全 文 ：第 27卷第 3期
2007年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOG ICA SIN ICA
Vo.l 27, No. 3
M ar. , 2007
基金项目:国家教育部重点支持资助项目 ( 03110) ;四川省教育厅重点支持资助项目
收稿日期: 2006-04-20; 修订日期: 2006-12-30
作者简介:王昌全 ( 1962~ ) ,男,四川新都人,博士,教授,主要从事土壤质量与植物营养研究. E-m ai:l w cquan@ s icau. edu. cn
Foundation item: The p rojectw as f inan cially supported by the Nat iona lKey Susten tions Foundation of Edu cation M in istry of Ch ina ( No. 03110 ), the
K ey Susten tions Foundation ofE du cation Off ice of S ichuan
Received date: 2006-04-20; Accepted date: 2006-12-30
Biography:WANG Chang-Quan, Ph. D. , Professor, m ain ly engage in soil quality and p lan t nut rit ion. E-m ai:l w cquan@ sicau. edu. cn
稻麦轮作下水稻土重金属形态特征及其生物有效性
王昌全 1,代天飞 1, 3,李 冰 1,李焕秀 2,杨 娟 1
(四川农业大学 1. 资源环境学院, 2. 林学园艺学院,四川雅安 625014; 3.成都土壤肥料分析测试中心,四川成都 610041)
摘要: 在成都平原稻麦轮作下 86个土样中重金属全量和各形态含量分析的基础上, 采集分析相应点位上种植的主要粮食作物
小麦和水稻籽粒的重金属含量 ,通过描述性统计分析、相关性分析及线性回归方程的模拟, 研究了土壤中重金属的形态分布特
征及其生物有效性。统计分析结果表明:土壤中 C r、Cu、Pb、Zn各形态含量的分配顺序为:残渣态 >有机物结合态 >铁锰氧化物
结合态 >碳酸盐结合态 >可交换态,而 Cd各形态含量的分配顺序为:铁锰氧化物结合态 >残渣态 >碳酸盐结合态 >有机物结
合态 >可交换态。若以活性态 (非残渣态含量 )而论, Cd的活性最高, Cr的活性最低。除 Cr外 ,各元素全量与各活性形态之间
的关系较为密切。土壤中全 Cd含量与 4种活性形态 Cd含量间的相关性均达极显著水平; Cu、Zn全量分别与其铁锰氧化物和
有机物结合态含量, Pb全量分别与其可交换态和铁锰氧化物含量间的相关系数达显著或极显著水平。用卫生部颁布的食品中
重金属限量卫生标准评价稻麦籽粒重金属累积情况, 其结果表明, 小麦籽粒 (旱作 )中的 Cd、C r、Cu、Pb分别超标 14. 71%、
81 70%、6. 50%和 17. 40% , 而水稻籽粒 (水作 )仅有 Pb和 Cd含量超标 10. 90%和 8. 70%。不同形态重金属对水稻和小麦籽粒
中重金属累积的影响效应不同 ,从多元线性回归方程的回归系数来看:稻-麦籽粒中 Cd含量受到土壤中各活性形态 Cd含量的
影响。除铁锰氧化态 Cd和有机物结合态 Cd含量分别对小麦和水稻籽粒中 Cd的累积表现出负效应外, 其余均为正效应。可
交换态 Cu含量对稻-麦籽粒 Cu累积的效应最大, 其次受碳酸盐结合态 Cu含量的影响。稻-麦籽粒 Pb含量的累积受土壤各活
性态 Pb含量影响效应的差异不甚明显。稻-麦籽粒 Zn含量与土壤各活性态 Zn含量间无显著线性关系。
关键词: 稻麦轮作;水稻土; 重金属形态; 累积效应
文章编号: 1000-0933 ( 2007) 03-0889-09 中图分类号: S344. 17, X503. 231 文献标识码: A
The speciation and bioavailability of heavy m etals in paddy soils under the rice-
wheat cultivation rotation
WANG Chang-Quan
1
, DA I T ian-Fei
1, 3
, L I B ing
1
, L IHuan-X iu
2
, YANG Juan
1
1C ollege of R esource s and E nv ironm ent, S ichuan Ag ricul tura l Un iversity, Yaan 625014, Ch ina
2C ollege of F orest anH orticu lture, S ichuan Agricu ltu ral Universi ty, Yaan 625014, Ch ina
3C hengdu Te sting Cen ter of S oil and F erti lizer, C hengdu 610041, Ch ina
Acta Eco log ica Sinica, 2007, 27 ( 3): 0889~ 0897.
