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江苏典型地区水稻与小麦字实中元素生物富集系数(BCF)初步研究

2023-01-23 来源:意榕旅游网
第40卷第1期 2013年2月 中 国 地 质 Vo1.40.No.1 Feb.,2013 GEoLo( Y IN CHINA 江苏典型地区水稻与小麦字实中元素生物富集 系数(BC F)初步研究 廖启林 ,2刘 聪3蔡玉曼 ,2朱伯万 ,2王 成 华 明 ,2金 洋1’2 (1.江苏省地质调查研究院,江苏南京210018;2.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室,江苏南京210018; 3.江苏省国土资源厅,江苏南京210029;4.南京大学地球科学与工程学院,江苏南京210093) 提要:在分析研究了约500套水稻籽实一耕层土及约300套小麦籽实一耕层土样品相关元素含量等地球化学调查数 据基础上,报道了江苏典型地区水稻与小麦籽实中Cd、Hg、Cu、Pb、Zn、Cr、As、Se、Mo、Mn、Fe、K、Ca、Mg等14个元 素的生物富集系数(Bcv)分布状况,统计结果显示,各元素的BCF值差异较大,通常Pb、Cr、Fe等元素BCF多小于 1%,Hg、s、AMn、Ca等元素BCF多为1% ̄10%,Mo的平均BCF最大、Fe的平均BCF最小。研究发现,水稻与小麦籽 实中Pb与Cd超标率分别超过15%、6%,BCF值差异与稻谷、小麦的元素含量无直接关系,部分元素的BCF与土壤 pH、TOC、CEC、B含量等具有统计上的相关性,其中土壤pH与Cd、Ca、Mg元素的BCF呈显著负相关,而土壤的 有机碳含量、阳离子交换量及B含量等也对部分元素的BCF值有一定影响。 关键词:元素;生物富集系数;水稻籽实;小麦籽实;江苏 文献标志码:A 文章编号:1000—3657(2013)01—0331-10 中图分类号:P596:X142 研究土壤中微量元素、特别是重金属对生态环 境的影响一直是现代环境地球化学、农业地质、第四 纪等诸多学科的研究热点l卜16]之一.而研究土壤环境 的元素分布对农产品质量、特别是对粮食生产安全 的影响更为包括地质环境调查在内的诸多学科领域 境调查研究的不断深入.元素在土壤一农产品之间 的分布特性或相关基础性研究应得到加强。典型元 素的生物富集系数当在其中之列 而像水稻、小麦籽 实等大宗农产品的生物富集系数更应被优先研究。 按照经典定义.生物富集系数(Bioconcentration Factor.简写为BCF)在环境学上又被称为生物浓缩 系数.是表征化学物质被生物浓缩或富集在体内程 度的指标.即某种化学物质在生物体内积累达到平 衡时的浓度与生物所处环境介质中该物质浓度的比 所持续关注【1’3l4114] 农产品中元素含量分布与其所生 存的土壤环境元素含量分布之间的关系是考察农作 物能否在土壤中安全生长的一个重要因素.表征元 素含量在土壤一农作物之间分配规律的生物富集系 数则属于评价土壤环境质量的基础性指标.对于评 价土壤一农产品之生态安全具有直接指示意义。因 值.是一个无量纲的数值 。元素生物富集系数就是 某元素在生物体内的含量与该元素在环境(以土壤 为以前地质环境调查较少能同时获取大量有关土 壤一农产品的元素含量分布数据.所以在地质环境 为主)中含量的比值.水稻或小麦籽实的元素生物富 集系数就是这些农产品中的元素含量同该元素在所 调查研究领域专门探讨与土壤环境有关的元素生物 富集系数之文献并不常见。但随着中国农业地质环 对应的耕作层土壤中含量的比值,表示为:BCF=水 稻或小麦籽实中的元素含量/土壤中的元素含量 元 收稿日期:2012—09—04;改回日期:2012-12—14 基金项目:国家自然科学基金(40873081)及国土资源公益性行业科研专项经费项目(201111021)联合资助。 作者简介:廖启林,男,1964年生,研究员级高级工程师,地球化学与矿床学专业,现从事生态地球化学调查研究; E—mail:liaoqilin64@yahoo.corn.cn。 第40卷第1期 廖启林等:江苏典型地区水稻与小麦字实中元素生物富集系数(BcF)初步研究 333 合全省地表土壤元素含量分布特征.