复合污染下Cu、Cr、Ni和Cd在水稻植株中的富集特征

林华，张学洪，梁延鹏，刘杰，黄海涛

复合污染下Cu、Cr、Ni和Cd在水稻植株中的富集特征

林华，张学洪，梁延鹏*，刘杰，黄海涛

桂林理工大学环境科学与工程学院，广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004

掌握水稻对污染土壤中重金属的吸收和富集特征，为科学认识水稻中重金属的残留问题、健康风险提供理论依据。采用田间试验，研究了4个不同处理量Cu、Cr、Ni、Cd复合污染下水稻的富集特征及其随生育期的变化规律。结果表明，重金属在水稻植株各部位中吸收富集系数的大小依次为：Cd＞Cu＞Ni＞Cr，根部重金属吸收富集系数是地上各部位的吸收富集系数的2～100倍。各重金属在水稻植株不同部位的积累分布明显不同，成熟期水稻植株中Cu在水稻不同部位的质量分数为根＞茎≥叶＞米粒＞谷壳，Ni的分布规律为根＞叶＞茎＞米粒＞谷壳，Cr的分布规律为根＞叶＞谷壳≥茎＞米粒，Cd的分布规律为根＞茎＞叶＞米粒＞谷壳；且随着重金属处理量的增加，水稻植株不同部位的重金属质量分数也呈上升趋势。成熟期米粒中Cu、Ni、Cr和Cd的质量分数范围分别为：4.50～6.19、1.86～4.63、0.72～0.76和0.08～0.39 mg·kg-1，与无公害食品标准（GB15199-94、GBT2762-2005）相比，米粒中Cu和Cr的质量分数均未超标，而Ni和Cd（Cd高剂量处理时）的质量分数均超标，存在食用安全风险。重金属在水稻植株不同部位的质量分数随生育期均呈现先升后降的趋势，灌浆中期达到最大，而到成熟期又明显降低。不同重金属在水稻植株中的富集能力和分布规律均呈现明显差异，不同生育期水稻植株中重金属的质量分数明显不同但其质量分数变化呈明显规律性。

复合污染；重金属；富集；生育期；水稻

20世纪以来，随着采矿业、制造业、冶金业和交通运输业的快速发展，农用化学品的大量使用及城市污水的排放，农田土壤重金属污染日趋严重，且呈现为多元素共存造成的复合污染（宗良纲和丁园，2001），其重金属综合潜在生态风险很高（陈志良等，2013）。受污染的土壤对作物的生长、产量、品质均有较大的危害，尤其是它还有被作物吸收富集、进入食物链，危害人畜健康的潜在危害（朱桂芬和王学锋，2004）。稻米是全世界人民的主要食物，因此研究水稻对土壤中重金属元素的吸收与积累规律对人类的食品安全和自身健康有着重要意义。

关于重金属在水稻不同器官的分布和总量传输已进行了较多的研究（周启星等，1994；康立娟等，2002；莫争等，2002），近年来开始关注重金属在土壤-水稻体系的迁移、分布和总量传输的动态变化（陈宝玉等，2010；刘昭兵等，2011；薛培英等，2010；BOSE和BHATTACHARYYA，2008； LI等2009），但相关研究报道集中在经济文化发达地区，而在西部地区的广西粘性水稻土中，Cu、Cr、Ni和Cd对水稻复合污染的研究还鲜有报道。Cu、Cr、Ni和Cd是电镀行业普遍采用的4种重金属元素，极易随电镀废水的排放进入水体，进而通过农业灌溉进入土壤中，形成重金属复合污染（黄明等，2009；刘杰等，2006）。本文采用田间试验，模拟电镀污染土壤，研究多元复合污染下Cu、Cr、Ni和Cd 4种重金属在水稻植株各部位的富集特征及其随生育期的动态变化规律，为合理控制重金属进入水稻体，从而降低重金属进入食物链和人体提供理论依据。

1 材料与方法

1.1供试材料和试验设计

供试土壤为桂林农业科学研究所试验田土壤，其基本理化性质：pH 6.9，有机质32.7 g·kg-1，总磷2.59 g·kg-1，总氮3.61 g·kg-1，总铜、总铬、总镉和总镍分别为39.02、109.49、0.32、53.44 mg·kg-1。供

