不同籼稻品种对土壤钒的富集

孙佩 周志强 钟应声 王茹 刘翔麟 王果 陈炎辉

摘 要 以15种籼稻品种为研究对象，对福建省典型籼稻种植区进行表层样品土壤和稻米的协同采样，并研究钒（V）在表层样品土壤和稻米中的迁移特性。结果显示：调查区域样品土壤全V、有效V、稻米V含量分别为9.31～123.9 mg/kg、0.3～41.16 mg/kg、18～449 ?g/kg。15.63%的样品土壤超过了福建省样品土壤V背景值，10.63%的样品土壤超过了我国样品土壤V背景值。糙米V与有机质、游离铁含量呈极显著负相关（p<0.01），与粘粒、CEC呈极显著正相关（p<0.01），与有效度达到了显著正相关（p<0.05），三系、二系、常规籼稻糙米之间并没有出现显著性差异（p>0.05）。杂交籼稻有效基富集系数是常规籼稻的2.66倍。常规籼稻耐受性最强，是适宜耕种的品系，特优009是适宜耕种的品种。研究区域V的最大摄入量（0.19 kg/d）远远大于口服参考计量，该地区食用糙米摄入量风险较大。该结果可为福建省不同地区水稻的安全种植提供参考。

关键词 环境；钒；富集；土壤；籼稻

中图分类号 S511.2+1 文献标识码 A

Abstract The accumulating ability and transfer characteristics of vanadium （V） from soil-to-rice grain by different indica rice cultivars were studied. A total of 15 cultivars and the corresponding surface soil samples were collected from the main rice planting areas in Fujian Province. The results showed that the contents of total soil V， available soil V and rice grain V ranges from 9.31–123.9 mg/kg， 0.3–41.16 mg/kg and 18–449 ?g/kg. In addition， 15.63% of the soil V exceeded the background value of soil V in Fujian Province and 10.63% of the soil V were higher than the background value for Chinas soil. The brown rice V exhibited a significantly negative correlations with organic matter and free iron content （p<0.01）. There was no significant differences between the three-line hybrid rice， two-line hybrid rice and conventional Indica rice （p<0.05）. The enrichment coefficient of Indica hybrid rice were 2.66 times that of conventional indica rice. Also， the conventional Indica rice was the most tolerant and suitable for cultivation， of which Teyou 009 showed the lowest accumulating ability. The maximum intake of V in the studied area （0.19 kg/d） was far greater than the oral reference measurement， and the risk of eating brown rice intake was higher in the region. The results of this study could provide references for practical application and safe planting of rice in different areas of Fujian Province.

Keywords environment； vanadium； accumulation； soil； indica rice

DOI 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.09.004

钒化合物对人和动物均具有毒性，其毒性随着价态以及溶解度的增大而增强，如V2O5为高毒，可引起呼吸系统、神经系统、肠胃和皮肤的改变[1]。因此钒（V）被联合国环境规划署列为环境优先污染物[2]。化石燃料、燃煤、城镇废水、化肥、农药等都会引起环境的V污染[3]。中国的钒矿主要是以钒钛磁铁矿为主（50%），钒钛磁铁矿的沉降被认为是样品土壤中V的一個重要来源[4]。样品土壤中V含量受多种因素影响，包括母质、有机质含量、样品土壤质地等。全国样品土壤污染调查结果表明，中国西南部以及全国分别有26.49%和8.6%的样品土壤受到V的污染[5-6]。

