全 文 ：感耦等离子体发射光谱法研究土壤铁芒萁系统中
稀土元素的分布、累积和迁移特征*
魏正贵* * 宛寿康 张 巽 洪法水 赵贵文 (中国科学技术大学, 合肥 230026)
陶 冶 汪振立 谢先求 (中国科学院高能物理研究所,北京 100039)
摘要 用感耦等离子体发射光谱法( ICPAES)测定了江西赣南地区非稀土矿区和 4 处不同稀土矿区内, 土壤
铁芒萁系统中 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Yb 和 Y 的含量, 并对其在土壤剖面层及铁芒萁植物体内的分布、迁
移特征进行了研究. 结果表明,土壤剖面层的底土层含量最高, 但表土层铈相对富集. 稀土元素总量 ( REE)在
铁芒萁植物体内的分布规律是叶> 根> 茎> 叶柄 ,单一稀土元素的分布规律各异, La、Ce、Pr、Nd 的分布规律表
现为: 叶> 根> 茎> 叶柄; Sm 和 Gd 在不同采样点表现为叶> 根> 茎> 叶柄或根> 叶> 茎> 叶柄; Dy、Yb 和 Y
均有 3 种不同的分布模式: 叶> 根> 茎> 叶柄、根> 叶> 茎> 叶柄及根> 茎> 叶> 叶柄. 稀土元素在铁芒萁体
内的迁移过程中, 发生了明显的分馏作用,茎、叶柄、叶中的重稀土相对贫乏.
关键词 感耦等离子体发射光谱法 稀土元素 土壤 铁芒萁 分布 迁移
文章编号 1001- 9332( 2001) 06- 0863- 04 中图分类号 Q946. 91 文献标识码 A
ICPAES studies on characteristics of distribution, accumulation and transportation of rare earth elements in soilDi
cranopteris dichotoma system.WEI Zhenggui, WAN Shoukang , ZHANG Xun, HONG Fashui, ZHAO Guiwen( Univer
sity of Science and Technology of China, H ef ei 230026) , TAO Ye( I nstitute of H igh Energy Physics, Chinese A cade
my of Sciences, Beij ing 100039) . Chin. J . A pp l . Ecol . , 2001, 12( 6) : 863~ 866.
The contents of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Yb and Y in soils and Dicranop ter is dichotoma collected fr om 4 rare earth
mining areas and 1 nonmining area in south Jiangx i Province were determined using the inductively coupled plasma
atomic emission spectrometry ( ICPAES) method, and the distribution patterns and transport ation characteristics of the
rare earth elements ( REEs) in soil profiles and Dicranop ter is dichotoma tissues were discussed. The results showed
that the REEs contents in the C hor izon the soils were the highest, but Ce was relat ively concentr ated in A hor izon.
The total amount of t he REEs in Dicranop ter is dichotoma tissues w as in order of leaf> root> stem> leaf stalk, but the
distribution patterns of individual REE w ere various, ie. , L a, Ce, Pr and Nd, leaf> root> stem> leaf stalk, Sm and Gd,
leaf> r oot> stem> leaf stalk or root> leaf> stem> leaf stalk, and Dy , Yb and Y, leaf> root> stem> leaf stalk, root>
leaf> stem > leaf stalk, or root > stem> leaf > leaf stalk. The REEs w ere obviously fractionated in their transportion
pro cesses in Dicranop ter is dichotoma tissues and heavy REEs in stems, leaf stalks and leaves of the plant were r elative
ly poo r.
Key words ICPAES, Rare earth elements, Soil, Dicranop teris dichotoma, Distrbution, T ransportation.
* 国家自然科基金资助项目( 29805003和 29271030) .
* * 通讯联系人,现地址:北京大学畅春园 60楼 417,北京 100871.
1999- 05- 28收稿, 2000- 12- 18接受.
1 引 言
20世纪 70年代以来, 稀土大规模应用于我国的
农业生产[ 4] , 大量地进入生态环境系统, 人们开始对
其环境生态效应引起重视[ 2, 9, 13] .迄今为止, 虽然国内
外对重金属的环境生态效应及其机理进行过许多研
究[ 3, 5, 16, 17] ,但稀土元素尚未见报道.
