鎘在不同質地水稻土剖面中的分布特征及與作物吸收的關系.docx

1、第33卷，第2期2013年2月光譜學與光譜分析SpectroscopyandSpectralAnalysis鎘在不同質地水稻土剖面中的分布特征及與作物吸收的關系秦魚生詹紹軍2,喻華2,涂仕華2,王正銀11. 西南大學資源環(huán)境學院.重慶400716四川省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，成都四川610066摘要通過野外定點采集土壤和作物植株、籽粒樣品，利用石墨爐(novAA400)原子吸收法，研究了成都平原稻麥輪作下水稻土剖面中鎘的分布特征及其與水稻、小麥吸收鎘的相關性結果表明，土壤剖面中的鎘主要集中在。15cm的耕層土壤，總體表現(xiàn)為“向根層富集”的特征，土壤全鎘和有效態(tài)銅均隨土層深度的增加而逐漸降低，

2、3045cm土層的全銅和有效態(tài)銅含量平均值分別為表層的47.60%和39.49%。不同質地土壤中的銅向下遷移地大小順序為砂壤重壤中壤，以1530cm土層的遷移量差異最大。土壤pH與015cm土層的有效態(tài)鎘含量間相關性不顯著(，=一0.46),與1530cm和3045cm土層有效態(tài)鎘含酸間呈顯著的負相關5=0.78一0.86)。水稻、小麥秸稈和籽粒餛含最與015cm和3045cm土層的全佛含敏間相關性不大(=一0.092一0.383,0.174-0.424),但與015cm和1530cm土尼的有效態(tài)鎘含雖呈顯著正相關(r=0.766-0.953)，與3045cm土層的有效態(tài)鎘含員相關性不顯著(r

3、=0.5260.584)。因此，土壤有效態(tài)鎘含鼠比全鎘含量更適合作為農作物產品安全的土壤佛污染評價指標。關鍵詞鎘；質地；剖面分布；水稻；小麥；成都平原中圖分類號：X53;S151.9文獻標識碼：ADOI：10.3964/j.issn.1000-0593(2013)02-0476-05收稿日期：2012-07-03,修訂日期：2012-10-20基金項目：國家自然科學基金項目(41201295),四川省農業(yè)科學院優(yōu)秀論文基金項H(2010LWJJ-07)和農業(yè)部公益性行業(yè)科研專項項目(201003016)資助作者簡介：秦魚生，1978年生，博士研究生，副研究員mail,shengyuq*通訊聯(lián)系

4、人e-mail：wan«_zhen«yin引言鎘(Cadmium)是對人類威脅最大的環(huán)境污染物之一，它主要通過食物鏈進入人體而危害健康.鎘污染土壤在世界范圍內廣泛存在并日趨嚴取。，相關研究表明，我國受鎘污染的土壤擴展迅速，已經成為一個重要的環(huán)境問題.環(huán)境流行病學者研究發(fā)現(xiàn)我國部分銅污染地區(qū)已出現(xiàn)了鎘污染所致的慢性健康危害。因此，對鎘的環(huán)境行為與毒理研究已經成為當前環(huán)境科學中的熱點問題。作物對鎘的吸收多少主要取決于土壤有效鎘含最，而有效鎘主要受土壤銅總量、溶解度、吸附和解吸等影響幻。±壤性質如土壤pH、有機質、機械組成、陽離子代換最等因素與銅的吸附和解吸密切相關.自

5、然土壤中鎘大部分存在于表土層，被有機質絡合，很難向下遷移，但在一定條件下吸附的銅可能被釋放并沿著土壤剖面垂直遷移，其遷移轉化能力取決于鎘的存在形態(tài)。目前大多數(shù)研究側竟于鎘從土壤表層到作物遷移轉化規(guī)律及影響因素而銅在土壤中的垂直遷移轉化規(guī)律和作物通過根系對下層七壤中鎘吸收與土壤銅含量和形態(tài)的關系研究鮮有報道。為此.本文選擇成都平原稻麥輪作下受鎘污染的三種不同質地的水稻土，研究鎘在不同質地土壤剖面中的分布特征，探討不同剖面深度土壤全銅與有效鎘含量及其與作物籽粒和秸稈吸收鎘的關系，以及土壤剖面中銅的遷移轉化規(guī)律，為成都平原農田土壤鎘污染治理和無公害農產品生產提供科學依據(jù)。1實驗部分1.1研究區(qū)域概況

