Spatial distribution and controlling factors of heavy metals contents in paddy soil and crop grains of rice–wheat cropping system along highway in East China

There is consensus concerning the heavy metal pollution from traffic emission on roadside agricultural land. However, few efforts have been paid on examining the contamination characteristics of heavy metals in roadside paddy-upland rotation field, and especially in combination with detailed quantitative analysis. In this study, we investigated the concentrations of heavy metals (Pb, Cd, Cr and Zn) in soil and crop grains of the rice-wheat cropping system along a major highway in East China in 2008 and analyzed the spatial distribution characteristics of heavy metals and their influencing factors with GIS and Classification and Regression Trees (CART). Significantly elevated levels of heavy metals in soil, rice and wheat grains indicated the heavy metals contamination of traffic emission in roadside rice-wheat rotation field. The contamination levels of Cd, Cr and Zn in wheat grain were higher than rice grain, while that of Pb showed an opposite trend. Obvious dissimilarities in the spatial distributions of heavy metals contents were found between in the soil, rice and wheat grains, indicating that the heavy metals contents in the roadside crop grains were not only determined by the concentrations of heavy metals in the paddy soil. Results of CART analysis showed that the spatial variation of the heavy metals contents in crop grains was mainly affected by the soil organic matter or soil pH, followed by the distance from highway and wind direction. Our findings have important implications for the environmental assessment and crop planning for food security along the highway.     

Accumulation of heavy metals in soil and paddy crop (Oryza sativa), irrigated with water of Ramgarh Lake,Gorakhpur, UP,India

Heavy metals, a highly polluting group of constituents known to exert adverse effects, tend to accumulate in living organisms. The objective of this study was to determine the accumulation and translocation of heavy metals in soil and in paddy crop irrigated with lake water compared to soil and paddy crop irrigated with bore-well water. The quantities of heavy metals (Cd, Cr, Cu, Pb, Zn, As, Mn, and Hg) were determined in different parts of rice plants (Oryza sativa). Results revealed that the mean levels of soil Cd, Cr, Pb, Zn, As, Mn, and Hg in experimental soil and in different parts of rice plant (root, straw, and grain) were higher than the control except for Cu. The content of eight toxic metals was significantly higher in root than in aerial parts of the rice (straw and grains). Rice roots were enriched in Cd, As, Hg, and Pb from the soil, while Cr, Cu, Zn, and Mn were hardly taken by the roots. Bioaccumulation factor for Hg was significantly higher than other heavy metals. Metal transfer factors from soil to rice plants were significant for Cd, Cr, Cu, Pb, Zn, As, Mn, and Hg. The concentrations of metals in lake water were found to be within the permissible limit of Indian standard prescribed by Central Pollution Control Board (2000), except for Hg and As, which were higher than the limit of Indian standard. However, the concentrations of heavy metals in soil and rice grains were still below the maximal levels, as stipulated by Indian Prevention of Food Adulteration Act (PFA, 1954) and World Health Organization (WHO, 1993) guidelines.     

复合污染下Cu、Cr、Ni和Cd在水稻植株中的富集特征

掌握水稻对污染土壤中重金属的吸收和富集特征,为科学认识水稻中重金属的残留问题、健康风险提供理论依据。采用田间试验,研究了4个不同处理量Cu、Cr、Ni、Cd复合污染下水稻的富集特征及其随生育期的变化规律。结果表明,重金属在水稻植株各部位中吸收富集系数的大小依次为：Cd〉Cu〉Ni〉Cr,根部重金属吸收富集系数是地上各部位的吸收富集系数的2~100倍。各重金属在水稻植株不同部位的积累分布明显不同,成熟期水稻植株中Cu在水稻不同部位的质量分数为根〉茎≥叶〉米粒〉谷壳,Ni的分布规律为根〉叶〉茎〉米粒〉谷壳,Cr的分布规律为根〉叶〉谷壳≥茎〉米粒,Cd的分布规律为根〉茎〉叶〉米粒〉谷壳;且随着重金属处理量的增加,水稻植株不同部位的重金属质量分数也呈上升趋势。成熟期米粒中Cu、Ni、Cr和Cd的质量分数范围分别为：4.50~6.19、1.86~4.63、0.72~0.76和0.08~0.39 mg·kg-1,与无公害食品标准（GB15199-94、GBT2762-2005）相比,米粒中Cu和Cr的质量分数均未超标,而Ni和Cd（Cd高剂量处理时）的质量分数均超标,存在食用安全风险。重金属在水稻植株不同部位的质量分数随生育期均呈现先升后降的趋势,灌浆中期达到最大,而到成熟期又明显降低。不同重金属在水稻植株中的富集能力和分布规律均呈现明显差异,不同生育期水稻植株中重金属的质量分数明显不同但其质量分数变化呈明显规律性。     

