土壤镍在不同籼稻品种中的富集

吴明言等

摘 要 以福建省部分地市采集的163个籼稻样品及对应的土壤样品为材料，研究了不同籼稻品种对土壤镍的富集能力，以期为镍污染土壤上籼稻品种的合理布局提供依据。结果表明，供试土壤全镍含量介于3.52～72.38 mg/kg，平均含量为17.86 mg/kg。供试土壤有效镍含量介于0.01～1.32 mg/kg，平均含量为0.30 mg/kg。供试糙米镍含量为0.04～1.82 mg/kg。镍在土壤和各品种糙米之间的转移系数均随土壤有效镍的升高呈幂函数降低。采用回归估算法、在土壤有效镍为0.1 mg/kg的点上估算了各水稻品种镍的代表性的转移系数（TF0.1，有效量基）。不同品种的TF0.1依次为：岳优9113>佳优948>深两优5814>培杂泰丰>天优998>宜香2292>宜优115>纳科1号>泉珍10号>Ⅱ优673>丰Ⅱ优1号>扬两优6号>宜优99>Ⅱ优3301>特优627>内2优6号。不同籼稻品种对土壤镍富集能力的差别主要为品种之间的差别，与常规稻或杂交稻、两系杂交或三系杂交无必然联系。

关键词 镍；土壤；籼稻；转移系数

中图分类号 X171.5；S511.2+1 文献标识码 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，Fuzhou， 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

镍是一种广泛应用于材料、制造和医疗领域的重金属，是重要的的工业原料。镍是人体必需的微量元素，缺镍会引起各种疾病，如生长缓慢、严重贫血等，但摄入过多则会对人体产生危害作用，如产生急、慢性中毒，甚至诱发癌症[1-2]。随着工农业的迅速发展以及迅速的城市化，通过废渣、废液、废气、污灌、含镍肥料施用等途径进入土壤的镍已经使土壤镍污染渐趋明显，有些地方还相当严重。如华南某电镀厂土壤中镍的最大超标倍数可达19倍之多[3]。贵阳市土壤有16.8% 受到中度镍污染，0.3%受到强烈污染[4]。海南岛玄武岩上发育的土壤镍含量都超过59 mg/kg[5]。雷州半岛土壤镍平均含量可达49.81 mg/kg，超过国家土壤二级标准的样品占25.47%[6]。土壤中过量的镍会抑制植物的生长，并通过食物链对人和动物造成危害[7]。据统计，全球每年进入到土壤中的镍多达数千万吨，且呈现逐年上升趋势[8]。环境保护部和国土资源部2014年发布的全国土壤污染状况调查公报显示，中国耕地土壤中镍的超标率仅低于镉。可见，土壤镍污染已成为一种不容忽视的土壤重金属污染类型。

不同作物对土壤镍的吸收富集能力不同。有研究发现，相比于蔬菜和水果而言，稻米含镍量更高[6，9]。西班牙居民饮食镍摄入总量中，稻米的贡献最大[10]。籼稻作为谷物中的重要类别，在中国南方普遍种植。一般来说，籼稻比粳稻具有更强的重金属富集能力[11-15]，土壤中高浓度的镍会抑制水稻分蘖，阻碍根系生长[16]，影响籼稻的品质与产量，土壤镍通过稻米而进入人体的风险很可能高于其他农作物。国内外已有一些关于植物对土壤镍的吸收富集方面的研究[17-19]，但尚未见到关于不同籼稻品种对土壤镍的吸收富集能力的比较研究。由于籼稻是南方重要的粮食作物，因此本研究以田间采集的稻谷和土壤样品为材料，研究不同品种籼稻糙米对土壤镍的富集能力差异，以期为镍污染土壤上籼稻品种的选择提供参考，进而促进水稻安全生产。

1 材料与方法

1.1 供试材料

从福建省新罗区、南安市、龙海市、福清市、泰宁县等地采集163对籼稻稻谷和相应的表层土壤。采样时首先选定采样区，然后在样区内多点（3～5点）采集稻穗，组成一个混合稻谷样品；同时多点采集相应的耕作层土壤（采样深度约为0～15 cm），组成混合土样。混合稻谷样品和土壤样品装袋后运回实验室处理。

