范 健， 廖啟林， 許宏銘， 任靜華， 常 青， 朱伯萬(wàn)， 李 明

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018)

稻米與小麥吸收土壤重金屬的基本特征

范 健， 廖啟林， 許宏銘， 任靜華， 常 青， 朱伯萬(wàn)， 李 明

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018)

防治土壤重金屬污染已成為提升耕地質(zhì)量、保護(hù)國(guó)土生態(tài)安全的重要工作。利用江蘇生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)所積累的有關(guān)重金屬分布資料，探討了江蘇相關(guān)地區(qū)稻米、小麥吸收土壤Cd等重金屬的基本特征。研究結(jié)果顯示：稻米、小麥吸收土壤環(huán)境中不同重金屬的能力有較大差異，土壤中積累的Zn、Cd相對(duì)最容易為稻米、小麥所吸收，小麥吸收土壤Cd、Cu、Zn的能力相對(duì)更強(qiáng)，稻米吸收土壤Hg、As的能力相對(duì)更強(qiáng)，而小麥與稻米吸收土壤Pb、Cr的能力無(wú)顯著差異；土壤Cd含量增加、酸堿度下降等都是促進(jìn)稻米、小麥吸收土壤Cd的重要因素；江蘇局部地區(qū)稻米、小麥樣品Cd等重金屬含量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，與局地土壤重金屬污染程度加劇呈正相關(guān)。

稻米；小麥；土壤；重金屬污染；江蘇

0 引 言

重金屬污染是諸多學(xué)科十分關(guān)注的問題，包括環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)、地球化學(xué)、土壤學(xué)等都在探討重金屬污染及其防治問題(陳懷滿，2002；胡星明等，2008；息朝莊等，2008；余濤等，2008；廖啟林等，2009，2012；沈洽金等，2011；郝社鋒等，2012；管后春等，2013)。防治土壤重金屬污染是當(dāng)今生態(tài)環(huán)境保護(hù)與土地資源安全利用等必須重點(diǎn)研究的課題。

江蘇是全國(guó)最先結(jié)束1∶25萬(wàn)多目標(biāo)區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查的省區(qū)，還在局部地區(qū)開展了相關(guān)生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)工作，積累了相對(duì)豐富的土壤等元素地球化學(xué)資料(廖啟林等，2005，2009，2011，2013，2015； 楊柳等，2015；Huang et al.，2007；Liao et al.，2015)。

以最近收集的江蘇典型地區(qū)的水稻、小麥籽粒及其耕層土樣品的元素含量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，擬對(duì)稻米與小麥吸收土壤重金屬的相關(guān)特征進(jìn)行探討，期望能為耕地重金屬污染防治與質(zhì)量提高等提供研究線索，促進(jìn)江蘇生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查成果能被更好地開發(fā)與應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

本次研究涉及江蘇多個(gè)地市，蘇南、蘇中、蘇北均有代表，不同地點(diǎn)采樣時(shí)間不完全相同。江蘇在地理位置上處于南北過渡區(qū)域，自北向南被劃分為7個(gè)大的地貌單元，依次為沂沭丘陵平原、徐淮黃泛平原、蘇北濱海平原、里下河洼地、寧鎮(zhèn)丘崗、長(zhǎng)江三角洲平原和太湖水網(wǎng)平原。就經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平而言，江蘇屬于我國(guó)東部沿海經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，人口密集、國(guó)土資源開發(fā)利用程度高、耕地資源極其珍貴、面臨的資源與環(huán)境壓力較大。江蘇土壤類型豐富，全省目前分布的土壤種類包括16個(gè)土類、44個(gè)亞類、90多個(gè)土屬和210多個(gè)土種，16個(gè)土類分別是紅壤、黃棕壤、黃褐土、棕壤、褐土、紅黏土、沖積土、石灰土、火山灰土、紫色土、粗骨土、砂姜黑土、潮土、沼澤土、濱海鹽土、水稻土。蘇北主要以潮土偏多，蘇南主要以水稻土偏多，沿海地區(qū)分布有大量濱海鹽土。江蘇耕地存在局地重金屬污染、且部分耕地重金屬污染已經(jīng)威脅到糧食生產(chǎn)安全，這點(diǎn)前人研究已經(jīng)證實(shí)(廖啟林等，2009；Liao et al.，2015)。

