镉在不同质地水稻土剖面中的分布特征及与作物吸收的关系.docx

1、第33卷，第2期2013年2月光谱学与光谱分析SpectroscopyandSpectralAnalysis镉在不同质地水稻土剖面中的分布特征及与作物吸收的关系秦鱼生詹绍军2,喻华2,涂仕华2,王正银11. 西南大学资源环境学院.重庆400716四川省农业科学院土壤肥料研究所，成都四川610066摘要通过野外定点采集土壤和作物植株、籽粒样品，利用石墨炉(novAA400)原子吸收法，研究了成都平原稻麦轮作下水稻土剖面中镉的分布特征及其与水稻、小麦吸收镉的相关性结果表明，土壤剖面中的镉主要集中在。15cm的耕层土壤，总体表现为“向根层富集”的特征，土壤全镉和有效态铜均随土层深度的增加而逐渐降低，

2、3045cm土层的全铜和有效态铜含量平均值分别为表层的47.60%和39.49%。不同质地土壤中的铜向下迁移地大小顺序为砂壤重壤中壤，以1530cm土层的迁移量差异最大。土壤pH与015cm土层的有效态镉含量间相关性不显著(，=一0.46),与1530cm和3045cm土层有效态镉含酸间呈显著的负相关5=0.78一0.86)。水稻、小麦秸秆和籽粒馄含最与015cm和3045cm土层的全佛含敏间相关性不大(=一0.092一0.383,0.174-0.424),但与015cm和1530cm土尼的有效态镉含虽呈显著正相关(r=0.766-0.953)，与3045cm土层的有效态镉含员相关性不显著(r

3、=0.5260.584)。因此，土壤有效态镉含鼠比全镉含量更适合作为农作物产品安全的土壤佛污染评价指标。关键词镉；质地；剖面分布；水稻；小麦；成都平原中图分类号：X53;S151.9文献标识码：ADOI：10.3964/j.issn.1000-0593(2013)02-0476-05收稿日期：2012-07-03,修订日期：2012-10-20基金项目：国家自然科学基金项目(41201295),四川省农业科学院优秀论文基金项H(2010LWJJ-07)和农业部公益性行业科研专项项目(201003016)资助作者简介：秦鱼生，1978年生，博士研究生，副研究员mail,shengyuq*通讯联系

4、人e-mail：wan«_zhen«yin引言镉(Cadmium)是对人类威胁最大的环境污染物之一，它主要通过食物链进入人体而危害健康.镉污染土壤在世界范围内广泛存在并日趋严取。，相关研究表明，我国受镉污染的土壤扩展迅速，已经成为一个重要的环境问题.环境流行病学者研究发现我国部分铜污染地区已出现了镉污染所致的慢性健康危害。因此，对镉的环境行为与毒理研究已经成为当前环境科学中的热点问题。作物对镉的吸收多少主要取决于土壤有效镉含最，而有效镉主要受土壤铜总量、溶解度、吸附和解吸等影响幻。±壤性质如土壤pH、有机质、机械组成、阳离子代换最等因素与铜的吸附和解吸密切相关.自

5、然土壤中镉大部分存在于表土层，被有机质络合，很难向下迁移，但在一定条件下吸附的铜可能被释放并沿着土壤剖面垂直迁移，其迁移转化能力取决于镉的存在形态。目前大多数研究侧竟于镉从土壤表层到作物迁移转化规律及影响因素而铜在土壤中的垂直迁移转化规律和作物通过根系对下层七壤中镉吸收与土壤铜含量和形态的关系研究鲜有报道。为此.本文选择成都平原稻麦轮作下受镉污染的三种不同质地的水稻土，研究镉在不同质地土壤剖面中的分布特征，探讨不同剖面深度土壤全铜与有效镉含量及其与作物籽粒和秸秆吸收镉的关系，以及土壤剖面中铜的迁移转化规律，为成都平原农田土壤镉污染治理和无公害农产品生产提供科学依据。1实验部分1.1研究区域概况