6、研究區(qū)域位于四川省德陽市綿竹縣和旌陽區(qū)境內，屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫15.7-C,年平均降雨量1053.2mm,年最大降水員為1421.4mm,最少降水量為608.7mm,降水的季節(jié)分配極不均勻。年日照時數(shù)多年平均為1011.3h,最多為1178.0h,最少為802.7h,多年平均無霜期為285天。區(qū)域內主要土壤類型為河流沖積物發(fā)育而成的灰潮土或潮土，主要糧食作物有水稻、小麥、油菜、大麥等.德陽市磷礦資源豐富，磷礦石產量占四川全省的90%以上.成都經濟區(qū)多目標區(qū)域地球化學調查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域土壤存在大面積的鎘異?，F(xiàn)象，近地表大氣塵、地表水、淺層地下水也存在不同程度的編污染，錨污染來源為龍門

7、山地區(qū)含銅巖（礦）石和工礦企業(yè)產生的近地表大氣塵.1.2土樣采集研究選擇了位于四川省成都平原德陽市境內的7個水精土剖面，樣點沿綿延河流經方向分布，所有土壤樣點作物都為水稻/小麥輪作，土壤質地為3種類型，分別為砂壤、中壤和重填土.在小麥收獲期分別采集土壤和植株、籽粒樣品,在水稻收獲期采集植株、籽粒樣品分析測定銅含量.土壤樣品的采集時間為2010年5月6日至10日，小麥植株和籽粒樣品采集時間與土壤采集時間一致，水稻植株和籽粒樣品采集時間為2010年9月3日.土壤樣品采集方法為多點混合樣，每個樣點土樣采集個數(shù)為1215個，混合后用四分法去除多余土樣，最終每個剖面土樣樣品重量為LOkg左右.植株樣品在

8、所采集的土壤樣品范圍內進行多點采樣，每個樣點采樣3株。土樣經自然風干，除去砂礫及動、植物殘體，粉碎過篩后混合均勻并用記號筆標注，最后裝于自封袋中保存?zhèn)溆眯←満退窘斩?、籽粒樣品經烘干、磨碎、過篩（40日）處理，用自封袋分裝備用。1.3儀器分析儀器分別為德國耶拿novAA400智能火焰-石墨爐原子吸收光譜儀，帶笊燈背景扣除裝置和MPE60自動進樣器；控溫式紅外消煮爐和0.1mg分析天平（AB104-S）.1.4測定方法土壤樣品測定項目包括有效銅和全鎘含最2項，土壤有效鎘采用Tessier（1979）五步連續(xù)提取法第一步，以1molLMgChCpH7）溶液浸提勇），石墨爐原子吸收光譜法測定，其測定

9、條件如表h土壤全Cd采用混酸消煮（HC1-HNQ-HF-HCIOQ,石墨爐原子吸收光譜法測定（GB/T171411997）,測定條件與有效銅相同.小麥、水稻秸稈和籽粒采用HNQ-HC1O,消解法進行分析測定，同時添加空白消煮和標準樣品進行質鼠控制和回收率校正，原子吸收光譜法測定小麥、水稻秸稈和籽粒Cd含量（GB/T5009.15-2003）.Table1Workingconditionsoftheafaratusinstudy頊目條件升溫程序溫度/C保持時間/s波長228.8nm干燥9011020燈電流3.0mA灰化45010狹縫寬度0.8nm原于化13003進樣景10pL凈化230042結果

10、與討論2.1不同質地土壤中鎘的垂直分布特征從圖1可以看出，在030cm所有土壤樣品的全第含最都遠遠超過國家標準，其范圍為0.911.77mgkgT,平均值為1.30mg-kg-*,這說明該采樣區(qū)域土壤鎘污染較為嚴重。在015cm耕層中，全Cd含量:以砂壤土最低，中壤最高，重壤土與中壤土相近；不同質地土壤中有效Cd與全Cd含跟變化規(guī)律相似。在1530cm土層中，全Cd含量高低依次為：重壤砂壤中壤，而有效Cd含鼠則為中壤砂壤重壤；在3045cm土層中，全Cd含鼠高低依次為：重壤中壤砂壤.而有效Cd含屋則為中壤砂壤R重壤。所有樣點土壤剖面全Cd和有效態(tài)Cd含域均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸降低的特征