2 主要研究方法

2.1 樣品采集

依據(jù)江蘇境內(nèi)主要稻谷、小麥產(chǎn)地種植情況，結(jié)合全省地表土壤元素含量分布特征，選擇典型地區(qū)部署采樣點(diǎn)，在收割季節(jié)采取水稻(或小麥)籽實(shí)-土壤配套樣品，土壤與水稻(或小麥)籽實(shí)樣點(diǎn)按照控制田塊一一對(duì)應(yīng)。

土壤用竹簽或?qū)Ｓ脽o(wú)污染采樣工具采集計(jì)劃控制區(qū)域內(nèi)0～20 cm深度的表土，依據(jù)田塊形狀隨機(jī)采集5個(gè)散點(diǎn)、每個(gè)散點(diǎn)取土200 g，1個(gè)樣點(diǎn)采集1 000 g土壤組成1個(gè)樣品，各散點(diǎn)所取土壤屬性一致，不同樣點(diǎn)之間的距離一般大于200 m，同一樣點(diǎn)中各散點(diǎn)的間隔最小不得低于10 m。1個(gè)樣點(diǎn)控制1個(gè)田塊，整個(gè)采樣過程嚴(yán)禁任何污染、盡量避免偶然因素的干擾。

水稻籽實(shí)用專用剪刀截取整株谷穗，裝于專門網(wǎng)兜，由若干株谷穗組成1個(gè)樣品(散點(diǎn)采樣范圍與土壤相同)，保證每個(gè)樣品脫粒、去皮后糙米質(zhì)量不得低于300 g，在固定點(diǎn)進(jìn)行脫粒和晾曬。小麥籽實(shí)采樣方法基本類似，用專用剪刀采集麥穗，統(tǒng)一將麥穗放置在自封口塑料袋中，并隨時(shí)進(jìn)行晾曬。谷籽與麥籽都盡量采集飽滿顆粒，同一個(gè)樣品必須是同一田塊、同一品種。

實(shí)地采樣全部用GPS現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)，用統(tǒng)一的記錄卡對(duì)采樣過程、樣點(diǎn)背景、樣品特性等進(jìn)行規(guī)范化記錄。為保證采樣質(zhì)量，插入約2%的重復(fù)采樣。

2.2 樣品加工與分析測(cè)試

土壤樣自然晾干，過0.85 mm尼龍篩、然后均勻縮分取200 g送分析，做元素含量分析樣品預(yù)處理前在石英瑪瑙瓶中磨細(xì)至0.075 mm以下。正常情況采用土壤樣品全部過篩并妥善保存，送分析之外的樣品作為副樣長(zhǎng)期保留。

谷籽樣品脫粒后，自然晾干，去皮前先用自來水清洗2遍，再用純凈水清洗1遍，最后曬干后用專用設(shè)備去皮，每個(gè)樣均勻分取200 g精米送分析。分析之前先用專用設(shè)備磨細(xì)至0.075 mm左右，然后按標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行溶樣、預(yù)處理和分析測(cè)試。麥籽樣品脫粒后，清水洗2遍、自然晾干，盡量磨成面粉，每個(gè)樣均勻分取200 g麥?；蛎娣鬯头治?。為保證分析質(zhì)量，插入5%的密碼樣和2%的國(guó)家標(biāo)樣進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。

2.3 數(shù)據(jù)處理與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以歷次調(diào)查所獲取的大量水稻籽粒(稻米)-耕層土、小麥(面粉)-耕層土樣品元素含量等分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)各類樣本的基本地球化學(xué)參數(shù)，提煉稻米與小麥吸收土壤重金屬的有用信息，并依據(jù)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及食品安全安全標(biāo)準(zhǔn)等，對(duì)耕地土壤重金屬污染狀況、大米與小麥等糧食樣品重金屬超標(biāo)情況等進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。