6、研究区域位于四川省德阳市绵竹县和旌阳区境内，属亚热带湿润气候区，年平均气温15.7-C,年平均降雨量1053.2mm,年最大降水员为1421.4mm,最少降水量为608.7mm,降水的季节分配极不均匀。年日照时数多年平均为1011.3h,最多为1178.0h,最少为802.7h,多年平均无霜期为285天。区域内主要土壤类型为河流冲积物发育而成的灰潮土或潮土，主要粮食作物有水稻、小麦、油菜、大麦等.德阳市磷矿资源丰富，磷矿石产量占四川全省的90%以上.成都经济区多目标区域地球化学调查发现，研究区域土壤存在大面积的镉异常现象，近地表大气尘、地表水、浅层地下水也存在不同程度的编污染，锚污染来源为龙门

7、山地区含铜岩（矿）石和工矿企业产生的近地表大气尘.1.2土样采集研究选择了位于四川省成都平原德阳市境内的7个水精土剖面，样点沿绵延河流经方向分布，所有土壤样点作物都为水稻/小麦轮作，土壤质地为3种类型，分别为砂壤、中壤和重填土.在小麦收获期分别采集土壤和植株、籽粒样品,在水稻收获期采集植株、籽粒样品分析测定铜含量.土壤样品的采集时间为2010年5月6日至10日，小麦植株和籽粒样品采集时间与土壤采集时间一致，水稻植株和籽粒样品采集时间为2010年9月3日.土壤样品采集方法为多点混合样，每个样点土样采集个数为1215个，混合后用四分法去除多余土样，最终每个剖面土样样品重量为LOkg左右.植株样品在

8、所采集的土壤样品范围内进行多点采样，每个样点采样3株。土样经自然风干，除去砂砾及动、植物残体，粉碎过筛后混合均匀并用记号笔标注，最后装于自封袋中保存备用小麦和水稻秸秆、籽粒样品经烘干、磨碎、过筛（40日）处理，用自封袋分装备用。1.3仪器分析仪器分别为德国耶拿novAA400智能火焰-石墨炉原子吸收光谱仪，带笊灯背景扣除装置和MPE60自动进样器；控温式红外消煮炉和0.1mg分析天平（AB104-S）.1.4测定方法土壤样品测定项目包括有效铜和全镉含最2项，土壤有效镉采用Tessier（1979）五步连续提取法第一步，以1molLMgChCpH7）溶液浸提勇），石墨炉原子吸收光谱法测定，其测定

9、条件如表h土壤全Cd采用混酸消煮（HC1-HNQ-HF-HCIOQ,石墨炉原子吸收光谱法测定（GB/T171411997）,测定条件与有效铜相同.小麦、水稻秸秆和籽粒采用HNQ-HC1O,消解法进行分析测定，同时添加空白消煮和标准样品进行质鼠控制和回收率校正，原子吸收光谱法测定小麦、水稻秸秆和籽粒Cd含量（GB/T5009.15-2003）.Table1Workingconditionsoftheafaratusinstudy顼目条件升温程序温度/C保持时间/s波长228.8nm干燥9011020灯电流3.0mA灰化45010狭缝宽度0.8nm原于化13003进样景10pL净化230042结果

10、与讨论2.1不同质地土壤中镉的垂直分布特征从图1可以看出，在030cm所有土壤样品的全第含最都远远超过国家标准，其范围为0.911.77mgkgT,平均值为1.30mg-kg-*,这说明该采样区域土壤镉污染较为严重。在015cm耕层中，全Cd含量:以砂壤土最低，中壤最高，重壤土与中壤土相近；不同质地土壤中有效Cd与全Cd含跟变化规律相似。在1530cm土层中，全Cd含量高低依次为：重壤砂壤中壤，而有效Cd含鼠则为中壤砂壤重壤；在3045cm土层中，全Cd含鼠高低依次为：重壤中壤砂壤.而有效Cd含屋则为中壤砂壤R重壤。所有样点土壤剖面全Cd和有效态Cd含域均表现为随土层深度的增加而逐渐降低的特征