Abstract: The speciations of the heavy m etals ( Cu, Cd, Cr, Pb and Zn) in paddy soils under the rice-wheat rotation
cultivation in Chengdu P la in were determ ined w ith the chem ical fractionat ion m ethod. The contents of heavym etals in seeds
of both rice and wheat grown in these so ils at the same sampling sitesw ere also determ ined to estmi ate the bioavailab ility of
these heavym etal fractions. Statistical analyses including correlat ion analys is and mult iple linear regression revealed that
concentrat ions o fCr, Cu, Pb, and Zn in all the paddy soils decreased in the fo llow ing order: Residue> Bound to O rganic
M atter> Bound to Iron and M anganese Ox ides> Bound to Carbonates> Exchangeable, wh ile that for Cd decreased in a
different order: Bound to Iron and M anganese Ox ides> Res idue > Bound to Carbonates> Bound to O rganic Matter>
Exchangeable. Regarding the lab ile fract ions ( sum o f all fractions exclud ing the res idue), the content ofCd is the h ighest,
wh ile that for Cr the low est in those paddy soils. Except for Cr, the contents of the lab ile fractions of all the heavy meta ls
studied were correlated w ith their total contents. This is especially true for Cd w ith the correlation between the total content
ofCd and that o f all fractions signif icant at a 99% confidence leve.l Significant correlat ions at 95% to 99% confidence
levels were also found between the content of the fraction / Bound to Iron and M anganeseOx ides0 or / Bound to O rganic
M atter0 and the total contents for Cu and Zn, and between the content o f / Exchangeable0 or / Bound to Iron and
M anganeseOxides0 fract ion and the total content for Pb. Relat ive to the nat ional standards on heavym etals in foods by the
Ch ineseM in istry ofH ealth, the contents of Cd, Cr, Cu and Pb in the wheat seeds exceed the upper lmi it by 14. 71%、
8170%、6. 50% and 17. 40% , respect ively. In the rice seeds, however, only the contents of Pb and Cd w ere over the
upper lmi its ( by 10. 90% and 8. 70% , respectively). The spec iation of these heavym etals in the paddy so ils apparently
affected the accum ulat ion of the different heavy m etals in the seeds of wheat and rice, but the exact effect varied for
different elem ents. For exam ple, regarding the regress ion coefficients in these multiple linear regression equations, the
content of Cd in seeds of both rice and wheatw ere pos itive ly related to the contents of all labile fractions of Cd except tw o
fractions / Bound to Iron andM anganeseOxides0 and / Bound to O rganicM atter0, while a negative correlation w as found
betw een the Cd contents in seeds and these two fract ions. The content of Cu in the seeds of rice and wheat was highly
correlated to that of the Exchangeable Cu, but a lso related to that of the Cu fract ion bound to carbonate as wel.l T he
correlation between the content ofPb in the seeds and any lab ile fract ionswasweak and no difference w as found betw een the