试作物为水稻Ⅱ优838（属中籼迟熟三系杂交组合）。

1.2试验方法

各试验小区面积为2 m×2 m＝4 m2，小区间筑20～30 cm宽的土埂，用塑料薄膜包埂，薄膜深度50～60 cm，四周设保护行，以防侧渗相互干扰。参照GB 15618-1995《土壤环境质量标准》，试验设置4个重金属质量分数梯度（表1），每种处理设3个平行小区，进行大田试验。

表1 污染物质量分数设计Table 1 The designed concentrations of heavy metals in test soil mg·kg-1

将分析纯的CuSO4、CrCl3、NiC12、CdCl2按设计的质量分数配制液体混合物施加至0～20 cm耕作层土壤中，灌水、充分混匀、放置1～2天后，秧苗移栽。种植株行距26.4 cm×16.5 cm，每穴3株秧苗。肥水管理参照当地水稻生产要求实施。

1.3样品采集及分析

分别采集不同生育期（分糵末期、拔节末期、灌浆中期和成熟期）的水稻植株，用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗3遍，将植株的不同器官分离后105 ℃下杀青，80 ℃烘干至恒重。分取各部位粉碎，称取干重为2 g植株样品，采用HNO3-HC1O4（4∶1，V/V）混酸体系，于电热板上加热消解，用体积分数为0.2%硝酸定容至25 mL，用原子吸收光谱仪（PE-AA700，Perkin Elmer）测定消解液中重金属（莫争等，2002）。以国家标准物质GBW07604（GSV-3）为内标控制分析质量，同时做一份空白试验。

2 结果和讨论

2.1重金属Cu、Ni、Cr和Cd在成熟期水稻植株中富集特征

所试重金属在成熟期水稻不同部位的质量分数见表2。

从表2可看出：成熟期的水稻植株中Cu、Ni、Cr和Cd主要富集在根部，只有少量向地上部分迁移，但不同重金属的质量分数因水稻的不同部位而异。Cu在水稻植株不同部位质量分数为根部＞茎≥叶＞米粒＞谷壳；Ni的分布规律为根部＞叶＞茎＞米粒＞谷壳；Cr的分布规律为根部＞叶＞谷壳≥茎＞米粒；Cd的分布规律为根部＞茎＞叶＞米粒＞谷壳。这说明重金属在水稻体内的分布规律是在新陈代谢旺盛的器官累积较大，而营养储存器官如果实、籽粒、茎叶中累积较少（CAIRNEY和MEHARG，2002；关共凑等2006）；且随着重金属添加量的增加，水稻植株不同部位的重金属质量分数也呈上升趋势，其中根部的增长趋势最明显，而米粒和谷壳中Cr质量分数均无明显增加。

表2 水稻成熟期植株各部位重金属质量分数Table 2 Heavy metal concentrations in organs of rice in mature stage mg·kg-1

在重金属低、中、高剂量处理下，可食部位米粒中Cu、Ni、Cr和Cd的质量分数范围分别为：4.50～6.19、1.86～4.63、0.72～0.76和0.08～0.39 mg·kg-1。较之无公害食品标准（Cu≤10 mg·kg-1，GB15199-94；Ni≤0.4 mg·kg-1、Cr≤1.0 mg·kg-1、Cd≤0.2 mg·kg-1，GBT2762-2005），米粒中Cu、Cr的质量分数均未超标，但米粒中Ni和Cd（Cd高剂量处理时）的质量分数均超标，存在食用安全风险。

为明确水稻对所投放重金属的富集特性，采用了吸收富集系数来表征水稻体内重金属元素富集的难易程度。吸收富集系数越大，水稻对重金属的富集能力越强。吸收富集系数即为水稻某部位某种重金属的质量分数与土壤中该种重金属质量分数的比值（SALT等，1995；贾中民等，2011；王鹏等，2014）。水稻对Cu、Ni、Cr和Cd的吸收富集系数见表3。

由表3可知：水稻不同部位对所试4种重金属的富集能力明显不同。根部重金属吸收富集系数明显大于地上各部位的吸收富集系数，最小达到2倍而最大可达100倍，表明重金属绝大部分富集在水稻根系，地上部分的富集能力较弱。对照所试4种