3 典型地區(qū)水稻與小麥重金屬分布特征

3.1 相關(guān)樣品的重金屬含量分布特征

不同重金屬元素在稻米、小麥及其耕層土的分布特點(diǎn)不盡一致。表1、表2分別列出了近10年來江蘇局部地區(qū)稻米及其耕層土、小麥及其耕層土樣點(diǎn)的重金屬分布等調(diào)查結(jié)果。對(duì)比上述二表中的有關(guān)信息、結(jié)合以往掌握的相關(guān)資料，對(duì)江蘇有關(guān)地區(qū)稻米-耕層土與小麥-耕層土的重金屬分布特點(diǎn)得出以下認(rèn)識(shí)。

(1) 不同地區(qū)的耕層土中，Cd、Hg、Pb、Zn、Cu、As等分布存在一定差異?？傮w趨勢(shì)是同一地區(qū)水稻耕層土與小麥耕層土的重金屬含量基本一致，稻、麥輪種對(duì)耕層土本身的重金屬分布影響不大。蘇南耕層土的Cd、Hg含量總體高于蘇北地區(qū)，而蘇北地區(qū)耕層土的As含量總體高于蘇南。全省耕層土的酸堿度(pH值)分布也存在明顯的南北差異，總體趨勢(shì)是蘇北土壤普遍偏堿性、蘇南土壤相對(duì)偏酸性。前人研究結(jié)果已經(jīng)表明，酸性土壤環(huán)境可以促進(jìn)稻米等吸收土壤中的Cd等重金屬，堿性土壤環(huán)境可以刺激稻米、小麥等吸收土壤中的As。

不難推斷，江蘇水稻、小麥出現(xiàn)Cd污染的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)應(yīng)主要集中在南部地區(qū)，而出現(xiàn)As污染的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)應(yīng)主要集中在蘇北地區(qū)。導(dǎo)致不同地區(qū)耕層土重金屬分布出現(xiàn)差異的原因比較復(fù)雜，有成土母質(zhì)不同等地質(zhì)背景的因素，也有人為活動(dòng)造成的局部地表土壤重金屬再分配等因素。

表1 江蘇典型地區(qū)稻米-耕層土樣品部分重金屬元素含量分析結(jié)果Table 1 Analytical results of some heavy metals in rice and its topsoil from typical areas in Jiangsu Province

注：含量單位為g/t。Pj002—Pj073樣采自揚(yáng)州江都，采樣時(shí)間2004年；Pj085—Pj090樣采自泰州興化，采樣時(shí)間2004年；Pj501—Pj549樣采自徐州豐縣、銅山、睢寧等地，采樣時(shí)間2004年；Pj561—Pj582樣采自淮安楚州，采樣時(shí)間2004年；Pj596樣采自連云港東海，采樣時(shí)間2004年；Pj605樣采自蘇州昆山，采樣時(shí)間2004年；JA、JB編號(hào)的樣品采自無(wú)錫宜興，采樣時(shí)間2014年；JC、JD編號(hào)的樣品采自蘇州太倉(cāng)，采樣時(shí)間2014年

注：含量單位為g/t。SPJ008—SPJ035樣采自徐州沛縣、銅山、睢寧等地，采樣時(shí)間2005年；SPJ218—SPJ221樣采自連云港灌云、東海等地，采樣時(shí)間2005年；SPJ230—SPJ236樣采自淮安楚州、漣水等地，采樣時(shí)間2005年；SPJ403—SPJ530樣采自揚(yáng)州江都，采樣時(shí)間2005年；SPJ602—SPJ618樣采自蘇州太倉(cāng)、常熟等地，采樣時(shí)間2005年；15W16—15W61編號(hào)的樣品采自無(wú)錫宜興，采樣時(shí)間2015年；15W71—15W86編號(hào)的樣品采自泰州高港，采樣時(shí)間2015年