1.2 样品分析

从稻穗上摘取谷粒，置于通风处充分风干后，放入烘箱（70 ℃）至恒重，手工去掉稻壳，籽粒用玛瑙研钵研碎，过35目尼龙筛，保存于塑料自封袋中备用。土壤样品室内充分风干后，用木棍碾碎，过10目尼龙筛，再以四分法取部分样品，用玛瑙研钵研磨至全部通过100目尼龙筛，保存于塑料自封袋中备用。

稻米样品用HNO3-H2O2消解[20]，土壤样品用HCl-HNO3-HClO4-HF消解[21]。消解液中镍含量用ICP-MS（PE，NexION 300）测定。土壤有效镍用pH为7.30的DTPA-CaCl2-TEA浸提[22]，浸提液中镍含量用ICP-MS（PE，NexION 300）测定。土壤机械组成采用吸管法测定，有机质含量测定采用重铬酸钾外加热法测定，阳离子交换量测定采用中性醋酸铵淋洗法测定，土壤pH值测定采用电位法（土水比为1 ∶ 2.5）[22]。

质量控制：分析用酸均选用国药优级纯。分析前玻璃器皿等容器均在浓度为10%的硝酸溶液中浸泡12 h以上，经去离子水洗净后备用。土壤全量、稻米样消解过程及土壤有效量DTPA浸提过程中，同时进行空白试验并插入相应的国标土壤样品、植物样品及土壤有效态成分分析标准样品。土壤全镍测定时标准样品（GSS-4）镍的回收率为96%～105%，土壤有效镍测定时标准样品镍的回收率为95%～103%；稻米镍测定时标准样品（四川大米）镍的回收率为95%～102%。镍标样测定曲线如图1，曲线相关系数达到0.999 9，符合测定要求。

1.3 转移系数计算

有效量基转移系数=稻米镍含量/土壤有效镍含量。

2 结果与分析

2.1 土壤全镍和有效镍含量

土壤的理化性质（pH值、有机质、CEC、土壤机械组成等）是影响土壤镍的形态及其有效性的主要因素[23]，刘妍等[24]的研究发现，pH值、有机质、CEC等土壤基本理化性质会影响土壤对重金属离子的吸附。从表1可见，供试土壤的基本性质变异较大，有些土壤属于强酸性，有些土壤则属于中性；有些土壤有机质含量丰富、保肥能力较强，另一些土壤则有机质贫乏，保肥能力弱；有些土壤粘粒含量很低，而有些土壤则粘粒含量较高； 在所有土壤样品中，只有一个土壤样品的全镍含量超过国家土壤环境质量二级标准（40 mg/kg）[25]，可见供试土壤总体上不存在镍污染，但不同土壤镍的含量差异较大（3.52～72.38 mg/kg），这可能是由于：样品采集于不同地区，而不同地区的土地利用方式会对土壤中重金属含量产生影响[26]，同时采集的样本数和采样区布局也会对重金属镍含量的识别产生影响[27]。土壤镍含量超标样品，土壤 pH值为6.94，高于pH值的平均值5.49，镍大部分被土壤所固定，而较高的pH使镍不易溶出损失，这可能是该点镍含量偏高的原因。土壤全镍含量与表1中各土壤性质之间均无显著相关，表明这些土壤性质不是土壤中镍累积主要影响因素。重金属的全量虽然能被用于判断土壤的污染水平，但却不能很好的反映生物有效性大小[28-30]，因为植物主要吸收土壤重金属的有效态[31]。由表1可知，供试土壤有效镍（DTPA提取态镍）含量差异明显，最大值与最小值之间相差100多倍，这与供试土壤镍污染程度、土壤性质差异较大有关。土壤镍的有效度（有效镍/全镍×100%）介于0.04%～7.01%之间，平均值为1.83%（表1），可见供试土壤中镍的有效性很低。随着土壤有机质含量的升高，土壤镍有效度则呈明显升高趋势（图2），这意味着土壤有机质具有活化土壤镍的潜在能力[32]。其余土壤性质与土壤镍有效度之间均无明显相关。