叶面施硅对水稻籽实重金属积累的抑制效应

采用盆栽方法,以硅酸钠和正硅酸乙酯为硅源分别配制纳米硅制剂,以水稻(Oryza sativa L.)品种"优优128"为供试植物,在Cd(5mg·kg-1、10mg·kg-1、50mg·kg-1三个水平)、Pb(200mg·kg-1)、Cu(250mg·kg-1)、Zn(300mg·kg-1)复合污染土壤进行种植,在水稻生长期内(苗期、分蘖期、抽穗期)进行叶面喷施纳米硅,研究纳米硅对水稻籽实生长状况及吸收重金属元素的影响,并对两种不同硅源的纳米硅的使用效果进行了比较。结果表明,随Cd污染质量分数增加,水稻百粒质量及单株穗质量均显著降低(P<0.01);Cd、Pb、Zn在籽实中质量分数均增高,而Cu在籽实中质量分数降低。金属元素在籽实中的吸收系数顺序为Cd>Zn>Cu>Pb,表明Cd极易向籽实中迁移。随土壤Cd质量分数增加,水稻籽实中各金属元素的积累量都有所降低。重金属复合污染条件下,叶面施用两种硅制剂均可以缓解水稻的毒害效应,且和施无机硅相比,施有机硅对水稻重金属毒害的缓解效果更显著。表现为叶面施用硅后,水稻百粒质量及单株穗质量均显著提高(P<0.05);且籽实中Cd、Pb、Cu、Zn的吸收量在喷施硅制剂后均显著降低(P<0.05);籽实中重金属元素的吸收系数和积累量均表现出降低的趋势。尤其是随着Cd处理质量分数的增高,施硅对重金属在籽实中积累的抑制效应越显著。这表明叶面施硅在重金属污染的水稻田污染防治中具有应用价值。文章所用的纳米硅制剂,制备简单,对于大面积推广硅肥极为有利。     

Cd-Pb复合污染在土壤-水稻系统中生态效应的研究

采用盆栽试验研究了重金属复合污染物在土壤 -水稻系统中迁移、积累规律及生态效应。结果表明 :Cd、Pb复合污染使水稻株高比对照的下降了 5～ 7cm ,水稻减产 2 0 % ,2元素交互作用特别是 5元素复合作用影响了水稻的正常生长发育 ;不同处理中重金属在水稻籽实的分配比例依次为 5元素 >2元素 >单元素 ;Cd -Pb 2元素交互作用时 ,Pb元素的存在促进了水稻对Cd元素的吸收 ,而Cd元素却抑制了水稻对Pb元素的吸收 ;Cd比Pb元素易向地上部迁移 ,Pb元素大部分积累于水稻根部     

重金属在土壤-水稻体系中的分布、变化及迁移规律分析

以佛山市南海区小塘镇和高明区杨梅镇的标准农田为研究对象,分析重金属在土壤和水稻植株不同部位的分布及其随时间变化、迁移规律。结果表明:重金属被水稻吸收以后,多数仍滞留在土壤里,只有少量向地上部分迁移。重金属在水稻植株不同部位的质量分数分布由大到小的次序为:根→茎→籽→叶。水稻地上部分中4种重金属元素分布由大到小的次序是:Zn→Cu→Pb→Cd。水稻分蘖期重金属在根、茎和叶的积累量达到最大,随着时间的延续,在根部积累的重金属就越来越少,茎和叶积累的重金属在拔节期降至最小,随后又慢慢上升。4种重金属在水稻植株中的迁移能力由大到小依次为:Cd→Zn→Cu→Pb,但也有个别情况是Cu的迁移能力大于Zn。     

水稻重金属污染研究进展

从水稻植株和籽实对重金属的吸收富集规律、重金属的分析方法、重金属的赋存形态、受重金属污染后水稻的生理生化效应等四个方面，介绍了水稻中重金属污染的研究进展，并对今后控制水稻受重金属污染的方向提了一些建议。     

基于GGE双标图和BLUP分析筛选镉砷同步低累积水稻品种

种植重金属低累积水稻品种是中国耕地重金属污染稻田安全生产的有效措施,为筛选镉砷同步低累积水稻品种,该研究通过测定盆栽、早稻季、晚稻季3个试验环境中18个水稻品种稻米镉砷含量,利用基因型主效加基因型——环境互作效应(GGE)双标图分析品种稻米镉砷低累积能力、稳定性、环境适应性,进一步通过最佳线性无偏预测(BLUP)法验证...     