(2) 相比土壤的重金屬含量而言，不論是水稻還是小麥，其農(nóng)產(chǎn)品的重金屬含量都明顯低于其耕層土中的重金屬含量，不同地區(qū)如此，不同的重金屬元素也基本如此。例如，全省稻米、小麥中的Hg含量極少超過0.02 mg/kg，而全省耕層土樣點(diǎn)(不論小麥還是水稻)的Hg含量卻極少低于0.02 mg/kg；又如，全省稻米、小麥中的Pb含量還未發(fā)現(xiàn)大于2 mg/kg者，而全省耕層土樣點(diǎn)(不論小麥還是水稻)的Pb含量也沒發(fā)現(xiàn)低于10 mg/kg者。與此相似，耕層土中的Cd、Zn、Cu、As含量普遍高于其稻米、小麥籽粒的含量。相比而言，Cd、Zn 2種重金屬在耕層土、稻米或小麥之間的含量差異相對(duì)小一些，一般無(wú)數(shù)量級(jí)的差異。

(3) 稻米與小麥相比，在土壤重金屬含量相對(duì)正常的情況下(例如無(wú)明顯污染等)，兩者重金屬含量總體比較接近，指示稻米與小麥從土壤中吸收重金屬的能力并無(wú)本質(zhì)性差異。例如，對(duì)江蘇2004年調(diào)查的284組稻米分析數(shù)據(jù)及2005年調(diào)查的254組小麥分析數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，稻米樣品的Cd、Hg、Pb、Zn、Cu、As、Cr平均含量依次為0.016、0.008 6、0.16、16.9、3.40、0.12、0.28 mg/kg，小麥樣品的Cd、Hg、Pb、Zn、Cu、As、Cr平均含量依次為0.015、0.008 5、0.16、16.2、3.30、0.12、0.27 mg/kg，顯示上述7種重金屬元素在稻米與小麥樣品中的平均含量非常接近或一致。

但就鎘污染耕地而言，小麥中的Cd含量有高于稻米Cd含量的趨勢(shì)，例如，2011年針對(duì)某鎘污染耕地采樣分析，發(fā)現(xiàn)其稻米Cd含量為0.16～1.68 mg/kg、平均值0.45 mg/kg；2012年針對(duì)同一片耕地進(jìn)行小麥采樣分析，發(fā)現(xiàn)其小麥Cd含量為0.18～3.26 mg/kg、平均值0.68 mg/kg。

另外，到目前為止，江蘇境內(nèi)抽檢到的稻米Cd含量最高未超過2.0 mg/kg，而已經(jīng)抽檢到的小麥Cd含量最高已達(dá)到3.28 mg/kg，均指示鎘污染耕地中的小麥Cd含量高于稻米。

(4) 不同年代的樣品相比，不論是耕層土、還是稻米與小麥等農(nóng)產(chǎn)品，都存在Cd逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。蘇錫常地區(qū)2004年農(nóng)田土壤Cd平均含量為0.15 mg/kg，2010年為0.23 mg/kg，2015年為0.26 mg/kg；與此相對(duì)應(yīng)的是，蘇錫常地區(qū)農(nóng)田土壤中的Hg、Se平均含量也有不同幅度增長(zhǎng)，如2004年Hg平均含量為0.14 mg/kg，2010年為0.20 mg/kg，2015年為0.30 mg/kg，均指示農(nóng)田土壤的部分重金屬有增長(zhǎng)趨勢(shì)。

局部地區(qū)土壤重金屬緩慢增長(zhǎng)的同時(shí)，稻米與小麥的重金屬含量也呈現(xiàn)一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：① 平均含量與最高含量都在增加，如2005年之前抽檢的稻米與小麥樣品中，Cd平均含量一般不超過0.02 mg/kg，最高含量一般不超過1.0 mg/kg，但2010年以后抽檢的稻米與小麥樣品中，Cd平均含量超過0.03 mg/kg，最高含量超過1.5 mg/kg；② 農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)比例在不斷增加，2005年之前抽檢的稻米與小麥樣品中，Cd超標(biāo)率很少超過10%，而2010年之后抽檢的稻米與小麥樣品中Cd超標(biāo)率全部在10%以上，最高達(dá)20%以上。