由于植物体和土壤中稀土的含量很低 ( 10- 2~
10
- 4g!g- 1) , 一般的分析方法难以满足测试时所需
的灵敏度和准确度, 尤其是测定单一稀土更为困难.
ICPAES法具有传统分析方法不可比拟的优点,较低
的检测限,灵敏度高和准确度好,并能同时进行多元素
分析, 目前已成为微量稀土元素的有效分析方法之
一[ 14] .
铁芒萁( Dicranop teris dichotoma )为富集稀土元
素的主要植物种类[ 7, 10] , 是研究植物体内稀土含量和
分布、迁移规律的理想材料. 同时, 铁芒萁还是亚热带
酸性土壤的指示植物之一[ 7] ,广泛分布于长江以南亚
热带 1000m 以下的酸性土壤上.因此对其进行稀土的
分布、迁移特征研究,可以为稀土污染生物技术调控的
可能性提供研究资料.
2 研究地区自然概况与研究方法
21 研究地区自然概况
采样点均位于赣南地区, 24∀57#~ 25∀50#N、114∀50#~ 115∀
29#E. 其中, XWS(寻乌县文峰乡石排村)和 DCS(定南县城郊乡
应 用 生 态 学 报 2001 年 12 月 第 12 卷 第 6 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Dec. 2001, 12( 6)∃863~ 866
石头村)为富轻稀土矿区; GHS(赣县韩坊乡水口村)为轻重稀
土矿区; GDS(赣县大田乡十八湾村)为富轻稀土矿区; GS(赣州
市沙河乡)为非稀土矿区. 采样点地层构造均是燕山期花岗岩
为母质发育的酸性土壤,表土层土壤 pH 值 3 92~ 4 82.
22 研究方法
221 样品的采集和制备 土样的采集按照土壤的自然发生
分类, 将完整的土壤剖面从上到下划分为表土层( A 层)、心土
层( B 层)、底土层( C 层)以及成土母岩 ( D 层) . 将土样自然风
干,磨碎,过 100目筛, 混合均匀, 备用. 铁芒萁样采集后, 将根、
茎(为根状茎)、叶柄、叶分开, 并依次以自来水、蒸馏水和去离
子水各冲洗 3 次,在 85% 下烘干后, 磨碎,过 100 目筛, 备用.
222 测定方法 以 HCI/ HNO3/ HClO4 / HF 分解土样,
HNO3/ HClO4 分解铁芒萁样, ICPAES 法测定样品中稀土元素
的含量[ 18, 19] . 土壤可溶态稀土浸提液的制备, 以 10mo l! L- 1
NaAcHAc ( pH4 8) 为提取剂, 采取水土比 1∃5, 室温振荡
30min; 可溶态稀土元素的制备和测定均参照文献[ 1] . 采用
ICP96B型高频等离子体发生器和 PGS&型 2m 光栅摄谱仪改
造成顺序扫描直读光谱仪,其实验参数见文献[ 1] .
3 结果与讨论
31 土壤样品中稀土元素的分布特征
从表 1可以看出, 土壤中稀土元素的含量模式与
其成土母岩中稀土元素的含量模式相似. 不同稀土元
素的丰度在土壤和成土母岩中的相似性, 说明不同稀
土元素的地球化学性质具有一定的相似性. 土壤剖面
不同层位中的稀土元素含量均大于成土母岩,这主要
由成土母岩的盐基在风化形成土壤过程中, 大量淋失
所致.风化壳中的离子相稀土元素解吸附、向下迁移,
在C 层富集. A 层与 B 层各稀土元素的含量相近, A
层略高, 可能与 A 层有较高的有机质含量有关. Ce4+
的水解能力大于其它 3价稀土, 故易于形成沉淀而在
原处保留下来, 最终导致了土壤 A 层 Ce的丰度相对
较高.同时, 由于淋出液中贫 Ce 而导致 B 层、C 层 Ce
的丰度较低, B层、C 层 Ce 含量小于 La 含量, 甚至小
于Nd含量, 这是离子吸附型稀土矿的典型特征[ 11] .