矿冶区周边水稻对不同来源重金属污染的指示作用

有色金属开采与冶炼可对周边环境造成严重的重金属污染,查明重金属污染来源对于矿冶周边重金属污染管理与控制具有重要意义.为探索利用矿冶周边水稻对As、Cd、Pb、Zn和Cu的富集与水稻体内元素的含量平衡特征指示重金属污染来源的可行性,选择了我国著名的水口山Pb-Zn矿山开采与冶炼周边区,根据重金属污染排放和迁移扩散特征,结合当地气象和地貌条件,确定了3个典型采样区,其中两个采样区分别邻近冶炼厂和尾砂库,另一处为位于两者之间的过渡区.采用蛇形采样法在稻田内采集33个成熟水稻及土壤样品,分析水稻不同部位(包括根、茎叶、籽粒)及土壤中As、Cd、Pb、Zn、Cu5种重金属和其他16种元素的含量.结果表明,3个采样区之间土壤中的As、Cd、Pb、Zn和Cu含量均存在显著性差异;各采样区水稻中除根际和籽粒中Cd含量外,各部位重金属含量也均有显著差异.靠近冶炼厂的水稻茎叶中As、Pb含量高于离冶炼厂较远的采样区水稻茎叶.尽管As、Pb在靠近尾砂库采样区土壤中含量最高,但在该区水稻茎叶中的含量却最低;在除As、Cd、Pb、Zn、Cu5种重金属以外的其他16种元素中,水稻根部仅有5种元素含量在各采样区之间存在差异,指示相同的土地利用类型及土壤母质条件;而在茎叶和籽粒中则分别有多达11和10种元素含量出现采样区差异,指示重金属污染来源影响水稻茎叶及籽粒中元素的含量平衡.多元统计分析结果显示,3个采样区水稻茎叶中元素含量平衡存在显著的分异,显示出明显的采样区属性.结合采样区域空间位置、污染物来源、水稻对重金属的富集与转运特征分析,3个采样区重金属主要污染特征可分别确定为水-气混合来源型、大气来源型和尾砂来源型.论文结果证明利用水稻茎叶指示矿冶周边重金属污染来源是可行的.     

水分管理对重金属在水稻根区及在水稻中积累的影响

选取了酸性矿山废水污灌区重金属污染水稻土,通过盆栽试验,研究了不同水分管理条件（60%最大田间持水量,80%最大田间持水量,最大田间持水量,前期淹水＋抽穗扬花期烤田,全生育期淹水）下水稻根际土壤及其不同器官（稻根、茎叶和籽粒）中As、Cd、Cu和Zn的含量变化。结果表明：土壤水分含量对水稻根际土壤中As、Cu和Zn的含量影响不大。但显著影响水稻不同器官对这3种元素的吸收积累。随着土壤水分含量的增加,水稻根、茎叶和籽粒中As的含量都显著增加;Cu的含量则逐渐减少;水稻茎叶中Zn含量也逐渐减少,但水稻根和籽粒中Zn含量则变化不明显。抽穗扬花期拷田能显著降低As在水稻中的积累,显著增加水稻茎叶中Zn的积累;但不影响水稻各器官中Cu,以及水稻根和籽粒中Zn的含量。此外,虽然这3种重金属在土壤中含量均超标,但在水稻籽粒中含量只有Zn全部超标,而Cu则都不超标,因此,农作物的超标情况并不直接与土壤的重金属超标相联系。     

Cd和Cu在草甸棕壤-植物系统中行为特性的研究

在沈阳生态站开展了重金属迁移积累行为特性的试验研究，探讨了不同重金属元素在土壤及作物体内迁移积累变化规律。外源重金属元素Cd、Cu施入土壤后，无论是低剂量还足高剂量处理，水田土壤Cd元素已迁移到45cm的深度，而Cu元素迁移到30cm的深度。早田土壤低剂量和高剂量处理Cd迁移到30cm，而Cu元素只有高剂量处理迁移到30cm的深度。土壤Cd、Cu元素向下层迁移的量微乎其微，重金属元素大多滞留在土壤表层。水稻、玉米吸收的Cd大部分积累在作物体的根和茎叶中，而Cu大部分积累在作物体的根系中，Cd、Cu籽实吸收量占植物体总吸收量的1．16％～3％。水稻、玉米地上部吸收Cd的量〉地卜部吸收Cu的量，在作物体中Cd的迁移能力强于Cu的迁移能力。     