选择典型地区 在对上述样品分析测试所获得数据进行核对的 部署采样点,在收割季节采取水稻(或小麦)籽实一 基础上,确定不同时期分析数据的有效性和准确性. 土壤配套样品。土壤与水稻(或小麦)籽实样点控制 对于不同时间分析的元素含量明显存在系统误差、 田块一一对应。分多次、多年度,共采集水稻籽实一 农产品中元素含量明显高于其对应土壤的样点或元 耕层土样品589套.小麦籽实一耕层土样品315套 素直接剔除,对于碱性土壤环境下(如苏北黄泛平原 土壤用竹签或专用无污染采样工具采集设计样 区)突然出现的土壤pH小于6.0的样点直接剔除. 点所控制区域内5处15-20 cm以上深度的表土、每 最后选定505套水稻籽实一耕层土样品、286套小麦 处取土约200 g.现场采集约1 000 g土壤组成1个 籽实一耕层土样品参与统计分析.每个样品均有 样品,各散点所取土壤必须一致.点和点之间的距离 Cd、Hg、Se等14个元素的有效含量数据。土壤样的 一般大于50 111.整个采样过程都严禁人为污染尽量 有效含量数据还包括有机碳(TOC)、阳离子交换量 避免偶然因素的干扰 (cEc)、pH、B含量等。 水稻籽实采样是用专用剪刀截取整株谷穗.装 于专门网兜,由若干株谷穗组成1个样品(散点采样 3结果与讨论 范围与土壤相同),保证每个样品脱粒、去皮后糙米 3.1土壤 水稻与小麦籽实的元素含量分布 重量不得低于500 g.由专人在固定点进行脱粒和晾 对上述水稻籽实一耕层土和小麦籽实一耕层土 晒。小麦籽实采样方法也基本类似.用专用剪刀采集 样品的有关元素含量测试结果进行对比分析.发现: 麦穗.统一将麦穗放置在自封口塑料袋中.并安排专 (1)不同地区的元素含量分布差异较明显.如水 人随时进行晾晒。谷籽与麦籽都尽量采集饱满颗粒。 稻耕层土的Cd含量最低不到0.1 mg/kg.最高超过 同一个样品必须是同一品种、同一耕种方式。 10.0 mg/kg,相差达100倍以上。又如水稻籽实中的 实地采样全部用GPS现场定点.用统一的记录卡 se含量最低不足0.03 mg/kg,最高超过1.5 mg/kg. 对采样过程、样点背景、样品特性等进行规范化记录。 相差达50倍以上 还有小麦耕层土的Hg含量最多 为保证采样质量.还专门插入了约5%的重复采样。 也相差达到100倍以上.小麦籽实中的Pb含量最多 (2)样品加工与分析测试 也相差达50倍以上 表1列出了苏锡常地区某次 土壤样自然晾干。统一过20目尼龙筛、然后按 50多组水稻籽实一耕层土样品的Cd、Hg、Pb、Se含 照均匀缩分法分出200 g送实验室进行分析化验. 量调查结果,清晰地显示了其不均匀分布特征。 做元素含量分析的样品预处理前统一在石英玛瑙瓶 (2)除Mo等极少量元素外.大多数元素在水稻 中磨细至200目以下。 与小麦籽实中的含量要明显低于其耕作层土壤的含 谷籽样品脱粒后.自然晾干.去皮前先用清水 量。像Fe、ca等常量元素。其正常情况下在水稻与 (自来水)清洗2遍,再用纯净水(实验室提供)清洗 小麦籽实中的含量不足其土壤的1%。本次研究的 1遍.最后晒干后用专用设备去皮。每个样均匀分取 Cd Hg Cu、Pb、Zn Cr、As Se Mo、Mn Fe、K、Ca、 200 g糙米送实验室进行分析化验。实验室在进行化 Mg等14个元素中,仅发现水稻、小麦籽实中的Mo 验之前.先用专用设备磨细至200目左右.然后再按 含量与土壤相当、甚至略高,另有极个别样品存在水 照标准流程进行溶样、预处理和上机分析测试。麦籽 稻、小麦籽实中Cd与Se含量高于土壤的现象,其 样品脱粒后。清水洗2遍、自然晾干,用专用设备去 他元素全部在农产品中的含量明显低于土壤.而水 皮.然后磨细至200目左右。每个样均匀分取200 g 稻、小麦籽实中Cd与se含量偶尔大于其耕层土的 面粉送实验室进行分析测试。溶样、预处理和上机分 特例已发现当地存在特定的人为污染源。 析测试同糙米样品。 (3)不论是农田中的土壤,还是水稻与小麦籽实 以上所有样品分析测试工作由国土资源部南京 本身,都发现Cd、Pb等多个元素存在超标现象,以 矿产资源监督检测中心完成,为了保证分析质量,插 糙米与面粉中元素含量超标、或土壤中相关元素含 入5%密码样和2%国家标样进行质量监控,农产品 量超过了《土壤环境质量标准)(GB15618—1995)之 样分析的异常数据经第三方仲裁后出最终结果。 