从表 1计算出各种反映稀土元素间分异作用强弱程度
的参数[ 15] ,其中 Ce/ Y 值向表层减小, 这是由于重
稀土(包括 Y)水解能力大于轻稀土, 滞留在表层; La/
Sm 值及 Gd/ Yb值各层差异不大, 说明轻稀土间、重稀
土间在土壤各层迁移过程中基本未发生分异作用.
从表 2可以看出,矿区土壤 A 层中可溶态稀土占
土壤 A 层中稀土全量的 4465% ~ 5196%, 较高; 而
非稀土矿区土壤 A 层中可溶态稀土占土壤 A层中稀
土全量的 1392% ,较低.并且其分布模式,基本反映了
土壤A层中稀土元素全量的分布模式. 可溶态稀土中,
Ce的丰度明显较低,重稀土(包括 Y)相对贫乏,这可能
与Ce及重稀土较难溶解于NaAcHAc提取剂有关.
32 铁芒萁体中稀土元素的分布特征
表3给出了铁芒萁不同部位稀土元素的含量, 可
见铁芒萁体内稀土元素的含量是很高的, 这与文
献[ 8, 10]报道一致.结合铁芒萁在亚热带酸性土壤上的
广泛分布,我们认为利用铁芒萁,有可能达到生物调控
环境中稀土污染的目的.
表 1 土壤样品中稀土元素的含量
Table 1 Contents of rare earth elements in soil samples(g!g- 1)
采样点
S ampling
stat ions
层位
Prof iles
La Ce Pr Nd Sm Gd Dy Yb Y
石排村 XWS A 4842 6099 1409 4181 1340 9688 4947 2341 2170
B 3535 2053 9448 28368 556 4780 3050 1377 1468
C 9696 4245 2148 7913 1307 1191 7717 2884 3856
D 3450 4068 7478 2895 6014 5719 6203 3397 1789
石头村 DCS A 3858 8183 9099 3368 7494 7006 6027 2961 3536
B 2986 2662 7401 2512 5799 5011 4280 1762 2766
C 4416 3461 1027 4013 8621 7304 5431 2093 2048
水口村 GH S A 9989 2732 2424 7792 2203 2170 2009 1585 1668
B 8953 5175 2041 6157 1792 9174 820 54419 5808
十八湾村 GDS A 3501 5099 1284 4988 1780 2286 1974 1789 1705
B 3182 2680 1098 4122 1695 1829 1645 1626 1292
C 1041 4819 3630 1676 4736 4251 3043 2254 2113
D 7735 8407 2432 1109 3672 5833 6288 5096 5028
沙河乡 GS A 1880 5184 4556 1439 2783 2679 1540 1553 9724
表 2 土壤 A层中可溶态稀土元素的含量
Table 2 Contents of soluble rare earth elements in the A layer of the soil profiles(g!g- 1)
采样点
S ampling
stat ions
La Ce Pr Nd Sm Gd Dy Yb Y
石排村 XWS 3177 1564 9296 2436 7791 5434 1780 8411 9823
石头村 DCS 2607 2594 6697 2409 5074 4144 3725 1848 1779
水口村 GH S 5966 7062 1299 4992 1156 1268 1074 8931 8515
十八湾村 GDS 2224 8509 7812 2402 1499 1335 1267 9382 6936
沙河乡 GS 1077 1115 0396 1101 0230 0257 0114 0067 0812
864 应 用 生 态 学 报 12卷
表 3 铁芒萁不同部位稀土元素的含量
Table 3 Contents of rare earth elements in various parts of Dicranopteri s dichotoma (g!g- 1)
采样点
S ampling
stat ions
部位
Part s
La Ce Pr Nd Sm Gd Dy Yb Y
石排村 根 Root 4748 2103 1452 4212 9442 8771 2881 1276 1348
XWS 茎 Stem 1525 6984 4556 1287 3048 2865 1283 3710 4396
