2016, Vol. 36
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2. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085;
3. 西交利物浦大学, 苏州 215123
2. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085;
3. Xi'an Jiaotong-Liverpool University, Suzhou 215123
稀土元素(Rare Earth Elements，REEs)位于元素周期表中的第6 周期第Ⅲ 副族，包括原子系数从57到71的镧系元素及化学性质极为相似的钇、钪等共17种元素(Kabata et al., 2001).根据相对原子质量的大小及化学性质上的微小差异，稀土元素又可分为两组：轻稀土元素(Light Rare Earth Elements，LREEs)(从镧到钐)和重稀土元素(Heavy Rare Earth Elements，HREEs)(从铕到镥).由于具有极其相似的物理化学性质，在自然环境中稀土元素通常是伴随存在的，它们的环境迁移行为也具有很大的相似性(Hu et al., 2006;Tyler et al., 2004).然而，由于稀土元素在环境中既不是生物生长的必需元素，也不会对生物产生强烈的致病毒性(Hu et al., 2006)，因此，对于稀土元素在环境中迁移特征的研究并不像其他重金属元素那样广泛深入.
近年来，由于稀土矿的开采、农用稀土元素的大量使用，致使水土流失加剧的同时环境中稀土元素污染日益严重.金姝兰等(2014)对赣南地区稀土矿区的调查结果表明，矿区土壤中稀土元素含量在538 mg · kg-1~1.62 g · kg-1之间，平均值为976 mg · kg-1，分别是江西省和全国土壤稀土元素含量背景值的4.5倍和5.1倍.尽管适量的稀土元素会对植物的生长产生促进作用(Pang et al., 2002)，但当其浓度超过其临界值时，就会通过食物链进入人体，从而在人体累积进而影响食用人群健康(Diatloff et al., 1995)，因此，对环境中稀土元素的短期和长期生态效应的研究是非常必要的.而稀土元素在环境中的迁移正是研究稀土元素对生态系统产生影响的重要内容(Liang et al., 2008)，通过对稀土元素在环境中迁移特征的研究能够更好地控制和避免其对生态系统产生的负面影响.
近年来，有学者对土壤-旱田作物系统中的稀土元素已进行了较为深入、系统的研究，并通过水培实验对其迁移机理做了一些探索(王立军等，2004).由于水稻田环境因素较为复杂，目前只有一些零散的报道，而且其研究内容也是仅限于单一稀土元素在实验室条件下的作用(Ruíz-Herrera et al., 2012)，而对全部稀土元素的同时迁移研究还很少.基于此，本文通过对稀土矿区及其周边的稻田中水稻植株和土壤中稀土元素含量进行调查分析，探究土壤-水稻系统中稀土元素积累特征.研究结果可以丰富稀土元素在土壤-水稻系统中的分布特征及其迁移累积规律等生物地球化学研究内容，并为稀土矿区水稻田中稀土元素的生态环境影响评价提供一些基础依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 样品的收集本研究选择稀土矿区及其周边地区的水稻农田为调查对象(表 1)，在水稻成熟待收割期，每个采样点随机选择3~4株水稻植株.在水稻植株采集的同时，记录每个样品的编号和采集样品地点的经纬度.采集样品时将水稻植株从地上5 cm分成地上和地下部分，将地下部分和根际土壤一同放进采样袋中.
