五种重金属在小麦植株不同器官中的分布特征

1、五种重金属在小麦植株不同器官中的分布特征邵 云，姜丽娜，李向力，鲁旭阳，李春喜河南师范大学生命科学学院，河南 新乡 453007摘要：为研究Cd、Pb、As、Cu、Zn等5种重金属在小麦植株不同器官的分布特征，以郑州9023为供试品种，采用田间试验方法，应用原子吸收分光光度法和电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICPS）分别测定了小麦植株不同器官的重金属质量分数并进行了分析。结果表明，小麦植株中较易富集Cd的器官是根、叶及废弃物，较易富集Pd、As的器官是根、茎及废弃物，较易富集Zn、Cu的器官是根、茎和籽粒；在这5种重金属中，Zn在小麦茎和籽粒中的富集系数最高，Cd在地上部分其他器官的富集系数

2、最高，而Pb在这些器官中富集系数均为最低，Cu和As则居中。关键词：小麦；重金属；器官；分布中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）02-0204-04小麦是世界上最重要的粮食作物，全世界约有一半以上的人口以小麦作为主要粮食；在我国，小麦又是仅次于水稻的第二大作物，其产量和品质直接影响我国人民饮食水平的提高。目前，“优质、高产、高效、生态、安全”协调发展已成为小麦生产的目标。而重金属是涉及农产品安全问题的主要污染物之一。重金属具有很强的蓄积性、隐蔽性、不可逆性和长期性1，它性质稳定，难以降解，半衰期大多较长；同时重金属在土壤中移动性相对较小，主要积累在

3、020 cm的耕作层土壤中，很少迁移至40 cm以下，且只有很少一部分能随作物地上部分的收获而被移去2，所以土壤或植物一旦遭受重金属污染，就会不断积累，不易治理恢复。如果重金属进一步通过食物链进行传递和富集，在人体内蓄积起来，则会对人体造成潜在性的危害，引起致畸、致癌、致突变等疾病。本文就5种重金属在小麦植株不同器官分布的情况进行研究，以期为小麦安全生产中重金属控制技术体系的建立提供理论依据。1 材料与方法表1 田间试验重金属处理质量分数Table 1 Content of heavy metals treatments in field处理w(Cd)/(mg·kg-1)w(Pb)/

4、(mg·kg-1)w(As)/(mg·kg-1)w(Cu)/(mg·kg-1)w(Zn)/(mg·kg-1)投放质量分数实测质量分数0.601.27600680.063033.26100145.71250525.00试验于20022003年在河南师范大学小麦试验田进行，试验地土壤类型为两合土，pH为8.08.5，土壤肥力水平较高：有机质质量分数1.2，全氮质量分数0.08，速效氮质量分数40.4 g/g，速效磷质量分数23.5 g/g，速效钾质量分数77.4 g/g。播种前分别将CdCl2、Pb(CH3COO)2、NaAsO2、CuSO4、ZnSO4（均

5、为AR）5种重金属盐均匀添加到010 cm耕作层的土壤中，添加质量分数如表1所示，小区面积24 m2（12 m×2 m）。小麦于10月12日播种，控制基本苗为180万/hm2，人工打畦，条播，宽窄行种植，播深5 cm。其它管理同大田常规措施。于小麦腊熟期采集各小区植株，分离成根、茎、叶、叶鞘、穗轴、颖片、籽粒和废弃物（小麦植株上已变黄的叶片、叶鞘和心叶已死的无效蘖等）个不同器官，依次用自来水、蒸馏水、去离子水反复冲洗，烘干，称重，粉碎，过筛，采用HNO3-H2O2-HClO4酸消解法消解；同时在各小区内用对角线法取020 cm的耕作层土壤，充分混合，风干，粉碎，过筛，采用王水-HCl