样品土壤中的V可以被富集到植物的可食用部分，进而引起健康风险。不同作物品种对V的耐性程度不同。水培试验表明，油菜、萝卜和向日葵的幼苗根系对V胁迫敏感，0.05～1.0 mol/ L条件下，其耐性指数均小于0.5；其次为水稻，再次为玉米、豆角[7]。植物中有效V>0.5 mg/kg会损害玉米的生长，显著影响其品质[8]。邹宝方等[9]最先提出过量V影响大豆结瘤，造成单株结荚数减少，Wang等[10]研究认为全V（>30 mg/kg）过量时，潮土中大豆幼苗的干物质量显著减少。水溶液中V浓度与样品土壤中V含量分别达到0.5、140 ?g/g时，植物受到毒害[11]。不同作物品种对V的富集能力不同。张志专等[12]最先提出甜608玉米对V的富集能力较强，而V在甜糯玉米体内更容易发生转运。侯明等[13]研究发现，枸杞幼苗对V具有良好的富集作用，但富集的V主要累积在根组织，可以减轻过量V对枸杞茎叶的毒害。Anke[14]研究表明，蘑菇和绿叶蔬菜含有较高含量的V。富含V的食物不仅包括蘑菇，还有贝类、莳萝种子、香菜、黑胡椒等[15]。在陕西伴生硒、钼、钒矿的石煤地区还发现V的富集植物群落，主要有薇菜（28 μg/g）、紫阳春茶（21 μg/g）、菜根（21 μg/g）、紫阳毛尖茶（17 μg/g）、油菜籽（13 μg/g）、大叶绞股蓝（18 μg/g）[16]。林海等[17]指出，田字草对V、铬均具有一定的富集能力，且对铬的富集能力强于V。根据俄罗斯联邦的毒理学标准（第二危害类别）以及荷兰的污染物标准，提出有效V的最大允许浓度（MPC）为1.1 mg/kg[18]。因此对于中度和轻度污染的农田样品土壤，根据作物对样品土壤重金属的富集能力而合理选种农作物，是降低农产品污染的有效途径之一。水稻是我国的主要粮食作物，尤其是南方地区，然而目前关于不同品种的水稻对样品土壤V富集能力的研究较少。鉴于此，本研究选取福建省主要种植籼稻地区，研究稻米对样品土壤V的富集特征并进行风险评估，以期为水稻的合理种植以及农产品的质量安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集及处理

从福建省南安市、龙海市、福清市、泰宁县等地采集了160个籼稻和相对应的表层样品土壤（0～20 cm）。籼稻品种分别为：二系杂交籼稻（丰Ⅱ优1号、培杂泰丰、扬两优6号）、三系杂交籼稻（甬优9号、Ⅱ优3301、Ⅱ优673、天优998、宜香2292、宜优115、岳优9113、宜优673、特优009、特优627）、常规籼稻（东联5号、佳福占）。采样时，先选择采样小区，在采样区内采集3～5个样品土壤分样，形成混合土样；然后在同样位置采集稻穗，形成混合稻谷样品。采集的样品土壤和稻谷样自然风干，去壳研磨过0.5 mm尼龙筛备用。样品土壤样充分混合后研磨过2 mm尼龙筛。用四分法取出部分样品土壤过0.149 mm尼龙筛备用。

1.2 测定指标及方法

样品土壤pH（土：液=1：2.5）采用pH计（GB/T 11165梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）测定；阳离子交换量（CEC）采用中性醋酸铵淋洗法测定；样品土壤有机质（OM）采用重铬酸钾外加热法测定；游离铁采用DCB提取-邻啡罗啉比色法，样品土壤颗粒分析采用吸管法测定[19]。全V采用HNO3-HClO4-HCl-HF消解[20]，有效V采用草酸-草酸铵溶液（Tamm）浸提[21]，糙米采用HNO3消解[22]，上电感耦合等离子质谱（ICP-MS，PE，NexION 300，USA）测定。测定过程中用样品土壤标准样品（GSS-6）和大米标准样品（GSB1）进行质量控制，样品土壤全V标样的回收率为96%～105%，稻米V的回收率为95%～102%。

1.3 数据处理

统计分析采用SPSS 19.0中的单因素方差分析（ANOVA），并用LSD法进行显著性检验。数据处理采用Excel 2010，应用Sigmaplot12.5软件作图。样品土壤V的有效度、生物富集系数计算公式如下：