various fractions in th is regard. F inally, there was no s ignificant relationsh ip between the content of Zn in the seeds and that
of any fract ions o f Zn in the paddy soils.
K eyW ords: rice-wheat rotation; paddy soi;l heavym etal form s; accumulat ion effect
工业 /三废0的排放、城市生活污水、农业耕种过程中的化肥和农药不合理使用等已使我国农田土壤环境
日益恶化,其中进入农田土壤的重金属经过溶解、沉淀、凝聚、络合、吸附等各种反应,形成了不同形态的重金
属,从而表现出不同的活性和生物毒性 [ 1, 2 ] ,通过稻谷、小麦等粮食作物的吸收和累积而直接进入食物链,威
胁到人类的健康和生命安全。有关土壤中重金属的有效性研究已越来越受到各国科学工作者的关注 [ 3, 4] ,过
去对重金属有效性的研究主要集中在其全量的有效性及如何利用高等植物毒理试验、微生物活性等评价重金
属的生物有效性 [ 5~ 7] ,而土壤中重金属元素的存在形态才是衡量其环境效应的关键参数 [ 8, 9]。因此, 很有必
要开展重金属各形态的生物有效性研究。
成都平原是我国的粮食主产区之一, 该区域的主要耕种制度稻-麦轮作制, 是我国南方稻田中典型的水旱
轮作制度。目前,有关水旱轮作下水肥综合管理及其环境效应方面的研究,主要集中于水旱轮作下土壤氮素
高效利用的机理与影响因素 [ 10] ,水旱轮作与温室气体排放的关系 [ 11, 12]等方面, 而有关该种植制度下的土壤
重金属在土壤-植物体系中的运移和累积特征却很少涉及, 特别是成都平原典型的稻-麦轮作制下土壤中重金
属的生物有效性方面的研究至今未见报道。因此,本文以成都平原区典型的水旱轮作制度 ) ) ) 稻-麦轮作下
的土壤重金属形态分布特征、主要粮食作物 (水稻和小麦籽粒 )中重金属的累积特征,以及它们之间的关系为
研究重点,力求为成都平原土壤重金属污染控制和粮食的安全生产提供一定的理论依据。
1 材料与方法
1. 1 样品采集
2002年 9月在成都平原 (广汉、德阳、新都等 ) 13个市 (县、区 )稻麦轮作区, 综合考虑区域社会经济状况、
距离河流和公路远近、土壤污染状况等, 随机布设样点采集 0~ 20cm灰色冲积水稻土耕层样品 86个。根据土
890 生 态 学 报 27卷
图 1 样点分布图
F ig. 1 Sam p le d is tribut ion of soi ls and p lants
壤重金属形态含量空间分布状况, 对活性态 (可交换态
+碳酸盐结合态 +有机物结合态 + 铁锰氧化物结合
态 )重金属含量进行高、中、低综合分区, 于 2003年 4
月和 8月分别在活性态重金属含量高、中、低综合区域
内,在原有样点基础上抽取样点 46个,分别采集小麦
和水稻籽粒样品。所有样点的采集均用全球定位系统
( GPS)定位 (图 1)。
1. 2 样品分析及数据处理方法
土壤重金属全量的分析参考鲁如坤主编的《土壤
农业化学分析方法》( 2000年 ) [ 13]。重金属形态参考
Tessier法 [ 14]分成: 可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化
物结合态、有机物结合态和残渣态。连续提取过程参
考文献 [ 15, 16 ]进行, 具体的操作步骤如下: ( 1 )可交换
态:称取土壤样品 1. 0000g于 25m l离心管中,加人 1mo lL- 1MgC l2溶液 8m l( pH = 7. 0), 在 18e 恒温振荡器中
以 200次 /m in的速度振荡 1h,然后在离心机上沉淀分离, 清液待测重金属,沉淀留在离心管中; ( 2)碳酸盐结
合态: 在原离心管中加入 1. 0mo lL- 1 NaA c 8m l(用 HAc调到 pH = 5) ,在 20e 恒温振荡器中以 200次 /m in的速
度振荡 1. 5h,然后改变振荡速度至 100次 /m in振荡 16h,用与上述相同的方法离心分离,清液待测,沉淀留在
原离心管中; ( 3)铁锰氧化物结合态:在原离心管中加人 0104molL- 1NH 2OH # HC l的 HA c( 4. 5molL- 1 )溶液
20m ,l在 96e 的恒温箱中保持 3h(期间每隔 10m in搅动 1次 ) ,用前述的方法离心分离,清液待测,沉淀留在离
心管中; ( 4)有机物结合态: 在原离心管中加入 0102mo lL- 1HNO 3 3m ,l再加入 30%的 H2O2 5m l(HNO3调到 pH
= 2),在 83e 的恒温箱中保持 1. 5h(期间每隔 10m in搅动 1次 );然后再加入 30%的 H2O2 3m ,l继续在 83e 的
恒温箱中保持 1. 1 h(期间每隔 10m in搅动 1次 ) ;取出冷却到室温后加入 3. 2mo lL- 1NH 4A c5m ,l并将样品的体
积稀释到 20m ,l放入 20e 恒温箱中,静置 10h。用前述的方法离心分离, 清液待测。前面 4种形态之和为活性
态总量 [ 20] ,残渣态含量等于全量减去以上 4种形态的量 [ 17]。以上所有形态分析的待测溶液均用石墨炉原子
吸收法测定。作物重金属分析采用 HNO 3-HC lO 4消煮, Cu、Zn用 ICP-AES( IRIS Intrep idⅡ )测定, Cd、Pb、C r采
用石墨炉原子吸收法测定。整个分析过程在成都土壤肥料分析测试中心完成,重金属全量分析中执行质量控
制,每 10个测定样品间用标准样 ( GBW07403)检测结果, 以确保测定精度,均设两次重复。实验数据采用
EXCEL、SPSS11. 0等软件进行统计分析、相关分析及回归方程的模拟。
2 结果与分析
2. 1 土壤重金属含量的统计特征
表 1的统计结果显示, 单从重金属全量来说,以 C r最高, Cd最小。变异系数较大的分别是 Cd、Pb和 C r,
Cu和 Zn在整个研究区域内的变异系数相对较小。土壤重金属的偏度和峰度均较小, 5种重金属元素在土壤
中均呈基本正态分布,满足统计学分析的必要条件。
表 1 成都平原土壤重金属全量的描述性统计
Table 1 Descriptive statistics of the tota l content of heavym etals in Chengdu P la in
元素
E lem en t
平均值
M ean (m gkg- 1 )
标准差
S td
变异系数
Variance
偏度
Skew nes
峰度
Ku rtosis
分布类型
D istribu tion
Cd 0. 27 0. 16 0. 65 0. 06 - 1. 36 正态