重金属在水稻各部位的吸收富集系数可发现，水稻各部位对Cd的富集系数均是最大，对Cu的富集系数次之，对Cr的富集系数最小；表明水稻对Cd吸收富集能力最强而对Cr吸收富集能力较弱。

表3 水稻植株不同部位对4种重金属的吸收富集系数Table 3 The enrichment coefficients of four heavy metals in differentparts of paddy plants

2.2不同生育期水稻对Cu、Ni、Cr和Cd的富集特征

水稻在不同质量分数重金属的处理下，其根部、茎部和叶部重金属质量分数的生育期变化情况分别见图1、图2和图3。试验结果表明，重金属Cu、Ni、Cr和Cd在水稻植株中的质量分数随时间变化较为明显。

从图1可看出，水稻根部Cr和Cd质量分数在分蘖末期均较低，根部Cu质量分数在分蘖末期、拔节末期和成熟期的差别不大，根部Ni质量分数在分蘖末期和成熟期的差别也不大；而在灌浆中期根部重金属质量分数迅速上升，达到最大，之后根部重金属质量分数逐渐减少，且这种变化趋势随着重金属处理质量分数的增加而更明显。此研究结果与莫争等（2002）和关共凑等（2006）的研究结果（其研究认为重金属在分蘖期水稻中累积量最大）不一致，这可能是因为供试水稻品种、土壤理化性和种植季节不同所致。其原因可能是外源性水溶态的Cu、Ni、Cr和Cd投入耕作层后，在实验初期土壤有效态重金属质量分数大，水稻根部经过分蘖期和拔节期两个生长代谢旺盛期对重金属的大量吸收和累积，到灌浆中期达到最大。随后，因根部累积了大量的重金属，导致其生长代谢和吸收机能受到抑制（莫争等，2002），且根部的重金属会不断转运到地上部位，土壤中有效态重金属质量分数随时间延长和土壤氧化还原电位改变发生形态转变而有所降低（朱桂芬等，2004；WANG等2003），根部从土壤中吸收的重金属量减少，同时其生物量也不断增加，因此，随着时间的延续，在根部重金属质量分数也逐渐下降。

图1 Cu、Ni、Cr和Cd不同处理下不同生育期水稻根部的重金属质量分数Fig. 1 Heavy metal concentrations in roots in different growth stages under different treatments with Cu, Ni, Cr and Cd

对于水稻茎部，从总体上看（图2），其积累的重金属在分蘖末期和拔节末期质量分数相近，在灌浆中期达到最大，到成熟期时茎部各重金属质量分数又明显下降。这种变化规律可认为是水稻茎部在分蘖期、拔节期代谢旺盛，虽然重金属从根部向上转运很快，但此时茎部的生物量也迅速增加，故各重金属质量分数在这两个生育期变化并不显著；在随后的生育期里，茎部对重金属的代谢机制有所弱化（莫争等，2002）、耐性有所增强（WANG等2003），从土壤和根部转运上来的重金属会在茎部逐渐积累，灌浆中期达到最大；随后水稻生长代谢进一步减缓，由根部向上迁移的重金属量显著减少，且累积在茎部的重金属仍向叶部和稻谷迁移，故在成熟期茎部的重金属质量分数又明显减少。此外，随着重金属处理质量分数的增加，水稻茎部Ni、Cr、Cd质量分数随生育期的变化趋势更明显；但低、中剂量处理时茎部Cu质量分数在拔节末期、灌浆中期和成熟期均分别很相近并无明显增加趋

势，这可能是因为这两种处理剂量均处于水稻茎部对Cu的耐性范围。

图3 Cu、Ni、Cr和Cd不同处理下不同生育期水稻叶部的重金属质量分数Fig. 3 Heavy metal concentrations in leaves in different growth stages under different treatments with Cu, Ni, Cr and Cd

水稻叶部对Cu、Ni、Cr和Cd 4种重金属随生育期富集特征（图3）与其在根和茎部的富集特征相一致，也表现为从分蘖末期→拔节末期→灌浆中期呈上升趋势，灌浆中期达到最大，而到成熟期时又明显降低。叶部重金属的变化可认为是水稻根部和茎部重金属的向上传输、迁移，分蘖期、拔节期正在处于积累过程，所以此时叶部重金属质量分数逐渐增加，到灌浆中期达到最大，而随后水稻生长代谢明显减缓，重金属向叶部的传输迅速减少，且此时大量老叶枯萎脱落，取而代之的是中后期新长的叶片，所以成熟期叶部的重金属质量分数又明显下降。

