鐘祥市東部地區水稻中鍶及其累積效應研究

羅軍強， 王世俊， 白 洋， 鄭雄偉， 張元培， 吳 穎， 鄭國權， 胡 青

(1.湖北省地質局 地球物理勘探大隊，湖北 武漢 430056； 2.鐘祥市自然資源和規劃局，湖北 鐘祥 419000)

鍶是人體必需的微量元素，具有防止動脈硬化、血栓形成的功能，并有強化骨骼、提高智力、延緩衰老和養顏的輔助功效[1]。水稻作為人們日常生活的主食,是人體內所需微量、痕量元素的重要來源。鐘祥市是世界著名的“長壽之鄉”，水稻是研究區主要的糧食作物，其種植面積占該區耕地的60%以上，但有關鐘祥地區水稻中鍶的累積效應研究程度較低，因此，研究水稻籽實中鍶含量與產地環境之間的關系很有必要。國家對礦泉水鍶含量有嚴格規定，其標準為0.2～4.0 mg/L，可以作為參照[2]；醫學上推薦的標準為人體每日需攝入鍶1.9 mg左右，通過水稻種植實現土壤中鍶的遷移轉化，增加稻米的鍶含量，是改善人體攝入鍶水平和增強人體健康的有效途徑。本文就土壤—稻米系統中鍶含量遷移轉化、累積效應以及優勢水稻產地環境進行了綜述與探討。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于湖北省鐘祥市東部山丘平原地帶，面積242 km2。區內地形自東向西、自北向南逐漸降低。屬北亞熱帶季風氣候，具有四季分明、光能充裕、熱量豐富、雨量適中、雨熱同季的特點。氣溫平均16 ℃，年平均降水量900～1 100 mm。

評價區內土壤環境較好，是鐘祥市耕地土壤普遍偏酸的地區。成土母質東部為第四紀粘土沉積物，南部為近代河流沖積物。土壤類型主要以淺黃棕壤性第四系粘土泥田為主，其次為第四系粘土黃棕壤。區內出露地層主要為白堊系、志留系，小面積分布有二疊系、三疊系及泥盆系地層。

1.2 樣品采集

2018年9月，在鐘祥市東部九里回族鄉和長灘鎮水稻種植區，系統采集了水稻籽粒以及對應根系土樣品各36件。水稻品種均為秈稻，主要包括隆兩優12份、C兩優11份、晶兩優7份(點位分布如圖1)。為揭示水稻、土壤中鍶元素含量之間的關系，確保土壤樣品與水稻樣品的代表性，在每個采樣點周圍按照梅花點法5點采樣，用竹鏟采集稻田0～20 cm深度內的耕作層根系土壤，混合均勻后采用四分法留取1 kg混合土樣；并根據地塊植株密度、高矮、谷穗大小以及成熟度等因素，每個采樣點按取1 m×1 m的面積采集，在每個土樣采集分點同步采取水稻籽實200 g，組合成一個混合樣。土壤樣品在室內自然風干后去除植物根系、礫石等雜質，混勻鋪平，用四分法縮分，用尼龍篩截取20目粒級，稱取250 g樣品送交實驗室分析測試。

1.3 樣品分析測試

樣品分析由湖北省地質實驗測試中心完成，分析質量監控措施遵循中國地質調查局生態地球化學評價樣品分析技術要求[3]，重復樣品測試結果滿足規范《多目標區域地球化學調查規范》(DZ/T 0258—2014)要求。

圖1 研究區水稻樣本分布示意圖Fig.1 Distribution of rice samples in the study area1.C兩優；2.隆兩優；3.晶兩優；4.微兩優；5.E兩優；6.荃兩優；7.佳兩優；8.T兩優。

土壤樣品經混勻后粉碎至200目粒度，分別使用電感耦合等離子體原子發射光譜法分析Mn、Sr、Ca、Mg、Ni等元素；電感耦合等離子體質譜法分析Co、Cu、Zn、Cd、Pb、Mo元素、X射線熒光光譜法分析Cr、Fe、K、P元素，原子熒光光譜法分析As、Hg、Se，高頻燃燒紅外吸收法測定S，離子選擇性電極法測定pH。

水稻樣品用樣品經微波消解，用等離子質譜法(ICP-MS)測定Co、Cr、Fe、Pb、Cu、Ni、Cd、Mo的含量；用等離子光譜法(ICP-OES)測定Sr、K、Ca、Mg、Zn、S的含量；用原子熒光法測定As、Hg、Se的含量。

2 分析與研究

2.1 稻米中礦質元素測定結果

稻米中各元素含量結果見表1。統計結果表明，與日本大米對比[4]，研究區稻米中Sr、Fe、Mg、Mn、K、P等元素明顯富集；對比中國其他稻米產地，研究區P、Mn、Sr、Ca等元素明顯高于東北地區，P、Fe、Mg、Ca元素顯著高于山東地區，說明研究區水稻產地環境對礦質元素的累積效應較強。

表1 研究區與其它產地稻米中礦質元素平均含量值Table 1 Average content of mineral elements in rice in the study area and other areas