蚯蚓-稻壳炭联合堆肥对工业污泥中重金属的影响研究

蚯蚓堆肥相关研究多集中在生活污泥方面,对工业污泥的探索较少。该研究以马鞍山某钢铁污水处理站污泥为例,添加不同比例稻壳炭(2%、4%、8%),设置污泥单独堆肥、稻壳炭与污泥堆肥以及蚯蚓-稻壳炭联合污泥堆肥试验,探索蚯蚓与稻壳炭联合堆肥对工业污泥中重金属形态和生物有效性的影响。研究表明,(1)相比污泥单独堆肥,稻壳炭联合污泥堆肥能增加污泥pH、EC、TP和降低TOC、TN,而蚯蚓联合稻壳炭堆肥污泥可增加TN,并进一步增加污泥EC、TP,显著降低污泥的pH、TOC。(2)稻壳炭堆肥中重金属Zn、Cu、Pb、Cd含量因浓缩效应而上升;而蚯蚓联合稻壳炭堆肥,重金属含量显著下降,添加4%稻壳炭时,重金属Zn、Cu、Pb、Cd质量分数达到最小值,分别为856.64、137.10、158.92、15.48mg·kg-1。(3)重金属形态分析表明,随着稻壳炭比例增加,稻壳炭堆肥中重金属Zn、Cu、Pb、Cd的交换态和碳酸盐结合态转化为残渣态及铁锰氧化态的比例增大,添加8%稻壳炭时DTPA提取的有效态重金属质量分数最低,分别为705.72、47.95、50.43、4.47 mg·kg-1;蚯蚓-稻壳炭联合堆肥会使得污泥中重金属交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态和有机结合态均向残渣态转化,添加4%稻壳炭与蚯蚓的协同转化能力最大,Zn、Cu、Pb、Cd有效态重金属质量分数分别为629.84、38.63、36.76、1.63mg·kg-1,说明稻壳炭添加入蚯蚓堆肥可进一步降低工业污泥中重金属有效性,使重金属钝化。本研究可为稻壳炭联合蚯蚓堆肥处理工业污泥提供参考和科学依据。     

重金属Cu,Pb,Zn,Cr,Cd在水稻植株中的富集和分布

研究了外源可溶性重金属进入水稻土环境后，在水稻植株中的迁移、在水稻植株不同部位的分布及其分布随时间的变化。在水稻生长季节，重金属在水稻植株中迁移能力的大小依次为：Cd,Cr＞Zn,Cu＞Pb。重金属在水稻植株不同部位的积累分布是：根部＞根基茎＞主茎＞穗＞籽实＞叶部。水稻分蘖期重金属在根部、茎干部和叶片的积累量达到最大，随着时间的延长，在根部积累的重金属愈来愈少；在茎干部积累的重金属在拔节期降至最小，随后含量又稍微上升；叶片上的重金属含量在拔节期迅速下降，随后趋于稳定。     

三峡库区主要粮食作物和土壤中重金属的相关性及富积特征分析

采用野外采样和室内分析,试验结果表明三峡库区土壤中重金属Cu、Zn、Pb、Cd、Fe、Cr的变异系数小于50%,重金属的含量比较稳定。稻谷（Oryza sativa）中Cu、Zn、Pb、Cd、Fe、Mn、Cr,玉米（Zea mays）中Pb、Cd、Fe、Mn、Cr和小麦（Triticum aestivum）中Cu、Pb、Cd、Fe、Mn、Cr的变异系数大于50%。土壤、稻谷、玉米、小麦中大部分重金属呈偏态分布。土壤中重金属间均为正相关,且极显著正相关性明显。稻谷、玉米、小麦中重金属间有正相关,也有负相关,但正相关明显多于负相关;稻谷、玉米、小麦中Mn同其它重金属间均有显著正相关性,协同作用明显。稻谷、玉米、小麦中Pb、Cd、Cr的样本超标率较大,污染明显,并且稻谷中Cd与土壤中Cd有直线关系。     

Partitioning of cadmium,copper, lead and zinc amongst above-ground parts of seed and grain crops grown in selected locations in the USA

The distribution of Cd, Cu, Pb and Zn in above-ground parts of corn, small grains and pulse crops was investigated. Sampled parts included grain or seed, leaves, stems, silk and husks of corn-ears, rachilla and chaff of small grains and pods of bean plants. The distribution of these elements was variable and reflected, primarily, their relative mobility between plant parts including transfer into the grain. Generally, Zn and Cu were preferentially transferred into the seed or grain, while Cd and Pb were selectively excluded from these organs. For example, the distribution pattern in ears of corn was: for Cd, husks > silk > grain; for Zn, silk > grain > husks. The selective transfer of Zn and Cu into seed or grain, in contrast to the restricted movement of Cd and Pb into these organs, may be the result of selective absorption of Zn and Cu over Cd and Pb by vascular transfer cells within the plant's reproductive tissues. The effect of soil type on Cd, Cu, Pb and Zn levels in cereal grain or pulse seed was small compared to the differences found in the concentrations of these elements between different plant organs. Thus, grain and seed crops serve as natural barriers to the movement of the potentially toxic heavy metals, Cd and Pb, into the animal/human food chain, minimising their transfer from soils while conserving Zn and Cu levels in edible portions of these crops.Soil Scientist, USDA, Soil Conservation Service, Retired.     