叶柄 Leaf stalk 2455 6981 5767 1621 1838 1933 0339 0108 1788
叶 Leaf 6957 2080 1553 4811 5375 4578 5357 1322 2355
石头村 根 Root 3916 4699 7678 2937 5328 4354 4326 2371 2028
DCS 茎 Stem 1182 1301 2503 1064 1721 8535 6941 5915 5394
叶柄 Leaf stalk 2377 3023 4894 2068 3417 1805 1436 1096 4981
叶 Leaf 6019 6904 1015 4147 7043 6133 2040 3010 1190
水口村 根 Root 2069 2438 4324 1373 2547 3290 3070 2608 2322
GHS 茎 Stem 7209 6912 1223 6737 7155 5957 5629 2546 6095
叶柄 Leaf stalk 1755 2106 3156 1367 1864 1579 1317 0606 6744叶 Leaf 3574 4326 6918 2566 4180 3759 2714 1385 1166
十八湾村 根 Root 1520 4992 5916 1729 1011 9499 7748 6708 4607
GDS 茎 Stem 6396 1368 1531 5720 2356 1777 1976 1284 1521
叶柄 Leaf stalk 1797 5656 3242 1300 4787 3422 1905 0753 9251
叶 Leaf 2053 6680 7341 2766 8391 5509 2641 1003 1304
沙河乡 根 Root 9242 9882 2976 8670 2021 2227 1085 0598 6551
GS 茎 Stem 7990 8685 2243 5057 1291 1442 0251 0096 1296
叶柄 Leaf stalk 3550 4108 1098 2826 0448 0654 0104 0051 0649
叶 Leaf 8443 8904 2541 7829 1484 1233 2481 0854 7752
铁芒萁体内稀土元素总量的分布规律是: 叶> 根
> 茎> 叶柄.茎和叶柄中稀土元素的含量较低,可能与
茎和叶柄主要作用是输送有关. 根和叶是植物物质生
产和光能利用的主要部位,铁芒萁根和叶中稀土元素
的含量较高,说明稀土元素有可能参与了铁芒萁的物
质生产和光能利用过程, 一些研究成果已初步表明了
这一点[ 6, 15] . 由表 3可以还看出,铁芒萁体内各单一稀
土元素的分布规律是不同的,对于 La、Ce、Pr、Nd这些
轻稀土元素,均表现为: 叶> 根> 茎> 叶柄; 中稀土元
素Sm 和 Gd的分布规律,在 DCS、GHS、GS表现为叶>
根> 茎> 叶柄,但在XWS、GDS表现则为根> 叶> 茎>
叶柄;重稀土元素Dy、Yb和 Y的分布规律更为复杂,均
有3种不同的分布模式: 叶> 根> 茎> 叶柄(如 Dy 在
GS,Yb在 GS, Y在 GS)、根> 叶> 茎> 叶柄(如 Dy 在
DCS、GHS、GDS, Yb 在 GHS, Y在 DCS、GHS)及根> 茎
> 叶> 叶柄(如Dy在 XWS, Yb在 XWS、DCS、GDS, Y在
XWS、GDS) .这一现象的产生, 与后文中将要讨论的重
稀土元素在迁移过程中的亏损有关.
根中稀土元素的分布模式, 与土壤 A 层中可溶态
稀土的分布模式极为相似,表明土壤中稀土元素的可
溶态最能反映植物的吸收.茎、叶柄和叶中的重稀土相
对贫乏,表明稀土元素在铁芒萁体内的迁移过程中,发
生了明显的分馏作用.
33 土壤铁芒萁系统中稀土元素的迁移
以La为例计算了不同采样点,铁芒萁根、茎、叶柄
和叶相对于母土 A层的吸收系数(吸收系数是指植物
某一部位的元素含量与土壤中相应元素含量之比, 一
定程度上标志着土壤植物系统中元素迁移的难易程
度) , 由图 1可见,根、茎、叶柄和叶对 La的吸收系数均
随母土A层可溶态La含量、总La含量增大而减小,
图 1 铁芒萁各部位相对于母土 A层 La 的吸收系数与母土 A 层总 La
含量( a)及可溶态La 含量(b)的关系
Fig. 1 Relationships betw een La absorpt ion coeff icients in varous part s of
Dicranop teri s dichotoma and total La contents soil profile layer ( a) , and
souble La contents in soil prof ile A layer( b) .