Cu 35. 51 10. 28 0. 31 0. 98 3. 16 正态
Pb 67. 04 27. 77 0. 50 0. 21 - 1. 26 正态
Cr 106. 26 41. 59 0. 42 0. 78 - 0. 05 正态
Zn 94. 01 21. 33 0. 23 - 0. 15 - 0. 65 正态
表中数据为 86个土壤样品的统计分析结果 The data w as the statist ic ana lysis of 86 soil sam p les in the table
891 3期 王昌全 等:稻麦轮作下水稻土重金属形态特征及其生物有效性
表 2是土壤中重金属各形态含量的描述性统计结果。从样本的偏度和峰度检验可以看出, 各形态重金属
含量均有一定的正偏或负偏,但其偏度较小,说明成都平原稻麦轮作下的水稻土中各形态重金属含量基本符
合正态分布。从各形态重金属的标准差分析结果可以看出,除残渣态含量的标准差较大外, 其余各形态重金
属含量的标准差变化不大,说明这几种形态重金属含量的绝对值差异不大, 其平均值完全能代表样本的均值。
可交换态 Cd、Cu、Pb、Cr、Zn在全量中所占比例较小,且标准差较小,其平均值的代表性较好, 能充分反映
样本的统计特征。相对而言,在全量中所占比例较大的是 Cd,占 10. 11%; 其次是 Pb和 Zn, 其平均含量分别
为 2. 21mgkg- 1和 1. 37mgkg- 1,占全量的 3. 30%和 1. 46% ;最低的是可交换态 C r和 Cu,仅占全量的 0. 83%和
0. 68%。
在重金属各形态中,碳酸盐结合态含量在全量中所占比例差异较大, 最大的是碳酸盐结合态 Cd, 在全量
中占 20%左右, 而最低的是碳酸盐结合态 C r, 仅占全量的 0. 97%。碳酸盐结合态 Pb的平均含量为
3129mgkg- 1,占全量的 5%左右,碳酸盐结合态 Cu和 Zn的平均含量分别为 0. 77mgkg- 1和 1. 96mgkg- 1, 均占
全量的 2%左右。
5种重金属的铁锰氧化物结合态含量在全量中占有较大的比例,其中铁锰氧化物结合态 Cd、Pb、Zn在全
量中占的比例较大,均超过了 10%。其中,所占比例最大的是铁锰氧化物结合态 Cd,占全量的 32. 21%; 铁锰
氧化物结合态 Cu和 Cr在全量中所占比例相对较低, 其平均含量分别为 1. 24mgkg- 1、1. 52mgkg- 1, 占全量的
3. 49%和 1. 43%。
表 2 土壤中 Cd、Cu、Pb、Cr、Zn各形态的描述性统计
Table 2 D escriptive s tatis tics of different form s of Cd, Cu, Pb, Cr and Zn in soil
形态
Form
元素
E lem ent
平均值
M ean( mgkg- 1 )
标准差
S. D.
所占比例
P recent
偏度
Skew.
峰度
Kurt.
Ex. Cd 0. 03 0. 02 10. 11% 1. 47 1. 29
Cu 0. 24 0. 10 0. 68% - 0. 06 0. 22
Pb 2. 21 0. 93 3. 30% - 0. 02 0. 54
C r 0. 88 0. 38 0. 83% 0. 26 - 0. 42
Zn 1. 37 0. 68 1. 46% 0. 66 0. 56
B. C. Cd 0. 05 0. 06 19. 85% 2. 39 4. 75
Cu 0. 77 0. 38 2. 17% 1. 05 1. 40
Pb 3. 29 1. 14 4. 91% 0. 50 0. 90
C r 1. 03 0. 19 0. 97% 0. 53 - 0. 25
Zn 1. 96 0. 73 2. 08% 1. 23 1. 84
B. I. M. Cd 0. 09 0. 04 32. 21% 1. 52 1. 96
Cu 1. 24 1. 28 3. 49% 2. 55 8. 49
Pb 8. 53 3. 77 12. 72% - 0. 05 - 0. 72
C r 1. 52 0. 84 1. 43% 0. 64 0. 30
Zn 10. 22 6. 46 10. 87% 1. 10 0. 56
B. O. M. Cd 0. 03 0. 01 10. 49% 1. 88 4. 52
Cu 6. 30 4. 22 17. 74% 1. 39 2. 51
Pb 13. 38 3. 45 19. 96% 0. 23 0. 21
C r 4. 40 1. 40 4. 14% 0. 00 - 0. 11
Zn 12. 62 4. 80 13. 42% 0. 39 0. 33
Re. Cd 0. 07 0. 11 27. 34% 2. 11 3. 93
Cu 26. 96 11. 39 75. 92% 2. 23 6. 43
Pb 39. 63 38. 15 59. 11% - 0. 23 - 0. 84
C r 98. 43 47. 10 92. 63% 0. 62 0. 77
Zn 67. 84 22. 16 72. 16% 1. 34 1. 89
E x.可交换态 E xchangeab le, B. C.碳酸盐结合态 B ound to Carbonates, B. I. M. 铁锰氧化物结合态 B ound to Iron andM anganese Ox ides, B. O.
M .有机物结合态 Bound to O rgan icM atter, Re.残渣态 Res idue=全量 T otal- Ex. - B. C. - B. I. M. - B. O. M. N = 86
892 生 态 学 报 27卷
有机物结合态是土壤中重金属的主要赋存形态,其量大, 占全量的比例高。在全量中所占比例超过 10%
的有 Cd、Cu、Pb、Zn。而有机物结合态 C r在全量中所占比例与其它 4种元素相差较大且在全量中所占比例最
低,仅 4. 14%。
稻麦轮作下水稻土中重金属的残渣态含量均较高, 除 Cd外,其余几种重金属的残渣态含量均超过 50% ,
其中所占比例最高的是 C r,高达 90%以上。残渣态 Cu和 Zn的相对含量较高, 所占比例均超过了 70%。
从以上的分析可以看出,成都平原稻麦轮作水稻土壤中 Cr、Cu、Pb、Zn各形态的分配顺序为:残渣态 >有
机物结合态 >铁锰氧化物结合态 >碳酸盐结合态 >可交换态;而 Cd各形态的分配顺序为: 铁锰氧化物结合
态 >残渣态 >碳酸盐结合态 >有机物结合态 >可交换态。
表 3 土壤重金属全量与各形态含量间的相关系数
Table 3 Correla tion coefficient between the content of tota l and different form s of the heavym etals
元素
E lem ents
可交换态
Ex.