植物耐受和解除重金属毒性研究进展

总结了植物细胞及分子水平对重金属耐性和解除其毒性的途径.植物通过避免增加细胞内敏感位点毒物浓度来解除重金属毒性.其途径主要有:一方面通过菌根化、细胞壁吸收及根系分泌物的螯合作用减少根系吸收重金属进入细胞质;另一方面通过体内调节机制解除重金属毒性和提高耐性,主要通过一系列膜蛋白对进入细胞质内的重金属排出细胞质外、隔离于液泡中,或将重金属转变为无毒性形态挥发入大气,或通过细胞质内的植物螯合素、金属硫蛋白、有机酸、氨基酸、多胺等对重金属螯合,解除重金属毒性;同时植物还可以在重金属胁迫下产生热休克蛋白修复胁迫伤害的蛋白质.本文提供了涉及植物重金属解毒和耐性广泛的观点和证据.     

五种重金属在小麦植株不同器官中的分布特征

为研究Cd、Pb、As、Cu、Zn等5种重金属在小麦植株不同器官的分布特征，以郑州9023为供试品种，采用田间试验方法，应用原子吸收分光光度法和电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICPS)分别测定了小麦植株不同器官的重金属质量分数并进行了分析。结果表明，小麦植株中较易富集Cd的器官是根、叶及废弃物，较易富集Pd、As的器官是根、茎及废弃物，较易富集Zn、Cu的器官是根、茎和籽粒；在这5种重金属中，Zn在小麦茎和籽粒中的富集系数最高，Cd在地上部分其他器官的富集系数最高，而Pb在这些器官中富集系数均为最低，Cu和As则居中。     

燃煤电厂排放颗粒物中重金属形态的研究

本文分析用模拟酸雨浸提和Ｔｅｓｓｉｅｒ形态分离法，对燃煤电厂排放颗粒物中重金属形态进行了研究。结果表明，痕量金属绝大部分以稳定态存在，微米级飞灰中有较大活性的形态高于灰渣，煤燃烧高温条件使颗粒物中活性较大的形态含量减小。     

利用非活体生物质去除废水中重金属的研究

为了解非活体牛物质去除废水中重金属的效果，选择了玉米芯、水稻谷壳、花生壳、松树树皮和茶叶等5种非活体生物质，州室内模拟方法比较研究了它们对重金属的吸附能力。结果表明，生物质对重金属的吸附是一个快速反应，可在20-30min内达到平衡。pH值对牛物质吸附阳离子型重金属有很大的影响，吸附量随pH值上升而增加，pH值在4．5以上时可达到较高水平。5种生物质对重金属都有较高吸附能力，它们吸附重金属的能力依次为：花生壳〉松树树皮〉玉米芯〉水稻谷壳〉茶叶。生物质去除废水中重金属的效果一般为：Cu、Pb〉Cd〉Zn。用碱、柠檬酸和磷酸对生物质进行改性处理可显著增强其对重金属的去除能力。生物质是一种廉价、有效的吸附剂，可替代商品吸附剂用于废水中重金属的去除，主要重金属的移除率在85％以上。     

羟基磷灰石对沉积物中重金属释放特性的影响

以羟基磷灰石掺杂前后模拟重金属污染沉积物为研究对象,利用混匀释放实验及化学连续萃取法分析沉积物中重金属的释放特征及形态分布特性,考察了羟基磷灰石对重会属污染沉积物中Cu、zn、Pb、Cd稳定性的影响.结果表明不同来源模拟污染沉积物中松花江沉积物中的重金属最易重新释放,而伊通河沉积物中的重金属释放量最小;同时伊通河沉积物中残渣态重金属的比例较其它沉积物高很多,而可交换态和碳酸盐结合态的重金属比例较其它沉积物低很多,说明同时进入沉积物中的重金属,伊通河沉积物中的重金属相对稳定一些.羟基磷灰石的掺杂不同程度降低了沉积物中重金属的释放能力,促使沉积物中的重金属由较不稳定结合态向较稳定结合态转化,减小了沉积物中重金属的生物可利用性,增强了重金属的稳定性.