全 文 ： ／， 7 2，
第 15卷 第 4期
1 9 9 5年 1 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
3 7 ]
Vo】．15．No．4
Dec．．1 9 9 5
A
苯并[a]芘在土壤一水一水稻系统
中传输动力学研究
李书鼎
中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳．110015
整艺 卷
(沈阳市环境监捌中心站 一 ．沈阳，110015~
5／ 、q-
S {}’{D＼
摘 要 建立了BaP在土壤水稻系统中传棺模型．井对其在系统各组分中的古量变化做了定量分析 宴
验求得了BaP在系境吾相间传输速度常数和分配系数．揭示了水中 BaP向水稻体传棺路径和它们的速
度太小．水稻从水中吸嘘 BaP的速度比其从土壤中{殛收的遗度高 4倍，水 中BaP向土壤沉积速度比水稻
从承中吸嘘 BaP的速度高 7倍．水中BaP在迁移到达承稻体之前．绝太部分梭土壤牢牢吸附而租难被水
稻理收 ．
关键词 圭!兰竺兰兰 差茎 要： 垡， ·7J
苯并(a)芘(简称 BaP)的研究一直为各国学者所重视 。 到目前为止，它的研究还多集中
于其在各环境要素中数量和毒性的定性描述 。本文采取“c—BaP示踪动力学方法 ，从建立
传输模型人手 ，定量揭示它的环境行为
l 实验材料和方法
1．1 实验装置
囤 1 水稻盆载装置
Fig．1 Rice pOT—experimental equipment
1 )】(层 Water 2．取 样管 Sample Tube 土 壤 Soi
铁质瓷桶装入草甸棕壤 ，土层厚度 18cm
桶四周布满 917×30mm铜 网管作为取 样器 ，
上口与土壤表面相平埋入土内(详见图 1)。桶
中心种植水稻。按 每公 斤土施入尿 素 1．3g，
K。HPO。0．7g，均匀拌合做为底肥。
本试验每次 2个重复 ．每年 1次共做 2a。
1．2 灌溉水标记
“C—BaP甲苯溶液(英国产)，比强 2，516×
1 0 Bq／mL。取 4mL加入 2L水 (土壤淋出水)
中，充分搅拌溶解之后，倒入栽培桶 中。水稻整
个生长期里不断加水(不含“C BaP)保持桶中水层厚度不变。
1．3 取样时间与样品制备
*国家 自然科学基金责肋项目．
**刘秀珍、扬睦秋参加部分工作．
收稿 13期 ；1993 12 20．修 改稿收 到 日期 ：1994 07 02
维普资讯 http://www.cqvip.com
366 生 态 学 报
当“C标 记水 加^系统后 ．立 即取洋f ：0)分析 。然后相隔 l、3、5、7、]4、2l、28、35、42、49
和 81d逐次取样。每次采上 2管、水 5mL和水稻 2株 土壤烘干磨碎过 60目筛；水稻沿土表处
剪断 ．直：芷水冲 3min，然后烘干磨碎待分析使用
1．4 样品“C BaP分析测定方法
取 1 0 200mL水 ，加环已烷在 70~CTM水浴上重复提取 2次 ，然后依次进行液相分配、氧化
铝柱层析和纸层析 ，用液闪测量“C—BaP活度 。
取土样 5g．用氯仿浸泡过夜．重复提取 2次后，依次进行柱和纸层析，液闪测定 c—BaP活
度
取水稻样品 25g(或 2株稻草重)．依次环已烷索氏提取、液相分配、柱和纸层析．液闪计数
C BaP活度 。
测量仪器为 FJ 353G-型双道液问计数器
1．5 样 品“c活度测 定方法
仪器为 FH1 914型低本底 测量装置 CFR 系列“C参考源(英)和 自制“C BaP纸源
(qe40mm)用于仪器刻度 ’
取水样 5～10mL常压室温蒸发至干．残渣用苯点于 qc40mm滤纸上 ．测量“c活度 。
土壤和水稻固体粉末样品在 4 0mm测量盘中铺成厚样．测量 c活度。
2 系统中 BaP的传输类型和遵循规律
灌溉水、土壤和水稻中“C BaP和 C的潘度随时间变化测定结果分析绘成图 2和图 3。水
中“C BaP台量随时间增加而减少属衰减型 土壤和水稻中“C BaP含量随时间增长而增加，
Tim
田 2 土壤 、水 和水稻 中 -．C B eP 量随 时问变 化
Fig 2 The l g⋯ f“C It．,p conten1 witl1 1i⋯
soil⋯ ¨r lnd 6ce
时问 (d)
T自m
图 3 土 壤 、水 和水稻 中”C活度 随时 间变 化