6、O4酸消解法消解。消解后的溶液用原子吸收分光光度仪（日本HITACHI公司生产，Z-5000型）测定样品中Cd、Pb、Cu、Zn质量分数3，用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（美国TJA公司生产，IRIS Advantage型）测定样品中As质量分数4。试验结果应用Excel和SPSS统计软件进行分析。2 结果与分析2.1 5种重金属在小麦植株不同器官的分布从试验结果（表2、表3）可知，在腊熟期，小麦不同器官Cd质量分数从大到小依次为：废弃物>叶>根>叶鞘>颖片>穗轴>茎>籽粒。Cd累积量大小依次为：废弃物>叶>颖片>叶鞘>籽粒&

7、gt;茎>穗轴。可见，小麦植株中较易富集Cd的器官是根、叶及废弃物。不同器官Pd质量分数依次为：根>废弃物>叶>茎>叶鞘>颖片>穗轴>籽粒。Pd累积量依次为：废弃物>茎>叶鞘>颖片>叶>籽粒>穗轴。可见，小麦植株中较易富集Pd的器官是根、茎及废弃物。不同器官As质量分数依次为：根>废弃物>叶>茎>叶鞘>穗轴>颖片>籽粒。As累积量依次为：废弃物>茎>叶>籽粒>叶鞘>颖片>穗轴。可见，小麦植株中较易富集As的器官是根、茎及废弃物。不同器

8、官Cu质量分数依次为：根>叶>废弃物和颖片>叶鞘>籽粒>茎和穗轴。Cu累积量依次为：籽粒>茎>颖片>废弃物>叶鞘>叶>穗轴。所以，小麦植株中较易富集Cu的器官是根、茎和籽粒。不同器官Zn质量分数依次为：根>茎>籽粒>废弃物>颖片>穗轴>叶鞘>叶。Zn累积量依次为：籽粒>茎>颖片>废弃物>叶鞘>叶>穗轴，即小麦植株中较易富集Zn的器官是根、茎和籽粒。由此可见，腊熟期小麦植株不同器官重金属质量分数和累积量大相径庭。表2 5种重金属在小麦植株不同器官的质量分

9、数Table 2 Content of five heavy metals in different organs of wheat器官w(Cd)/(mg·kg-1)w(Pb)/(mg·kg-1)w(As)/(mg·kg-1)w(Cu)/(mg·kg-1)w(Zn)/(mg·kg-1)根1.80±0.07176.43±5.0645.44±1.7849.42±0.83244.19±8.22叶4.51±0.118.55±0.083.78±0.177.85±0.

10、3138.76±0.00叶鞘1.44±0.077.40±0.370.73±0.036.40±0.0046.51±0.00废弃物6.07±0.2532.27±0.074.98±0.227.56±0.001184.30±4.11茎0.35±0.027.95±0.030.83±0.044.65±0.22162.79±8.12穗轴0.70±0.035.31±0.230.65±0.014.65±0.0058

11、.14±2.11颖片1.23±3.5×10-46.00±0.280.52±0.027.56±0.001163.95±3.13籽粒0.20±2.9×10-50.83±0.030.15±0.00565.08±7.2×10-4121.31±3.992.2 5种重金属在小麦不同器官富集能力的比较表3 5种重金属在小麦植株地上部分不同器官的累积量及其分布系数1)Table 3 Accumulation and distribution coefficients of

12、 five heavy metals in different above-ground organs of wheat器官CdPbAsCuZn累积量/(µg·株-1)分布系数/%累积量/(µg·株-1)分布系数/%累积量/(µg·株-1)分布系数/%累积量/(µg·株-1)分布系数/%累积量/(µg·株-1)分布系数/%叶3.15619.564.2946.640.94211.484.7475.7521.8222.14叶鞘1.73610.766.3149.760.5036.137.7879.43