3级限量为污染论,太湖流域无疑是cd、Hg、Pb等 (3)分析数据筛选 重金属污染相对最集中的地段。 334 中 国 地 质 2013正 表1苏锡常地区典型水稻籽实一耕层土样品Cd、Hg、Pb、Se元素含量分析结果(mg/kg) Table 1 Element concentrations(1O of Cd,Hg,Pb and Se within milled rice and its cultivated soft in Suxichang area 第40卷第1期 廖启林等:江苏典型地区水稻与小麦字实中元素生物富集系数(BCr)初步研究 335 (4)同一地区不同年代采样分析的结果相对稳 定,如在太湖边某片耕地.6年内3次采样分析其结 果都完全一致.其土壤的Cd含量都超过1.5 rag/ ,序有较大可比性 3.3 BCF与农产品元素含量超标统计 上述糙米样品中出现了Cd、Hg、Pb、Cu、Cr、Se 而其水稻、小麦籽实中的cd含量也都超过了 等超标现象,以Pb的超标率最高、达15.8%,其次为 Cd、Cr,超标率分别为10.2%、6.1%。小麦面粉样品中 出现了Pb、Cd、Cr、Cu、Se等超标现象,也是Pb的 0.2 mg/kg。 3.2元素生物富集系数(BCF)分布特征 从上述14个元素的生物富集系数即BCF值统 计结果(表2)可看出: 超标率最高、Cd的超标率次高,分别达到17.5%、 6.6% 对上述超标样品的元素BCF分布范围同各自 (1)就水稻籽实而言,其Cd、Cu、Zn、Se、Mo、K、 Mg等元素的BCF值一般都大于10 ̄/6.以Mo的生物 富集能力相对最强、其BCF一般大于50%,而Pb、 正常样品BCF分布范围进行比较。发现Cu、Cr这 两个元素的超标样BCF值要明显偏高.而Hg、Pb 这两个元素超标样的BCF值与正常样品一致。Cd、 Se这两个元素超标样的BCF值与正常样品接近、 部分略偏高(表3)。依据上述元素的BCF值差异, 不足以判定水稻与小麦籽实样品是否会出现cd、 cr、Fe等元素BCF一般小于1%,Hg、As、Mn、Ca等元 素的BCF一般介于1% 10%。按照参加统计样品的各 元素BCF平均值排序.从大到小依次为Mo>Zn> Se>Mg>Cd>Cu>K>Hg>Mn>Ca>As>Cr>Pb>Fe。 Hg、Pb、Se等元素含量超标?因为农产品中微量元素 含量超标涉及到标准合理性等非客观因素.加上现 今大气环境对农产品的影响越发明显.导致依据 BCF来判定的难度加大。 3.4影响BCF分布的有关因素 (2)就小麦籽实而言,也是Mo的生物富集能力 相对最强、其平均BCF达到65.7%,上述14元素的 平均BCF从大到小排序为:Mo>Zn>Cd>>Cu>K> Se>Mg>Mn>Ca>Hg>cr>Pb>As>Fe。Mo扫}在最 前、Fe在最后.这一点与水稻籽实完全一致。 (3)各元素在水稻与小麦籽实中的BCF值分布 影响元素BCF的控制因素有哪些目前这方面 的研究尚无定论 依据上述水稻与小麦籽实样品之 范畴没发现数量级上的差异.二者的平均BCF值排 BCF数据及各自对应的有关土壤质量调查数据,分 表2江苏典型地区水稻与小麦籽实中有关元素生物富集系数统计结果(%) Table 2 Statistical results of BCF(%)of some elements within milled rice and wheatmeal in typical areas of Jiangsu province注:N为参加统计样品数,Min为BCF最小值,Max为BCF最大值,X为BCF算术平均值,8O%以上样值域为剔除最高10% 与最低10%样品后剩余80%样品的BCF值分布范围。 336 中 国 地 质 2013年 表3江苏粮食样品中典型元素BCF与超标率统计结果对比 Table 3 Statistical data of BCF and ratios over limited-standard of some element values in foods in Jiangsu Province 帅 踟 0 0 0 注:N为参加统计样品数。