Fig 3 The ch~lnges af C activity with time in s口ii
w a1er Ind rice
维普资讯 http://www.cqvip.com
4期 李书鼎等 ：苯并[a]芘在土壤一水一水稻系统中传输动力学研究
二者变化属累积型 3条曲线共同点是都可分 3段：在 f<(或>)某值时 ，曲线近似直线段；当t
处于某区间值(如 5—1 5d)时．图形为一曲线段 因此 C—BaP在该系统中传输属于三元指数模
型 ，变化遵循指数规律。
图 2和图 3形状相似，变化速率相同。由于“c活度则量比 C—BaP分析程序简单 ·本文
下用“c活度变化来研究 C—BaP的传输规律 。
3 BaP传输的数学描述
亳苎 Q哪能n一 ．c一朋P皿，咂
图 5 土壤水 稻最缱组成 圉
Fig．5 Con~titu~e of soiI_Tice sy~lem
水中 BaP溶解度很低(25℃为 0．0038rag／
L)，但辛醇一水体系中分配系数很高(1．0965×
10 )，所 它在土壤水稻系统 中迅速向土壤沉
积。 C—BaP含量随土壤深度变化见图4。“C大
部分集中于土壤 3cm深以内．不会迁移出耕层
而损失
在饱 和氧的稀 释水 中，Smith等 人测 定
BaP在光作用下被氧化分解成醌类物质．光解
半衰期为 1 2h。然而在天然水或者稀释水中含
有溶解的腐殖酸时，光解作用被抑制。这是 BaP
分配到溶解的有机质中，从而降低了其光解速
率 。本文研究的体系中，水相含有大量的有机物
和藻类等颗粒物 ，所以不但增加了 BaP的吸附
分配 ，还大大地降低了其对光的吸收度，因此光
解速度很缓慢，可 忽略这方面的损失。 。
按照 Tiusly“ 关于水中污染物挥发量计算
公式 ：G=C。e号 ，BaP从水相挥发到气相中总
交换常数 K =6．5479×10 cm／min，本文实
验水层深度为 =4cm，实验所经历的有效时间
t一30d，总的挥发损失： =6．8 ，蒸发
0 0
半衰期Tm=294d。如上所述，实验水相含许多
有机质和颗粒物，因此 BaP的实际挥发量将远
小于这个理论计算值。
少量的 BaP被水稻吸收之后 ，很难向地上
部分运转 ，不会固蒸腾损失。因此土壤水稻系统
中BaP的挥发损失也可不计。
综合以上理论和实验分析．BaP在该系统中传输可以看成一个各组分间具有相互作用的
3室封闭体系(如图 5所示) ( )表示 i室 C—BaP在t时刻的数量(或浓度)；K 表示从 J室传
输到 i室的“C BaP的速度常数(f )； =』=1，2，3。
该系统内各室“C—BaP数量(或浓度)变化速度可以用方程组 I表示：
维普资讯 http://www.cqvip.com
368 生 态 学 报 15卷
d 一Kj zq2(})十K ；。) (K： +K )g 。)
(I)(I 未 一K： 吼(})+K 。)一(K 十K q 。)
l 矗 一Kslq~(})+K }g：(￡)一(K +K 舶(f)
由盆栽原始条件设 一0时 ，q】(})一目J(O)，gz(O)一口3(0)一O； 1=K2j+K3j，Kz
— K 。一K 将方程组(I)进行拉氏变换，解矩阵行列式。假设；
b— K】+ K2+ K3
c— K】K z— K2K3+ K】K3一 K1aK3】一 K】2K z】一 K ∞Ka2
d — K + K；
f=K2K 3一 K㈣K 2
g — Kz3+ K l3十 K K J／K J
h — K J2一 K z— K 2 K ／K 】
逆拉 氏变换．方程组(I)的解如下：
dr__f)e ．( 一 d + f)e
r — ) 。 ( 一 r)
(g — r)e “
r(r— d)
(^ 一 r)e
(口一 3)e 、
( — r)
上 生二 ．：、
f — r)
(7)
(8)
(9)
上式中： r一音(b一 )2= j (1o)
= {l b一 、 『= } (11)
4 动力学传输实验结果
水和土壤中“C活度动态实验测定结果见表 1和图 6。它们曲线形状近似由 3条斜率不同
的直线段组成：(1)o≤f≤3时，用 Ae 描述；(2)7≤f≤30时，用 e 来描述；(3)45≤f≤81
时，用 ce 描述．但困这条线段近似平行于横轴．即“C活性不随时间变化( 一0)，则 Ce —
C．于是图 6土壤和水中“c活性变化规律都是：
目0)一 C 4-Ae __Be (12)