13、43.2564.24废弃物6.72041.6532.14949.704.10249.988.1709.8955.6715.46茎1.0696.6311.51017.791.45417.7213.65816.54346.09133.94穗轴0.2581.601.1051.710.1441.751.6041.9417.0561.67颖片1.93712.006.1239.460.4946.0211.92614.4467.0236.57籽粒1.2587.803.1964.940.5686.9234.69842.01468.83945.981) 分布系数，即植株某器官某种重金属累积量占地上部分该重金属总

14、累积量的百分比表4 5种重金属在小麦不同器官的富集系数Table 4 Enrichment coefficients of five heavy metals in different organs of wheat器官富集系数/%排序位次CdPbAsCuZnCdPbAsCuZn根141.6125.94136.6233.9246.5115243叶354.061.2611.375.397.3815243叶鞘113.281.092.194.398.8615432废弃物476.964.7514.975.1916.0615342茎27.411.172.503.1931.0125431穗轴54.820.

15、781.953.1911.0715432颖片96.830.881.565.1912.1815432籽粒15.970.120.453.4923.1125431富集系数（又称吸收系数），即植株某器官的重金属质量分数占土壤相应重金属质量分数（实测值）的百分比5。不同重金属在小麦腊熟期不同器官的富集系数如表4所示。小麦根和叶的重金属富集系数从大到小依次为Cd>As>Zn>Cu>Pb，叶鞘、穗轴和颖片的富集系数为Cd>Zn>Cu>As>Pb，废弃物的富集系数为Cd>Zn>As>Cu>Pb，而茎和籽粒的富集系数则为Zn>Cd&g

16、t;Cu>As>Pb。从表4还可以看出，Cd处理下小麦的根、叶、叶鞘、废弃物和As处理下根的富集系数都超过了100，即小麦植株某些器官能够富集较高质量分数的重金属，其质量分数甚至能超过土壤中相应重金属的质量分数。而Pb处理下各器官富集系数都未超过26，Cu处理下各器官富集系数都未超过34，Zn都未超过47%，结合5种重金属元素各器官富集系数排序位次可以看出，Cd是最容易在小麦植株富集的元素；Zn在小麦体内富集能力仅次于Cd，且在茎和籽粒中的富集系数超过了Cd，说明Zn尤其易于在小麦的籽粒和茎中富集，在土壤-小麦系统中迁移能力也比较强；相比之下，Pb是这5种元素中最难于吸收富集的重金

17、属元素，而Cu表现居中；至于As，则显示为在小麦地下部分富集较多，越向上部的器官As富集量则陡然减少的变化趋势。3 讨论3.1 小麦不同器官富集重金属能力不同由试验结果可知，小麦植株中较易富集Cd的器官是根、叶及废弃物，较易富集Pd、As的器官是根、茎及废弃物，较易富集Zn、Cu的器官是根、茎和籽粒。许多资料显示小麦不同器官重金属质量分数从大到小为：根>茎>籽粒5, 6，而本试验结果显示，小麦不同器官的Cd、Pb、As、Zn质量分数依次为根>茎>籽粒，Cu质量分数则为根>籽粒>茎，与前人试验结果并不完全相符。原因可能是由于供试小麦的品种、土壤类型及背景值、重

18、金属元素的形态、水温条件、选取的生育期及器官不完全统一，盆栽试验或水培试验条件与大田试验条件也不能达到完全一致所导致的。因此，对于重金属在小麦植株体内不同器官的分布不能一概而论，还有待进一步的试验验证和探讨。3.2 不同重金属在小麦植株内富集能力不同不同的重金属元素在土壤-植物系统中的背景值、离子形态、迁移能力、吸附或络合能力及对植物的毒害作用总是不一样的，元素在植株中的质量分数、累积量、分布系数等指标都不能用于不同重金属元素间的相互比较，而富集系数则能够表征土壤-植物系统中不同重金属迁移能力的大小，是一个表示不同元素间差异的较为合适的指标。从试验结果可以看出，在土壤-小麦系统中，表现为Cd在

