潘楊　趙玉杰　周其文等

摘要[目的]研究南方稻區(qū)土壤pH變化對稻米吸收鎘的影響。[方法]重點(diǎn)分析了我國南方稻米主產(chǎn)區(qū)土壤pH對稻米吸收鎘的影響，并探討了不同區(qū)域在相同pH條件下稻米鎘吸收系數(shù)差異性的原因。[結(jié)果]土壤pH變化對稻米鎘吸收有顯著影響，土壤pH在5～6時，稻米對土壤鎘吸收能力最強(qiáng)，6～7時吸收系數(shù)下降明顯，兩者差異在1.4～7.4倍之間。水稻基因型差異性、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地等都對稻米吸收鎘的能力產(chǎn)生影響，但影響程度遠(yuǎn)低于pH。數(shù)據(jù)分析表明，土壤Zn/Cd比也是影響水稻吸收鎘的重要因素，高的土壤Zn/Cd往往會使稻米鎘的吸收系數(shù)明顯下降，這可能是導(dǎo)致在相同pH條件下不同區(qū)域稻米鎘吸收系數(shù)差異性的重要原因之一。[結(jié)論]該研究可為科學(xué)管理農(nóng)田提供一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞鎘；稻米；吸收系數(shù)；土壤pH

中圖分類號S158.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）16-235-04

Influence of Soil pH on Cadmium Absorption by Rice in Main Rice Production Region of South China

PAN Yang， ZHAO Yujie*， ZHOU Qiwen et al

（Agroenvironmental Protection Institute， Ministry of Agriculture of China， Tianjin 300191）

Abstract[Objective] The research aimed to study the influence of soil pH on Cd absorption by rice in rice production region of South China. [Method] The influence of soil pH on Cd absorption by rice in main rice production region of South China was studied. The reasons for difference of the absorption coefficient by rice under the same soil pH in the different research areas were also discussed. [Result] The soil pH had a significant impact on rice Cd absorption coefficient. There was the largest absorption ability of Cd by rice with soil pH 5-6. The absorption coefficient decreased significantly when soil pH increasing from 6 to 7. The differences of the absorption coefficient of Cd by rice between soil pH 5-6 and soil pH 6-7 were up to 1.4-7.4 times. Rice genotypes diversity， soil organic matter and soil texture were less able to affect the Cd absorption by rice comparing to the soil pH. The Zn/Cd ratio of soil was an important factor affecting the absorption of Cd by rice. High Zn/Cd ratio of soil tended to reduce significantly the absorption of soil Cd by rice. It may be one of the important reasons for the difference of the Cd absorption coefficient by rice among different areas at the same soil pH. [Conclusion] The research could provide certain technical reference for scientifically managing farmland.

Key wordsCadmium； Rice； Absorption coefficient； Soil pH

近年來爆發(fā)的稻米鎘污染事件說明我國南方部分稻米主產(chǎn)區(qū)面臨較為嚴(yán)重的重金屬鎘污染威脅[1]。這種威脅不僅來源于受鎘污染的稻田，在一些不存在外部污染源的區(qū)域同樣存在稻米鎘超標(biāo)情況[2-4]。相關(guān)研究表明，土壤退化尤其是pH下降是導(dǎo)致我國稻米鎘超標(biāo)的重要因素。土壤pH降低導(dǎo)致鎘活性增強(qiáng)，增加了稻米鎘吸收系數(shù)，當(dāng)吸收系數(shù)>0.67時，即使土壤Cd不超標(biāo)，依然存在稻米污染的風(fēng)險(xiǎn)[5-8]。因此研究明確土壤pH對水稻吸收鎘的影響，對保障稻米安全，引導(dǎo)土壤治理，制定更加科學(xué)合理的產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。國內(nèi)外科研人員雖然對此有一定的研究，但大尺度農(nóng)田監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏，數(shù)據(jù)集成分析性不足，所獲結(jié)果缺乏實(shí)際稻米生產(chǎn)指導(dǎo)性。該研究在總結(jié)國內(nèi)已有研究成果的基礎(chǔ)上，在我國南方部分稻米主產(chǎn)區(qū)大尺度土壤-稻米對應(yīng)采樣并分析，以明確不同區(qū)域pH變化對稻米吸收鎘的影響，為科學(xué)管理農(nóng)田提供一定的技術(shù)參考。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)獲取及樣品采集

