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物探与化探, 2022, 46(6): 1555-1564 doi: 10.11720/wtyht.2022.0084

生态环境调查

黑龙江双阳河流域土壤—水稻—人体系统锗的分布特征、迁移转化及影响因素

梁帅,1,2,3, 戴慧敏,1,2,3, 赵君4, 刘国栋1,2,3, 刘凯1,2,3, 翟富荣5, 韩晓萌1,2,3, 魏明辉1,2,3, 张哲寰1,2,3

1.中国地质调查局 沈阳地质调查中心,辽宁 沈阳 110034

2.自然资源部 黑土地演化与生态效应重点实验室,辽宁 沈阳 110034

3.辽宁省黑土地演化与生态效应重点实验室,辽宁 沈阳 110034

4.中国地质调查局 西安地质调查中心,陕西 西安 710054

5.辽宁省地质矿产研究院有限责任公司,辽宁 沈阳 110034

Distribution characteristics, migration transformation and influencing factors of Ge in soil-rice system in Shuangyang River Basin, Heilongjiang Province

Liang Shuai,1,2,3, Dai Hui-Min,1,2,3, Zhao Jun4, Liu Guo-Dong1,2,3, Liu Kai1,2,3, Zhai Fu-Rong5, Han Xiao-Meng1,2,3, Wei Ming-Hui1,2,3, Zhang Zhe-Huan1,2,3

1. Shenyang Geological Survey Center, China Geological Survey, Shenyang 110034

2. Key Laboratory of Black Soil Evolution and Ecological Effects, Ministry of Natural Resources, Shenyang 110034

3. Key Laboratory of Black Soil Evolution and Ecological Effects, Liaoning Province, Shenyang 110034

4. Xi’an Geological Survey Center, China Geological Survey, Xi’an 110034

5. Liaoning Institute of Geology and Mineral Resources Co., Ltd., Shenyang 110034

通讯作者: 戴慧敏(1979-),女,博士,正高级工程师,从事地球化学相关调查研究工作。Email:daihuimin78@126.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2022-02-8   修回日期: 2022-08-3  

基金资助: 中国地质调查局项目“东北黑土地1∶25万土地质量地球化学调查”(121201007000161312)
中国地质调查局项目“兴凯湖平原及松辽平原西部土地质量地球化学调查”(DD20190520)

Received: 2022-02-8   Revised: 2022-08-3  

作者简介 About authors

梁帅(1986-),男,博士,高级工程师,从事基础地质和生态地质研究工作。Email:ls476476@163.com

摘要

土壤锗的自然禀赋、成因来源、生态环境效应及人体健康评估为黑土地生态地质研究的重要方向,开展土壤—水稻—人体系统中锗的分布特征、迁移转化及影响因素的定量研究,对黑土区富锗农产品开发和人体健康具有重要意义。基于双阳河流域1∶5万土地质量生态地球化学调查课题,获取成土母质、表层土壤、水稻籽实、根系土和人发等多介质的锗元素数据,运用GIS、SPSS软件对数据统计分析。结果表明:研究区表层土壤锗含量为(0.996~1.626)×10-6,平均值为1.326×10-6,高值区主要分布在双阳河北侧西北部和南侧中部;划定富锗、足锗耕地面积分别为70.55 km2、166.9 km2,具有开发绿色富锗、富硒农产品的较大潜力。成土母质是影响表层土壤锗含量的最主要因素,土壤类型和土地利用类型影响较小;偏酸性、有机质缺乏的土壤环境可能更有利于锗的富集。水稻籽实锗含量为(0.24~3.40)×10-6,平均值为1.59×10-6,达到中等和强烈摄取标准的样品分别占40%、60%,处于显著富锗水平。锗的生物吸收系数(Ax)与根系土锗含量呈显著负相关(p=-0.34),表明土壤低浓度的锗对水稻生长发育具有促进作用,高浓度的锗对水稻生长具有抑制或毒害作用;与根系土壤pH呈正相关(p=0.40),表明随土壤pH值的增大,水稻对锗元素的迁移转化能力逐步增强。研究区成年人发锗含量处于正常健康水平,但未成年女性头发锗含量显著超过参考值范围,需要开展更为详细的研究进行人体健康评估。