式中仅 与B的符号不同罢了。方程(12)与方程(7)、(8)形式完全相同。这就从实验上证明用
方程组 I描述 BaP在土壤水稻系统中的传输规律是正确的。 ．
表 1 水和土壤 中 c活性浓度变化(dpm／mL(8)]
Table 1 Change of“C—activity with time in watgr and sol
(d) 0 1 3 7 14 21 28 35 42 49 81
1991 55 8 1竹 4．3 1142 4 5 54 8 4l 7 9 239 0 l61．0 71 4 7 5．9 50．1 67 0
)
l9 2 0543 3 10500．0 2578 8 130 I) 83 0 80 0 7B．0 76 0 75 5 7B．0 —
1991 0 1999．3 3865 3 4l 1．8 4200 0 44l0 0 4 501．0 4531 0 5331 4 5864．5 5423 3
)
l992 0 2400f)．0 28800 0 33000．u 36 5O0 0 38300 0 99iO0 0 37 500 0 3760{)．0 37900．0 一
a i ； n 门
K
+
K
+ +
_}_ 擘 ^一
‰
q
= 一 一
口
维普资讯 http://www.cqvip.com
4期 李书鼎等：苯并 )芘在土壤一水一水稻系统中传{旨动力学研究 369
时问td)
4 l 用表 1和图 6中水(1991)“C活性值确定
方程(7)中有关常数
从图 6中水的曲线看，当 t>45时，Ce 一
常数，设其为C (‘．‘a~-O)，延长该线段与纵轴
相交，推得 C ~60dpm／mL。将此值代入方程
(7)后 得 ： (￡)一60一q—j—(O
—
)(
—
r~
—
-
—
d r+
_
f
—
)
～
e -
， +
! 二 ± !：! (占一r) (13)
由表 lg (f)计算 (f)一6o]值得表 2。当r—o。
时，[ (f)一60]一o，即 e 与 c-at都趋于 0，但
由于 8>r，所以 e 将先于 e一趋于 0。这样式
(13)可近似 为 ：
q】( )一 60≈ Ale～
其中 A = —qt(O )( r~ dr
一
-Jr f) (1
4)
做 [g ( )一6O]对 ￡=14，21，28时指数 回归得：
。 c n
- 12
。
4 09 0
可
4,
写
R
成
(
Fig Semilogarithm graphic of activity ch．nges with 0 9985 1 3
归系数 一
6 “c一 一 a于是方程( )司
time Ln so[1 Hnd
： (f)一 6o]一 1243．0e ≈ B e
其中 BI一 ! 二 ± 占( r) (15)
由表(2)数值计算 ：[gJ(f) 60 1243．0e ]列表(3)中。馓[ ( )一60 1243．0e o,o ]对
应 0，1，3时的指数回归得：B-=2950．8，d—1．0889，R=一0．9614 将 A
、B r、 和 q (0)之
值分别代入(14)和(15)．联立解之得：
表 2
Table 2
if-0．2253，f-0．0082(取正值)。
(f)一60)值随时间的变化
Chamges 0f[gl(1)一 6f1]wlth time
4·2 用表(1)和图 6 i~(1 991) C活性值确定方程(8)中有关常数项
土壤曲线与水相反 ，当 f一。c时， ‘c含量增加达一个最大值 ，外推此值为 53OOdpm／g
。 表
(1) (t)~ (5300 叽(f)]换算得表 (4)。(5300 q ( )]随时间的变化规律和水中“C变化相
同(变化图示略去) 假设
一^、#邑p00崔璐 阜I
维普资讯 http://www.cqvip.com
370 生 态 学 报 l5卷
表 4 E5300一 (r)]值随时闻变化
Talkie 4 Claanges or~53tlo-口1(t)] ilh time
o t 7 i4 2i 28 35 42 49 81
5300一q 2(f) 5300 33O(1．7 1434．7 1168 2 1100．0 890．0 798．9 76．9 31．4 0 l23．3
c 一 一
-
(16)
(17)
则方程(8)可写成：
5300一 目2(f)一 (53O0一 C2)+ Aze + B2e一 (18)