研究數(shù)據(jù)主要來自3個方面：一是2012年在四川什邡、湖北大冶、廣西河池、云南個舊、江蘇揚(yáng)州采集的土壤-水稻對應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)；二是2013年在湖南益陽及湘潭市、浙江紹興及嘉興市采集的土壤-稻米對應(yīng)樣品；三是收集整理的研究區(qū)內(nèi)公開報(bào)道的稻米鎘吸收的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，主要分布區(qū)域包括成都平原、重慶市、江西鷹潭、福建沿海、浙江臺州、廣東湛江、安徽合肥及某地、湖北天門、江蘇北部等。數(shù)據(jù)要求土壤-水稻對應(yīng)采集，數(shù)據(jù)包括稻米（精米）鎘吸收系數(shù)、土壤pH、樣品采樣量等信息。各研究區(qū)采樣數(shù)量及采樣區(qū)土壤平均pH見表1。

表1各研究區(qū)土壤-稻米對應(yīng)采樣量及采樣區(qū)平均pH

區(qū)域名稱土壤-水稻對應(yīng)采樣量采集區(qū)土壤平均pH數(shù)據(jù)來源

四川什邡345.9該研究

湖北大冶966.1該研究

廣西河池475.7該研究

云南個舊206.2該研究

湖南益陽1645.6該研究

湖南湘潭9455.7該研究

浙江嘉興606.1該研究

浙江紹興575.6該研究

浙江臺州605.7[9]

成都平原286.7[10]

重慶市2286.6[11-12]

江西鷹潭1065.0[4]

福建沿海1854.5[13]

江蘇揚(yáng)州287.2該研究

廣東湛江206.7[14]

江蘇北部888.3[15]

安徽合肥605.5[16]

福建龍巖525.6[17]

安徽某地236.0[18]

湖北天門105.7[19]

該研究2012、2013年獲得的1451對土壤-水稻樣品均為對應(yīng)采樣，每個樣品由4個子樣組成，采集土壤及對應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品各0.25 kg，混合成1 kg的檢測樣品。土壤采樣深度為0～20 cm，樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后揀去植物殘?bào)w與石頭顆粒，四分法縮分至200 g，土壤全部過20目篩，其中50 g用于檢測土壤pH、質(zhì)地，其余150 g縮分至50 g，用瑪瑙球磨機(jī)研磨過100目尼龍篩，用于檢測重金屬全量。水稻樣品采集后，用自來水快速沖洗，除掉附著在表面的泥土灰塵，再以蒸餾水沖洗兩遍，然后曬干脫殼過40目篩供檢測用。

1.2化學(xué)分析

土壤采用HNO3-HClO4-HF聯(lián)合消解，稻米樣品采用HNO3-HClO4消解，全譜直讀等離子體質(zhì)譜法（ICPMS）檢測鎘含量[20-21]，儀器為安捷倫 7500i。土壤pH檢測采用玻璃電極法，土壤有機(jī)質(zhì)分析采用外加熱重鉻酸鉀氧化-溶重法[22]。每10個樣品設(shè)一個平行樣，檢測平行樣分析相對偏差不能>10%。

1.3數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析及制圖采用SPSS V20及微軟excel 2010軟件。

2結(jié)果與分析

2.1土壤平均pH差異性對稻米鎘吸收系數(shù)的影響

圖1展示了我國南方不同水稻產(chǎn)區(qū)土壤平均pH變化對稻米鎘平均吸收系數(shù)的影響。總體而言，土壤平均pH升高，稻米鎘吸收系數(shù)呈顯著下降趨勢。在平均pH <6時，有部分區(qū)域如湖南益陽、湘潭市，四川什邡市，江西鷹潭市稻米鎘平均吸收系數(shù)均>0.67，這就意味著在這些區(qū)域，即使土壤鎘含量小于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）二級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.3 mg/kg的限值，稻米鎘平均含量也會超過《食品中污染物限量》（GB2762-2012）規(guī)定的0.2 mg/kg的限值，出現(xiàn)土壤不超標(biāo)，稻米超標(biāo)的情況。由平均吸收系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差綜合分析可知，在以上4個區(qū)域，土壤鎘含量即使低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）一級背景值0.2 mg/kg水平，稻米鎘依然會出現(xiàn)超標(biāo)情況。在土壤pH≥6時，稻米鎘平均吸收系數(shù)出現(xiàn)異常高的情況幾乎未見，平均吸收系數(shù)加標(biāo)準(zhǔn)差值也不會超過0.67。說明在土壤偏中性及偏堿性條件下，只要是土壤鎘含量不超標(biāo)，稻米鎘含量超過0.2 mg/kg限值的概率大為下降。

