作物籽實(shí)鎘含量影響因素分析

作物籽實(shí)鎘含量影響因素分析

對(duì)中國(guó)19個(gè)省（區(qū)、市）開展的多目標(biāo)生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查結(jié)果表明，長(zhǎng)江、珠江、湘江、沙河等大江流域平原中存在重金屬cd異?，F(xiàn)象。以長(zhǎng)江流域?yàn)槔?重慶段平均Cd含量為0.374mg·kg-1,湖南長(zhǎng)株潭地區(qū)平均Cd含量為0.365mg·kg-1,江蘇長(zhǎng)江沖積土壤平均Cd含量為0.240mg·kg-1,而這3個(gè)地區(qū)的土壤背景值分別僅為0.162、0.130和0.182mg·kg-1。已有研究結(jié)果表明,生長(zhǎng)在此類Cd異常區(qū)的作物也出現(xiàn)了Cd含量超標(biāo)現(xiàn)象,因此谷物中的Cd含量問題已經(jīng)得到了各國(guó)的普遍關(guān)注,很多國(guó)家都制定了糧食中Cd的限量標(biāo)準(zhǔn)。大量關(guān)于作物Cd吸收量與土壤Cd含量之間相關(guān)關(guān)系的研究證明,土壤總Cd含量與作物吸收Cd量之間往往沒有很好的相關(guān)性,因?yàn)槌寥揽侰d含量外,土壤的一些理化性質(zhì)指標(biāo)也影響作物對(duì)Cd的吸收,如土壤pH、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、土壤質(zhì)地和陽(yáng)離子交換量等。已有的用來預(yù)測(cè)作物Cd含量的數(shù)學(xué)模型都考慮了土壤這些理化指標(biāo)的影響[2、8、9],雖然不同的模型根據(jù)實(shí)際情況包含了不同的指標(biāo),但是在特定的研究條件下都達(dá)到了比較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)作物Cd含量的目的。本研究擬通過對(duì)江蘇省水稻和小麥兩種作物籽實(shí)Cd含量與土壤總Cd含量及土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析,確定對(duì)作物Cd吸收的主導(dǎo)影響因子,并建立相關(guān)關(guān)系模型用以預(yù)測(cè)當(dāng)?shù)刈魑镒褜?shí)的Cd含量,為土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定及糧食安全生產(chǎn)提供參考。1材料和方法1.1樣品的采集和保存根據(jù)江蘇省地調(diào)院提供的多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查資料,并結(jié)合土壤類型圖,選擇重金屬Cd含量相對(duì)較高的區(qū)域作為主要研究區(qū),包括南京、揚(yáng)州和蘇州近郊的農(nóng)業(yè)種植區(qū),3個(gè)研究區(qū)的主要土壤類型均為潴育水稻土。除采集高Cd含量區(qū)的樣品外,在每個(gè)研究區(qū)的低Cd含量區(qū)采集2個(gè)樣品,以保證樣品來自于Cd含量變化范圍較大的種植區(qū)。根據(jù)當(dāng)?shù)匾荒陜墒斓姆N植制度,土壤和作物樣品的采集時(shí)間分別在每一季作物的收獲期進(jìn)行,選擇當(dāng)?shù)氐拇笞诩Z食作物作為采集的作物品種,其中2004年秋季采集的作物為水稻,2005年夏季采集的作物為小麥。采集樣品時(shí),以GPS確定點(diǎn)位,選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的稻田或麥田,隨機(jī)圈定1m2的范圍作為采樣區(qū),為避免邊際效應(yīng)的影響,采樣點(diǎn)至少距離田埂1m遠(yuǎn)。剪下稻穗或麥穗部分,裝入透氣的尼龍網(wǎng)袋內(nèi)保存,同時(shí)用內(nèi)徑3.0cm的土鉆在該采樣區(qū)域內(nèi)呈梅花形采集根系土壤(0~20cm),將6~7個(gè)子樣混合成該點(diǎn)的根系土壤樣品,裝入樣品袋內(nèi)保存。2004年秋季和2005年夏季分別采集水稻和小麥樣品各82個(gè),對(duì)應(yīng)采集同樣數(shù)量的根系土壤樣品。土壤和作物樣品快速運(yùn)回室內(nèi),于無污染處風(fēng)干,備用。1.2樣品的預(yù)處理土壤樣品風(fēng)干后,過2mm孔徑尼龍篩,用于測(cè)定土壤pH、電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量和粘粒含量。另取一部分子樣用無污染球磨機(jī)磨碎,過0.1mm孔徑尼龍篩,用于測(cè)定土壤有機(jī)碳和土壤總Cd含量。土壤pH值和電導(dǎo)率的測(cè)定采用1∶5的土水比,分別用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定;陽(yáng)離子交換量的測(cè)定采用1.0mol·L-1NH4OAc交換法;粘粒含量采用激光粒度儀測(cè)定;土壤有機(jī)碳采用電位法測(cè)定;土壤總Cd含量的測(cè)定采用等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)。