稻田土壤重金属赋存形态_运移规律及灌溉的影响

重金属富集则在拔节期出现最小值，随后有稍微上升的趋 势［23，26，34］。在相同条件下，水稻对重金属元素的富集不仅在 种间和种 内 存 在 差 异，而 且 在 同 一 品 种 不 同 部 位 存 在 差 异［30，32，35］。水稻根吸收重金属元素在向地上器官运输的过 程中，前一器官对重金属元素的富集能力会影响后一器官对 其的富集。刘建国等认为，水稻同一品种不同器官间 Pb 含 量呈正相关，相关性多为极显著或显著水平［27］。随灌溉及 其他生产措施进入土壤的重金属被土壤以不同的形式截留 固定，增加水稻植株对重金属的富集。已有研究表明，在我 国部分地区市售大米 10% 存在 Cr 超标［36］。 3 土壤重金属运移及其影响因素 3． 1 重金属在土壤中的运移 重金属在土壤中发生一系列 物理化学反应，使得进入土壤的重金属主要积累在 0 ～ 30 cm 耕作层，随着土壤深度的增加，重金属含量迅速减少［37］。除 汞受热易挥发进入大气外，大部分重金属元素滞留在土壤 中，土壤中的重金属易被植物吸收富集。进入大气的重金属 可通过重力、干湿沉降的作用重新回到土壤中，而土壤重金 属通过降雨淋溶渗透或地表径流等方式进入地下水等。重 金属的淋溶强度是评价其被淋溶渗透程度的主要指标。它 主要取决于淋溶液的 pH、土壤风化程度以及重金属元素种 类。张祥雨等研究认为，淋溶液的酸碱性对不同重金属元素 淋溶量的影响不同，Cd、Cr 淋溶量随着淋溶液 pH 的升高而 增加，Cu、Mn 和 Pb 的淋溶量则减小； 不同风化程度的煤矸石 在淋溶过程中重金属元素的淋溶量不同，Cd、Cr、Pb 淋溶量 与矸石风化程度的关系为弱 ＜ 强 ＜ 中，Cu、Mn 淋溶量与风化 程度的关系为强 ＜ 弱 ＜ 中［38］。
土壤重金属与土壤中不同物质产生氧化 － 还原、吸附 － 解吸、沉淀 － 溶解、酸 － 碱等理化和生物反应过程，改变 其赋存形态，影响其运移和转化方式，改变其生物有效性。 1． 1 土壤重金属赋存形态 土壤重金属赋存形态最具代表 性的是 Tessier 等提出的连续萃取法［5］。它将沉积物或土壤 中重金属元素分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结 合态、有机物结合态、残渣态。各种形态在水中的溶解度不 同，其中可交换态和碳酸盐结合态与土壤结合较弱，在酸性 条件下易被释放，有较强的可移动性和毒性； 铁锰氧化物结 合态和有机结合态的活性、毒性居中，铁锰氧化物结合态在 还原条件下易溶解释放，有机结合态在氧化状态下易分解释 放； 残渣态的活性、毒性最小［6 －7］。稻田土壤重金属绝大部 分以残渣态存在于土壤中，有机态、铁锰氧化物结合态和碳 酸盐结合态含量一般大于可交换态。研究表明，水稻土 Cd、 Cr 残渣态含量分别占 43． 3% 和 89． 0% ，Cd 的铁锰氧化物结 合态含量占 26． 2% ，可交换态和碳酸盐结合态含量分别占
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乔振芳等 稻田土壤重金属赋存形态·运移规律及灌溉的影响
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的改变。 1． 2． 3 其他。土壤微生物种群、根际分泌物、改良剂以及冻 融作用等因素影响重金属在土壤中的赋存形态。土壤微生 物通过影响重金属的溶解、生物吸附、富集以及氧化还原性 来改变重金属的赋存形态。微生物通过氧化还原不但可以 把一些重金属离子还原成沉淀，而且可以把一些重金属离子 还原成可溶性的或挥发性的形态。研究表明，某种嗜重金属 菌能有效地吸收土壤中的重金属，利用菌根可以吸收和固定 重金属［18 －19］。根际分泌物也会影响土壤重金属的赋存形 态。有机酸可与 Cd、Fe、Zn 等重金属螯合，形成溶解性和移 动性强的复合物。与非根际土壤相比，小麦、大豆和玉米的 根际交换态 Cu 含量明显增加［20］。土壤中添加改良剂可调 节土壤 pH，促使重金属元素多以重金属沉淀物的形式存在， 如向土壤添加石灰能降低土壤中可溶态 Cr 浓度［21］。 2 水稻植株重金属吸收、分布及富集
