在水稻小麥輪作中，三種土壤質(zhì)地絕大部分樣點(diǎn)的水稻籽粒和秸稈銅含斌都比相應(yīng)點(diǎn)的小麥籽粒和秸稈高，其中水稻籽粒Cd含最平均值比小

15、麥高3.35倍，水稻秸稈Cd含耿平均值比小麥高2.26倍。從不同質(zhì)地類型小麥和水稻籽粒與秸稈Cd含Jft來(lái)看，中壤上小麥籽粒和秸稈中的Cd含最最高，其次為砂壤，而柬填上小麥籽粒的鎘含量最低；不同質(zhì)地土壤上水稻籽粒和秸稈的Cd含最高低順序基本與小麥一致，但水稻籽粒Cd含量以中壤址禮重壤其次，砂填最低；而秸稈中錦含量以砂壤其次，重壤最低。鎘在作物器官的轉(zhuǎn)運(yùn)差異是尋求控制作物鎘累積的重要途徑，表3結(jié)果顯示，不同質(zhì)地類型對(duì)小麥和水稻的Cd分配都有較明顯的影響，小麥Cd含鼠的籽/稈比變化范圍為0.3090.479,水稻Cd含缺的籽/稈比變化范圍為0.4180.632,中壤匕水稻Cd的籽/稈比最大，其次為

16、重壤.而砂壤最小，平均值僅為中壤的68.63%。2.3土岫面不同深度全鎘和有效鎘含與水稻、小麥鎘吸收的相關(guān)性土壤中鎘的存在形態(tài)是衡域其環(huán)境效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)SE,而我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)鼠標(biāo)準(zhǔn)是以土壤全鎘含鼠作為鎘污染評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，不同質(zhì)地土壤樣點(diǎn)045cm土層.全鎘含癖與水稻秸稈、籽粒和小麥秸稈、籽粒的關(guān)系見(jiàn)表4。15cm,1530cm和3045cm土層全鎘含量與小麥秸稈和籽粒的鎘含量間相關(guān)性都不大，僅1530cm土層全銅含抵與小麥秸稈鎘含眥間呈顯著負(fù)相關(guān)，其余土層全佩含址與小麥秸稈和*f粒的相關(guān)系數(shù)都未達(dá)到顯著水平。水稻上的變化規(guī)律與小麥差異較大，0-15cm和3045cm土層的全鎘含最與水稻秸殲和籽粒

17、的鎘含最相關(guān)性不大，但1530cm土層的全佩含最與水稻秸稈和籽粒第含蚩都呈顯著負(fù)相關(guān)。Table3Cduptakeanddistributioningrainsandstrawofwheatandricegrownindifferenttextured-soils土壤質(zhì)地樣點(diǎn)水稻小麥籽粒Cd含量/(mg,kg")秸評(píng)Cd含量/(mgkg-1)時(shí)稈Cd比籽粒Cd含量/(mgkg-1)秸桿Cd含效/(mg'kg-1)料稈Cd比10.1930.4260.4530.0910.1890.479AbMr20.2290.5440.4210.1060.2740.38730.1330.3180

18、.4180.0430.1030.417平均值0.1850.4290.4310.0800.1890.42840.6621.0470.6320.1570.4960.317中壤50.4870.7820.6230.1080.3480.309平均值0.5750.9150.6280.1320.4220.31360.2780.4790.5800.0850.2120.40170.1420.3330.4260.0460.1200.379平均值0.2100.4060.5030.0650.1660.390Table4RelationshipsbetweratotalCdatdifferentsoildepthsan

19、dCduptakebyriceandwheat土疑厚度摘桿秸肝&粒(H15anU30an3045any=0.259&r+o.2243r=0.3263尸0.25241-0.0244r=0.4244y=0.1183x+0.0953r=0.2855>=0.0205r+0.064)r=0.1736尸一】.37Qr+1.8059r=-0.7629.y=-0.9567x+1.1726r=-0.7123y0.698lz+0.883lr=-0.7463y=-0.186r+0.2592r0.6970y=-0.127r+0.638r=-0.0920>=-0.0409x4-0.3282r

20、=-0.0398y=-0.115Zr+0.3186r=-O.16O7廣-0.07&+0.138r=-0.3833土壤中鎘的形態(tài)主要受銅的性質(zhì)和含量、土壤有機(jī)質(zhì)、粘土礦物、鐵鏈鋁氧化物、碳酸鹽、微生物、pH、Eh、溫度和濕度等的影響.根據(jù)Tessier等的研究，土壤Cd可分為交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵鉉結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)等五個(gè)組分，采用1molir'MgCb溶液浸提的045cm±層土壤有效態(tài)鎘含量與水稻秸稈、籽粒和小麥秸稈、籽粒鎘含地的關(guān)系見(jiàn)表5。水稻秸稈和籽粒鎘含域與015cm土層土壤有效鎘含鼠都呈極顯著正相關(guān)性，與1530cm土層土壤有效鎘含量都呈顯著正相關(guān)性

21、，與3045cm土層土壤有效態(tài)鎘含最間相關(guān)性不顯著.與水稻相似，小麥秸稈和籽粒鎘含雖與015cm和1530cm土層土壤有效鎘含鼠都呈顯著正相關(guān)性，而與3045cm土層土壤有效態(tài)鎘含雖間相關(guān)性也不顯著。Table5RelationshipsbetweenavailableCdatdifferentsoildepthsandCduptakebyriceandwheat土層用度0-15any=4.65Qr-0.10821*y-3.475j-0.1969r=0.9432,B1530an>=4.J34x0.10340.8240*爐45any=5.43&l0.2769r-0.5628y=6.