作物籽實(shí)樣品分析前,水稻用精米機(jī)脫殼并制成精米,小麥脫去穎殼。為避免表面附著物對(duì)分析結(jié)果的影響,加工好的樣品用去離子水清洗3遍并風(fēng)干,然后無污染粉碎過0.5mm篩,采用ICP-MS法測(cè)定其中的重金屬Cd含量。土壤和作物樣品的分析通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部和實(shí)驗(yàn)室外部?jī)商讟?biāo)準(zhǔn)樣和重復(fù)樣進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)控,保證樣品分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。1.3差分析所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行,包括多元線性回歸分析和方差分析。對(duì)于呈偏態(tài)分布的土壤總Cd含量、作物Cd含量和pH以外的土壤理化性質(zhì)指標(biāo),在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析前均轉(zhuǎn)化為log10形式的對(duì)數(shù),以獲得正態(tài)分布數(shù)據(jù),并保證方差的同質(zhì)性。2結(jié)果和討論2.1小麥和小麥采樣點(diǎn)土壤理化性狀的比較2004年秋季采集的水稻樣品和2005年夏季采集的小麥樣品的位置相近,只是在采集小麥時(shí)部分點(diǎn)位由于種植了小麥以外的其他作物而導(dǎo)致采樣點(diǎn)位略有偏移,但是從表1水稻和小麥采樣點(diǎn)的土壤理化性狀可以看出,兩季采集的土壤樣品的各項(xiàng)理化性質(zhì)都比較接近。3個(gè)研究區(qū)的土壤性質(zhì)只有pH值略有差異,其中揚(yáng)州稍偏堿性,南京和蘇州呈中性,其他性質(zhì)沒有明顯差異,因此不對(duì)3個(gè)研究區(qū)作單獨(dú)討論。從土壤總Cd含量看,雖然大部分采樣點(diǎn)是選擇在江蘇省Cd含量相對(duì)較高的區(qū)域,但是總Cd含量大多處于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618—1995)的二級(jí)水平,最高值僅是最低值的3~5倍,且所有采樣點(diǎn)位都沒有達(dá)到嚴(yán)重污染級(jí)別。2.2小麥與水稻的cd含量比較水稻和小麥籽實(shí)的Cd含量變化范圍分別為0.09~0.21mg·kg-1和0.06~0.42mg·kg-1,平均含量分別為0.12mg·kg-1和0.18mg·kg-1。從圖1水稻和小麥籽實(shí)Cd含量的頻率分布圖可以看出,水稻有2個(gè)樣品的Cd含量超過了我國(guó)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB15201—94的規(guī)定(0.20mg·kg-1)。按照該食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)對(duì)小麥Cd含量的規(guī)定(0.10mg·kg-1),本研究采集的小麥樣品的超標(biāo)率高達(dá)85%,含量超過0.20mg·kg-1的占34%。表1的結(jié)果說明,兩種作物生長(zhǎng)在總Cd含量沒有太大差異的土壤上,但是作物對(duì)Cd的累積差異卻很明顯,其原因之一是作物品種的差異,小麥?zhǔn)窍鄬?duì)比較容易吸收Cd的作物,已有研究證明,在同樣的生長(zhǎng)條件下,小麥累積Cd的能力要明顯強(qiáng)于玉米和大麥;另一個(gè)原因是在長(zhǎng)期淹水使離子交換態(tài)Cd的比例降低,而鐵、錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd的比例增加,從而降低了活性,減少了水稻對(duì)Cd的吸收。2.3模型預(yù)測(cè)的影響圖2為根系土壤總Cd含量與作物籽實(shí)Cd含量的相關(guān)關(guān)系圖,可以看出,對(duì)于任何一種作物來說,二者之間都沒有明顯的相關(guān)性。出現(xiàn)這一現(xiàn)象并不奇怪,因?yàn)橥寥揽侰d含量并不能指示作物能夠利用的有效Cd的含量,土壤各種理化指標(biāo)以及外界環(huán)境條件的變化都會(huì)導(dǎo)致生物有效Cd占總Cd比例的變化,所以確定二者之間的相關(guān)性必須考慮這些因素的影響。為了檢驗(yàn)各項(xiàng)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)對(duì)作物Cd含量影響的顯著性,本研究采用多元線性回歸分析對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。對(duì)于水稻和小麥兩種作物,檢驗(yàn)結(jié)果均為土壤pH和土壤總Cd含量對(duì)籽實(shí)的Cd含量影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01),在只考慮這兩個(gè)顯著影響因素的情況下,得到水稻和小麥籽實(shí)Cd含量的預(yù)測(cè)方程分別為:以上方程中土壤和農(nóng)作物籽實(shí)的Cd含量單位均為mg·kg-1。