样品土壤V的有效度=有效V含量/样品土壤全V含量×100%

全量基富集系数（BCF全量）=糙米V含量/样品土壤全V含量

有效量基富集系数（BCF有效量）=糙米V含量/样品土壤有效V含量

2 结果与分析

2.1 采样区样品土壤的基本理化性质

从表1可见，采样区样品土壤pH均值为5.55。pH<4.5的样品土壤占1.25%，4.5≤pH<5.5的样品土壤占48.75%，5.5≤pH<6.5的样品土壤占40%，6.5≤pH<7.5的样品土壤占6.88%，7.5≤pH<8.5的样品土壤样品占1.25%，可见采样区样品土壤总体呈酸性。样品土壤CEC介于1.47～ 30.18 cmol（+）/kg，均值为11.9 cmol（+）/kg，保肥力中等偏低。有机质含量介于7.81～68.76 g/kg，均值为29.76 g/kg，属于中高范围。游离铁的浓度为1.82～ 31.82 g/kg，均值为12.64 g/kg。粘粒（<0.002 mm）范围为1.88%～59.34%，均值为20.95%。

供试样品土壤全V含量为9.31～123.9 mg/kg，均值为61.96 mg/kg，略高于Yang等[5]关于福建地区的调查结果（54.6 mg/kg）。15.63%的供试样品土壤V含量超过了福建省样品土壤V的背景值（79.5 mg/kg），10.63%的样品土壤超过了我国样品土壤V的背景值（82.4 mg/kg）。不同水稻品种的样品土壤全V平均含量依次为：岳优9113>特优009>佳福占> II优673>宜优115>宜优673>东联5号>II优3301>培杂泰丰>丰II优1号>宜香2292>特优627>甬优9号>扬两优6号>天优998。样品土壤全V与pH呈显著正相关（R=0.159*）（图1），这是由于样品土壤pH的升高会提高样品土壤吸附无机V的能力[23]，因此pH高的样品土壤V含量相对较高。全V与游离铁含量呈极显著正相关（R=0.607**），V是一种亲氧、铁的元素，铁铝氧化物对V有较强的吸附力，所以游离铁含量高的样品土壤全V含量也较高[24]。

样品土壤有效V的含量介于0.3～41.16 mg/kg，均值为8.71 mg/kg。统计显示样品土壤有效V与游离铁含量（0.470**）、粘粒含量（0.341**）、CEC（0.296**）和全V（0.430**）呈极显著正相关（图2）。Gabler等[25]也认为样品土壤粒径越细，有效V的含量就越高。样品土壤V有效度是样品土壤有效V含量占样品土壤全V含量的百分数。供试样品土壤中V有效度介于0.02%～90.84%，均值为13.65%。不同水稻品种样品土壤V的平均有效度依次为：天优998>甬优9号>丰II优1号>特优009=佳福占>宜优115>II优673>岳优9113>宜优673>东联5号> II优3301>培杂泰丰>宜香2292>特优627>扬两优6号。统计显示，样品土壤V有效度与CEC（0.407**）、粘粒含量（0.542**）呈极显著正相关（图3）。

2.2 不同品种糙米中V含量及其影响因素

由表2可知，所有糙米中V含量介于18～449 ?g/kg，平均含量为29 ?g/kg。不同水稻品种的糙米V平均含量依次为：宜优673>扬两优6号>岳优9113>东联5号>佳福占>甬优9号>特优627>Ⅱ优3301>天优998>宜香2292>培杂泰丰>特优009>宜优115>Ⅱ优673>丰Ⅱ优1号。糙米V含量最高的品种（宜优673）是糙米V含量最低品种（丰Ⅱ优1号）的21.8倍。与杂交稻相比，常规籼稻（东联5号，佳福占）糙米V含量中等偏高。宜优673糙米V含量显著高于其他品种的糙米，并且与其他品种显著相关（p<0.05），其他品種之间并没有相关性（p>0.05）。