22、0Qx-0.2925r=0.7658*尸4.22E0.0827l0.5839小麥楠籽段嚴(yán)234D.1034r«0.9534y=0.673r0.0062r-0.9215,<>=3.272r+0.0533r=0.8301,y=0.932i+a0031r=0.8310,y=2.647z+0.1105*5257y=O.77O2W.O5O4r=0.S3753結(jié)論土壤中的重金屆鎘具有明顯的表土聚集特點(diǎn).李樹(shù)希等【項(xiàng)研究表明設(shè)施菜地和小麥地土壤剖面中，隨著土層深度的增加，土壤鎘含量均呈下降趨勢(shì)，從剖面分布看，表層和亞表層土壤鎘的含戰(zhàn)明顯較高。韓曉凱等逐研究表明黑土銅含鼠主要積累在表層土

23、壤，錦與表層有機(jī)質(zhì)發(fā)生絡(luò)合作用且在土壤表層堆積，而向土壤下層的淋移作用不明顯。本研究結(jié)果表明，成都平原稻-麥輪作土壤剖面?zhèn)シ植贾饕性诟麑油寥?015cm),并隨土層厚度的變化而逐漸降低，3045cm土層的全第和有效態(tài)鎘含量都只有表層的一半，鎘在土壤剖面中向根區(qū)集中的分布趨勢(shì)可能主要是因?yàn)樽魑锔档母患?代金貴等mi研究表明水稻根系在垂立方向上主要分布在010cm土層，15cm以下土層根系分布很少；王俊娟等閭研究表明小麥整個(gè)生育期根系主要分布在030cm土層，占總根缺的一半以h.在長(zhǎng)期的耕作栽培過(guò)程中，作物根系不斷從土壤剖面中吸收銅，進(jìn)入作物體內(nèi)的鎘乂主要富集在根部.當(dāng)作物收獲后，根系腐

24、爛后鎘又被釋放到土壤中，參與下一茬作物的吸收與循環(huán)。其次可能是T業(yè)污染和肥料等帶入，當(dāng)含鎘的工業(yè)污染物進(jìn)入農(nóng)田或施入含鎘的肥料和農(nóng)藥時(shí)，這些物質(zhì)主要和土表接臟，或混入表土中，也造成表土層銅的富集。鎘剖面分布特征受土壤質(zhì)地的影響較大，與表層土壤鎘含St相比，砂壤土亞表層(1530cm)土壤全銅和有效鎘含量:都降低最少，含最相當(dāng)于表層的80%左右，而中壤和重壤土亞表層土壤全鎘和有效俺含量:降低較多，不同質(zhì)地土壤3045cm土層全鎘和有效態(tài)鎘含Jt差異不大，這說(shuō)明砂壤、中壤和重壤土均不同程度地存在鎘由表層向下層垂直遷移的現(xiàn)象。土壤質(zhì)地對(duì)鎘遷移能力影響主要表現(xiàn)在030cm土層，對(duì)30cm以下土層的影響

25、較小，表明在研究區(qū)域條件下，土壤質(zhì)地對(duì)30cm以下土層的鎘的遷移影響不明顯，無(wú)論土壤剖面的質(zhì)地輕重，鎘向地下水淋溶的風(fēng)險(xiǎn)都不大.作物吸收鎘的多少與土壤中的鎘形態(tài)分配有關(guān)。大最研究表明，作物鎘含量與土壤全鎘含最之間并不存在確定的相關(guān)關(guān)系，而與土壤中有效態(tài)鎘的關(guān)系較為密切紀(jì)淑娟等U”采用鎘添加土培試驗(yàn)報(bào)道研究了土壤有效態(tài)鎘與大蒜吸收鎘的關(guān)系，表明土壤有效態(tài)鎘含量與大蒜和蒜苗中鎘含量的相關(guān)性大大好于與土壤全鎘含量的相關(guān)性,袁波等研究表明菜地土壤中銅有效態(tài)含，與小白菜可食部分鎘的含雖相關(guān)性優(yōu)于全最的，用土壤中銅的有效態(tài)含量表征鎘的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)更準(zhǔn)確.本研究結(jié)果表明，成都平風(fēng)稻麥輪作下的鎘污染水稻土壤上，水

26、稻、小麥的秸稈和籽粒鎘含城與。15cm和1530cm土層土壤有效態(tài)銅含最都呈顯著正相關(guān)性，而045cm土層的土壤全錦含量與水稻、小麥的秸稈和籽粒錦含量相關(guān)性較差。土壤第的有效態(tài)，比全錦能更好的反映出水稻和小麥對(duì)土壤中鎘吸收和被其污染的可能性。References1UrszulaK,RufusLC»JamesAR.etal.J.Environ.QuaL,2010,39：519.23DudkaS.MillerWP.JournalofEnviron.ScienceandHealth.1999,84(4)：681.3TaylorMD.TheScienceofTotalEnvironment.

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33、ngdu610066,ChinaAbstractAdoptingatomicabsorptionspectrometry(novAA400),thepresentstudyinvestigatedthedistributioncharacteristicsofsoilcadmium(Cd)indifferenttexturedpaddysoilprofilesunderrice-wheatrotationanditscorrelationwithCduptakebyriceandwheatinChengduPlainthroughrepeatedlytakingsoilandplantsamplesatthefixedsitesinthefield.TheresultsrevealedthatCdinthepaddysoilprofileswasmainlyconcentratedattheploughlayer(015cm)thatobviouslyfea