钟祥市东部地区水稻中锶及其累积效应研究

2019-12-24罗军强王世俊郑雄伟张元培郑国权

资源环境与工程 2019年4期

罗军强，王世俊，白洋，郑雄伟，张元培，吴颖，郑国权，胡青

(1.湖北省地质局地球物理勘探大队，湖北武汉 430056； 2.钟祥市自然资源和规划局，湖北钟祥 419000)

锶是人体必需的微量元素，具有防止动脉硬化、血栓形成的功能，并有强化骨骼、提高智力、延缓衰老和养颜的辅助功效[1]。水稻作为人们日常生活的主食,是人体内所需微量、痕量元素的重要来源。钟祥市是世界著名的“长寿之乡”，水稻是研究区主要的粮食作物，其种植面积占该区耕地的60%以上，但有关钟祥地区水稻中锶的累积效应研究程度较低，因此，研究水稻籽实中锶含量与产地环境之间的关系很有必要。国家对矿泉水锶含量有严格规定，其标准为0.2～4.0 mg/L，可以作为参照[2]；医学上推荐的标准为人体每日需摄入锶1.9 mg左右，通过水稻种植实现土壤中锶的迁移转化，增加稻米的锶含量，是改善人体摄入锶水平和增强人体健康的有效途径。本文就土壤—稻米系统中锶含量迁移转化、累积效应以及优势水稻产地环境进行了综述与探讨。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省钟祥市东部山丘平原地带，面积242 km2。区内地形自东向西、自北向南逐渐降低。属北亚热带季风气候，具有四季分明、光能充裕、热量丰富、雨量适中、雨热同季的特点。气温平均16 ℃，年平均降水量900～1 100 mm。

评价区内土壤环境较好，是钟祥市耕地土壤普遍偏酸的地区。成土母质东部为第四纪粘土沉积物，南部为近代河流冲积物。土壤类型主要以浅黄棕壤性第四系粘土泥田为主，其次为第四系粘土黄棕壤。区内出露地层主要为白垩系、志留系，小面积分布有二叠系、三叠系及泥盆系地层。

1.2 样品采集

2018年9月，在钟祥市东部九里回族乡和长滩镇水稻种植区，系统采集了水稻籽粒以及对应根系土样品各36件。水稻品种均为籼稻，主要包括隆两优12份、C两优11份、晶两优7份(点位分布如图1)。为揭示水稻、土壤中锶元素含量之间的关系，确保土壤样品与水稻样品的代表性，在每个采样点周围按照梅花点法5点采样，用竹铲采集稻田0～20 cm深度内的耕作层根系土壤，混合均匀后采用四分法留取1 kg混合土样；并根据地块植株密度、高矮、谷穗大小以及成熟度等因素，每个采样点按取1 m×1 m的面积采集，在每个土样采集分点同步采取水稻籽实200 g，组合成一个混合样。土壤样品在室内自然风干后去除植物根系、砾石等杂质，混匀铺平，用四分法缩分，用尼龙筛截取20目粒级，称取250 g样品送交实验室分析测试。

1.3 样品分析测试

样品分析由湖北省地质实验测试中心完成，分析质量监控措施遵循中国地质调查局生态地球化学评价样品分析技术要求[3]，重复样品测试结果满足规范《多目标区域地球化学调查规范》(DZ/T 0258—2014)要求。

图1 研究区水稻样本分布示意图Fig.1 Distribution of rice samples in the study area1.C两优；2.隆两优；3.晶两优；4.微两优；5.E两优；6.荃两优；7.佳两优；8.T两优。

土壤样品经混匀后粉碎至200目粒度，分别使用电感耦合等离子体原子发射光谱法分析Mn、Sr、Ca、Mg、Ni等元素；电感耦合等离子体质谱法分析Co、Cu、Zn、Cd、Pb、Mo元素、X射线荧光光谱法分析Cr、Fe、K、P元素，原子荧光光谱法分析As、Hg、Se，高频燃烧红外吸收法测定S，离子选择性电极法测定pH。

水稻样品用样品经微波消解，用等离子质谱法(ICP-MS)测定Co、Cr、Fe、Pb、Cu、Ni、Cd、Mo的含量；用等离子光谱法(ICP-OES)测定Sr、K、Ca、Mg、Zn、S的含量；用原子荧光法测定As、Hg、Se的含量。

2 分析与研究

2.1 稻米中矿质元素测定结果

稻米中各元素含量结果见表1。统计结果表明，与日本大米对比[4]，研究区稻米中Sr、Fe、Mg、Mn、K、P等元素明显富集；对比中国其他稻米产地，研究区P、Mn、Sr、Ca等元素明显高于东北地区，P、Fe、Mg、Ca元素显著高于山东地区，说明研究区水稻产地环境对矿质元素的累积效应较强。