超标率为超标样品占参加统计总样品数的百分比,空白表示无此项数据。食品中Cd限量标准引自 GB15201-1994,Hg限量标准引自GB2762-1994,Pb限量标准引自GB2762—2005,Cr限量标准引自GB14961—1994,Cu限量标准引 自GB15199-1994.Se限量标准引自GB13105—1991。 别进行了有关元素BCF与土壤pH、TOC(也称 等2005年曾发现成都地区稻谷样品中Cd元素 OC,、余同)、CEC、B含量等地球化学指标的相关性 BCF与土壤pH有显著负相关性[21】.表明土壤酸碱 分析,结果发现: 度fpH)可控制水稻籽实从耕层土中吸收Cd可能具 (1)就水稻籽实而言,Cd、Ca、K、Mn等4元素 有普遍性 的BCF与土壤pH呈显著负相关.其中Cd的BCF (2)就小麦籽实而言。其ca的BCF与土壤B 与土壤pH之间的相关系数为一0.94.Mn的BCF与 含量存在正相关性、相关系数大于0.8,Hg之BCF 土壤pH之间的相关系数为一0.92,如图2所示,Ca、 同土壤B含量存在负相关性、相关系数为一0.81(图 K BCF同土壤pH的相关系数都在一0.8左右.Mg 5)。另外,还发现其Mg之BCF同土壤pH存在负 的BCF也与土壤pH存在显著负相关性。另外.还 相关性、相关系数为一0.9;Mo之BCF值同土壤pH 发现se的BCF同土壤TOC(总有机碳)之间存在 存在正相关性、相关系数为0.82(图6)。Cu之BCF 显著负相关、相关系数为一0.93(图3); 与cu的 值同土壤pH存在负相关。相关系数为一0.76 Ca与 BCF与土壤阳离子交换量(CEC)存在负相关性,相 Mg类似.其BCF也与土壤pH存在较显著负相关 关系数分别为一0.8、一0.81,Cu的BCF与土壤CEC 性,相关系数为一0.75 的相关性分析结果见图4 水稻籽实中Cd元素 (3)上述各元素的BCF与土壤pH、TOC、CEC、 BCF同土壤pH存在负相关性有曾报道.如杨忠芳 B含量之间存在的相关分析统计结果.都是在一定条 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 pH pH 图2江苏典型区水稻籽实中Cd(左)与Mn(右)生物富集系数 CF)与土壤酸碱度 H)相关性分析 (图中BCF+ ̄符号指该元素生物富集系数,如BCFCd表示Cd的生物富集系数,余同。) Fig.2 Correlation between bioconcentration factors of Cd 0e固and Mn(right)within milled rice and soil pH in typical areas ofJiangsu Province ¨ l/0∞ U筒 第40卷第1期 BcF)初步研究 舳 砷印 廖启林等:江苏典型地区水稻与小麦字实中元素生物富集系数(如加加0 0 0 O O O O O O 0 0 337 O O∞100 O 2 3 4 5 150 200 250 300 oC/o/0 CEC/(mmol/kg) 图3江苏典型区水稻籽实中Se生物富集系数(BCF) 与土壤有机碳含量(oc)相关性分析 Fig.3 Correlation between bioconcentration factor of Se within milled rice and total organic carbon content of 0,/lI U∞ topsoil in typical areas ofJiangsu Province 0 0 O 图4江苏典型区水稻籽实中Cu生物富集系数 CF) 与土壤阳离子交换量(cEc)相关性分析 Fig.4 Correlation between bioconcentration factor of Cu within milled rice and cati0/0 II u酋 on exchange capacity of topsoil 5 4 4 3 3 2 2 1 1 O O O 5 0 5 O 5 0 5 O 5 O in typical areas ofJiangsu Province 加20 :O 加O 5 0 O