(5) 部分污染耕地農(nóng)產(chǎn)品抽檢結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。凡是存在稻米Cd超標(biāo)的地區(qū)，只要種植小麥，都能抽檢到小麥Cd超標(biāo)，通常小麥超標(biāo)比例高于稻米。同一污染區(qū)不同年代采樣分析的結(jié)果都具有較好的重現(xiàn)性并保持相對(duì)穩(wěn)定。如太湖邊某一片Cd等重金屬污染耕地，自2005年以來已經(jīng)抽檢過4次，每次采樣分析結(jié)果都相當(dāng)接近，其土壤的Cd含量大多超過1.5 mg/kg、超標(biāo)率接近100%；而其稻米的Cd含量絕大部分超過0.2 mg/kg、小麥的Cd含量絕大部分超過0.1 mg/kg，超標(biāo)率也接近100%，稻米與小麥的Cd最大超標(biāo)倍數(shù)都在5以上，指示局部地區(qū)重金屬污染已嚴(yán)重威脅到稻米、小麥等糧食生產(chǎn)安全，防治重金屬污染、修復(fù)局地污染耕地已經(jīng)迫在眉睫。

不同重金屬元素的生態(tài)地球化學(xué)習(xí)性不盡相同，對(duì)稻米、小麥的威脅程度也不完全一致。目前需要重點(diǎn)防治的應(yīng)該是重金屬Cd污染。

3.2 元素生物富集系數(shù)(BCF)分布特征

水稻、小麥籽實(shí)的元素生物富集系數(shù)(Bioconcentration Factor，BCF)是水稻、小麥籽粒的元素含量與該元素在所對(duì)應(yīng)的耕作層土壤中含量的比值，表示為：

BCF=水稻、小麥籽實(shí)中的元素含量/土壤中的元素含量

(1)

重金屬的生物富集系數(shù)反映了重金屬元素吸收土壤重金屬能力的差異，表3列出了江蘇典型地區(qū)部分重金屬元素的水稻與小麥籽實(shí)的BCF值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，顯示出下列特征。

注：質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位為%。表中N為參加統(tǒng)計(jì)樣品數(shù)，min為BCF最小值, max為BCF最大值,X為BCF算術(shù)平均值, 80%以上樣值域?yàn)樘蕹罡?0%與最低10%樣品后剩余80%樣品的BCF值分布范圍

(1) 水稻籽實(shí)中Cd、Cu、Zn、K、Mg等元素的BCF值一般大于10%，以Zn的生物富集能力相對(duì)最強(qiáng)，其平均BCF值達(dá)到21.75%,最小值也在3.2%以上；而Pb、Cr、Fe等元素BCF值一般小于1%，Hg、As、Ca等元素的BCF值一般介于1%～10%之間。按照參加統(tǒng)計(jì)樣品的各元素BCF平均值排序，從大到小依次為Zn>Mg>Cd>Cu>K>Hg>Ca>As>Cr>Pb>Fe。在通常所關(guān)注的重金屬中，水稻籽實(shí)從土壤中吸收Pb的能力相對(duì)最弱。

(2) 小麥籽實(shí)中，Zn的生物富集能力亦相對(duì)最強(qiáng)，平均BCF值達(dá)到37.52%、最低也達(dá)到7.91%，不同重金屬等元素的平均BCF值從大到小排序?yàn)椋篫n>Cd>Cu>K >Mg>Ca >Hg>Cr>Pb>As>Fe。Zn最前、Fe最后，將K、Ca、Mg常量元素剔除后，除As位置略有變動(dòng)，其他重金屬的BCF值基本一致。