圖1不同區(qū)域土壤平均pH變化對稻米鎘吸收系數(shù)的影響

2.2土壤pH變化對稻米鎘吸收系數(shù)的細(xì)化分析

為進(jìn)一步探究土壤pH變化對稻米吸收鎘的影響，以采樣量相對較多的湖南益陽、湘潭，浙江紹興、嘉興市，湖北大冶市5個區(qū)域?yàn)閷ο?，將pH每變化0.5個單位劃分一個等級，細(xì)化土壤pH變化對稻米吸收鎘的影響，結(jié)果見圖2?？梢妏H變化對稻米吸收鎘的影響非常顯著，土壤pH在5～6之間，稻米吸收鎘的能力最強(qiáng)，pH>6，稻米吸收鎘的能力明顯下降。 統(tǒng)計(jì)表明，湖南益陽、湘潭，浙江紹興、嘉興市，湖北大冶市土壤pH在5～6之間的稻米鎘吸收系數(shù)分別是pH 6～7的7.4、2.2、1.7、1.6、1.4倍。pH對不同區(qū)域影響存在較大的差異性，其中位于湘江流域的益陽、湘潭市最為突出，位于浙江省的紹興、嘉興市不太明顯。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算5個區(qū)域不同pH平均吸收系數(shù)的變異系數(shù)。結(jié)果表明，除湖南湘潭為強(qiáng)變異外，其余區(qū)域均為中等變異，這可能與湘潭采樣量大，采樣區(qū)域廣有關(guān)。

針對湖南湘潭數(shù)據(jù)強(qiáng)變異的情況，進(jìn)一步細(xì)分pH，按0.1個pH變化單位劃分等級進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3。統(tǒng)計(jì)表明，變異系數(shù)最大值為54%，變異性明顯下降。稻米鎘平均吸收系數(shù)超過0.67的pH范圍為4.5～6.0，pH>6.0以后，吸收系數(shù)呈線性下降趨勢，pH由6.0到6.5雖只變化了0.5個單位，但平均吸收系數(shù)由0.69下降到0.25，下降了63.8%，pH由6.0到7.0，吸收系數(shù)下降了87.0%。由此可見，我國《土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-1995）將土壤pH按照6.5進(jìn)行污染物標(biāo)準(zhǔn)值差異性劃分，對于稻米鎘吸收應(yīng)用方面存在一定的不足。

圖2不同區(qū)域pH變化對稻米吸收鎘的影響

圖3湘潭市土壤pH對稻米鎘吸收系數(shù)的影響

2.3其他因素對稻米鎘吸收系數(shù)的影響

稻米對鎘的吸收受多種因素的影響，其中pH是核心影響因素之一[23]，pH變化影響到土壤鎘的存在形態(tài)。pH上升會增加土壤顆粒和有機(jī)質(zhì)的負(fù)電荷，從而減少土壤有效態(tài)Cd含量，降低水稻對Cd的吸收[24]，這也與該研究結(jié)果一致。但稻米吸收鎘也受到其他因素的影響，如不同區(qū)域種植的水稻基因型的差異性，土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量的變化，水分管理模式的不同，土壤微量元素拮抗與促進(jìn)等[25-27]。這些因素綜合作用導(dǎo)致了在相同pH時，不同區(qū)域稻米鎘吸收系數(shù)的差異性，這從圖1與圖2可以反映出來。2013～2014年南方10省市稻米重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)排查調(diào)查結(jié)果表明，在湖北、湖南、浙江、江西4個區(qū)域稻米基因型存在一定的差異性，4省常規(guī)稻、雜交稻種植比例分別為1∶1.48、1∶2.35、1∶1及1∶2.9。對重金屬鎘吸收能力更強(qiáng)的雜交稻在湖南、江西省種植面積最廣，而浙江省種植比例最小，這也可能是湖南、江西省稻米鎘吸收系數(shù)較高的原因之一。

土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）差異性也會導(dǎo)致稻米對鎘吸收能力的不同，但研究表明其對稻米鎘吸收系數(shù)的影響能力遠(yuǎn)小于pH。李志博，李野等采用線性逐步回歸技術(shù)，以pH、有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地等為自變量，分別預(yù)測浙江富陽、太湖流域稻米對鎘的吸收，結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)對稻米吸收鎘影響并不顯著，無法納入方程中[6，26]。筆者采用逐步線性回歸技術(shù)構(gòu)建湖南益陽稻米吸收鎘的多元回歸模型，模型形式如下：