(18)的解可与方程(7)相同的方法处理 结果(步骤略去)如下 A 一1443．3，B2=4125．2。把
A ⋯B r、 之值分别代入(1 6)与(1 7)，联立解之得增_0．1186，K。 一o．835O(取正值 )。将 r、
值代^(】0)与(】】)联立解之得 6=】 】793，r_0．0984
4．3 BaP在系统各组分间传输速率 K． 的解
将6 d g、f、K 之值分别代八方程(1)一(5)，整理并解之，可依次得到：K 。_0．1190，
K23=0．1108，K3 _0．0324 K L2 0．0901，K】3；0．0080，K2l一0．8350。将 Kl2、 a¨ K Ka L之
值代入式(6)得 ：^一0．3~98。
4．4 系统各组分“c—BaP含量及其变化速度
将实验求得的 r d、 、，、g、K K ^之值分别代入(7)、(8)和(9)式，得到系统各组分中
“c—BaP含量 (f)数学表达式如下：
q1(￡)= L(。)(0．0833+ 0，4894e + 0．8724e ‘】
I ( )一 q L(0)(1．0060— 0．2609e ” 一 0．7452e j
【 (f)一 q】(0)【0．4229— 0．3420e。们 ‘一 0．0809e )
水、土和水稻中 BaP的量部与开始向系统的投加量和经历时间有关 原始投加量g (0)一经确
定．其含量只随时间变化。将 K． 之值分别代入方程组(I)，则可得到系统各组分中 BaP量变
化速度 ；
l 一0．09ol f)+0．o8 f)一0．954 ￡) J：
l -_0，835qt(f1+0．1108q3∽ 一0．1225q~∽
1． f -_o．19 幻一0，032 (￡)一0．188 )
必要知道了 t时刻系统各室中 BaP的数量，便可算出该时刻 BaP数量变化速度。
4 5 模型的误差和验证
1 992年盆栽水稻实验结果与模型计算值见表(7)所示 。实验开始( =0)经水向系统投加
的“c—BaP浓度为 30543．3dpm／mL。水中BaP的计算值与实测值起初 10多天相差较小，在
BaP引入系统 14d之后，误差成倍增加，相对偏差可达 400 ，这是水 中藻类与杂草等水生生
物随时间增加而生物量增加，大量吸附13aP所致。
维普资讯 http://www.cqvip.com
4期 车书鼎等：革井[a]芘在土壤 水一水稻系统 中传输动力学研究
土壤和水稻中BaP含量计算值与宴冽值相差较小 ，偏差分别低于 3 与 30 。因为 BaP
的音量是由 C活度剐量得到的，受统计涨落影响大，所以计算值与实测量达到这样吻合是较
满意的
表 ． {算值与 1992年实验测定值 [dpm／g(mL)]
"Faille 7 “LI⋯ }r experiment det~tion and model-calculation in 1992
讣算 C．1eul¨． 霉铡 ternfime- 偏差 Error
× lo0G
5 传输模型的应用
5．1 估算 BaP在生态系统各组分问的分配系数
当系统达平衡(f⋯ )时．由方程组(I)可得水、土壤和水稻中的 BaP浓度分别为 q (co)
一 2544．3dpm／mL．q (。c) 30726．6dpm／g， (。。)一1 2916．8dpm／g。从水向土壤分配 系数
K =1 2．1．从土壤向水稻分配系数Km一0．4，从水向水稻的分配系数 K 一5．1 因为 K
>K >1，所 该系统中大量的BaP从水相向土壤沉积，小部分 向水稻体内分配。K一<1，表
喝已被土壤吸附的 BaP再向水稻体 勺分配儿 p-不大可能
5．2 鉴别水稻体 内 BaP的来源
K
水稻吸收 BaP有两条路径：一条从水中直接吸收，水— 水稻 ． 时间里传输到水稻的 BaP
， 0
数量 q ( )一口．(0)K． ；另 ‘条是从土壤中吸收已沉积(或吸附)于土壤的 BaP 即水一 土壤
～
。‘ 水稻，￡时间里经该路径传辅到水稻的 BaP数量 叮 ( )=K K (O) 因为 叮 (f)Iq ( )
-4 即水稻直接从水中吸收的 BaP比从土壤吸收的大 4倍，所 滚系统水稻体内的 BaP主要
来 自水体．说明BaP一旦被土壤吸附．再被水稻利用非常困难。K ／K 7，标明水体中 BaP
同土壤沉积速度比水稻吸收速度快 7倍 在 BaP尚来到达水稻之前，大部分 已被土壤牢牢地