11、，其中質地偏輕的砂壤土1530cm和3045cm全Cd含最較015cm分別降低12.26%和53.77%,有效態(tài)Cd含最分別降低21.74%和60.00%；質地適中的中壤土1530cm和3045cm全Cd含最較015cm分別降低50.33%和56.95%,有效態(tài)Cd含娥分別降低36.36%和65.55%,質地偏重的重壤土1530cm和3045cm全Cd含雖較015cm分別降低28.77%和49.32%,有效態(tài)Cd含量分別降低51.63%和65.85%.045cm土層全Cd含雖變化表明Cd向下遷移以砂壤最強，重壤次之，而中壤最差；不同質地土壤鎘向下遷移能力的差異主要表現(xiàn)在1530cm土層，而30

12、45cm的差異較小.4.003.002.001.0000.500.400.300.200.100SamplesSamplesFig.1Distributionofsoiltotalcadmium(a)andavailabkcadmium(b)indifferenttexturesoil土壤剖面不同深度pH與全Cd含最、有效態(tài)Cd含量間的相關關系均表現(xiàn)出一致性（表2）。雖然土壤pH與全Cd含景都呈正相關性，但其實際意義不大，因為土壤中全鎘含址的高低并不取決于pH,而是錦污染源.土壤剖面中有效Cd含量與土壤pH都呈負相關，而全Cd含前與有效態(tài)Cd含最在0-30cm土層為正相關，在3045cm土層呈

13、負相關。015cm土層由于受外界因素如作物種植、施肥、大氣沉降等影響較為直接，通常土壤有機質含量最高，且是最易受到污染的土層，土壤pH、全Cd含髭和有效態(tài)Cd含鼠的相關系敗都不顯著.隨著土層深度的增加，受外界因素的影響逐漸減弱，因此1530cm和3045cm土層pH和有效態(tài)Cd含量的相關性都達到顯著水平，且相關性有隨土層深度增加而增加的趨勢，相關系數(shù)分別為一0.780-和一0.860.1530cm土層土壤全Cd含域和有效態(tài)Cd含盈相關性達到極顯著水平(r=-0.960*),但3045cm土層的相關性不顯著(r=-0.420).Table2CorrelationbetweenpH,totalCd

14、andavailableCdatdifferentsoildepths土層深度相關系數(shù)pH全儒有效銅pH1.000。15cm全銅0.3901.000有效制-0.4600.5301.000pH1.0001530cm全佩0.630,1.000«有效鎘-0.780"-0.9601.000PH1.000««3045cm鈉0.670*1.000*有效鎘-0.860,-0.4201.0002.2水稻一小麥輪作中不同質地土填上作物對錦的吸收與分配在水稻小麥輪作中，三種土壤質地絕大部分樣點的水稻籽粒和秸稈銅含斌都比相應點的小麥籽粒和秸稈高，其中水稻籽粒Cd含最平均值比小

15、麥高3.35倍，水稻秸稈Cd含耿平均值比小麥高2.26倍。從不同質地類型小麥和水稻籽粒與秸稈Cd含Jft來看，中壤上小麥籽粒和秸稈中的Cd含最最高，其次為砂壤，而柬填上小麥籽粒的鎘含量最低；不同質地土壤上水稻籽粒和秸稈的Cd含最高低順序基本與小麥一致，但水稻籽粒Cd含量以中壤址禮重壤其次，砂填最低；而秸稈中錦含量以砂壤其次，重壤最低。鎘在作物器官的轉運差異是尋求控制作物鎘累積的重要途徑，表3結果顯示，不同質地類型對小麥和水稻的Cd分配都有較明顯的影響，小麥Cd含鼠的籽/稈比變化范圍為0.3090.479,水稻Cd含缺的籽/稈比變化范圍為0.4180.632,中壤匕水稻Cd的籽/稈比最大，其次為

16、重壤.而砂壤最小，平均值僅為中壤的68.63%。2.3土岫面不同深度全鎘和有效鎘含與水稻、小麥鎘吸收的相關性土壤中鎘的存在形態(tài)是衡域其環(huán)境效應的關鍵參數(shù)SE,而我國土壤環(huán)境質鼠標準是以土壤全鎘含鼠作為鎘污染評價的標準，不同質地土壤樣點045cm土層.全鎘含癖與水稻秸稈、籽粒和小麥秸稈、籽粒的關系見表4。15cm,1530cm和3045cm土層全鎘含量與小麥秸稈和籽粒的鎘含量間相關性都不大，僅1530cm土層全銅含抵與小麥秸稈鎘含眥間呈顯著負相關，其余土層全佩含址與小麥秸稈和*f粒的相關系數(shù)都未達到顯著水平。水稻上的變化規(guī)律與小麥差異較大，0-15cm和3045cm土層的全鎘含最與水稻秸殲和籽粒