3 结论

（1）Cu在成熟期水稻植株不同部位的质量分数为根部＞茎≥叶＞米粒＞谷壳，Ni的分布规律为根部＞叶＞茎＞米粒＞谷壳，Cr的分布规律为根部＞叶＞谷壳≥茎＞米粒，Cd的分布规律为根部＞茎＞叶＞米粒＞谷壳。

（2）重金属在水稻植株各部位中富集能力的大小次序为：Cd＞Cu＞Ni＞Cr，4种重金属在水稻根部富集能力强，而在地上各部位的富集能力较弱；根部Ni向米粒迁移能力较其他3种重金属更强，米粒中Ni质量分数达到1.86～4.63 mg·kg-1，均已超标，

存在食用安全风险。

（3）Cu、Cr、Ni和Cd重金属在水稻植株不同部位的质量分数随生育期的变化均表现为从分蘖末期→拔节末期→灌浆中期呈上升趋势，灌浆中期达到最大，而到成熟期时又明显降低。

BOSE S, BHATTACHARYYA A K. 2008. Heavy metal accumulation in wheat plant grown in soil amended with industrial sludge[J]. Chemosphere, 70(7): 1264-1272.

CAIRNEY J W, MEHARG A A. 2002. Interactions between ectomycorrhizal fungi and soil saprotrophs: implications fordecomposition of organic matter in soils and degradation of organic pollutants in the rhizophere[J]. Canadian Journal of Botany, 80(8): 803-809.

LI P, WANG X X, ZHANG T L, et al. 2009. Distribution and Accumulation of Copper and Cadmium in Soil-Rice System as Affected by Soil Amendments[J]. Water, Air ,&Soil Pollution, 196(1-4): 29-40.

SALT E D, BLAYLOCK M B, KUMAR N P, et al. 1995. Hytore-Mediation: A novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants[J]. Biotechnology, 13(5): 468-474.

WANG C X, MO Z, WANG H, et al. 2003. The transportation, time-dependent distribution of heavy metals in paddy crops[J]. Chemosphere, 50(6): 717-723.

陈宝玉, 王洪君, 曹铁华, 等. 2010. 不同磷肥浓度下土壤-水稻系统重金属的时空累积特征[J]. 农业环境科学学报, 29(12): 2274-2280.

陈志良, 赵述华, 周建民, 等. 2013. 典型电镀污染场地重金属污染特征与生态风险评价[J]. 环境污染与防治, 35(10): 1-4.

关共凑, 徐颂, 黄金国. 2006. 重金属在土壤-水稻体系中的分布、变化及迁移规律分析[J]. 生态环境, 15(2): 315-318.

黄明, 林华, 张学洪, 等. 2009. 施肥对大白菜吸收电镀污染土壤中重金属的影响[J]. 生态与农村环境学报, 25(3): 104-108.

贾中民, 魏虹, 孙晓灿, 等. 2011. 秋华柳和枫杨幼苗对镉的积累和耐受性[J]. 生态学报, 31(1): 107-114.

康立娟, 霍庆来, 谢忠雷. 2002. 铜镍铅砷对水稻复合污染的研究[J]. 吉林农业大学学报, 24(4): 80-82, 94.

刘杰, 钟雪梅, 梁延鹏, 等. 2006. 电镀废水污染水稻田土壤中重金属的形态分析[J]. 农业环境科学学报, 25(2): 398-401.

刘昭兵, 纪雄辉, 彭华, 等. 2011. 不同生育期水稻对Cd、Pb的吸收累积特征及品种差异[J]. 土壤通报, 42(5): 1125-1130.

莫争, 王春霞, 陈琴, 等. 2002. 重金属Cu, Pb, Zn, Cr, Cd在水稻植株中的富集和分布[J]. 环境化学, 21(2): 110-116.

王鹏, 赵志忠, 马荣林, 等. 2014. 海南岛北部潮间带红树林对重金属的累积特征[J]. 生态环境学报, 23(5): 842-846.