兩個(gè)線性回歸方程都達(dá)到了極顯著水平(P<0.0001),方程中pH的系數(shù)為負(fù)值,表明隨土壤pH升高作物籽實(shí)的Cd含量降低,而土壤總Cd含量的系數(shù)為正值,表明土壤總Cd含量升高有利于作物籽實(shí)累積更多的Cd。由此說明土壤pH是導(dǎo)致土壤總Cd含量與作物籽實(shí)Cd含量沒有明顯正相關(guān)關(guān)系的直接原因,所以在預(yù)測(cè)重金屬Cd污染區(qū)的作物Cd含量時(shí)必須考慮土壤pH對(duì)土壤中Cd活性的影響。McBride和Adams等建立了甜菜、萵苣和玉米作物Cd含量、土壤Cd含量及pH之間的回歸模型,由于用來建立模型的數(shù)據(jù)都是來自盆栽或小區(qū)試驗(yàn),作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件比較一致,模型的相關(guān)系數(shù)(r)幾乎都達(dá)到了0.90以上,而本研究建立的模型的相關(guān)系數(shù)還沒有達(dá)到0.70。其原因之一是在對(duì)土壤各個(gè)理化指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)時(shí),盡管除pH值以外的其他土壤理化指標(biāo)的影響沒有達(dá)到極顯著水平,但是各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)作物Cd含量也有不同程度的影響,而建立模型時(shí)剔除了這些因素,所以模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間必然會(huì)出現(xiàn)一定的差異,而在小區(qū)和盆栽試驗(yàn)中則不存在這一問題,模型的預(yù)測(cè)能力也就強(qiáng)得多。另外,Adams等證明將同一品種作物的不同基因型作為影響因子加入模型,會(huì)使模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的吻合程度更高,而本研究由于研究區(qū)域范圍較大,在進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的作物樣品統(tǒng)計(jì)分析時(shí),沒有考慮作物基因型的影響,這也是導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)能力降低的原因之一。圖3為根據(jù)回歸模型預(yù)測(cè)的水稻和小麥籽實(shí)Cd含量與實(shí)測(cè)值(均為對(duì)數(shù)值)的擬合程度。可以看出,這兩個(gè)模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間有比較好的一致性,其中對(duì)小麥的預(yù)測(cè)要略好于水稻。水稻的預(yù)測(cè)值在南京和揚(yáng)州兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)表現(xiàn)出不同的規(guī)律,其中南京的預(yù)測(cè)值偏高,揚(yáng)州則偏低,其原因可能與土壤理化性質(zhì)的差異有關(guān)。因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示,盡管土壤陽(yáng)離子交換量對(duì)水稻Cd含量的影響沒有達(dá)到極顯著水平,但是達(dá)到了P=0.086,而在預(yù)測(cè)模型中沒有包括這一因素的影響,南京水稻土壤的陽(yáng)離子交換量平均為15.30cmol·kg-1,而揚(yáng)州為17.59cmol·kg-1,陽(yáng)離子交換量高就會(huì)降低水稻對(duì)Cd的吸收,由此導(dǎo)致預(yù)測(cè)值偏高,反之則會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)值偏低。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示,土壤陽(yáng)離子交換量沒有影響到小麥Cd含量,因此在對(duì)小麥的預(yù)測(cè)中就沒有出現(xiàn)類似的問題。從整個(gè)江蘇省的研究區(qū)域來看,模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果還是吻合得相當(dāng)好的。由以上模型可見,土壤pH值直接影響土壤中能夠被作物吸收的Cd量,從食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)角度考慮,在糧食作物Cd含量為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的水平時(shí),若土壤pH值不同,則相應(yīng)的土壤Cd含量的限量標(biāo)準(zhǔn)也不同,而且水稻和小麥對(duì)Cd的吸收表現(xiàn)出明顯的差異,兩種作物籽實(shí)Cd含量的預(yù)測(cè)模型也不同,因此針對(duì)不同作物,即使在食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的含量相同的情況下,土壤Cd含量標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)不同。通過以上分析可知,在制定土壤環(huán)境質(zhì)量