吸附成结合志残留，实际上进入水稻体的 BaP其量甚微。
5．3 定量说明BaP在农业生态系中的归宿
BaP在土壤水稻系统各组分问传输速度常数值列入表(8)。K： 》 水与土壤两相问的
迁移主要是 BaP的沉积作用 K 》K 水与水稻之间 BaP被水稻吸收是主要传输方式；K
《K ，水稻很难从土壤中吸收 BaP。综合上述，该系统 BaP最终归宿是沉积并长期存在于土
壤 ．向水稻地上部分迁移非常围难。
维普资讯 http://www.cqvip.com
372 生 态 学 报 15卷
6 小结
环境中 BaP含量确定最可靠方法是采样分析 。但是在许多情况下，特别是在污染事件尚
未发生时 ，了解污染物可能去向．传输模型预测是有意义的。
表 8 B心 在系统各组分间传输速率
Table 8 Rate of trauport~ veloci between compartments in the system
模型建立时作了大量简化，例如本模型水稻 BaP含量计算，水稻重量是以 BaP刚引入系
统首次( 一0)取样的重量为基准。在推导过程中又过分近似处理，所以在应用于真实系统时，
误差较大，对模型尚需不断加 改进和完善。
参 考 文 献
程元恺 致癌性 多环芳烃 北京 ：凡 民卫生 出版杜．1980．1 12
邛卫东，李书鼎等．应用 C标记化台物在水稻中生物合成 BaP的研究 中国环境科学，1981．【4)．32 36
高捶民等 致癌物 BeP对土壤植物系统污轺研究 环境科学学报．1981，1(1)：1 8
黑维中等 沈抚槽水{蕾区矿物油污染综旨治理研究 土壤植物系统污染生意研究 北京 ：中国科拄出版社．1986，106
ll 5
陆铨荣等 水稻植株对“c—BaP的吸收及降解的初步研究．农业环境保护．1g82，(3)：lo一13
谢重 阁等 环境中石油与 Bap的分析技术研究．土摹植物系境污染生态研究 北京．中国科拄出版杜 l986，400 428
金相灿 有机污染物化学 有毒有机物污染化学 北京：清华天学出版社．1990．287 303
TinsIcy Ian J ChemicM Concepts in Pollutant Behavior．dohn Witey＆ S ， 1979．45— 62
KINETIC STUDY 0N TRANSP0RT 0F BaP IN S0IL—RICE SYSTEM
Li Shuding
(Institute ofAppgiratlon Ecology，Chinese Academy of Sciences．Shen~ g．China111001 5)
Zhang Shaolan Ma Jichun
(Sk enyang Mon~or Centre of Env&onment)
This paper has established a transport model of BaP and analysed quantitatively the
movement of the components In soiI rice system，Transported rate and distribution coeffi—
cients of C—BaP between the systematic constituents are obtained empirically．Transport
paths and velocity of BaP to rice have been revealed．The BaP absorbing of rice from water is
4 times higher than that from soiI．Deposited velocity of BaP to solI in the water is 7 times
greater than that the rice absorbing rate from water A great number of BaP will be adsorbed
by soiI so that they can not be assimilated the BaP reaches to rice in water．
Key words：soil—rice system ，benzo(a)pyrene．transport，kinetic
} ； ，● S
维普资讯 http://www.cqvip.com