土壤鎳在不同秈稻品種中的富集

吳明言等

摘 要 以福建省部分地市采集的163個(gè)秈稻樣品及對(duì)應(yīng)的土壤樣品為材料，研究了不同秈稻品種對(duì)土壤鎳的富集能力，以期為鎳污染土壤上秈稻品種的合理布局提供依據(jù)。結(jié)果表明，供試土壤全鎳含量介于3.52～72.38 mg/kg，平均含量為17.86 mg/kg。供試土壤有效鎳含量介于0.01～1.32 mg/kg，平均含量為0.30 mg/kg。供試糙米鎳含量為0.04～1.82 mg/kg。鎳在土壤和各品種糙米之間的轉(zhuǎn)移系數(shù)均隨土壤有效鎳的升高呈冪函數(shù)降低。采用回歸估算法、在土壤有效鎳為0.1 mg/kg的點(diǎn)上估算了各水稻品種鎳的代表性的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF0.1，有效量基）。不同品種的TF0.1依次為：岳優(yōu)9113>佳優(yōu)948>深兩優(yōu)5814>培雜泰豐>天優(yōu)998>宜香2292>宜優(yōu)115>納科1號(hào)>泉珍10號(hào)>Ⅱ優(yōu)673>豐Ⅱ優(yōu)1號(hào)>揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)>宜優(yōu)99>Ⅱ優(yōu)3301>特優(yōu)627>內(nèi)2優(yōu)6號(hào)。不同秈稻品種對(duì)土壤鎳富集能力的差別主要為品種之間的差別，與常規(guī)稻或雜交稻、兩系雜交或三系雜交無(wú)必然聯(lián)系。

關(guān)鍵詞 鎳；土壤；秈稻；轉(zhuǎn)移系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào) X171.5；S511.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Accumulation of Soil Nickel in the Grains of Different Indica Rice

WU Mingyan， WANG Guo*， JAMES Blessing， CHEN Yanhui， HU Zhengmao， ZHENG Cenlin

College of Resources and Environment， Fujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou， Fujian 350002， China

Abstract The accumulation ability of various Indica rice cultivars was studied by using 163 samples of rice grains and corresponding surface soils collected from different regions of Fujian Province in order to provide scientific basis for cultivation planning of Indica rice in Ni-polluted soils. The results showed that the total soil Ni of the soils ranged from 3.52～72.38 mg/kg with an average of 17.86 mg/kg. The available （DTPA-extractable） soil Ni was between 0.01 mg/kg and 1.32 mg/kg with a mean of 0.30 mg/kg. The Ni concentration of rice grains （brown rice） was 0.04～1.82 mg/kg. The transfer factors （available soil Ni based） between soil and grain of different cultivars decreased with the increase in available soil Ni. A regression method was adopted to calculate the representative soil-to-grain transfer factors of each cultivar. The calculated soil-to-grain transfer factors at 0.1 mg/kg available soil Ni（TF0.1）of the rice cultivars decreased in the order of Yue-you 9113>Jia-you 948> Shen-liang-you 5814>Pei-za-tai-feng>Tian-you 998>Yi-xiang 2292>Yi-you 115>Na-ke 1>Quan-zhen 10>Ⅱyou 673>Feng-liang-you 1>Yang-liang-you 6>Yi-you 99>Ⅱyou 3301>Teyou 627>Nei-II-you 6.The difference in Ni accumulation among the rice cultivars was mainly attributed to the difference in varieties. There was no apparent relationships found between conventional rice and hybrid rice， and two-line hybrid rice and three-line hybrid rice.

Key words Nickel；Soil；Indica rice；Transfer factor

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.09.005

鎳是一種廣泛應(yīng)用于材料、制造和醫(yī)療領(lǐng)域的重金屬，是重要的的工業(yè)原料。鎳是人體必需的微量元素，缺鎳會(huì)引起各種疾病，如生長(zhǎng)緩慢、嚴(yán)重貧血等，但攝入過(guò)多則會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害作用，如產(chǎn)生急、慢性中毒，甚至誘發(fā)癌癥[1-2]。隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展以及迅速的城市化，通過(guò)廢渣、廢液、廢氣、污灌、含鎳肥料施用等途徑進(jìn)入土壤的鎳已經(jīng)使土壤鎳污染漸趨明顯，有些地方還相當(dāng)嚴(yán)重。如華南某電鍍廠(chǎng)土壤中鎳的最大超標(biāo)倍數(shù)可達(dá)19倍之多[3]。貴陽(yáng)市土壤有16.8% 受到中度鎳污染，0.3%受到強(qiáng)烈污染[4]。海南島玄武巖上發(fā)育的土壤鎳含量都超過(guò)59 mg/kg[5]。雷州半島土壤鎳平均含量可達(dá)49.81 mg/kg，超過(guò)國(guó)家土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的樣品占25.47%[6]。土壤中過(guò)量的鎳會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)，并通過(guò)食物鏈對(duì)人和動(dòng)物造成危害[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年進(jìn)入到土壤中的鎳多達(dá)數(shù)千萬(wàn)噸，且呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)[8]。環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部2014年發(fā)布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，中國(guó)耕地土壤中鎳的超標(biāo)率僅低于鎘?？梢?jiàn)，土壤鎳污染已成為一種不容忽視的土壤重金屬污染類(lèi)型。