| 表1 各个采样点的具体位置坐标 Table 1 Geographical locations of sampling sites |
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将所有样品自然风干.籽粒和水稻旗叶及水稻根部样品先用自来水冲洗，然后用去离子水冲洗，在90 ℃烘箱中烘干至恒重，置于聚乙烯塑料袋中.烘干的稻谷先脱壳，籽粒用不锈钢粉碎机粉碎，过60目孔径筛，置塑料袋中密封备用.水稻茎叶用不锈钢粉碎机粉碎，同样放入塑料袋中备用.稀土元素含量分析时，称 0.5 g 或适量作物样于50 mL 聚四氟乙烯离心管中，加入 5 mL 优级纯 HNO3，静置过夜，然后将消解管随机放入微波消解仪(MARS5，CEM Microwave Technology Ltd． USA)进行消解.消解程序如下：5 min 内升温到55 ℃，保持10 min；再在5 min 内继续升温到75 ℃，保持10 min；然后在10 min 内升温到95 ℃，保持30 min，待消解系统降温到室温后取出，用超纯水定容至50 mL，然后用滤纸过滤到干净的PE 塑料瓶中.消煮完成后用超纯水定容至50 mL，过滤待测.将风干后的根际土样品放入90 ℃烘箱中烘干至恒重，使用研钵研碎，过400目筛，称取过筛土壤样品0.5 g放置于消煮管中，然后采用王水-高氯酸法消煮(鲁如坤，2000).
水稻根系上的铁膜用Dithionite-Citrate-Bicarbonate(DCB)的方法浸提，此方法是在Taylor(1983)和Otte 等(1991)的基础上略作调整，具体操作如下：取约0.4 g根，浸泡在0.03 mol · L-1柠檬酸三钠(Na3C6H5O7 · 2H2O)和0.125 mol · L-1碳酸氢钠(NaHCO3)的30 mL混合溶液中5 min，再加入0.5 g 保险粉(Na2S2O4)继续浸泡1 h，使根表铁膜全部溶解，最后用超纯水清洗水稻根数次，放入60 ℃烘箱中烘干，得到无铁膜的水稻根(浸提根).浸提液使用超纯水定容至50 mL，过滤备测.将浸提后的根和有铁膜的原根分别剪成约2 mm长的小段，按照旗叶和米粒的消解方法进行消解处理.所有处理过后的样品溶液用等离子质谱仪ICP-MS(7500a，Agilent Technologies，USA)测定稀土元素含量．
2.3 质量控制在样品消煮过程中，同时进行空白、标准样品灌木枝叶(GBW07603，国家标准物质中心)和大米(GBW10010，国家地球化学标准物质)实验，土壤稀土元素总量采用王水-高氯酸进行消解时，消解过程用标准土壤GBW07405(国家标准物质中心)进行质量控制以确保消煮过程及以后测定的准确度.
2.4 数据计算与统计分析稀土元素在水稻-土壤体系中的转移系数(Transfer Factor，TF)采用如下公式计算：
标准土壤样品及用于质量控制的大米标准样品和灌木标准样品经过消解后，利用以In为内标的ICP-MS系统测定的重金属回收率分别为：As 95.31%±3.10%、Pb 111.10%±5.20%、Zn 97.01%±3.02%、Cu 91.50%±2.02%和Ni 97.31%±8.13%，其回收率值均在90%~120%之内，该结果表明，使用本实验处理方法能够得到对水稻籽粒、水稻根叶和土壤样品中重金属的准确测量值.从结果可以看出(表 2)，对于轻稀土元素来说，其测定回收率在90%~110%之间.而对于重稀土元素来说，只有钆(Gd)测定回收率为94.57%，其他几种元素回收率均在50%以下，并且测定的回收率有随着相对原子质量增大而减小的趋势.因此，对于重稀土元素的测定来说，本研究所采用的测量方法测定的稀土元素检测值仅为王水-高氯酸溶解出的稀土元素的量.
| 表2 不同稀土元素的回收率 Table 2 Recoveries of different REEs |
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从表 3中可以看出，各个采样点土壤中稀土元素的含量在193.82~965.28 mg · kg-1之间，平均值为332.55 mg · kg-1，其中，轻稀土元素含量占根际土样品中总稀土元素含量的87%以上.轻稀土元素中镧、铈、钕在根际土中的含量范围分别为39.65~217.12、91.48~384.70、32.58~192.01 mg · kg-1，显著高于镨(8.53~50.81 mg · kg-1)、钐(5.59~35.00 mg · kg-1)、铕(1.00~5.76 mg · kg-1)在根际土中的含量，重稀土各个元素含量的检测值范围在0.15~30.24 mg · kg-1之间.经过皮尔逊相关分析(表 4)可知，同一采样地点轻稀土元素之间的相关系数均大于0.80，其与重稀土元素测量结果之间的相关性相对较差.重稀土元素的测量结果之间同样呈现出类似的趋势：重稀土各个元素之间的相关系数在0.80以上，而其与轻稀土各个元素之间的相关性较差.