(3) 各重金屬元素在水稻與小麥籽實(shí)中的BCF值分布沒發(fā)現(xiàn)數(shù)量級(jí)上的差異，但不同重金屬元素不論是水稻籽實(shí)還是小麥籽實(shí)，BCF值均有較大差別，最高可以相差100倍以上。

(4) 小麥籽實(shí)與水稻籽實(shí)相比，不同重金屬的BCF值分布具有一定的差異，以平均BCF值為參比依據(jù)，Cd、Cu、Zn更傾向在小麥籽粒中富集，Hg、As則更傾向在水稻籽粒中富集，而Pb、Cr在小麥與水稻籽粒中的BCF值分布差異不大。小麥籽粒的Cd重金屬BCF值普遍高于水稻籽粒，證實(shí)小麥從土壤中吸收Cd的能力一般強(qiáng)于水稻。

4 結(jié)果與討論

不同重金屬元素在稻米-耕層土、小麥-耕層土的分布特點(diǎn)與表現(xiàn)行為不完全一樣，稻米與小麥從土壤中吸收不同重金屬元素的特點(diǎn)與能力也不盡相同。目前，江蘇境內(nèi)已經(jīng)多次抽檢到稻米、小麥存在Cd等重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，也存在少量的Pb、Cr、Ni、Zn等超標(biāo)現(xiàn)象，但總體來看還是以稻米、小麥的Cd超標(biāo)問題最為突出。

從前人相關(guān)研究來看，土壤Cd含量、酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量、氧化還原電位、陽(yáng)離子交換量(CEC)、礦物組成特別是鐵錳氧化物含量、微量元素的拮抗作用等都是控制稻米、小麥吸收土壤中Cd的重要地球化學(xué)因素(趙雄等，2009；張紅振等，2010；葉新新等，2012；居學(xué)海等，2014；Zhao et al.，2010)。在上述諸多地球化學(xué)因素中，對(duì)土壤Cd含量與酸堿度探討得最多，但認(rèn)識(shí)也未完全統(tǒng)一(Wong et al.，2002；Zhao et al.，2010)。

就土壤Cd含量而言，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為農(nóng)產(chǎn)品(以稻米、小麥等糧食產(chǎn)品為主)中的Cd與土壤Cd含量有密切聯(lián)系，但在土壤Cd的存在形態(tài)上有分歧：有一部分觀點(diǎn)認(rèn)為稻米、小麥吸收土壤Cd主要受土壤中Cd的生物有效量(即Cd的生物可利用含量)控制，而與土壤Cd全量(總量)無(wú)關(guān)，這種觀點(diǎn)曾一度相當(dāng)盛行；還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為稻米、小麥吸收土壤Cd即受土壤Cd的全量控制，也受土壤Cd的生物有效量控制；甚至有人認(rèn)為土壤中的Cd絕大部分都屬于生物可吸收Cd，用土壤中的Cd全量來預(yù)測(cè)農(nóng)產(chǎn)品的安全應(yīng)該更加實(shí)用。至于土壤pH值是控制稻米、小麥吸收土壤Cd的重要地球化學(xué)因素的結(jié)論持異議的不多，但在土壤酸化的成因上也有不同的認(rèn)識(shí)。

圖1展示了江蘇典型地區(qū)稻米、小麥Cd含量與其耕層土Cd含量(全量)、pH的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土壤Cd含量、pH控制稻米和小麥吸收土壤Cd提供部分新的證據(jù)。

圖1 江蘇典型地區(qū)水稻和小麥籽粒中Cd與土壤Cd、pH值相關(guān)性分析結(jié)果Fig.1 Correlation between Cd concentration of rice or wheat seeds and Cd concentration or pH value in the farmland topsoil from typical areas in Jiangsu