17、的鎘含最相關性不大，但1530cm土層的全佩含最與水稻秸稈和籽粒第含蚩都呈顯著負相關。Table3Cduptakeanddistributioningrainsandstrawofwheatandricegrownindifferenttextured-soils土壤質地樣點水稻小麥籽粒Cd含量/(mg,kg")秸評Cd含量/(mgkg-1)時稈Cd比籽粒Cd含量/(mgkg-1)秸桿Cd含效/(mg'kg-1)料稈Cd比10.1930.4260.4530.0910.1890.479AbMr20.2290.5440.4210.1060.2740.38730.1330.3180

18、.4180.0430.1030.417平均值0.1850.4290.4310.0800.1890.42840.6621.0470.6320.1570.4960.317中壤50.4870.7820.6230.1080.3480.309平均值0.5750.9150.6280.1320.4220.31360.2780.4790.5800.0850.2120.40170.1420.3330.4260.0460.1200.379平均值0.2100.4060.5030.0650.1660.390Table4RelationshipsbetweratotalCdatdifferentsoildepthsan

19、dCduptakebyriceandwheat土疑厚度摘桿秸肝&粒(H15anU30an3045any=0.259&r+o.2243r=0.3263尸0.25241-0.0244r=0.4244y=0.1183x+0.0953r=0.2855>=0.0205r+0.064)r=0.1736尸一】.37Qr+1.8059r=-0.7629.y=-0.9567x+1.1726r=-0.7123y0.698lz+0.883lr=-0.7463y=-0.186r+0.2592r0.6970y=-0.127r+0.638r=-0.0920>=-0.0409x4-0.3282r

20、=-0.0398y=-0.115Zr+0.3186r=-O.16O7廣-0.07&+0.138r=-0.3833土壤中鎘的形態(tài)主要受銅的性質和含量、土壤有機質、粘土礦物、鐵鏈鋁氧化物、碳酸鹽、微生物、pH、Eh、溫度和濕度等的影響.根據(jù)Tessier等的研究，土壤Cd可分為交換態(tài)、碳酸鹽結合態(tài)、鐵鉉結合態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)等五個組分，采用1molir'MgCb溶液浸提的045cm±層土壤有效態(tài)鎘含量與水稻秸稈、籽粒和小麥秸稈、籽粒鎘含地的關系見表5。水稻秸稈和籽粒鎘含域與015cm土層土壤有效鎘含鼠都呈極顯著正相關性，與1530cm土層土壤有效鎘含量都呈顯著正相關性

21、，與3045cm土層土壤有效態(tài)鎘含最間相關性不顯著.與水稻相似，小麥秸稈和籽粒鎘含雖與015cm和1530cm土層土壤有效鎘含鼠都呈顯著正相關性，而與3045cm土層土壤有效態(tài)鎘含雖間相關性也不顯著。Table5RelationshipsbetweenavailableCdatdifferentsoildepthsandCduptakebyriceandwheat土層用度0-15any=4.65Qr-0.10821*y-3.475j-0.1969r=0.9432,B1530an>=4.J34x0.10340.8240*爐45any=5.43&l0.2769r-0.5628y=6.

22、0Qx-0.2925r=0.7658*尸4.22E0.0827l0.5839小麥楠籽段嚴234D.1034r«0.9534y=0.673r0.0062r-0.9215,<>=3.272r+0.0533r=0.8301,y=0.932i+a0031r=0.8310,y=2.647z+0.1105*5257y=O.77O2W.O5O4r=0.S3753結論土壤中的重金屆鎘具有明顯的表土聚集特點.李樹希等【項研究表明設施菜地和小麥地土壤剖面中，隨著土層深度的增加，土壤鎘含量均呈下降趨勢，從剖面分布看，表層和亞表層土壤鎘的含戰(zhàn)明顯較高。韓曉凱等逐研究表明黑土銅含鼠主要積累在表層土