关键词： 锗; 迁移转化; 水稻; 根系土; 人发; 人体健康; 地质调查工程

Abstract

Soil germanium natural endowment, genesis sources, ecological and environmental effects and human health assessment are important research directions in the ecological geology of black soil, and the quantitative study of germanium distribution characteristics, migration transformation and influencing factors in the soil-rice human system is of great significance to the development of germanium-rich agricultural products and human health in black soil areas. Based on the 1∶50,000 ecogeochemical survey of land quality in the Shuangyang River Basin, we obtained germanium and other elemental data from multi-media such as soil-forming parent material, top soil, rice seeds, root soil and human hair, and used GIS and SPSS software to statistically analyze the data. The results showed that the germanium content of the top soil ranged from 0.996×10-6 to 1.626×10-6, with an average value of 1.326×10-6, and the high value areas were mainly distributed in the northwest and central south of the north side of Shuangyang River; 70.55 km2 and 166.9 km2 of germanium-rich and germanium-sufficient arable land were delineated, which had a greater potential for developing green germanium-rich and selenium-rich agricultural products. Soil-forming parent material is the main factor affecting the germanium content of topsoil, and soil type and land use type have less influence; soil environment with acidic and organic matter deficiency may be more favorable for germanium enrichment. The germanium content of rice seeds ranged from 0.24×10-6 to 3.40×10-6, with a mean value of 1.59×10-6, and the samples meeting the moderate and strong uptake criteria accounted for 40% and 60%, respectively, and were at significantly germanium-rich levels. The germanium uptake coefficient (Ax)was significantly negatively correlated with the root soil germanium content (p=-0.34*), indicating that low concentrations of soil germanium have a promoting effect on rice growth and development, and high concentrations of germanium have an inhibitory or toxic effect on rice growth; it was positively correlated with the root soil pH (p=0.40), indicating that the migration and transformation ability of rice to germanium elements gradually increases with the increase of soil pH. Adult hair germanium levels were at normal healthy levels, but germanium levels in immature female hair significantly exceeded the reference range, and more detailed studies are needed for human health assessment.

Keywords： germanium; migration transformation; rice; root soil; human hair; human health; geological survey engineering

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本文引用格式

梁帅, 戴慧敏, 赵君, 刘国栋, 刘凯, 翟富荣, 韩晓萌, 魏明辉, 张哲寰. 黑龙江双阳河流域土壤—水稻—人体系统锗的分布特征、迁移转化及影响因素[J]. 物探与化探, 2022, 46(6): 1555-1564 doi:10.11720/wtyht.2022.0084

Liang Shuai, Dai Hui-Min, Zhao Jun, Liu Guo-Dong, Liu Kai, Zhai Fu-Rong, Han Xiao-Meng, Wei Ming-Hui, Zhang Zhe-Huan. Distribution characteristics, migration transformation and influencing factors of Ge in soil-rice system in Shuangyang River Basin, Heilongjiang Province[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(6): 1555-1564 doi:10.11720/wtyht.2022.0084

0 引言

锗是典型的分散性稀有元素,具有亲氧、亲铁、亲硫、亲有机等多种特性,在氧化铁矿床、硫化物矿床和煤中的浓度相对较高[1-2]。锗的陆壳丰度为1.6×10-6,独立矿物极少,常与硅发生类质置换作用[3]。世界土壤锗含量为(0.5~34.0)×10-6,中国土壤锗平均含量为1.7×10-6[4];亦有研究认为,中国土壤锗含量平均值为1.3×10-6[5]。

锗及其有机化合物具有重要的生物活性和杀菌、消炎、抑制肿瘤、延缓衰老等医疗保健功能,对癌细胞的生长和转移有明显的抑制作用,其医疗保健作用引起了越来越多的关注,被誉为“生命的奇效元素”和“人类健康的保护神”[6-7]。水稻是人体摄取营养物质的重要来源,水稻吸收土壤环境中的锗转化成生物有机锗,再被人体吸收是一种安全有效的利用锗的途径,在广西、湖北、黑龙江、重庆等富锗土壤分布区,富锗作物种植及农产品开发已取得一些进展[8⇓⇓⇓-12],因此开展土壤—水稻—人体系统中锗含量分布及影响因素的分析,对富锗农产品开发和人体健康具有重要意义

本文依托“黑龙江双阳河流域1∶5万土地质量生态地球化学调查”课题,对成土母质、表层土壤、水稻籽实、根系土和人发等样品中的锗含量进行统计及相关性分析,研究锗在土壤—水稻—人体系统中的地球化学行为、归宿、生物有效性及对环境健康的影响,以期为锗的农产品开发及生物地球化学过程研究提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