注：單位為mg/kg；表中“—”表示未檢出。

2.2 不同品種稻米中的鍶含量分布

不同品種類型水稻鍶含量之間存在變幅大、不均衡現象，研究區鍶濃度最小的為荃兩優，為0.36 mg/kg，最高的為E兩優，含量為1.893 mg/kg，極差值相差6倍，但各品種之間變異程度相差不大。通過計算稻米與根系土鍶含量比值，其富集系數在0.4%～1.8%，總體偏低。研究區各水稻品種鍶含量特征見表2。

分析顯示，研究區稻米的鍶含量均高于全國其它產地平均值，說明在調查區所采集的水稻品種中，通過相關性分析，遴選出富鍶水稻產地環境，對于改善人們的鍶營養需求是可行的。

表2 研究區不同水稻品種鍶含量對比(mg/kg)Table 2 Comparison of strontium content of different ricevarieties in the study area

2.3 水稻鍶含量與其他微量元素含量的關系

檢驗表明，稻米中一些礦質元素含量之間存在一定程度上的線性關系(表3)，相關系數大多數在0.8以下，僅有Ca含量與Sr含量相關系數達0.851。另外，稻米Sr含量還與Pb、S具有較好的相關性，與Cd、Zn、Mn、P、Fe、K、Mg之間呈弱的正相關，與Cu、Ni、As等元素不相關。

表3 研究區稻米鍶與稻米其它元素相關系數Table 3 Correlation coefficient between strontiumand other elements in rice

水稻籽粒中Sr的聚集主要歸因于稻田土中礦質元素的聚集和遷移，通過對富集系數的統計分析顯示：研究區水稻中元素遷移能力大小依次為 P、S、Mo、Zn、K、Se、Mg、Mn、Ca、Sr、Co、Fe，進一步對Sr元素在土壤—水稻系統中的遷移規律進行分析，結果表明，稻米中Sr含量與水稻土壤中微量元素存在不同程度的相關關系。

從稻米Sr與土壤元素散點圖可見，根系土中全量Sr在70 mg/kg以上時，稻米Sr含量在0.6 mg/kg樣本數量最多；土壤pH介于6.5～7.5，稻米Sr含量明顯富集。土壤Mg、Fe、Mn、P等元素與稻米Sr之間具有一定的相關性，但它們的增長對稻米Sr含量增加不能起到決定性的作用，其影響的尺度有限，推斷這些元素含量達到一定界限時，水稻籽實對Sr的吸收產生了拮抗作用(圖2)，逐步形成了衰減的趨勢。

圖2 研究區稻米鍶與根系土相關系數圖Fig.2 Correlation coefficient diagram of rice strontium and root soil in the study area

總的來說，不同水稻產地鍶的轉運遷移能力不同，說明水稻產地環境與地球化學背景對稻米礦質元素富集的差異影響較大，這為選育富鍶水稻品種和研究優勢種植產地環境提供了理論支持。

2.4 富鍶稻米產出環境分析

水稻是鐘祥市種植面積最大的農作物，因此，提高稻米中鍶含量是有效保證人體正常攝取的一種簡便有效的方式。從目前收集的資料來看，國內稻米最高含量僅0.6 mg/kg左右[6]，一般稻米含量只有0.2 mg/kg。有關稻米中鍶含量的研究還相對較少，通過對研究區水稻品種及其稻米Sr含量進行分析可知，研究區稻米Sr含量普遍高于全國其他地區，稻米中重金屬含量均低于安全限值，具有發展富鍶大米的優勢條件。

據相關分析結果，研究區>0.6 mg/kg的水稻品種有4種，土壤中鍶的共生組合因子變量點圖顯示：可供富鍶稻米產出的土壤環境與元素Sr、P、Ca、Fe、S、Mg、pH等元素因子得分相近，具有明顯的相關性(圖3)。

圖3 研究區土壤元素因子變量點圖Fig.3 Variable point map of soil element factors in study area

在此基礎上，建立研究區富鍶水稻種植區模型，即土壤Sr(>70 mg/kg)、P(500～900 mg/kg)、Ca(>0.5%)、Fe(4.5%～5.5%)、Mn(400～1 000 mg/kg)、Mg(0.5%～1.1%)、pH(6.5～7.5)，得到富鍶水稻優勢種植選區，符合上述富鍶水稻種植產地環境的地區有：九里鄉黃庵村、李家臺村、楊橋村、官庭畈村，長灘鎮大興村、季河村、先鋒村、付巷村、廖臺村等地，建議首選E兩優、微兩優、晶兩優和隆兩優等富鍶水稻品種，獲得高產優良的富鍶水稻種植帶。

3 結論

(1) 研究區稻米中Sr、Fe、Mg、Mn、K、P等元素含量均高于全國其他產地，具有明顯的累積效應。

(2) 研究結果表明，不同產地環境對水稻Sr的富集具有較大的影響，其中，土壤Sr、P、Ca、Fe、Mn、Mg、pH等元素或指標與稻米Sr元素相關性顯著。

(3) 據鐘祥市九里—長灘地區富鍶稻米產出環境分析，黃庵村、大興村等9個行政村具有富鍶水稻產出的優勢條件，結合優選的富鍶水稻品種，可實現資源優勢向經濟優勢的轉化。