23、壤，錦與表層有機質發(fā)生絡合作用且在土壤表層堆積，而向土壤下層的淋移作用不明顯。本研究結果表明，成都平原稻-麥輪作土壤剖面?zhèn)シ植贾饕性诟麑油寥?015cm),并隨土層厚度的變化而逐漸降低，3045cm土層的全第和有效態(tài)鎘含量都只有表層的一半，鎘在土壤剖面中向根區(qū)集中的分布趨勢可能主要是因為作物根系的富集所致.代金貴等mi研究表明水稻根系在垂立方向上主要分布在010cm土層，15cm以下土層根系分布很少；王俊娟等閭研究表明小麥整個生育期根系主要分布在030cm土層，占總根缺的一半以h.在長期的耕作栽培過程中，作物根系不斷從土壤剖面中吸收銅，進入作物體內的鎘乂主要富集在根部.當作物收獲后，根系腐

24、爛后鎘又被釋放到土壤中，參與下一茬作物的吸收與循環(huán)。其次可能是T業(yè)污染和肥料等帶入，當含鎘的工業(yè)污染物進入農田或施入含鎘的肥料和農藥時，這些物質主要和土表接臟，或混入表土中，也造成表土層銅的富集。鎘剖面分布特征受土壤質地的影響較大，與表層土壤鎘含St相比，砂壤土亞表層(1530cm)土壤全銅和有效鎘含量:都降低最少，含最相當于表層的80%左右，而中壤和重壤土亞表層土壤全鎘和有效俺含量:降低較多，不同質地土壤3045cm土層全鎘和有效態(tài)鎘含Jt差異不大，這說明砂壤、中壤和重壤土均不同程度地存在鎘由表層向下層垂直遷移的現(xiàn)象。土壤質地對鎘遷移能力影響主要表現(xiàn)在030cm土層，對30cm以下土層的影響

25、較小，表明在研究區(qū)域條件下，土壤質地對30cm以下土層的鎘的遷移影響不明顯，無論土壤剖面的質地輕重，鎘向地下水淋溶的風險都不大.作物吸收鎘的多少與土壤中的鎘形態(tài)分配有關。大最研究表明，作物鎘含量與土壤全鎘含最之間并不存在確定的相關關系，而與土壤中有效態(tài)鎘的關系較為密切紀淑娟等U”采用鎘添加土培試驗報道研究了土壤有效態(tài)鎘與大蒜吸收鎘的關系，表明土壤有效態(tài)鎘含量與大蒜和蒜苗中鎘含量的相關性大大好于與土壤全鎘含量的相關性,袁波等研究表明菜地土壤中銅有效態(tài)含，與小白菜可食部分鎘的含雖相關性優(yōu)于全最的，用土壤中銅的有效態(tài)含量表征鎘的生態(tài)風險更準確.本研究結果表明，成都平風稻麥輪作下的鎘污染水稻土壤上，水

26、稻、小麥的秸稈和籽粒鎘含城與。15cm和1530cm土層土壤有效態(tài)銅含最都呈顯著正相關性，而045cm土層的土壤全錦含量與水稻、小麥的秸稈和籽粒錦含量相關性較差。土壤第的有效態(tài)，比全錦能更好的反映出水稻和小麥對土壤中鎘吸收和被其污染的可能性。References1UrszulaK,RufusLC»JamesAR.etal.J.Environ.QuaL,2010,39：519.23DudkaS.MillerWP.JournalofEnviron.ScienceandHealth.1999,84(4)：681.3TaylorMD.TheScienceofTotalEnvironment.

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32、eristicsofSoilCadmiuminDifferentTexturedPaddySoilProfilesandItsRelevancewithCadmiumUptakebyCropsQINYu-shengu氣ZHANShao-jun2,YUHua2,TUShi-hua2,WANGZheng-yin1,1. CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,ChinaSoilandFertilizerInstitute*SichuanAcademyofAgriculturalSciences*Che

33、ngdu610066,ChinaAbstractAdoptingatomicabsorptionspectrometry(novAA400),thepresentstudyinvestigatedthedistributioncharacteristicsofsoilcadmium(Cd)indifferenttexturedpaddysoilprofilesunderrice-wheatrotationanditscorrelationwithCduptakebyriceandwheatinChengduPlainthroughrepeatedlytakingsoilandplantsamplesatthefixedsitesinthefield.TheresultsrevealedthatCdinthepaddysoilprofileswasmainlyconcentratedattheploughlayer(015cm)thatobviouslyfea