统计结果显示（表3），糙米V含量与样品土壤有机质（–0.274**）、样品土壤游离铁（–0.232**）呈极显著的负相关。糙米V含量与样品土壤粘粒（0.358**）、样品土壤CEC（0.314**）以及样品土壤V有效度（0.180*）之间呈显著的正相关。三系、二系、常规籼稻V含量之间没有出现显著性差异，杂交与常规籼稻之间也没有显著性差异（p>0.05）。上述结果说明样品土壤理化性质对糙米中V的含量有重要影响。腐殖酸能与V络合，使V转化为更为稳定的有机物结合态V，降低了样品土壤V的有效性[26]，因此也降低了水稻对V的吸收。此外，水稻根对V有很强的固定作用[27-28]，也使得V主要蓄积在根组织，不容易向上转运。也可能因为植物与样品土壤的交互作用，植物受到V毒害时，会把过量的V存储在细胞壁或者液泡中，其他研究表明V被认为是CaVO3沉淀[29]。

2.3 生物富集系数（BCF）含量

全量基就是糙米中的V含量与样品土壤V全量的比值。从表4可知，全量基BCF介于0.0003～0.0048之间，不同品种的全量基BCF依次为：宜优673>东联5号>甬优9号=特优627>天优998>扬两优6号>丰II优1号>佳福占= II优673=宜优115>培杂泰丰>II优3301 >宜香2292>岳优9113>特优009。就品种平均值而言，全量基BCF最高的品种是最低品种的18.62倍，杂交籼稻是常规籼稻的43.53倍。品种、品系之间全量基BCF差异较大。大体上看，三系杂交籼稻的全量基BCF大于常规籼稻和二系杂交籼稻，但差异不显著（p>0.05）。

样品土壤重金属的生物有效性及其风险主要决定于其有效量，因此以有效量计算生物富集系数更有意義。有效量基生物富集系数是指糙米中V含量与样品土壤有效V含量的比值。各水稻品种的有效量基BCF平均值介于0.001 5～0.037 3之间，不同籼稻品种的有效量基BCF平均值依次为：东联5号>扬两优6号>宜优673>宜优115>宜香2292>特优627>甬优9号>丰II优1号>II优3301>II优673>天优998>佳福占>岳优9113>培杂泰丰>特优009，有效量基BCF平均值最高的品种是最低品种的24.51倍，品种之间有效量基BCF差异较大。杂交籼稻有效量基BCF是常规籼稻的2.66倍。不同类型水稻的有效量基BCF依次为二系杂交籼稻>三系杂交籼稻>常规籼稻，总体上杂交籼稻有效量基BCF大于常规籼稻，二系杂交与常规籼稻有效量基BCF存在显著差异性（–0.364*）。

3 结论

（1）样品土壤全V含量为9.31～123.9 mg/kg，均值为61.96 mg/kg，15.63%的样品土壤超过了福建省样品土壤V的背景值，10.63%的样品土壤超过了我国样品土壤V的背景值。pH、游离铁是影响样品土壤全V含量的主要因素。

（2）样品土壤有效V含量为0.3～41.16 mg/kg，均值为8.71 mg/kg。有效V与游离铁、粘粒含量、CEC、全量V呈极显著的正相关。V有效度范围为0.02%～90.84%，均值为13.65%。有效度与CEC、粘粒含量呈极显著正相关。

（3）糙米V的范围为18～449 ?g/kg，均值为29 ?g/kg。糙米V与有机质、游离铁含量呈极显著负相关。全量基与有效量基含量分别为0.000 3～0.004 8、0.001 5～0.037 3。全量基与CEC、粘粒含量呈极显著正相关，有效量基与游离铁含量呈极显著的负相关。二系杂交籼稻有效量基与常规籼稻的有效量基呈显著的负相关。

（4）全量基富集系数最大的品种是宜优673（耐受性最差），最小的品种是特优009（耐受性最强）。有效基富集系数最大的品种是东联5号（耐受性最差），最小的品种是特优009（耐受性最强）。研究区域V的最大摄入量（0.19 kg/d）远远大于口服参考计量，该地区食用糙米摄入量风险较大。

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