表1 研究区与其它产地稻米中矿质元素平均含量值Table 1 Average content of mineral elements in rice in the study area and other areas

注：单位为mg/kg；表中“—”表示未检出。

2.2 不同品种稻米中的锶含量分布

不同品种类型水稻锶含量之间存在变幅大、不均衡现象，研究区锶浓度最小的为荃两优，为0.36 mg/kg，最高的为E两优，含量为1.893 mg/kg，极差值相差6倍，但各品种之间变异程度相差不大。通过计算稻米与根系土锶含量比值，其富集系数在0.4%～1.8%，总体偏低。研究区各水稻品种锶含量特征见表2。

分析显示，研究区稻米的锶含量均高于全国其它产地平均值，说明在调查区所采集的水稻品种中，通过相关性分析，遴选出富锶水稻产地环境，对于改善人们的锶营养需求是可行的。

表2 研究区不同水稻品种锶含量对比(mg/kg)Table 2 Comparison of strontium content of different ricevarieties in the study area

2.3 水稻锶含量与其他微量元素含量的关系

检验表明，稻米中一些矿质元素含量之间存在一定程度上的线性关系(表3)，相关系数大多数在0.8以下，仅有Ca含量与Sr含量相关系数达0.851。另外，稻米Sr含量还与Pb、S具有较好的相关性，与Cd、Zn、Mn、P、Fe、K、Mg之间呈弱的正相关，与Cu、Ni、As等元素不相关。

表3 研究区稻米锶与稻米其它元素相关系数Table 3 Correlation coefficient between strontiumand other elements in rice

水稻籽粒中Sr的聚集主要归因于稻田土中矿质元素的聚集和迁移，通过对富集系数的统计分析显示：研究区水稻中元素迁移能力大小依次为 P、S、Mo、Zn、K、Se、Mg、Mn、Ca、Sr、Co、Fe，进一步对Sr元素在土壤—水稻系统中的迁移规律进行分析，结果表明，稻米中Sr含量与水稻土壤中微量元素存在不同程度的相关关系。

从稻米Sr与土壤元素散点图可见，根系土中全量Sr在70 mg/kg以上时，稻米Sr含量在0.6 mg/kg样本数量最多；土壤pH介于6.5～7.5，稻米Sr含量明显富集。土壤Mg、Fe、Mn、P等元素与稻米Sr之间具有一定的相关性，但它们的增长对稻米Sr含量增加不能起到决定性的作用，其影响的尺度有限，推断这些元素含量达到一定界限时，水稻籽实对Sr的吸收产生了拮抗作用(图2)，逐步形成了衰减的趋势。

图2 研究区稻米锶与根系土相关系数图Fig.2 Correlation coefficient diagram of rice strontium and root soil in the study area

总的来说，不同水稻产地锶的转运迁移能力不同，说明水稻产地环境与地球化学背景对稻米矿质元素富集的差异影响较大，这为选育富锶水稻品种和研究优势种植产地环境提供了理论支持。

2.4 富锶稻米产出环境分析

水稻是钟祥市种植面积最大的农作物，因此，提高稻米中锶含量是有效保证人体正常摄取的一种简便有效的方式。从目前收集的资料来看，国内稻米最高含量仅0.6 mg/kg左右[6]，一般稻米含量只有0.2 mg/kg。有关稻米中锶含量的研究还相对较少，通过对研究区水稻品种及其稻米Sr含量进行分析可知，研究区稻米Sr含量普遍高于全国其他地区，稻米中重金属含量均低于安全限值，具有发展富锶大米的优势条件。

据相关分析结果，研究区>0.6 mg/kg的水稻品种有4种，土壤中锶的共生组合因子变量点图显示：可供富锶稻米产出的土壤环境与元素Sr、P、Ca、Fe、S、Mg、pH等元素因子得分相近，具有明显的相关性(图3)。

图3 研究区土壤元素因子变量点图Fig.3 Variable point map of soil element factors in study area

在此基础上，建立研究区富锶水稻种植区模型，即土壤Sr(>70 mg/kg)、P(500～900 mg/kg)、Ca(>0.5%)、Fe(4.5%～5.5%)、Mn(400～1 000 mg/kg)、Mg(0.5%～1.1%)、pH(6.5～7.5)，得到富锶水稻优势种植选区，符合上述富锶水稻种植产地环境的地区有：九里乡黄庵村、李家台村、杨桥村、官庭畈村，长滩镇大兴村、季河村、先锋村、付巷村、廖台村等地，建议首选E两优、微两优、晶两优和隆两优等富锶水稻品种，获得高产优良的富锶水稻种植带。