11、，其中质地偏轻的砂壤土1530cm和3045cm全Cd含最较015cm分别降低12.26%和53.77%,有效态Cd含最分别降低21.74%和60.00%；质地适中的中壤土1530cm和3045cm全Cd含最较015cm分别降低50.33%和56.95%,有效态Cd含娥分别降低36.36%和65.55%,质地偏重的重壤土1530cm和3045cm全Cd含虽较015cm分别降低28.77%和49.32%,有效态Cd含量分别降低51.63%和65.85%.045cm土层全Cd含虽变化表明Cd向下迁移以砂壤最强，重壤次之，而中壤最差；不同质地土壤镉向下迁移能力的差异主要表现在1530cm土层，而30

12、45cm的差异较小.4.003.002.001.0000.500.400.300.200.100SamplesSamplesFig.1Distributionofsoiltotalcadmium(a)andavailabkcadmium(b)indifferenttexturesoil土壤剖面不同深度pH与全Cd含最、有效态Cd含量间的相关关系均表现出一致性（表2）。虽然土壤pH与全Cd含景都呈正相关性，但其实际意义不大，因为土壤中全镉含址的高低并不取决于pH,而是锦污染源.土壤剖面中有效Cd含量与土壤pH都呈负相关，而全Cd含前与有效态Cd含最在0-30cm土层为正相关，在3045cm土层呈

13、负相关。015cm土层由于受外界因素如作物种植、施肥、大气沉降等影响较为直接，通常土壤有机质含量最高，且是最易受到污染的土层，土壤pH、全Cd含髭和有效态Cd含鼠的相关系败都不显著.随着土层深度的增加，受外界因素的影响逐渐减弱，因此1530cm和3045cm土层pH和有效态Cd含量的相关性都达到显著水平，且相关性有随土层深度增加而增加的趋势，相关系数分别为一0.780-和一0.860.1530cm土层土壤全Cd含域和有效态Cd含盈相关性达到极显著水平(r=-0.960*),但3045cm土层的相关性不显著(r=-0.420).Table2CorrelationbetweenpH,totalCd

14、andavailableCdatdifferentsoildepths土层深度相关系数pH全儒有效铜pH1.000。15cm全铜0.3901.000有效制-0.4600.5301.000pH1.0001530cm全佩0.630,1.000«有效镉-0.780"-0.9601.000PH1.000««3045cm钠0.670*1.000*有效镉-0.860,-0.4201.0002.2水稻一小麦轮作中不同质地土填上作物对锦的吸收与分配在水稻小麦轮作中，三种土壤质地绝大部分样点的水稻籽粒和秸秆铜含斌都比相应点的小麦籽粒和秸秆高，其中水稻籽粒Cd含最平均值比小

15、麦高3.35倍，水稻秸秆Cd含耿平均值比小麦高2.26倍。从不同质地类型小麦和水稻籽粒与秸秆Cd含Jft来看，中壤上小麦籽粒和秸秆中的Cd含最最高，其次为砂壤，而柬填上小麦籽粒的镉含量最低；不同质地土壤上水稻籽粒和秸秆的Cd含最高低顺序基本与小麦一致，但水稻籽粒Cd含量以中壤址礼重壤其次，砂填最低；而秸秆中锦含量以砂壤其次，重壤最低。镉在作物器官的转运差异是寻求控制作物镉累积的重要途径，表3结果显示，不同质地类型对小麦和水稻的Cd分配都有较明显的影响，小麦Cd含鼠的籽/秆比变化范围为0.3090.479,水稻Cd含缺的籽/秆比变化范围为0.4180.632,中壤匕水稻Cd的籽/秆比最大，其次为

16、重壤.而砂壤最小，平均值仅为中壤的68.63%。2.3土岫面不同深度全镉和有效镉含与水稻、小麦镉吸收的相关性土壤中镉的存在形态是衡域其环境效应的关键参数SE,而我国土壤环境质鼠标准是以土壤全镉含鼠作为镉污染评价的标准，不同质地土壤样点045cm土层.全镉含癖与水稻秸秆、籽粒和小麦秸秆、籽粒的关系见表4。15cm,1530cm和3045cm土层全镉含量与小麦秸秆和籽粒的镉含量间相关性都不大，仅1530cm土层全铜含抵与小麦秸秆镉含眦间呈显著负相关，其余土层全佩含址与小麦秸秆和*f粒的相关系数都未达到显著水平。水稻上的变化规律与小麦差异较大，0-15cm和3045cm土层的全镉含最与水稻秸歼和籽粒