| 表3 各个采样点水稻土中稀土元素的含量 Table 3 Total REE contents in the paddy soils of sampling sites |
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| 表4 水稻土样品中稀土元素含量之间的皮尔逊相关系数(p<0.05) Table 4 Pearson′s correlations between REE contents in paddy soil samples(marked correlations are significant at p<0.05) |
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各个采样点中单个稀土元素在水稻籽粒的含量在n.d.~151.91 μg · kg-1之间(表 5)，稀土元素在水稻籽实中总的含量在32.04~337.82 μg · kg-1之间，平均值为94.33 μg · kg-1.对于单个稀土元素，其原子量越大，积累迁移到水稻籽实中的量趋向于越少.相比于轻稀土元素，重稀土元素在籽实中的含量要低，其测量值在n.d.~3.54 μg · kg-1之间，该结果也与土壤中重稀土元素检测值普遍低于轻稀土元素检测值的结果相对应.对于钕(Nd)、钆(Gd)元素，部分采样点的含量值低于检测仪器的检测限；镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钐(Sm)是籽实中稀土元素含量最多的元素，它们的总和占水稻籽实中稀土元素总量的85%以上.皮尔逊相关性分析结果(表 6)显示，各稀土元素在水稻中含量之间的相关性相比于土壤中各个稀土元素之间的相关性相对较弱，而原子量相近的元素其相关系数越大，这说明研究区域稀土元素在水稻籽实中的积累特征可能还受其他因素的影响.
| 表5 各个采样点水稻籽粒中稀土元素的含量 Table 5 Total REE contents in the rice grains of sampling sites |
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| 表6 水稻籽实样品中稀土元素含量之间的皮尔逊相关系数(p<0.05) Table 6 Pearson′s correlations between REE concentrations in rice grain(p<0.05) |
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鉴于轻稀土元素之间和重稀土元素之间相似的物理化学特征，本研究为了简便，选择铈(Ce)、钬(Ho)两种稀土元素分别作为表征轻稀土元素和重稀土元素在水稻植株迁移和积累特征的代表元素.实验结果表明，在不同采样点稀土元素Ce、Ho在水稻各个部位中具有相似的积累特征(图 1)，其各个部分的积累含量高低顺序为：根>叶子>籽实，这表明稀土元素在水稻-土壤系统中的迁移规律主要是通过根部吸收进入水稻茎叶，最后积累于籽实中.
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| 图1 采样点水稻-土壤系统各个部分中Ho、Ce的含量 Fig.1 Ho and Ce concentrations in different parts of rice-soil system in sampling sites |
稀土元素铈(Ce)、钬(Ho)在水稻各个部分的转移系数列于表 7中，从表中计算数据可以看出，两种元素在水稻各个部分中的转移系数呈现相似的规律，其大小顺序依次是根、叶子、籽实.单个稀土元素在各个采样点的籽实中转移系数变化范围较大，分别为Ho 1.55 ×10-4~17.78 ×10-4，Ce 0.61×10-4~9.56×10-4.Ho在不同采样点籽实的迁移系数平均值为8.29×10-4，其籽实转移系数明显大于Ce的籽实转移系数(3.63×10-4).水稻其他各个部位的迁移系数也具有相似特征.通过DCB浸提结果发现，铁膜(浸提液)中Ce和Ho的转移系数相差不大，其转移系数是根转移系数的40%左右，表明铁膜富集的稀土元素的含量占根部稀土元素总含量的40%左右.