碳酸盐结合态
B. C.
铁锰氧化物结合态
B. I. M.
有机物结合态
B. O. M .
残渣态
Re.
Cd 0. 90** 0. 81* * 0. 84** 0. 45* * 0. 58
Cu 0. 23 0. 12 0. 34* 0. 62* * 0. 74**
Pb 0. 32* 0. 08 0. 29* 0. 10 0. 96**
C r - 0. 16 0. 05 0. 26 0. 14 1. 00**
Zn - 0. 08 0. 25 0. 32* 0. 46* * 0. 82**
/ * 0 and /* * 0 ind icated s ign ifican ce at 5% and 1% leve,l respect ively; N = 86
土壤重金属形态分布与其自身特性有关, 重金属总量与各形态相关系数能够反映土壤重金属负荷水平对
重金属形态的影响。从成都平原土壤重金属全量与各形态含量的 Pearson相关性分析结果 (表 3)可以看出,
除 C r外, 各元素全量与各形态之间的关系较为密切, 但不同元素间存在一定的差异。土壤中全 Cd含量与 5
种形态 Cd含量间的相关性均达极显著水平; Cu与 Zn的全量分别与其铁锰氧化物、有机物结合态和残渣态含
量的相关系数达显著或极显著水平; 而 Pb的全量分别与其可交换态、铁锰氧化物结合态和残渣态含量间的相
关系数达显著或极显著 (表 3)。
2. 2 稻-麦籽粒中重金属的累积特征分析
从稻-麦籽粒中重金属含量的统计分析和采用卫生部颁布的食品中重金属元素限量标准评价结果 (表 4)
可以看出, Pb和 Cd在水稻和小麦籽粒中绝对含量不高且相差不大,但根据相应的食品限量标准评价,部分样
点的超标现象较为严重,其最高含量分别为限量标准的 1. 76和 1. 69倍。统计分析结果表明, 水稻籽粒中 Pb
和 Cd含量分别有 10%和 8% 左右的样点超标, 小麦籽粒中的 Pb和 Cd含量超标样点分别达 17. 40%和
14170%, 而且从其平均含量来看,旱作 (小麦籽粒 )比水作 (水稻籽粒 )更容易累积 Cd和 Pb。
表 4 稻-麦籽粒中重金属含量的描述性统计
Table 4 Description statistic of heavym etals in seeds o f rice and whea t
元素
E lem en t
作物
C rop
范围
R ange
平均值
M ean (m gkg- 1 )
标准差
S. D.
超标率
Excess stand ard rat io (% )
Pb 小麦 Wheat 0. 21~ 1. 76 0. 75 0. 40 17. 40
水稻 Rice 0. 12~ 1. 71 0. 65 0. 38 10. 90
C r 小麦 Wheat 0. 18~ 2. 78 0. 74 0. 57 8. 70
水稻 Rice 0. 01~ 0. 50 0. 18 0. 10 0. 00
Cd 小麦 Wheat 0. 03~ 0. 23 0. 09 0. 04 14. 71
水稻 Rice 0. 01~ 0. 22 0. 11 0. 06 8. 70
Cu 小麦 Wheat 3. 37~ 13. 20 6. 72 2. 47 6. 50
水稻 Rice 2. 21~ 7. 57 4. 71 1. 11 0. 00
Zn 小麦 Wheat 23. 60~ 46. 70 32. 36 5. 53 0. 00
水稻 Rice 13. 94~ 29. 19 19. 71 2. 80 0. 00
作物籽粒重金属污染评价标准 Th e pollu tion evaluation criterion of heavy m etals for the seeds of crop: GB15201-94; GB15199-94; GB14935-94;
GB14961-94; GB13106-81; N = 46
893 3期 王昌全 等:稻麦轮作下水稻土重金属形态特征及其生物有效性
其余几种污染元素在稻-麦籽粒中的累积特征 (表 4)显示, C r和 Cu在小麦籽粒中的累积效应高, 用食品
C r、Cu限量标准来评价,分别有 8. 7%和 6. 5%的样点超标,而这两种元素在水稻中累积率相对较低, 无样点
超标, 其籽粒中 Cr、Cu平均含量大致为小麦籽粒的 25%和 70%左右。 Zn对人类健康影响意义较大, 其限量
标准相对较高,故稻麦籽粒中的 Zn含量均未超标, 但其累积效应仍有较大的差异,小麦籽粒中的 Zn含量平均
值是水稻籽粒中的 1. 5倍以上。
2. 3 土壤中各形态重金属的生物有效性
由于残渣态重金属在土壤中的移动性较小,对植物而言几乎是无效的。现将作物可食部分重金属含量作
为因变量 Y,自变量 (影响因子 )分别为活性形态中的可交换态重金属 (X 1 )、碳酸盐结合态重金属 (X 2 )、铁锰