圖1顯示，在土壤酸性背景下，水稻與小麥籽粒的Cd與耕層土的全量Cd呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)>0.7；同樣，江蘇典型地區(qū)水稻籽粒Cd含量-耕層土pH值、小麥籽粒Cd含量-耕層土pH值的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，當(dāng)土壤Cd含量<0.2 mg/kg、土壤OM=2.5%～6.5%時(shí)，水稻與小麥籽粒的Cd與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)小于-0.5。這證實(shí)了耕層土Cd含量、pH值的確是控制稻谷、小麥等農(nóng)產(chǎn)品從土壤吸收Cd的重要地球化學(xué)因素，而且土壤Cd全量增加越明顯，越能刺激稻米、小麥從土壤中吸收更多的Cd；土壤pH值下降越明顯(即土壤酸化越強(qiáng)烈)，越能刺激稻米、小麥從土壤中吸收更多的Cd，說明控制土壤Cd總量、防治土壤酸化不失為調(diào)控稻米、小麥Cd超標(biāo)的有效手段。

除了土壤Cd含量、pH值等地球化學(xué)要素能控制稻米、小麥吸收土壤Cd外，本次研究還發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量、微量元素含量(如Zn、Se等)地球化學(xué)指標(biāo)也能在一定程度上控制稻米、小麥吸收土壤Cd，但不是簡(jiǎn)單的線性相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)質(zhì)控制稻米吸收土壤Cd可以表現(xiàn)為促進(jìn)與抑制2種截然相反的效果：在土壤Cd含量偏高的環(huán)境下，增加土壤有機(jī)質(zhì)可以抑制稻米吸收土壤中的Cd；在土壤Cd含量偏低的環(huán)境下，增加土壤有機(jī)質(zhì)可以促進(jìn)稻米吸收土壤中的Cd，說明增加土壤有機(jī)質(zhì)控制稻米吸收土壤Cd必須因地制宜。微量元素Zn與Cd具有相似的元素地球化學(xué)習(xí)性，在內(nèi)生金屬成礦中Cd是Zn的最主要伴生元素，這一特點(diǎn)在土壤-稻米等農(nóng)產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)中即表現(xiàn)為Cd、Zn在耕層土與稻米或小麥中的分布有一定的共消長(zhǎng)關(guān)系。本次研究發(fā)現(xiàn)了這方面的新證據(jù)，即刺激稻米(或小麥)吸收Cd的同時(shí)，也能刺激稻米吸收更多的Zn。Se能控制稻米等吸收土壤Cd，以前也有過研究(鄭淑華等，2014；廖啟林等，2015)，但證據(jù)不充分，在土壤Cd含量偏高的情況下，增加土壤Se含量能抑制稻米吸收土壤Cd，說明開發(fā)富硒耕地資源有可能防治耕地Cd污染。

對(duì)比上述稻米、小麥吸收土壤重金屬的能力差異，發(fā)現(xiàn)小麥吸收土壤Cd的能力明顯強(qiáng)于稻米，這與以往的有關(guān)研究成果有所不同。原因在于兩者所處的氧化還原環(huán)境不同：水稻處于還原環(huán)境下，根系土的Cd、Zn等離子多與S2-結(jié)合沉淀固化；而小麥處于氧化環(huán)境下，根部分泌物溶液有利于吸收Cd、Zn等離子，導(dǎo)致稻米與麥籽吸收Cd的能力表現(xiàn)出較大差異。利用這一特征，可為今后防治耕地Cd等重金屬污染提供重要手段或依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1) 不同重金屬元素在稻米-耕層土、小麥-耕層土之間的分布特點(diǎn)與生態(tài)地球化學(xué)行為有一定的差異，稻米、小麥吸收土壤Cd、Hg、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni、As等不同重金屬元素的能力有明顯差別。土壤中的重金屬元素含量總體遠(yuǎn)高于稻米、小麥中的重金屬含量，表明土壤中殘留的毒害重金屬能被稻米、小麥所吸收的只是其中一小部分。相比而言，土壤中的Zn、Cd相對(duì)更容易為稻米、小麥所吸收，而Pb、As、Cr則相對(duì)較難為稻米、小麥所吸收。