薛培英, 刘文菊, 刘会玲, 等. 2010. 中轻度砷污染土壤-水稻体系中砷迁移行为研究[J]. 土壤学报, 47(5): 872-879.

周启星, 吴燕玉, 熊先哲. 1994. 重金属Cd-Zn对水稻的复合污染和生态效应[J]. 应用生态学报, 5(4): 438-441.

朱桂芬, 王学锋. 2004. 重金属Cd, Pb, Zn在油唛菜中的富集和分布[J].河南师范大学学报(自然科学版), 32(4): 66-69.

宗良纲, 丁园. 2001. 土壤重金属(Cu, Zn, Cd)复合污染的研究现状[J].农业环境保护, 20(2): 126-128.

Enrichment of Heavy Metals in Rice under Combined Pollution of Cu, Cr, Ni and Cd

LIN Hua, ZHANG Xuehong, LIANG Yanpeng*, LIU Jie, HUANG Haitao
College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology; Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology; Guilin 541004, China

Absorption and Accumulation Characteristics of heavy metals by rice in the heavy-metal polluted soils were analyzed to provide theoretical basis for recognizing heavy metals residue in rice, health risk. The enrichment characteristics and changes of Cu, Cr, Ni and Cd integrated effects in rice during their growing were studied through field experiment. The results showed that the enrichment sequence of four heavy metals was Cd ＞ Cu ＞ Ni ＞ Cr, and Cu, Cr, Ni and Cd enrichment coefficients of roots was 2～100 times than that of aerial parts. The distribution of Cu, Cr, Ni and Cd in paddy plant was significantly different. Cu concentration in different parts of the rice plant at mature period was root ＞ stem ≥ leaf ＞ grain ＞ chaff, the distribution order of Ni was root ＞ leaf ＞stem ＞ grain ＞ chaff, the distribution order of Cr was root ＞ leaf ＞ chaff ≥ stem ＞ grain, and the distribution order of Cd was root ＞stem ＞ leaf ＞ grain ＞ chaff. With the heavy metal pollution intensity increasing, the concentration of Cu, Cr, Ni and Cd in different part of rice increased obviously. The concentration of Cu, Ni, Cr and Cd in the grains under maturity stage were 4.50～6.19 mg·kg-1, 1.86～4.63 mg·kg-1, 0.72～0.76 mg·kg-1and 0.08～0.39 mg·kg-1, respectively. Cu and Cr concentration in grain of rice at mature period did not exceed the standard (10 mg·kg-1and 1.0 mg·kg-1, GB15199-94), while Ni and Cd concentration in grain exceeded the unpolluted food standard (0.4 mg·kg-1and 0.20 mg·kg-1, GBT2762-2005), Ni and Cd ingestion from this rice may pose a health risk to human. The variation of accumulation of Cu, Cr, Ni and Cd in different part of rice along with growing time was similar. The concentration of heavy metal in root, stem and leaf were all increased first, then decreased as rice growing, and reached the highest levels at filling stage, but decreased sharply at maturing stage. The accumulation and distribution of different heavy metals by rice was significant difference, the concentration of heavy metals in rice in different growth period was significant different but the variation of heavy metal content was obvious.

combined pollution; heavy metals; bioaccumulation; growth stages; rice

X53

A

1674-5906（2014）12-1991-05

广西自然科学基金项目（2011GXNSFF018003）；广西科技攻关计划项目（桂科重1298002-3）；“八桂学者”建设工程专项经费资助

林华（1984年生），男，讲师，主要从事重金属环境行为研究。E-mail: linhua@glut.edu.cn

*通信作者：梁延鹏，男，高级实验师。E-mail: ypliang1980@163.com

2014-08-28

林华，张学洪，梁延鹏，刘杰，黄海涛. 复合污染下Cu、Cr、Ni和Cd在水稻植株中的富集特征[J]. 生态环境学报, 2014, 23(12): 1991-1995.

LIN Hua, ZHANG Xuehong, LIANG Yanpeng, LIU Jie, HUANG Haitao. Enrichment of Heavy Metals in Rice under Combined Pollution of Cu, Cr, Ni and Cd [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(12): 1991-1995.