氧化物结合态重金属 (X 3 )、有机物结合态重金属 (X 4 )含量,进行多元线性回归方程的模拟,其结果如表 5。
表 5 稻-麦籽粒中重金属含量与各形态重金属含量间的线性回归模拟方程
Table 5 R egression equa tions betw een heavym etals content in seeds o f rice or whea t and speciation in so ils
元素 E lem en t 作物 C rop 回归方程 R egress ion equ at ion F
Cd
小麦 Wheat
水稻 R ice
Y= 0. 08+ 0. 76X 1 + 0. 26X 2 - 0. 49X 3 + 0. 05X 4
Y= 0. 04+ 1. 42X 1 + 0. 08X 2 + 0. 23X 1 - 0. 52X 4
2. 10*
8. 35* *
C r
小麦 Wheat
水稻 R ice
Y= - 0. 24+ 0. 48X 1 + 0. 08X 2 + 0. 12X 3 + 0. 07X 4
Y= - 0. 05+ 0. 03X 1 + 0. 15X 2 + 0. 04X 3
5. 10**
3. 60*
Cu
小麦 Wheat
水稻 R ice
Y= 5. 63+ 10. 24X 1 - 1. 83X 2 + 0. 19X 3
Y= 3. 14+ 3. 23X 1 + 1. 33X 2 - 0. 03X 3 - 0. 03X 4
2. 17*
2. 23 *
Pb
小麦 Wheat
水稻 R ice
Y= 0. 37+ 0. 15X 1 - 0. 05X 2 + 0. 02X 4
Y= 0. 22+ 0. 04X 1 - 0. 02X 2 - 0. 02X 3 + 0. 04X 4
2. 60*
4. 40* *
Zn
小麦 Wheat
水稻 R ice
Y= 26. 67+ 1. 51X 1 + 0. 78X 2 - 0. 18X 3 + 0. 24X 4
Y= 17. 74+ 0. 56X 1 - 0. 17X 2 - 0. 04X 3 + 0. 20X 4
1. 36
1. 52
Y ind icated the con tent of heavy m etals in the seed ofw heat or rice. X 1, X 2, X 3, X 4 ind icated the d ifferent speciat ion con tent of exchangeable, bound
to carbonates, b ound to iron and m angan ese oxid es, bound to organ icm atter in the paddy so i,l respectively; * and* * ind icated the s ign if ican ce at5%
and 1% leve,l respectively; The regression coeff icients wh ich less than 0. 01 w ere not listed in th e equations; N = 46
表 5的线性回归模拟分析结果显示, 小麦、水稻籽粒中的重金属含量除 Zn外, 均可与土壤中活性态重金
属含量间建立显著或极显著的直线方程。
小麦籽粒中的 Cd含量主要受到可交换态 Cd、碳酸盐结合态 Cd、铁锰氧化物结合态 Cd含量的影响, 其中
受可交换态和铁锰氧化物结合态 Cd含量的影响相对较大。水稻籽粒 Cd含量主要受到可交换态 Cd、有机物
结合态 Cd和铁锰氧化物结合态 Cd的影响, 以可交换态 Cd、有机物结合态 Cd含量的影响作用较大。这说明,
无论是旱作还是水作,可交换态 Cd的活性均较大。除此之外,旱作下铁锰氧化物结合态 Cd和水作下有机物
结合态 Cd含量分别对小麦和水稻籽粒中 Cd的吸收累积具有明显的负效应。
对于土壤中活性较差的 C r而言,小麦籽粒 Cr含量主要受到可交换态 C r含量的影响, 而水稻籽粒 C r含
量主要受到碳酸盐结合态 C r含量的影响。这说明可交换态 C r的有效性高,在旱作条件下容易在小麦籽粒中
累积, 是影响小麦中 Cr含量的主要形态;水稻中的 C r含量与碳酸盐结合态 C r含量间的偏回归系数最大,也
即是说,水作条件下碳酸盐结合态 Cr活性比可交换态 C r的活性更大。
从模拟方程的偏回归系数大小来看, 小麦籽粒 Pb含量主要受到可交换态 Pb含量的影响, 而水稻籽粒 Pb
受各活性形态 Pb含量的影响作用不大, 且差异不明显。这说明, 虽然 Pb在土壤中的活性态含量较大,其转化
迁移进入作物籽粒的机率不大,其籽粒累积与土壤活性成分间的关系不明显,作物籽粒累积的铅很可能来自
其他途径。