2.2 稻米镍含量

我国食品卫生标准中尚无关于稻米中镍限量的规定[33]，所以我们参照文献中关于稻谷镍限量的建议值（≤0.4 mg/kg）对本研究中稻米中镍含量进行评价[34]。163个供试稻米样品的镍含量为0.04～1.82 mg/kg（表2）。参照上述建议值，总计有62个样品镍超标，超标率为38.0%。就平均值而言，16个品种中有7个品种稻米镍含量超标，占44%。

稻米镍含量与土壤有效镍含量之间的回归分析结果表明，各品种的稻米镍含量与土壤有效镍含量之间均不存在显著相关。其原因可能是：各品种的样品都采自不同地区，土壤性质、土壤镍含量状况、环境条件、施肥管理水平等都不尽相同，因而水稻对土壤镍的吸收和富集状况不同[36]；另一方面，镍由根部向籽粒的迁移过程是植物体内部的过程，生物体内的生理生化过程的影响更为重要，土壤镍的供应只是次要因素，故稻米镍含量与土壤有效镍的相关性比较差。

2.3 稻米对镍的富集能力

植物体中重金属含量一方面受土壤重金属供应能力的影响，另一方面与植物对土壤重金属的吸收及向地上部的迁移能力有关[6，11-15，37]。稻米镍转移系数是指稻米镍含量与土壤镍含量的比值，它能大致反映不同品种籽粒对土壤镍的富集状况[38]。在相同镍含量的土壤中，镍转移系数较小的籼稻品种其籽粒中镍的积累量较小，产出的稻米镍不容易超标，种植在有一定程度镍污染的土壤上就比较安全，这是控制稻米镍污染的有效手段。

植物对土壤重金属的富集能力可以用全量基转移系数（以土壤镍全量为分母）或有效量基转移系数来表示，前者受土壤重金属有效性的影响较大，后者受土壤重金属有效性的影响较小，能较好地反映植物本身对土壤重金属的富集能力[39]，因此本研究采用有效量基转移系数来比较不同籼稻品种对土壤镍的富集能力。将各品种籼稻稻米的镍有效量基转移系数和土壤有效镍含量进行回归分析，结果表明大部分品种镍转移系数均随土壤有效镍的升高呈幂函数形式降低，二者之间呈显著负相关（表3），这与文献中的报道一致[37]。如果各品种采集地土壤镍的含量和供应状况不同，就不应该简单地采用平均转移系数的方法来比较不同品种之间的富集能力。有鉴于此，本文采用回归方程法来计算不同品种对土壤镍的代表性转移系数[39]。

2.4 不同籼稻品种对镍富集能力的估算

已有研究指出选择在相同的土壤有效镍含量点上，根据回归方程来估算土壤-稻米之间镍的转移系数，可以较好地回避土壤镍供应能力差异的问题[37]。不同籼稻品种对镍富集能力的计算方法为，通过对土壤有效镍与转移系数的相关分析，得到回归方程，代入选定的有效镍含量点，得到相应的转移系数值，该数值即为该品种对镍的代表性转移系数，代表了该品种对土壤镍的富集能力。由于每个品种都在同样的土壤有效镍含量点求取转移系数，因此各品种的代表性转移系数之间可以相互比较。根据各品种水稻土壤有效镍的含量范围，分别选择了2个有效镍含量点（0.1和1.0 mg/kg）进行估算，即TF0.1与TF1.0。从表4可知，TF0.1介于1.80～9.08，最高值（岳优9113）和最低值（内2优6号）之间相差约5倍（表4）。TF1.0的最高值为1.37（纳科1号），最低值为0.04（内2优6号），二者相差约34倍（表4）。TF0.1和TF1.0之间不存在显著的相关性，表明在不同土壤有效镍浓度点上计算的转移系数差异较大。供试土壤有效镍的平均值为0.28 mg/kg（表1），相当部分土壤的有效镍低于0.1 mg/kg。因此采用TF0.1比TF1.0更符合供试土壤的实际情况。不同品种TF0.1由大到小依次为岳优9113>佳优948>深两优5814>培杂泰丰>天优998>宜香2292>宜优115>纳科1号>泉珍10号>Ⅱ优673>丰Ⅱ优1号>扬两优6号>宜优99>Ⅱ优3301>特优627>内2优6号；根据TF0.1，可以将供试品种分为3类：低富集品种：TF0.1小于3，包括内2优6号、特优627、Ⅱ优3301、宜优99；中富集品种：TF0.1介于3和5之间，包括扬两优6号、丰Ⅱ优1号、Ⅱ优673、泉珍10号、纳科1号、宜优115、宜香2292、天优998、培杂泰丰、深两优5814；高富集品种：TF0.1大于5，包括佳优948与岳优9113。