| 表7 水稻植株不同部位的转移系数值和统计分析 Table 7 Transfer factor(TF) and TF statistics results for different parts of riceplants |
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据报道，稀土元素在稻田土壤中的存在形式主要有3种：碳酸盐结合态、铁锰化合物结合态及有机质硫化物结合态(Zhang et al., 2001)，其在水稻植株中的迁移和积累特征主要取决于这3种结合形式所占的比例(Kabata et al., 2001).采用不同的土壤消解和检测方式来检测土壤中稀土元素，得到的检测结果也会有差异(Dulski，1994; Kowal-Linka et al., 2014).Wang等(2011)采用高压环境下HNO3-HF-HClO4消解土壤，使用ICP-MS检测得到的所有稀土元素的回收率均在80%以上.陈永欣等(2011)使用HNO3-HF-H2O2消解土壤样品得到的稀土元素加标回收率在86.1%~110.1%之间.本实验采用王水-高氯酸消解样品，金属元素和轻稀土元素的回收率均在90%~110%之间，而重稀土元素的加标回收率小于50%.稀土元素在土壤中的结合状态决定了消解过程稀土元素的溶出率，除了稻田土壤复杂环境造成水稻土中稀土元素的结合状态不同外(Wang et al., 2001)，重稀土元素自身较大的原子质量也可能会对其消解溶出效果造成一定的影响.在自然界中，重稀土元素丰度小于轻稀土元素的丰度(Kabata et al., 2001)，这也可能在一定程度上影响了重稀土元素各个存在形式之间的比例，造成重稀土元素检测回收率偏低.
由于采样区域稀土矿山的开发，致使矿区及其周边环境中的稀土元素含量远远国家标准值.在本研究的采样区域中，稀土元素总含量最高达到965.28 mg · kg-1，这与之前研究人员对该区域调查报道的结果(861 mg · kg-1)相一致(金姝兰等，2014)，该结果高于我国土壤平均稀土含量6倍.研究表明，距离矿山越近其土壤中稀土元素含量越高(Li et al., 1998；李金霞等，2008)，因此，采样区域中位于赣南矿区的水稻土壤中稀土元素的含量值显著高于其他周边调查区域.Tyler(2004)和Šmuc等(2012)对水稻土中稀土元素的调查发现，轻稀土元素的含量占水稻土中稀土元素总量的大部分，在本研究所调查的各个地点也得到相似的结果，轻稀土元素检测量占到了稀土元素总量的87%以上，该结果同时也与地壳中稀土元素的丰度相一致(Kabata et al., 2001).相关性分析结果显示，轻稀土各个元素之间及重稀土各个元素之间具有显著的相关性，这表明本研究中土壤中重稀土元素虽然并没有完全溶出，由于稀土元素之间相似的物理化学性质，其受王水-高氯酸溶解的影响也是相似的，因此，元素之间表现出了较好的伴随相似性.
Kabata等(2001)调查了对水稻籽实对稀土元素的积累能力，结果表明，水稻籽实中稀土元素的积累量在1.00 μg · kg-1~15.0 mg · kg-1之间.本研究各个采样点水稻籽实中的稀土元素总量平均值为94.33 μg · kg-1，显著低于之前报道的1.04 mg · kg-1(金姝兰等，2014).土壤中稀土元素的形态对稀土元素在水稻植株中的迁移积累有显著影响(金姝兰等，2014；杨斌清，2012).本调查区域主要位于湖南祁阳和江西定远等地，而金姝兰等(2014)调查地区的稀土元素主要以富镧少钇型离子或者高钇型离子矿为主，这可能是本调查中籽实中稀土元素积累量偏低的一个原因.尽管稀土元素不像其他重金属那样对人体产生高致病毒性，但其对人体健康存在的风险近年来在许多报道中得到证实(陈祖义，2008).水稻作为当地居民的主食，是当地居民体内稀土元素的主要来源之一.按照金姝兰等(2014)的估计方法，本研究调查区域居民对稀土元素的日摄入量为47 μg · kg-1 · d-1，远小于稀土元素对人体亚临床损害剂量的临界值(6.0~6.7 mg · kg-1 · d-1)的范围.当地居民通过水稻对稀土元素的摄入量很小，但之前调查表明，通过水稻摄入的稀土元素占人体对稀土元素总摄入量的3%，稀土元素的摄入还存在其他途径，如蔬菜、饮水等，调查区域土壤中的稀土元素含量严重超标，其对当地居民仍然存在很大的健康风险.