不同作物對(duì)土壤鎳的吸收富集能力不同。有研究發(fā)現(xiàn)，相比于蔬菜和水果而言，稻米含鎳量更高[6，9]。西班牙居民飲食鎳攝入總量中，稻米的貢獻(xiàn)最大[10]。秈稻作為谷物中的重要類(lèi)別，在中國(guó)南方普遍種植。一般來(lái)說(shuō)，秈稻比粳稻具有更強(qiáng)的重金屬富集能力[11-15]，土壤中高濃度的鎳會(huì)抑制水稻分蘗，阻礙根系生長(zhǎng)[16]，影響秈稻的品質(zhì)與產(chǎn)量，土壤鎳通過(guò)稻米而進(jìn)入人體的風(fēng)險(xiǎn)很可能高于其他農(nóng)作物。國(guó)內(nèi)外已有一些關(guān)于植物對(duì)土壤鎳的吸收富集方面的研究[17-19]，但尚未見(jiàn)到關(guān)于不同秈稻品種對(duì)土壤鎳的吸收富集能力的比較研究。由于秈稻是南方重要的糧食作物，因此本研究以田間采集的稻谷和土壤樣品為材料，研究不同品種秈稻糙米對(duì)土壤鎳的富集能力差異，以期為鎳污染土壤上秈稻品種的選擇提供參考，進(jìn)而促進(jìn)水稻安全生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

從福建省新羅區(qū)、南安市、龍海市、福清市、泰寧縣等地采集163對(duì)秈稻稻谷和相應(yīng)的表層土壤。采樣時(shí)首先選定采樣區(qū)，然后在樣區(qū)內(nèi)多點(diǎn)（3～5點(diǎn)）采集稻穗，組成一個(gè)混合稻谷樣品；同時(shí)多點(diǎn)采集相應(yīng)的耕作層土壤（采樣深度約為0～15 cm），組成混合土樣?；旌系竟葮悠泛屯寥罉悠费b袋后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室處理。

1.2 樣品分析

從稻穗上摘取谷粒，置于通風(fēng)處充分風(fēng)干后，放入烘箱（70 ℃）至恒重，手工去掉稻殼，籽粒用瑪瑙研缽研碎，過(guò)35目尼龍篩，保存于塑料自封袋中備用。土壤樣品室內(nèi)充分風(fēng)干后，用木棍碾碎，過(guò)10目尼龍篩，再以四分法取部分樣品，用瑪瑙研缽研磨至全部通過(guò)100目尼龍篩，保存于塑料自封袋中備用。

稻米樣品用HNO3-H2O2消解[20]，土壤樣品用HCl-HNO3-HClO4-HF消解[21]。消解液中鎳含量用ICP-MS（PE，NexION 300）測(cè)定。土壤有效鎳用pH為7.30的DTPA-CaCl2-TEA浸提[22]，浸提液中鎳含量用ICP-MS（PE，NexION 300）測(cè)定。土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，陽(yáng)離子交換量測(cè)定采用中性醋酸銨淋洗法測(cè)定，土壤pH值測(cè)定采用電位法（土水比為1 ∶ 2.5）[22]。

質(zhì)量控制：分析用酸均選用國(guó)藥優(yōu)級(jí)純。分析前玻璃器皿等容器均在濃度為10%的硝酸溶液中浸泡12 h以上，經(jīng)去離子水洗凈后備用。土壤全量、稻米樣消解過(guò)程及土壤有效量DTPA浸提過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行空白試驗(yàn)并插入相應(yīng)的國(guó)標(biāo)土壤樣品、植物樣品及土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)樣品。土壤全鎳測(cè)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)樣品（GSS-4）鎳的回收率為96%～105%，土壤有效鎳測(cè)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)樣品鎳的回收率為95%～103%；稻米鎳測(cè)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)樣品（四川大米）鎳的回收率為95%～102%。鎳標(biāo)樣測(cè)定曲線(xiàn)如圖1，曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 9，符合測(cè)定要求。