3 讨论与结论

供试土壤全镍含量介于3.52～72.38 mg/kg，平均值为17.86 mg/kg，仅一个样品全镍含量超过国家土壤环境质量二级标准。土壤有效镍含量介于0.01～1.32 mg/kg， 平均值为0.30 mg/kg；供试稻米样品（糙米）镍含量为0.04～1.82 mg/kg，其中有62个样品镍含量超过0.4 mg/kg。就品种平均值而言，16个品种中有7个品种稻米平均含量超过了0.4 mg/kg，占44%。其可能原因有二：一方面，随着水稻品种的改进，水稻生物量普遍增大，对土壤中各类物质包括重金属的吸收也增多；另一方面，本研究供试稻米样为糙米样，糠层的镍含量可能导致稻米样品镍含量偏高，有研究表明稻米籽粒中重金属主要分布在颖壳、糠层、精米3部位，含量情况为：糠层>颖壳>精米[35]，这有可能导致稻米样品中镍含量较高。

作物不同基因型对土壤污染物的吸收富集普遍存在差异，这已经有过不少报道。如谭周镃通过对8个早稻品种和10个晚稻品种累积重金属的试验，发现不同品种对重金属的吸收存在显著性差异[40]。蒋彬等[41]的研究也发现：水稻籽实吸收重金属也存在基因型差异。本研究中籼稻对土壤镍富集能力的差别主要是品种之间的差别，与常规稻或杂交稻、两系杂交或三系杂交无必然联系。相关分析表明：各品种稻米镍含量与土壤有效镍含量之间不存在显著相，而陈同斌等[17]分析了北京市97种蔬菜与土壤镍含量之间的相关，发现二者总体上呈显著正相关。本研究中稻米镍与土壤有效态镍之间的关系与上述研究中蔬菜镍含量与土壤镍含量之间的关系显然不同，这可能反映出重金属在水稻体内迁移的复杂性。

不同籼稻品种根据TF0.1的差别，可分为籼稻低富集品种：内2优6号，特优627，Ⅱ优3301，宜优99；高富集品种：佳优948与岳优9113。低富集品种可以种植在有一定程度镍污染的土壤上，而高富集品种不宜在镍污染土壤上种植。在供试品种中，佳优948和泉珍10号属于常规品种，其余均属于杂交品种，常规稻和杂交稻在镍富集能力上没有表现出明显的差别。在杂交品种中，丰两优1号、培杂泰丰、深两优5814和扬两优6号属于两系杂交稻，其余的属于三系杂交稻，两类杂交稻在镍富集能力上也没有表现出明显的区别。由此看来，籼稻对土壤镍富集能力的差别主要是品种之间的差别，与常规稻或杂交稻、两系杂交或三系杂交无必然联系。而李波等[42]通过对5种重金属污染指数的综合分析发现：土壤重金属综合污染指数表现为：常规稻>两系杂交稻>三系杂交稻，这与本研究的结果有所不同。

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