17、的镉含最相关性不大，但1530cm土层的全佩含最与水稻秸秆和籽粒第含蚩都呈显著负相关。Table3Cduptakeanddistributioningrainsandstrawofwheatandricegrownindifferenttextured-soils土壤质地样点水稻小麦籽粒Cd含量/(mg,kg")秸评Cd含量/(mgkg-1)时秆Cd比籽粒Cd含量/(mgkg-1)秸杆Cd含效/(mg'kg-1)料秆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土疑厚度摘杆秸肝&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广-0.07&+0.138r=-0.3833土壤中镉的形态主要受铜的性质和含量、土壤有机质、粘土矿物、铁链铝氧化物、碳酸盐、微生物、pH、Eh、温度和湿度等的影响.根据Tessier等的研究，土壤Cd可分为交换态、碳酸盐结合态、铁铉结合态、有机结合态和残渣态等五个组分，采用1molir'MgCb溶液浸提的045cm±层土壤有效态镉含量与水稻秸秆、籽粒和小麦秸秆、籽粒镉含地的关系见表5。水稻秸秆和籽粒镉含域与015cm土层土壤有效镉含鼠都呈极显著正相关性，与1530cm土层土壤有效镉含量都呈显著正相关性

21、，与3045cm土层土壤有效态镉含最间相关性不显著.与水稻相似，小麦秸秆和籽粒镉含虽与015cm和1530cm土层土壤有效镉含鼠都呈显著正相关性，而与3045cm土层土壤有效态镉含虽间相关性也不显著。Table5RelationshipsbetweenavailableCdatdifferentsoildepthsandCduptakebyriceandwheat土层用度0-15any=4.65Qr-0.10821*y-3.475j-0.1969r=0.9432,B1530an>=4.J34x0.10340.8240*炉45any=5.43&l0.2769r-0.5628y=6.

22、0Qx-0.2925r=0.7658*尸4.22E0.0827l0.5839小麦楠籽段严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结论土壤中的重金届镉具有明显的表土聚集特点.李树希等【项研究表明设施菜地和小麦地土壤剖面中，随着土层深度的增加，土壤镉含量均呈下降趋势，从剖面分布看，表层和亚表层土壤镉的含战明显较高。韩晓凯等逐研究表明黑土铜含鼠主要积累在表层土

23、壤，锦与表层有机质发生络合作用且在土壤表层堆积，而向土壤下层的淋移作用不明显。本研究结果表明，成都平原稻-麦轮作土壤剖面伟分布主要集中在耕层土壤(015cm),并随土层厚度的变化而逐渐降低，3045cm土层的全第和有效态镉含量都只有表层的一半，镉在土壤剖面中向根区集中的分布趋势可能主要是因为作物根系的富集所致.代金贵等mi研究表明水稻根系在垂立方向上主要分布在010cm土层，15cm以下土层根系分布很少；王俊娟等闾研究表明小麦整个生育期根系主要分布在030cm土层，占总根缺的一半以h.在长期的耕作栽培过程中，作物根系不断从土壤剖面中吸收铜，进入作物体内的镉乂主要富集在根部.当作物收获后，根系腐

24、烂后镉又被释放到土壤中，参与下一茬作物的吸收与循环。其次可能是T业污染和肥料等带入，当含镉的工业污染物进入农田或施入含镉的肥料和农药时，这些物质主要和土表接脏，或混入表土中，也造成表土层铜的富集。镉剖面分布特征受土壤质地的影响较大，与表层土壤镉含St相比，砂壤土亚表层(1530cm)土壤全铜和有效镉含量:都降低最少，含最相当于表层的80%左右，而中壤和重壤土亚表层土壤全镉和有效俺含量:降低较多，不同质地土壤3045cm土层全镉和有效态镉含Jt差异不大，这说明砂壤、中壤和重壤土均不同程度地存在镉由表层向下层垂直迁移的现象。土壤质地对镉迁移能力影响主要表现在030cm土层，对30cm以下土层的影响