水稻植株各个部位对稀土元素的转移因子(TF)能够说明各个部位对稀土元素的迁移积累能力的大小，从TF大小和稀土元素在水稻各个部位的含量大小分析来看，水稻各个部位对稀土元素的积累具有相似性，其积累能力大小顺序依次是：根> 叶子>籽实.该结果与王立军等(2004)通过实验室控制实验得到的结果相一致，这同时也和其他微量重金属元素如砷、镉在水稻中的迁移积累具有相似的特征(Liu et al., 2004;Chen et al., 2005; Huang et al., 2009;Liu et al., 2008).由于本实验中对水稻根际土中重稀土元素的酸溶出效率较低，这可能是水稻籽实及其他部位中以Ce为代表的轻稀土元素的转移因子小于以Ho为代表的重稀土元素的转移因子的一个原因.单个稀土元素在水稻籽实中的转移因子很小(10-4级别)，说明水稻籽实对稀土元素的积累能力较弱，该结果与之前研究报道的结果相一致(Šmuc et al., 2012).
水稻籽实中各个稀土元素之间的相关性分析表明，轻稀土元素之间呈现了显著的相关性，这也说明轻稀土元素之间的地球化学性质的相似性(Li et al., 1998；Hu et al., 2006).但其相关性明显不如 Šmuc等(2012)报道的相关性好，这可能是由于土壤理化性质、水稻品种、土壤母质等环境条件的差异会对稀土元素的迁移造成显著影响(Tyler，2004；Laveuf et al., 2009).对于重稀土各个元素，虽然通过王水-高氯酸的溶解，其在土壤中的溶出量具有显著的相关性，但其在水稻籽实中含量的相关性不如轻稀土元素，这说明稀土元素在水稻植株中的迁移除了受上述原因的影响外，可能还与其元素自身性质有关.
由于水稻根系泌氧，其根表往往形成一层以铁氧化物为主的铁膜，根被认为是水稻吸收营养元素的第一道大门(Liu et al., 2004)，根表铁膜也是阻止土壤中重金属进入水稻体内的一道天然屏障(Liu et al., 2008).铁膜能够富集土壤中的重金属元素，通过DCB浸提实验可以判断水稻铁膜对重金属元素的积累效果.本研究结果表明，各个稀土元素在水稻根表铁膜的积累量占水稻根总稀土元素含量的20%~60%，而对于砷等重金属来说，水稻铁膜的积累量能够占到根部总积累量的80%以上(Liu et al., 2008).由于铁膜是两性的，其对阳离子的稀土元素和阴离子砷元素的吸附机制不同，导致铁膜虽然能够富集稀土元素但其富集能力不及对砷元素的富集能力.
5 结论(Conclusions)1)采用王水-高氯酸的消解方法对各个稀土元素进行消解，回收率显著不同，原子质量较大的重稀土元素回收率较低，轻稀土元素回收率很高。
2)土壤和水稻籽实中各个稀土元素检测值表现出了显著的相关性，反映了稀土元素之间的共存性及其迁移积累特征的相似性.
3)水稻植株各个部分对稀土元素积累作用的大小顺序依次是：根>叶子>籽实.稀土元素在水稻植株体内的转移因子大小顺序也是如此.
4)水稻根表铁膜对稀土元素有一定的富集能力，铁膜的积累量占水稻根总稀土元素含量的20%~60%.
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