Crice_Cd=1.776-0.244pHsoil+0.881Csoil_Cd-0.007Csoil_SOM。

土壤pH、土壤重金屬Cd含量及土壤有機(jī)質(zhì)三參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)值分別為-0.569、0.452、-0.182，可見pH對稻米鎘吸收能力的影響是SOM影響度的3.12倍。這與王維[4]構(gòu)建的江西省稻米吸收稻的模型結(jié)果基本一致。湖南益陽、湘潭，浙江嘉興，紹興，湖北大冶土壤有機(jī)質(zhì)平均含量分別為（4.30±0.95）%、（3.70±0.91）%、（3.02±0.74）%、（2.50±0.90）%、（3.04±0.75）%。單因素方差分析結(jié)果表明，湖南益陽土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他4個地區(qū)（P<0.01），但湖南益陽稻米鎘吸收系數(shù)卻明顯高于其他區(qū)域，這進(jìn)一步說明有機(jī)質(zhì)對稻米吸收鎘的影響要遠(yuǎn)小于土壤pH。

質(zhì)地也是影響稻米吸收鎘的因素之一。筆者以采樣區(qū)質(zhì)地變化較大的湖南湘潭為例，分析質(zhì)地對稻米吸收鎘的影響，以pH每變化0.5個單位為一個分割單元，粘土及粉砂壤土對稻米鎘吸收系數(shù)的影響見圖4?？梢?，在不同質(zhì)地條件下稻米鎘吸收系數(shù)雖有一定的變化，但差異性不顯著，其P值分別為0.74、0.54、0.20、0.30。李野等對太湖流域（包括該研究的浙江嘉興地區(qū)）水稻吸收鎘多元回歸分析結(jié)果表明，土壤粘粒含量對稻米吸收鎘總體為正效應(yīng)，其影響能力為pH的1/5[26]。

圖4不同pH條件下湖南湘潭地區(qū)土壤質(zhì)地對稻米鎘吸收系數(shù)的影響

除以上幾個因素會對稻米吸收鎘產(chǎn)生影響外，土壤Zn含量也是影響水稻鎘吸收系數(shù)的重要因素[28]。Zn與Cd是同族元素，具有相同的核外電子構(gòu)型，化學(xué)性質(zhì)極為相似，二者可以競爭根細(xì)胞膜表面的吸收位點(diǎn)，以相同方式被植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)。因此Zn對植物吸收鎘起到很好拮抗作用，抑制植物對鎘的吸收。研究證實(shí)，提高Zn肥用量，明顯抑制鎘在植物根系及植物體內(nèi)運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)，減少植物對鎘吸收[29]。筆者分別計(jì)算了湖南益陽、湘潭，四川什邡，湖北大冶，浙江紹興、嘉興等地區(qū)土壤及稻米的Zn/Cd比，結(jié)果見圖5?？梢姷久祖k吸收系數(shù)較高的3個區(qū)域，土壤Zn/Cd比較低，且稻米Zn/Cd比小于土壤Zn/Cd比；而稻米鎘吸收系數(shù)較低的3個區(qū)域如湖北大治、浙江紹興及嘉興等，土壤Zn/Cd比往往較高，且稻米Zn/Cd比大于土壤Zn/Cd比。這可能是造成在相同pH條件下湖南益陽、湘潭及四川什邡等地區(qū)稻米吸收鎘較其他區(qū)域偏高的重要原因之一。

圖5不同區(qū)域土壤及稻米Zn/Cd的差異性

43卷16期

潘 楊等南方稻區(qū)土壤pH變化對稻米吸收鎘的影響

3結(jié)論

該研究重點(diǎn)探討了土壤pH在不同區(qū)域?qū)Φ久孜真k的影響，并分析了相同pH條件下稻米鎘吸收系數(shù)的差異性，結(jié)果表明，土壤pH變化對稻米鎘吸收系數(shù)有顯著影響。水稻基因型差異性、土壤有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地等都會對稻米鎘吸收系數(shù)產(chǎn)生影響，但影響程度要遠(yuǎn)低于pH對其的影響，土壤Zn/Cd比也是影響水稻吸收鎘的重要因素，當(dāng)?shù)久譠n/Cd比大于土壤Zn/Cd比時，稻米鎘吸收系數(shù)會明顯下降。

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