1.3 轉(zhuǎn)移系數(shù)計(jì)算

有效量基轉(zhuǎn)移系數(shù)=稻米鎳含量/土壤有效鎳含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全鎳和有效鎳含量

土壤的理化性質(zhì)（pH值、有機(jī)質(zhì)、CEC、土壤機(jī)械組成等）是影響土壤鎳的形態(tài)及其有效性的主要因素[23]，劉妍等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，pH值、有機(jī)質(zhì)、CEC等土壤基本理化性質(zhì)會(huì)影響土壤對(duì)重金屬離子的吸附。從表1可見(jiàn)，供試土壤的基本性質(zhì)變異較大，有些土壤屬于強(qiáng)酸性，有些土壤則屬于中性；有些土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富、保肥能力較強(qiáng)，另一些土壤則有機(jī)質(zhì)貧乏，保肥能力弱；有些土壤粘粒含量很低，而有些土壤則粘粒含量較高； 在所有土壤樣品中，只有一個(gè)土壤樣品的全鎳含量超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（40 mg/kg）[25]，可見(jiàn)供試土壤總體上不存在鎳污染，但不同土壤鎳的含量差異較大（3.52～72.38 mg/kg），這可能是由于：樣品采集于不同地區(qū)，而不同地區(qū)的土地利用方式會(huì)對(duì)土壤中重金屬含量產(chǎn)生影響[26]，同時(shí)采集的樣本數(shù)和采樣區(qū)布局也會(huì)對(duì)重金屬鎳含量的識(shí)別產(chǎn)生影響[27]。土壤鎳含量超標(biāo)樣品，土壤 pH值為6.94，高于pH值的平均值5.49，鎳大部分被土壤所固定，而較高的pH使鎳不易溶出損失，這可能是該點(diǎn)鎳含量偏高的原因。土壤全鎳含量與表1中各土壤性質(zhì)之間均無(wú)顯著相關(guān)，表明這些土壤性質(zhì)不是土壤中鎳?yán)鄯e主要影響因素。重金屬的全量雖然能被用于判斷土壤的污染水平，但卻不能很好的反映生物有效性大小[28-30]，因?yàn)橹参镏饕胀寥乐亟饘俚挠行B(tài)[31]。由表1可知，供試土壤有效鎳（DTPA提取態(tài)鎳）含量差異明顯，最大值與最小值之間相差100多倍，這與供試土壤鎳污染程度、土壤性質(zhì)差異較大有關(guān)。土壤鎳的有效度（有效鎳/全鎳×100%）介于0.04%～7.01%之間，平均值為1.83%（表1），可見(jiàn)供試土壤中鎳的有效性很低。隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量的升高，土壤鎳有效度則呈明顯升高趨勢(shì)（圖2），這意味著土壤有機(jī)質(zhì)具有活化土壤鎳的潛在能力[32]。其余土壤性質(zhì)與土壤鎳有效度之間均無(wú)明顯相關(guān)。

2.2 稻米鎳含量

我國(guó)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中尚無(wú)關(guān)于稻米中鎳限量的規(guī)定[33]，所以我們參照文獻(xiàn)中關(guān)于稻谷鎳限量的建議值（≤0.4 mg/kg）對(duì)本研究中稻米中鎳含量進(jìn)行評(píng)價(jià)[34]。163個(gè)供試稻米樣品的鎳含量為0.04～1.82 mg/kg（表2）。參照上述建議值，總計(jì)有62個(gè)樣品鎳超標(biāo)，超標(biāo)率為38.0%。就平均值而言，16個(gè)品種中有7個(gè)品種稻米鎳含量超標(biāo)，占44%。

稻米鎳含量與土壤有效鎳含量之間的回歸分析結(jié)果表明，各品種的稻米鎳含量與土壤有效鎳含量之間均不存在顯著相關(guān)。其原因可能是：各品種的樣品都采自不同地區(qū)，土壤性質(zhì)、土壤鎳含量狀況、環(huán)境條件、施肥管理水平等都不盡相同，因而水稻對(duì)土壤鎳的吸收和富集狀況不同[36]；另一方面，鎳由根部向籽粒的遷移過(guò)程是植物體內(nèi)部的過(guò)程，生物體內(nèi)的生理生化過(guò)程的影響更為重要，土壤鎳的供應(yīng)只是次要因素，故稻米鎳含量與土壤有效鎳的相關(guān)性比較差。