土壤重金属污染在各国均有发生，是世界各国普遍关注 的环境问题之一。它不仅通过径流和淋洗作用恶化水环境， 而且通过食物链传递与富集等途径危及人类的生命和健康 等［1］。近年来，粮食作物尤其是水稻的重金属污染在世界各 国引起广泛关注。水稻对土壤重金属的吸收、分布和富集取 决于其有效性和运移能力［2］。灌溉模式的改变导致稻田土 壤理化性质、水稻生长规律等一系列变化，引起重金属在土 壤中的运移、赋存形态、生物有效性以及水稻吸收分布富集 等发生变化，使得重金属在作物吸收、渗漏淋失和地表径流 等方面产生差异［3 －4］。因此，重金属在土壤中的运移及其赋 存形态的研究，将为揭示不同灌溉的水稻对土壤重金属的吸 收、分布、富集规律及其机理提供依据。 1 土壤重金属赋存形态及其影响因素
基金项目 作者简介
收稿日期
国家自然科学基金重点项目（ 50839002 ） ； 水文水资源与水 利工程科学国家重点实验室自主研究项目（ 2010585112） 。 乔振芳（ 1985 － ） ，女，陕西神木人，硕士研究生，从事节水灌 溉理论与 新 技 术 研 究，* 通 讯 作 者，E-mail： xj2481 @ hhu． edu． cn。 2011-03-07
Chemical Forms and Migration of Soil Heavy Metals in Paddy and Effects of Irrigation QIAO Zhen-fang et al （ State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098） Abstract The chemical speciation of heavy metals and its factors，heavy metals aborted and accumulated by rice plants，soil heavy metals migration and its factors were reviewed． Efficient irrigation led to huge changes in paddy soil environment，which would contribute to metals binding forms and its migration in soil-plant system． Migration and conversion of heavy metals in rice paddy with different irrigation should be further studied． Key words Heavy metal； Chemical forms； Migration； Paddy； Water-saving irrigation
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2011，39（16） ：9698 － 9700，9702
责任编辑 刘月娟 责任校对 李岩
Hale Waihona Puke Baidu
稻田土壤重金属赋存形态·运移规律及灌溉的影响
乔振芳1，2 ，彭世彰1 ，徐俊增1，2* ，高晓丽1，2 ，宋 靖3 （ 1． 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京
210098； 2． 河海大学水利水电学院，江苏南京 210098； 3． 江苏省昆山市水利技术推广站，江苏昆山 215300）
摘要 简述土壤重金属赋存形态及影响因素，水稻植株对土壤重金属的吸收、分布和富集，以及土壤重金属运移及其影响因素的研究进 展。针对不同灌溉导致的稻田土壤环境和水稻生长吸收功能等差异，提出不同灌溉模式下稻田重金属迁移转化规律有待研究的问题。 关键词 重金属； 赋存形态； 运移； 稻田； 节水灌溉 中图分类号 X 131． 3 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611（ 2011） 16 － 09698 － 03