既是植物营养必需元素又是重金属污染元素的 Cu和 Zn,在小麦和水稻籽粒中的含量与土壤各活性形态
含量的关系不明显。小麦和水稻籽粒中 Cu仅在 10%的显著水平下与各活性形态间建立线性方程,主要与可
交换态和碳酸盐结合态 Cu间关系密切, 而碳酸盐结合态 Cu对小麦籽粒 Cu的累积表现出负效应, 对水稻籽
894 生 态 学 报 27卷
粒累积 Cu产生正效应。但整体看来, Cu在旱作下的累积效应仍比水作高 (表 4)。小麦和水稻籽粒 Zn与土
壤各活性态含量间无法得到显著的线性方程, 这可能主要是因为成都平原历来重视锌肥的施用,从而扰乱了
土壤各形态组分 Zn的分布规律, 因此无法准确量化土壤活性成分 Zn与作物籽粒 Zn含量间的关系。
3 讨论
3. 1 土壤重金属的活性形态特征
土壤中重金属总量分析仅能给出重金属在土壤中的富集信息,不能反映该元素在土壤中的存在状态、迁
移能力及其生物有效性 [ 18]。本研究中稻、麦籽粒重金属含量与土壤重金属全量间的相关性分析结果也证明
了这一点 (表 6)。
表 6 稻-麦籽粒重金属含量与土壤重金属全量间的相关系数
Table 6 Correla tion coefficient between the content of heavym etals
in the rice-wheat seeds and the soi l
作物 Corp Cd C r Pb Cu Zn
小麦 W heat 0. 198 - 0. 017 0. 058 0. 038 - 0. 114
水稻 R ice 0. 532** - 0. 014 0. 120 0. 068 0. 081
* * 表示相关显著 ind icated the signif icance at 1% ; N = 46
土壤中重金属的生物有效性与其赋存形态有关,
目前 Tessier浸提法是一种通用的方法, 被广泛用于评
价土壤重金属污染效应 [ 8]。早已有研究表明, 重金属
的生物活性随着每一步连续浸提步骤的进行而下
降 [ 19] , 水溶态和可交换态重金属对环境而言相对活
性是最高的,残渣态重金属由于被强烈吸附, 在通常
情况下难于释放出来 [ 20 ]。因此, 土壤重金属各形态
中,非残渣态的总量可以作为活性态重金属的一种指标, 在一定程度上表示重金属对作物的有效性 [ 21]。本文
的研究结果表明,若以活性态 (可交换态 +碳酸盐结合态 +铁锰氧化物结合态 +有机物结合态 )含量高低来
评价成都平原稻麦轮作下水稻土重金属活性, Cd的活性最大,活性态含量所占比例超过 70%, 其次是 Pb,活
性态含量所占比例超过 40%, 活性最低的是 Cr,相对含量仅占 8%左右。 5种重金属的活性大小顺序为 Cd>
Pb> Zn> Cu> C r,因此,成都平原土壤中 Cd、Pb具有较高的活性,对作物存在较大的潜在危害。
3. 2 不同重金属对稻麦籽粒的生物有效性
结合重金属的形态分布特征、稻麦籽粒中重金属累积情况及其与土壤各活性态重金属含量间的关系分析
可以看出,重金属在土壤中的活性对其生物有效性影响较大, 对于活性态含量占全量比率较高的 Cd来说,其
生物有效性最高,且其累积效应受水旱轮作方式的改变, 其差异相对较小。稻-麦籽粒 Pb含量超标现象明显
(表 4) ,而其含量与土壤各活性态重金属含量间偏回归系数较小 (表 5), 这说明土壤各活性态 Pb含量对稻-
麦籽粒 Pb的累积贡献效应较小。其原因可能是由于大气漂尘中 Pb的点源污染造成的,如 T iller等认为至少
有 20%的汽车尾气排放 Pb可散播至 50km以外 [ 22] , 而本研究的采样区均分布在主要交通干道两边的 50km
以内的平原区。对于在土壤中活性较差的 C r来说,由于它在土壤中的移动性差,其生物有效性也较低, 但旱
作 (小麦 )比水作 (水稻 )更容易吸收和累积。总的来说,土壤中活性态占全量的比率越小, 其水旱轮作的累积
效应差异就越大 (表 4), 说明可以用活性态含量来表征土壤重金属的生物有效性。
对于成都平原区典型的水旱轮作 (稻麦轮作 )而言, 土壤中重金属对小麦籽粒的有效性比水稻大。所以,
在同等条件下,旱作更容易累积重金属,受污染的可能性更高。其原因是否由于耕作条件 (旱作与水作 )的不
同导致重金属价态及形态的变化,其有效性相应地发生了变化? 或者是由于水稻和小麦在生物量和作物种类
上的差异而导致的结果? 其具体的作用机理还有待于进一步的探讨。
3. 3 稻麦轮作下不同形态重金属的生物累积效应
尽管活性态重金属含量与比率是影响作物籽粒累积重金属的重要因素, 但在不同的耕作条件下, 重金属
不同活性形态的累积效应也不同。在水旱轮作下, 土壤中水分含量和状态、氧化还原状况、pH值等发生了变
化,不同重金属在水作和旱作作物中的累积效应也表现出了差异。有关水旱轮作下土壤重金属的形态变化及