(2) 稻米與小麥相比，二者吸收土壤重金屬的能力有一定的差異。稻米與小麥都有較強(qiáng)的吸收土壤Cd的能力，但相比而言，小麥吸收土壤Cd的能力強(qiáng)于水稻。以各重金屬元素平均生物富集系數(shù)為參比依據(jù)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)小麥吸收土壤中Cd、Cu、Zn的能力相對(duì)更強(qiáng)，稻米吸收土壤中Hg、As的能力相對(duì)更強(qiáng)，小麥與稻米吸收土壤中Pb、Cr的能力接近。

(3) 土壤Cd含量與酸堿度是控制稻米、小麥吸收土壤Cd的基本地球化學(xué)因素或指標(biāo)。土壤Cd含量增加、酸堿度降低都能促進(jìn)或刺激稻米與小麥吸收土壤中更多的Cd，降低土壤Cd含量、增加土壤pH值是防治耕地Cd污染的重要有效舉措。

(4) 江蘇局部地區(qū)耕地所殘留或累積的Cd等重金屬已經(jīng)威脅到稻米、小麥等糧食生態(tài)安全，局部地區(qū)抽檢到的稻米、小麥Cd等重金屬超標(biāo)現(xiàn)象有加重趨勢(shì)。不論是稻米、小麥中的Cd最高含量，還是稻米、小麥中的Cd超標(biāo)比例都呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，與局部地區(qū)耕地土壤Cd等重金屬污染強(qiáng)度升高、范圍擴(kuò)大有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這說明最近一個(gè)時(shí)期，江蘇局部地區(qū)重金屬污染的來源并沒有真正切斷，防治耕地重金屬污染的措施還未全部到位。除Cd外，江蘇水稻與小麥籽粒樣品中還存在少許Pb、Cu、Cr、Ni等重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，預(yù)示防治耕地重金屬污染的難度與迫切性都在增大。

致 謝：

本次研究工作得到了江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院、特別是該院測(cè)試所有關(guān)專家的大力支持與熱心指導(dǎo)，許偉偉、吳新民、湯志云、華明、金洋、汪媛媛、崔曉丹、李文博、翁志華等參與了相關(guān)研究工作并提供了具體幫助，謹(jǐn)一并致誠(chéng)謝忱！

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General characteristics of heavy metals absorbed by rice and wheat seeds within topsoil of farmland

FAN Jian, LIAO Qilin, XU Hongming, REN Jinghua, CHANG Qing, ZHU Baiwan, LI Ming

(Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, Jiangsu, China)

Heavy metal pollution of soil is closely related with life health, food safety and eco-security. It is thus an important task to prevent and control heavy metal pollution for raising farmland quality and protecting soil environment in today's land administration. This work analyzed the general characteristics of heavy metals (such as Cd) absorbed by rice and wheat seeds in topsoil of Jiangsu Province based on distributive features of heavy metals obtained during eco-geochemical survey. The result shows that: (1) the rice or wheat seed's ability to absorb different heavy metals shows obvious difference, and their absorption of Zn and Cd is the easiest from the farmland topsoil; (2) there is more powerful absorption ability of Cd, Cu and Zn in wheat, stronger absorbing ability of Hg and As in rice, and similar absorption of Pb and Cr between rice and wheat; (3) Cd concentration and pH in soil are basic controlling factors for the absorption of Cd within rice or wheat; if Cd concentration is becoming higher or pH lower in soil, more Cd is being absorbed by rice or wheat seed; (4) there is an increasing trend of the Cd content contained in rice and wheat in some local areas of Jiangsu Province, which is positively related with the growing heavy metal pollution of local soil. It is necessary and significant to treat those farmlands contaminated by heavy metals as soon as possible.

rice; wheat; soil; heavy metal pollution; Jiangsu Province

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.701

2015-12-10；

2016-01-22；編輯：陳露

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201511082-04)

范健(1967— ),男，工程師，地球化學(xué)專業(yè)，主要從事耕地污染防治研究工作，E-mail: 1374969335@qq.com

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A

1674-3636(2016)04-0701-09