9． 7% 和14． 8%［8］。 1． 2 影响因素 土壤重金属的赋存形态及其形态分布直接 决定了其有效性，而影响重金属赋存形态的因素多而复杂， 主要有土壤理化性质、有机质和微生物等影响因素。 1． 2． 1 土壤理化性质。土壤 pH 和氧化还原电位是影响重 金属赋存形态的主要因素。在还原条件下大部分重金属生 成难溶的硫化物，在氧化条件下重金属溶解态和交换态含量 增加［9］。土壤 pH 主要通过影响重金属化合物在土壤中的溶 解度来影响重金属的赋存形态。在碱性土壤中，多数重金属 以难溶的氢氧化物、碳酸盐和磷酸盐的形式存在，使得土壤 溶液中重金属离子浓度较低。土壤中交换态重金属含量随 pH 升高而减少，且降幅较大，碳酸盐结合态和铁锰氧化物结 合态重金属含量与 pH 均呈正相关。土壤 pH 下降 0． 38，土 壤 Cu 的 有 效 态 含 量 上 升 1． 95 mg / kg，上 升 幅 度 达 61． 51%［10］。水稻节水灌溉技术可提高稻田土壤氧化还原电 位 120% ～ 200%［11］，必然引起土壤重金属赋存形态及其有 效性的变化。相关定量研究还有待开展。 1． 2． 2 有机质。土壤有机质通过影响重金属的赋存形态和 土壤颗粒对其的吸附能力来影响重金属的运移和生物有效 性。通常，有机质含量高的土壤对重金属的吸附能力高［12］， 但有机质对不同重金属元素形态转化的影响存在差异。腐 殖酸能明显降低土壤中 Pb 的交换态、碳酸盐结合态和铁锰 氧化物结合态的含量，而有机结合态和残渣态的 Pb 含量则 明显提高［13］。向潮土中添加稻草和紫云英可促进外源 Cu 向紧有机结合态和不定形铁结合态转化，而对 Cd 的影响与 Cu 刚好相反，使 Cd 的生物活性增加［14］。对于有机质含量是 否影响重金属在土壤中的赋存形态，有不同的观点。朱娥婉 等认为，土壤中各种元素的含量都与有机质含量呈正相关， 但重金属各组分占全量的比例与有机质含量的关系并不密 切［15］。武少兴等认为，垂直土层剖面水溶态 Se 的含量与有 机质含量变化趋势一致［16］。稻田适度的水分调控加速土壤 有机质的分解［17］、稻田土壤有机质含量的下降、溶解性有机 碳含量增加，必然导致稻田土壤重金属赋存形态及其有效性
水稻植株对重金属的吸收、分布和富集既受重金属赋存 形态、浓度及重金属种类、重金属共存情况、土壤理化性质和肥 料施用等因素的影响，又受自身遗传特性的影响［22 －27］。 2． 1 水稻植株重金属吸收 在相同条件下，不同的水稻品 种及同一品种的不同器官因外部形态和内部结构的差异， 吸收重金属的生理生化机制不同。因此，不同水稻品种对 重金属的吸收能力存在较大差异，且因生育阶段、器官的改 变而改变。李坤权研究表明，水稻品种之间 Cd 积累总量、 积累浓度及日积累量均存在 0． 05 水平显著性差异，且这种 差异与品种类型、器官及生育期密切相关［25］。水稻不同器 官对重金属吸收的优先顺序不同。水稻籽实对重金属 Cd 的吸收优先于 Cr、As 和 Hg； 水稻根对重金属 As 的吸收优 先于 Hg 和 Cd［28 － 30］。稻米 Cd 含量比茎叶含量高［28］。水稻 各生育期伤流液中 Cr 含量动态变化大小顺序为： 分蘖期、幼 穗发育期、抽穗扬花期、灌浆成熟期［31］。水稻植株对重金属 元素的吸收在营养生长阶段体现出主动吸收的特征。节水 灌溉的水分调控导致水稻根系活性及其吸收能力发生变化， 水稻扎根深度、根数、根的吸附面积增加，根系活力增强。这 些变化是否会促进水稻植株对重金属吸收，有待深入研究。 2． 2 水稻植株重金属分布 重金属在水稻植株体内的分布 受重金属种类及其共存情况、水稻品种、器官及生育期等因 素的影响。土 壤 中 重 金 属 被 水 稻 吸 收 以 后，主 要 集 中 在 根 部，只有少量向地上部分迁移。在新陈代谢旺盛的器官蓄积 量较多，而营养储存器官蓄积量则较少，一般在水稻植株不 同器官 的 质 量 分 数 由 大 到 小 的 次 序 为： 根 ＞ 茎 ＞ 穗 ＞ 叶［25 －26］。不同的重金属在水稻植株体内各器官的分布规律 也有所不同。王广林等研究表明，水稻植株中 Cu 的分布规 律是根 ＞ 茎叶 ＞ 籽粒，Zn 的分布则是茎叶 ＞ 根 ＞ 籽粒［32］。 水稻根吸收重金属元素后因其种性的不同在植株器官分布 存在差异。周鸿凯等研究认为，9311 根和糙米中 Cd 含量明 显高于嘉-48 和嘉-51［33］。 2． 3 水稻植株重金属富集 重金属在水稻植株不同部位富 集是一个动态变化的过程。一般，在分蘖期水稻根、茎、叶中 重金属出现富集峰值，此后随时间的推移，根、叶的重金属富 集呈下降趋势，在拔节期后叶片重金属含量趋于稳定，茎中