其生物有效性方面的报道很少。但已有研究结果表明, 水旱轮作消除了因长期淹水对土壤结构的不良影响,
随着种植年限增加,土壤有机质含量呈上升趋势,而 pH呈下降趋势 [ 23 ]。在有机质和含硫化合物较丰富的土
壤中, 水旱轮作改变了土壤的氧化还原条件,从而增加了旱季时土壤重金属的活性 [ 24]。
895 3期 王昌全 等:稻麦轮作下水稻土重金属形态特征及其生物有效性
本文的研究结果表明:土壤中 4种活性态 Cd含量对稻-麦籽粒中 Cd含量均有不同程度的影响,其中铁锰
氧化态 Cd和有机物结合态 Cd分别对旱作的小麦和水作的水稻表现出负效应。铁锰氧化态 Cd有效性较高
的原因主要是由于在淹水条件下, 活性锰还原被释放出来, 并向交换态 Cd转化, 提高了 Cd对水稻的有效
性 [ 25] ,而旱作条件下铁锰氧化物发生氧化与重金属 Cd形成沉淀而阻止其向可溶态转化。稻田处于淹水环境
时,由于停滞水的遮蔽效应形成了还原性环境,其氧化还原电位较低, 有机物厌气分解而产生硫化氢, 水田土
壤都含有铁离子,会产生 FeS,此时 CdS与 FeS发生共沉淀, 以 CdS的累积占优势,降低了 Cd的有效性。当排
水造成氧化淋溶环境时,硫化物易氧化成硫酸而引起 pH降低,镉溶解在土壤溶液中, 易被植物根系吸收 [ 24 ]。
由此可见,长期的水旱轮作增加了 Cd的释放, 不仅在水作条件下表现出较大的有效性, 而且具有明显的后
效,加剧了 Cd在小麦籽粒中的累积,其超标现象比水稻更明显。
在还原性土壤上,三价铬易被土壤粘土矿物固定,或被铁铝氢氧化物所封闭。土壤的氧化还原电位高,三
价铬氧化成六价铬较容易,而六价铬易被植物吸收利用 [ 20 ] ,这可能是小麦籽粒 C r含量比水稻籽粒高的原因。
可交换态 C r对作物的活性最大,其次是碳酸盐结合态 Cr的影响 (表 5) , 其原因可能是土壤在酸化过程中随
着 pH的降低, 水作时碳酸盐结合态 C r水解释放而被水稻吸收,而旱作随着碳酸盐的沉淀而失活 [ 20]。
土壤中的铅主要以 Pb( OH ) 2、PbCO3和 PbSO 4固体形式存在, 在土壤溶液中的可溶性 Pb含量很低, 在土
壤中的迁移性弱 [ 20]。这可能是本文中作物籽粒 Pb含量与土壤各活性态含量间的关系不大的原因。而大气
中的铅一部分经雨水淋洗进入土壤, 一部分落在叶面上,有些植物叶表面有一层角质层保护,铅不易被植物吸
收,但散布在空气中的铅,可以通过张开的气孔进入叶内, 这可能也是 Pb污染的一条主要途径 [ 20]。这说明,
对某些重金属元素而言,土壤中的活性态成分高,并不一定作物籽粒累积量就高,还会受到大气沉降等因素的
影响。小麦和水稻籽粒中 Pb的累积量与土壤可交换态 Pb含量间的关系相对密切 (表 5)的原因,或许是由于
当植物生长时,根从土壤溶液中吸收 Pb2+而迁移到植物体内,然后 Pb从固体化合物中补充到土壤溶液, 补充
的速度决定着植物的供给量 [ 20]。
4 结论
( 1)成都平原稻麦轮作下土壤重金属 ( Cd、C r、Pb、Cu、Zn)中, C r含量最高, Cd含量最低,变异系数较大的
分别是 Cd、Pb和 C r, Cu和 Zn的变异系数相对较小。除 Cd外,其余 4种重金属均以残渣态含量最高 (占 70%
以上 ), 可交换态含量最低 (占 5%以下 ); 土壤中 Cd各形态分布较为均匀,且以铁锰氧化物结合态含量 (占
32. 12% )为主。若以活性态 (非残渣态含量 )而论, Cd的活性最高, Cr的活性最低, 各重金属元素的活性大小
顺序为: Cd> Pb> Zn> Cu> C r。
( 2)不同重金属在稻-麦籽粒中的累积效应不同, 5种重金属中累积效应最为明显的是 Pb和 Cd, Pb在稻
麦籽粒中的超标率分别为 17. 4% (小麦 )和 10. 90% (水稻 ), Cd分别为 14. 71% (小麦 )和 8. 70% (水稻 )。综
合分析不同重金属在稻-麦籽粒中的累积和土壤中重金属各形态含量分布特征可以看出, 旱作 (小麦 )比水作
(水稻 )更容易吸收累积重金属, 且土壤中活性态含量占全量的比率越小,其水旱轮作的累积效应差异越大。
( 3)多元线性回归分析结果表明,除 Zn外,稻-麦籽粒重金属含量均能与土壤中相应重金属各形态间建立
显著或极显著线性回归方程。从偏回归系数的大小可以看出土壤中重金属各活性形态含量对稻-麦籽粒重金
属累积的影响效应差异较大。稻-麦籽粒中 Cd含量受到土壤中各活性形态 Cd含量的影响均较明显; 小麦籽
粒 C r含量主要受到可交换态 C r含量的影响, 而水稻籽粒 Cr含量主要受到碳酸盐结合态 Cr含量的影响;可
交换态 Cu含量对稻-麦籽粒 Cu累积的效应最大;稻-麦籽粒 Pb含量的累积受土壤各活性态 Pb的影响较小且
差异不明显。
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