2.3 稻米對(duì)鎳的富集能力

植物體中重金屬含量一方面受土壤重金屬供應(yīng)能力的影響，另一方面與植物對(duì)土壤重金屬的吸收及向地上部的遷移能力有關(guān)[6，11-15，37]。稻米鎳轉(zhuǎn)移系數(shù)是指稻米鎳含量與土壤鎳含量的比值，它能大致反映不同品種籽粒對(duì)土壤鎳的富集狀況[38]。在相同鎳含量的土壤中，鎳轉(zhuǎn)移系數(shù)較小的秈稻品種其籽粒中鎳的積累量較小，產(chǎn)出的稻米鎳不容易超標(biāo)，種植在有一定程度鎳污染的土壤上就比較安全，這是控制稻米鎳污染的有效手段。

植物對(duì)土壤重金屬的富集能力可以用全量基轉(zhuǎn)移系數(shù)（以土壤鎳全量為分母）或有效量基轉(zhuǎn)移系數(shù)來(lái)表示，前者受土壤重金屬有效性的影響較大，后者受土壤重金屬有效性的影響較小，能較好地反映植物本身對(duì)土壤重金屬的富集能力[39]，因此本研究采用有效量基轉(zhuǎn)移系數(shù)來(lái)比較不同秈稻品種對(duì)土壤鎳的富集能力。將各品種秈稻稻米的鎳有效量基轉(zhuǎn)移系數(shù)和土壤有效鎳含量進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明大部分品種鎳轉(zhuǎn)移系數(shù)均隨土壤有效鎳的升高呈冪函數(shù)形式降低，二者之間呈顯著負(fù)相關(guān)（表3），這與文獻(xiàn)中的報(bào)道一致[37]。如果各品種采集地土壤鎳的含量和供應(yīng)狀況不同，就不應(yīng)該簡(jiǎn)單地采用平均轉(zhuǎn)移系數(shù)的方法來(lái)比較不同品種之間的富集能力。有鑒于此，本文采用回歸方程法來(lái)計(jì)算不同品種對(duì)土壤鎳的代表性轉(zhuǎn)移系數(shù)[39]。

2.4 不同秈稻品種對(duì)鎳富集能力的估算

已有研究指出選擇在相同的土壤有效鎳含量點(diǎn)上，根據(jù)回歸方程來(lái)估算土壤-稻米之間鎳的轉(zhuǎn)移系數(shù)，可以較好地回避土壤鎳供應(yīng)能力差異的問(wèn)題[37]。不同秈稻品種對(duì)鎳富集能力的計(jì)算方法為，通過(guò)對(duì)土壤有效鎳與轉(zhuǎn)移系數(shù)的相關(guān)分析，得到回歸方程，代入選定的有效鎳含量點(diǎn)，得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移系數(shù)值，該數(shù)值即為該品種對(duì)鎳的代表性轉(zhuǎn)移系數(shù)，代表了該品種對(duì)土壤鎳的富集能力。由于每個(gè)品種都在同樣的土壤有效鎳含量點(diǎn)求取轉(zhuǎn)移系數(shù)，因此各品種的代表性轉(zhuǎn)移系數(shù)之間可以相互比較。根據(jù)各品種水稻土壤有效鎳的含量范圍，分別選擇了2個(gè)有效鎳含量點(diǎn)（0.1和1.0 mg/kg）進(jìn)行估算，即TF0.1與TF1.0。從表4可知，TF0.1介于1.80～9.08，最高值（岳優(yōu)9113）和最低值（內(nèi)2優(yōu)6號(hào)）之間相差約5倍（表4）。TF1.0的最高值為1.37（納科1號(hào)），最低值為0.04（內(nèi)2優(yōu)6號(hào)），二者相差約34倍（表4）。TF0.1和TF1.0之間不存在顯著的相關(guān)性，表明在不同土壤有效鎳濃度點(diǎn)上計(jì)算的轉(zhuǎn)移系數(shù)差異較大。供試土壤有效鎳的平均值為0.28 mg/kg（表1），相當(dāng)部分土壤的有效鎳低于0.1 mg/kg。因此采用TF0.1比TF1.0更符合供試土壤的實(shí)際情況。不同品種TF0.1由大到小依次為岳優(yōu)9113>佳優(yōu)948>深兩優(yōu)5814>培雜泰豐>天優(yōu)998>宜香2292>宜優(yōu)115>納科1號(hào)>泉珍10號(hào)>Ⅱ優(yōu)673>豐Ⅱ優(yōu)1號(hào)>揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)>宜優(yōu)99>Ⅱ優(yōu)3301>特優(yōu)627>內(nèi)2優(yōu)6號(hào)；根據(jù)TF0.1，可以將供試品種分為3類(lèi)：低富集品種：TF0.1小于3，包括內(nèi)2優(yōu)6號(hào)、特優(yōu)627、Ⅱ優(yōu)3301、宜優(yōu)99；中富集品種：TF0.1介于3和5之間，包括揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)、豐Ⅱ優(yōu)1號(hào)、Ⅱ優(yōu)673、泉珍10號(hào)、納科1號(hào)、宜優(yōu)115、宜香2292、天優(yōu)998、培雜泰豐、深兩優(yōu)5814；高富集品種：TF0.1大于5，包括佳優(yōu)948與岳優(yōu)9113。