8656 期 魏正贵等:感耦等离子体发射光谱法研究土壤铁芒萁系统中稀土元素的分布、累积和迁移特征
且在 La含量低时减小较快(由于非稀土矿区可溶态
La含量占总 La 含量比例较小,故非稀土矿区铁芒萁
各部位对 La的吸收系数稍有例外) . 这表明铁芒萁在
外界稀土含量较低时,可以较强烈吸收稀土, 但在外界
稀土含量很高时,产生土壤植物壁垒( soilplant barri
er) [ 12]以阻碍其对稀土的吸收, 始终保持铁芒萁体内
稀土含量维持在一定范围内.
以采样点 XWS 处的铁芒萁为例, 计算了稀土元
素由 A层总稀土到 A层可溶态稀土( ∋ ) , A层可溶成
稀到铁芒萁根( &) , 根到茎( () ,茎到叶柄( ))和叶柄
到叶( ∗)迁移过程的积累系数.由表 4可见, 稀土的积
累系数∗、&较大, ∋、(次之, )较小, 不同迁移过程
难易程度是不同的. 值得指出的是,土壤铁芒萁系统
中,重稀土元素的迁移较轻稀土困难, ∋、)、∗均显示
出重稀土的积累系数明显小于轻稀土; 而轻稀土间、重
稀土间在迁移过程中基本未发生分异作用.
表 4 XWS土壤铁芒萁系统中稀土元素的积累系数
Table 4 Accumulation coefficients of rare earth elements in XWS soilDicranopteris dichotoma systems
迁移过程
T ransportat ion
process
La Ce Pr Nd Sm Gd Dy Yb Y
∋ 06561 02564 06598 05826 05814 05609 03598 03593 04527
& 1494 1345 1562 1729 1212 1614 1619 1517 1372( 03212 03321 03138 03056 03228 03266 04453 02908 03261
) 01610 01000 01266 01260 00603 00675 00264 00291 00407
∗ 2834 2980 2693 2968 2924 2368 1580 1224 1317
4 结 论
41 土壤中稀土元素的含量模式与其成土母岩中稀
土元素的含量模式相似, 稀土元素在土壤剖面层的底
土层含量最高,但表土层铈相对富集. 土壤 A 层中可
溶态稀土的分布模式,基本反映了土壤 A 层中稀土元
素全量的分布模式, 但可溶态稀土中, Ce的丰度明显
较低,重稀土(包括 Y)相对贫乏.
42 稀土元素总量( REE )在铁芒萁植物体内的分
布规律是叶> 根> 茎> 叶柄,各单一稀土元素的分布
规律是不同的. 对于 La、Ce、Pr、Nd 这些轻稀土元素,
分布规律表现为:叶> 根> 茎> 叶柄; 中稀土元素 Sm
和Gd的分布规律, 在不同采样点表现为叶> 根> 茎
> 叶柄或根> 叶> 茎> 叶柄;重稀土元素 Dy、Yb和 Y
的分布规律有 3种不同的模式:叶> 根> 茎> 叶柄、根
> 叶> 茎> 叶柄及根> 茎> 叶> 叶柄.
43 铁芒萁根中稀土元素的丰度与其母土表土层稀土
元素全量,尤其是母土表土层可溶态稀土元素的分布模
式基本相似.稀土元素在铁芒萁体内的迁移过程中,发生
了明显的分馏作用,茎、叶柄、叶中的重稀土相对贫乏.
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作者简介 魏正贵,男, 1972 年生, 博士研究生, 主要从事稀土
元素分析和稀土元素生态效应研究, 已发表论文 7 篇, 申请专
利 1 项.
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