O 12.0 1O.0 ‘0 6.0 U ∞ 4.0 2.0 0.0 20 40 6O 80 100 120 20 40 60 80 100 120 B/(mg/kg) B/(mg/kg) 图5江苏典型区小麦籽实中Ca(左)与Hg(右)生物富集系数 cF)与土壤B含量相关性分析 F .5 Correlation between bioconcentration factors of Ca e and Hg( ̄ight)within wheatmeal and soil B concentraitons in typical areas ofJiangsu province 300.0 250.0 4 5 6 pH 7 8 9 4 5 6 pH 7 8 9 图6江苏典型区小麦籽实中Mg(左)与Mo(右)生物富集系数 cF)与土壤酸碱度(pH)相关性分析 rig.6 Correlation between bioconcentration factors of Mg qe国and Mo(right)within wheatmeal and soil pH in typical areas ofJiangsu Province 338 中 国 地 质 2013年 件限制下取得的,只有在农作物品种相近、耕种条件 化学研究的不断深化.有关生态地球化学调查研究 成果的开发利用也会越来越深入。 类似、成熟期相同的条件下,才能出现上述较显著的 相关性。一些本次研究没发现相关性的元素,若能将 条件限制的更严些.样品代表范围更广泛些.选用的 相关因素更多些.也可能还会找到某种新的相关性。 本次初步统计分析结果表明.水稻与小麦籽实 中某些元素BCF与其土壤的pH、TOC、CEC、B含 4结论 (1)因为土壤及水稻、小麦籽实等大宗农产品中 元素含量分布不均匀.导致了研究区水稻与小麦籽 箕 Cd Hg Cu1Pb Zn Cr As Se Mo Mn Fe K、 量等地球化学指标之间存在一定程度的关联,上百 个甚至几百个样品的相关系数绝对值大于0.7、0.8 Ca,Mg等元素的BCF存在一定变化范围,但大多 数元素的BCF值都有一个相对稳定范畴。水稻与小 甚至是0.9就是直接证明.但同一个土壤环境地球 化学指标对不同元素的生物富集行为的影响结果是 不一样的.以土壤B含量为例.对Hg的影响是B含 量增加可以阻止土壤中的Hg向小麦籽实迁移.而 对Ca的影响则表现为土壤B含量增加可以增加小 麦籽实从土壤中吸收ca的能力 与此相似的还有 土壤pH。总体而言.土壤酸化即pH值下降有助于 土壤中的多数元素向水稻、小麦籽实迁移,但也有例 外.如小麦籽实中Mo的BCF值同土壤pH就是正 相关关系,说明土壤越碱性(pH值增加)、小麦籽实从 土壤中吸收Mo的能力越强。另外,还发现水稻籽实 中se的BCF与土壤TOC含量存在负相关性 控制 土壤中Cd、Hg、Pb、Zn、Se、Mo、Cu、Mn、As等微量元 素向水稻、小麦籽实中迁移或富集的因素不仅限于上 述所讨论的土壤pH、TOC、CEC、B含量等地球化学 指标.但本次研究能够初步确定这些土壤地球化学指 标对上述相关元素的BCF有一定影响.这对于认识 元素的生物地球化学行为、进一步研究相关元素在土 壤一农作物之间的迁移转化都可做参考 元素富集系数近年来在土壤重金属污染评价方 面的应用有日益增加的趋势[21-z3].而元素的生物富 集系数也早已被应用到生态安全风险评价、超累计 植物研究、重金属污染修复等相关研究领域[z4-261.随 着人们对粮食生产安全环境的研究日趋深入.包括 稻谷中有机污染物的生物富集问题也将逐步提上现 代环境地球化学的研究日程cz71 上述所讨论的江苏 境内水稻与小麦籽实中14个元素的生物富集系数 等相关资料.既是对江苏近10年来生态地质环境调 查期间所获取的相关元素生物地球化学特性研究成 果的一个初步小结。也是对江苏粮食安全生产相关 土壤环境研究的进一步深入 将元素生物富集系数 直接用于江苏土壤环境质量评价可能还需要一个过 程.但随着人们对农产品一土壤之间相关元素地球 麦籽实中同一元素相对稳定的BCF值分布范围不 存在数量级的差别。Mo的BCF相对最大,Fe的 BCF相对最小。