3 討論與結(jié)論

供試土壤全鎳含量介于3.52～72.38 mg/kg，平均值為17.86 mg/kg，僅一個(gè)樣品全鎳含量超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。土壤有效鎳含量介于0.01～1.32 mg/kg， 平均值為0.30 mg/kg；供試稻米樣品（糙米）鎳含量為0.04～1.82 mg/kg，其中有62個(gè)樣品鎳含量超過(guò)0.4 mg/kg。就品種平均值而言，16個(gè)品種中有7個(gè)品種稻米平均含量超過(guò)了0.4 mg/kg，占44%。其可能原因有二：一方面，隨著水稻品種的改進(jìn)，水稻生物量普遍增大，對(duì)土壤中各類(lèi)物質(zhì)包括重金屬的吸收也增多；另一方面，本研究供試稻米樣為糙米樣，糠層的鎳含量可能導(dǎo)致稻米樣品鎳含量偏高，有研究表明稻米籽粒中重金屬主要分布在穎殼、糠層、精米3部位，含量情況為：糠層>穎殼>精米[35]，這有可能導(dǎo)致稻米樣品中鎳含量較高。

作物不同基因型對(duì)土壤污染物的吸收富集普遍存在差異，這已經(jīng)有過(guò)不少報(bào)道。如譚周镃通過(guò)對(duì)8個(gè)早稻品種和10個(gè)晚稻品種累積重金屬的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同品種對(duì)重金屬的吸收存在顯著性差異[40]。蔣彬等[41]的研究也發(fā)現(xiàn)：水稻籽實(shí)吸收重金屬也存在基因型差異。本研究中秈稻對(duì)土壤鎳富集能力的差別主要是品種之間的差別，與常規(guī)稻或雜交稻、兩系雜交或三系雜交無(wú)必然聯(lián)系。相關(guān)分析表明：各品種稻米鎳含量與土壤有效鎳含量之間不存在顯著相，而陳同斌等[17]分析了北京市97種蔬菜與土壤鎳含量之間的相關(guān)，發(fā)現(xiàn)二者總體上呈顯著正相關(guān)。本研究中稻米鎳與土壤有效態(tài)鎳之間的關(guān)系與上述研究中蔬菜鎳含量與土壤鎳含量之間的關(guān)系顯然不同，這可能反映出重金屬在水稻體內(nèi)遷移的復(fù)雜性。

不同秈稻品種根據(jù)TF0.1的差別，可分為秈稻低富集品種：內(nèi)2優(yōu)6號(hào)，特優(yōu)627，Ⅱ優(yōu)3301，宜優(yōu)99；高富集品種：佳優(yōu)948與岳優(yōu)9113。低富集品種可以種植在有一定程度鎳污染的土壤上，而高富集品種不宜在鎳污染土壤上種植。在供試品種中，佳優(yōu)948和泉珍10號(hào)屬于常規(guī)品種，其余均屬于雜交品種，常規(guī)稻和雜交稻在鎳富集能力上沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的差別。在雜交品種中，豐兩優(yōu)1號(hào)、培雜泰豐、深兩優(yōu)5814和揚(yáng)兩優(yōu)6號(hào)屬于兩系雜交稻，其余的屬于三系雜交稻，兩類(lèi)雜交稻在鎳富集能力上也沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的區(qū)別。由此看來(lái)，秈稻對(duì)土壤鎳富集能力的差別主要是品種之間的差別，與常規(guī)稻或雜交稻、兩系雜交或三系雜交無(wú)必然聯(lián)系。而李波等[42]通過(guò)對(duì)5種重金屬污染指數(shù)的綜合分析發(fā)現(xiàn)：土壤重金屬綜合污染指數(shù)表現(xiàn)為：常規(guī)稻>兩系雜交稻>三系雜交稻，這與本研究的結(jié)果有所不同。

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