19、小麦根、叶、叶鞘、穗轴、颖片和废弃物的富集系数均为最高，Zn在小麦籽粒和茎中富集系数最高，而地上部分所有器官中Pb的富集系数均为最低，Cu和As则居中。这一结果与其他研究者得出的结论基本一致79。3.3 小麦生产中控制重金属污染的栽培措施在生产实践上，控制小麦重金属污染可以采取以下三项措施：（1）在重金属污染的土壤上收割小麦时，最好将植株连根拔起，以避免根中含有大量的重金属残留在土壤中；（2）茎叶和废弃物等器官也不宜再用于饲料或者沤肥，可以用作造纸及编织工艺品等，避免重金属重新进入食物链中；（3）对于小麦籽粒而言，Cd、Pb、As在籽粒中富集较少，分布系数均小于10，而Cu、Zn在籽粒中富集较

20、多，分布系数都大于40，所以对待不同重金属污染情况应采取不同的措施，即如果在Cd或Pb或As污染程度较轻的土壤上种植小麦，其可食部分籽粒中相应重金属质量分数较低，有可能低于国家食品卫生标准的允许量（Cd为0.1 mg/kg，Pd为0.5 mg/kg，As为0.7 mg/kg），不会超标；但如果在Cu或Zn污染的土壤上种植小麦，籽粒中可能富集较多的Cu或Zn，甚至可能超出国家食品卫生标准的允许量（Cu为10 mg/kg，Zn为50 mg/kg），对人体造成危害，所以不能食用。参考文献：1 陈怀满. 土壤-植物系统中的重金属污染M. 北京: 科学出版社, 1996: 12.CHEN H M. Po

21、llution of heavy metals in soil-plant systemM. Beijing: Science Press, 1996: 12.2 李海华, 刘建武, 李树人, 等. 土壤植物系统中重金属污染及作物富集研究进展J. 河南农业大学学报, 2000, 34(1) : 3034.LI H H, LIU J W, LI S R, et al. The present progress of research on heavy metal pollution and plant enrichment in soil-plant system J. Journal of H

22、enan Agricultural University, 2000, 34(1): 3034.3 杨惠芬, 明元, 沈文. 食品卫生理化检验标准手册M. 北京: 中国标准出版社, 1998: 101132.YANG H F, MING Y, SHEN W. Standard manual of physics and chemistry test on foodM. Beijing: Standards Press of China, 1998: 101132.4 林维宣, 王玉萍, 张华一. 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定甜菜颗粒粕中的砷含量J. 中国甜菜糖业, 2000(4)

23、: 1920.LIN W X, WAGN Y P, ZHANG H Y. Determination of arsenic in beet grain pulp by ICP-MSJ. China Beet & Sugar, 2000(4): 1920.5 吴燕玉, 王新, 梁仁禄, 等. 重金属复合污染对土壤-植物系统的生态效应: . 对作物、苜蓿、树木吸收元素的影响J. 应用生态学报, 1997, 8(5): 545552.WU Y Y, WANG X, LIANG R L, et al. Ecological effect of compound pollution of hea

24、vy metals in soil-plant system: . Effect on element uptake by crops, alfalfa and tree J. Chinese Journal of Applied Ecology, 1997, 8(5): 545552.6 冯绍元, 邵洪波, 黄冠华. 重金属在小麦作物体中残留特征的田间试验研究J. 农业工程学报, 2002, 18(4): 113115.FENG S Y, SHAO H B, HUANG G H. Field experimental study on the residue of heavy metal i

25、n wheat cropJ. Transactions of the CSAE, 2002, 18(4): 113115.7 徐红宁, 许嘉琳. 土壤环境中重金属复合污染对小麦的影响J. 中国环境科学, 1993, 13(5): 367371.XU H N, XU J L. The effect of complex pollution of heavy metals in soil environment on the growth of wheat J. China Environmental Science, 1993, 13(5): 367371.8 王新, 梁仁禄. 土壤-水稻系统中

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