正常情况下,Mo的BCF大于50%, Pb、cr、Fe等元素BCF多小于1%,Hg、As、Mn、Ca 等元素BCF多介于1% ̄10%.其他元素的BCF也都 在0.1% 50% 除Mo外.其他元素的BCF甚少超过 100%.说明正常情况下农产品从土壤环境中摄取微 量元素的潜能是有限的 (2)水稻与小麦籽实样品中都存在Cd、Pb、Cu、 Cr,Se等元素含量超标.水稻籽实中还存在Hg含量 超标。Pb、Cd是超标率最高的2个重金属元素,水稻 与小麦籽实中Pb的超标率均大于15%.Cd的超标 率均大于6%。超标样品中Pb、Hg、cd、se之BCF分 布范围与各自正常样品的BCF分布范围无实质性 差别.若仅依据BCF值差异来判定水稻与小麦籽实 中微量元素含量超标难易情况.目前还不准确 (3)土壤pH、TOC、CEC、B含量等均对水稻、 小麦籽实中部分元素BCF的分布有一定影响 在品 种、耕种条件、成熟期等一致的情况下,水稻籽实中 Cd、Ca、K、Mn、Mg等BCF与土壤pH呈较显著负 相关性,se的BCF与土壤TOC也具有负相关性. As、Cu之BCF与土壤CEC具有负相关性。小麦中 Mg之BCF与土壤B含量呈正相关性.Hg之BCF 与土壤B含量呈负相关性.而其Ca,Mg之BCF与 土壤pH也呈负相关性.Mo之BCF与土壤pH存 在显著正相关性 致谢:本研究工作的顺利完成得到了江苏省国土 资源厅、地质调查研究院有关领导与专家的大力支 持帮助,南京大学王晓蓉教授、中国地质大学(北京) 杨忠芳教授给予了重要指教,谨致诚谢! 参考文献(References): [1】陈怀满.土壤中化学物质的行为与环境质量【M】.北京:科学出版 第40卷第1期 廖启林等:江苏典型地区水稻与小麦字实中元素生物富集系数(BCF)初步研究 339 社,2002:23—45. Chen Huaiman.Behavior of Chemicals in Soils and Its Relation to Environmental Quality【M】.Bering:Science Press,2002:23—45(in Chinese). 【2】赵振华.微量元素地球化学原理[M】.北京:科学出版社,1997: 178-193. Zhao Zhenhua.Geochemical Principles of Trace Elements[M】. BeOing:Science Press,1997:178—193(in Chinese). f3]胡星明,王丽平,李恺,等.城市交通大气与土壤重金属对小蜡生 物富集作用的影响卟环境科学研究,2008,21(5):154—157. Hu Xingrinng,Wang Liping,Li Kai,et a1.Bioaccumulation effect in Ligustrum Sincnse affected by urban—tra ̄c atmoaphere and soil heavy metals Research of Environmental Sciences,2008,21(5): 154—157(in Chinese、Ⅳith English abstract). [4]郑冬梅,王起超,张仲胜,等.葫芦岛市五里河土壤一植物系统中 汞的迁移U1.中国环境科学,2007,27(5):676—680. 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Key words:element;bioconcentraiton factor;irce seed;wheat seed;jingsau About the ifrst author:LIAO Qi—lin,male,born n 1964,doctior nd saenior researcher,majors n igeochemistry nd mianeral deposit geology and mainly engages in the study ofeco—geochemistry at present;E—mail:liaoqilin64@jsmail.com.cn. 

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