25、较小，表明在研究区域条件下，土壤质地对30cm以下土层的镉的迁移影响不明显，无论土壤剖面的质地轻重，镉向地下水淋溶的风险都不大.作物吸收镉的多少与土壤中的镉形态分配有关。大最研究表明，作物镉含量与土壤全镉含最之间并不存在确定的相关关系，而与土壤中有效态镉的关系较为密切纪淑娟等U”采用镉添加土培试验报道研究了土壤有效态镉与大蒜吸收镉的关系，表明土壤有效态镉含量与大蒜和蒜苗中镉含量的相关性大大好于与土壤全镉含量的相关性,袁波等研究表明菜地土壤中铜有效态含，与小白菜可食部分镉的含虽相关性优于全最的，用土壤中铜的有效态含量表征镉的生态风险更准确.本研究结果表明，成都平风稻麦轮作下的镉污染水稻土壤上，水

26、稻、小麦的秸秆和籽粒镉含城与。15cm和1530cm土层土壤有效态铜含最都呈显著正相关性，而045cm土层的土壤全锦含量与水稻、小麦的秸秆和籽粒锦含量相关性较差。土壤第的有效态，比全锦能更好的反映出水稻和小麦对土壤中镉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.

27、1997,208(123.4 GONGWei-qun,PANGen-xing(龚伟群，潘根兴).Science&TechnologyReview(科技导报),2006,24(5),43.5 LIJiqiang,CHENXi-yong,TANGYi-jia,etal(李继强，陈蜩永，唐意佳，等).ChinaPublicHealth(中国公共卫生)，2001.17(3)：196.6TamerAElbana,SelimHM.SoilScLSoaAm.J*2010,74(6)：1956.7 ZhaoXiulan.QingChangle.WeiShiqiang.Pedosphere,2001&#

28、187;11(2)：137.8 IxiganathanP,HedleyM.J.EnvironmentalPollution.1997,95(3)：319.C9JOnyattaJ,HuangP.Geoderma,1999,91：87.10 HUKun,YUHua,FENGWen-qiang,etal(胡坤，喻华,冯文强，等).ActaEcologicaSinica(生态学报),2011,31(8)：2341.11 ZHAOJing,FENGWenqiang,QINYu-sheng,eta】(赵晶.冯文强，泰鱼生.等).ActaPedologiesSinica(土壤学报)，2010,47(5),9

29、53.12 TessierA.CampbellPG.BissonM.AnalyticalChemistry,1979,51：844.13 HolmPE,AndersenBB,ChrisrensenTH.SoilSci.SoaAm.J,1996,60：775.f14SHIJiachun,YUXiulin.ZHANGMingkuietal.J.Environ.Qual.*2011,40：1695.15 LIShu-hui,ZENGXi-bai,LILiang-fang,etal(李树辉，曾希柏，李莲芳，等).ChineseJournalofAppliedEcology(应用生态学报)，2010.

30、21(9)：2397.16 HANXiabkai,GAOYue,LOUYi-!ai,et(韩晓凯，高月，委翼来，等).JournalofSafety&Environment(安全与环境学报)，2008,8(3)：10.F17jDAIGui-jin,LwayishiShi顽，MikiTakaaki.eta】(代贵金.岩石真制，三木孝昭，等).JournalofShenyangAgriculturalUniversity(沈阳农业大学学报)，2008,39(3),274.18 WANGJun-juan,YANGZhaosheng,ZHANGLi-zhcn,etal(王俊婿，杨兆生，张立桢，

31、等).JournalofTriticeaeCrops(麦类作物学报)，2000.20(1)；51.19 JIShu-juan,WANGJun-wei,WANGYan-hong,etal(纪液姐，王俊伟，王0(红，等).JournalofShenyangAgriculturalUniversity(沈阳农业大学学报)，2008,39(2),237.20 YUANBo,FUWa-li,LANJiacheng,etal(袁波,傅瓦利，蓝家程，等).JournalofSoilandWaterConservation(水土保持学报)，2011, 25(5),130.DistributionCharact

32、eristicsofSoilCadmiuminDifferentTexturedPaddySoilProfilesandItsRelevancewithCadmiumUptakebyCropsQINYu-shengu气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