双阳河流域地处黑龙江省齐齐哈尔市东南角,发源于拜泉县新生乡境内,自南向北流至拜泉镇后转向西,入依安县境后折向西南,汇入乌裕尔河流域。区域属寒温带大陆性季风气候,年均气温1.2 ℃,年均降水量488.2 mm,年均日照2 730 h。地貌为小兴安岭松嫩平原漫岗丘陵地带,海拔260~280 m,地势总体北高南低,地表坡度2°~4°。大地构造位置属于新华厦系第二沉降带松嫩凹陷东北部,受晚新近世构造运动和小兴安岭影响,第四系覆盖物由东北向西南增厚,前第四系地层绝大部分地区被第四系地层覆盖,仅于高平原沟谷强烈切割处出露,出露地层主要为中更新统湖积、冲积层(图1)[13]。耕地类型主要为旱地,其次为水田;土壤类型主要为黑土、草甸土和黑钙土[14]。

图1

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图1   研究区区域地质简图

Fig.1   Regional geological overview of the study area


1.2 样品采集与处理

生态地球化学样品采集点位信息见图2。表层土壤样品采集选用网格法,密度为4 点/km2,深度0~20 cm,样品原始质量大于1 500 g;每个土壤样品由3个子样组合而成,且每2个子坑间距30 m,子样坑呈三角形分布。水稻样品采集借鉴表层土壤样品采集方法,采集水稻籽实及同位置的根系土。人发采集对象主要为常年居住在当地的人群,采集距头皮2~3 cm 之内的发样,质量>3 g。土壤剖面深度为1.6~2.0 m,每20 cm采集1 个样品。土壤样品阴干后,人工木棒敲碎,全部过 20 目尼龙筛,混合均匀后取200 g送实验室;作物籽实自然阴干后,人工脱皮或脱壳,取200 g送实验室;人发样品清洗干净,干燥后送实验室。

图2

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图2   土壤类型及生态样品采集点位

Fig.2   Map of soil types and ecological sample collection points


1.3 样品测试分析

土壤、水稻籽实及人发样品测试均由自然资源部沈阳矿产资源监督检测中心完成。测试以XRF、ICP-MS、ICP-OES方法为主,辅以其他分析方法;各元素的测试方法及检出限见表1。各项元素分析方法的检出限、报出率、准确度、精密度等质量指标均达到《土地质量地球化学评价规范(DZ/T 0295—2016)》要求。

表1   元素分析方法及检出限

Table 1  Elemental analysis methods and detection limits

指标检出限/10-6分析方法指标检出限/10-6分析方法
As0.5AFSZn0.6XRF
B1AESSiO2*0.05XRF
Cd0.02ICP-MSAl2O3*0.02ICP-OES
Cr0.90ICP-MSTFe2O3*0.02XRF
Cu0.29ICP-MSCaO*0.03XRF
Hg0.0003CV-AFSMgO*0.03XRF
Mn4XRFNa2O*0.03XRF
Mo0.06ICP-MSK2O*0.02ICP-OES
N19VOLGe0.059ICP-MS
Ni0.80XRFSe0.01AFS
P6XRFpH0.10ISE
Pb0.3ICP-MSCorg*0.03VOL

注:“*”表示指标计量单位为10-2。AES—发射光谱法;AFS—原子荧光光谱法;ICP-MS—电感耦合等离子体质谱法;ICP-OES—电感耦合等离子体发射光谱法;XRF—X射线荧光光谱法;ISE—离子选择性电极法;VOL—容量法。

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1.4 数据处理

描述性统计分析、Pearson相关分析运用 SPSS 22.0 和 Excel 2010 软件完成。土壤类型分布及样品采集点位图、土壤锗含量空间分布图和富锗耕地分布图均用ArcGIS 10.7软件绘制,区域地质简图运用CorelDRAW X4 进行绘制。生物吸收系数(Ax=生物元素含量/土壤元素含量×100%)用来表征元素在生物中的迁移和吸收能力,用于评价土壤对生物的作用和影响[10]。

2 土壤锗分布特征及影响因素

2.1 土壤锗含量及分布特征

土壤地球化学参数见表2,研究区表层土壤锗含量为(0.996~1.626)×10-6,平均值为 1.326×10-6,变异系数为0.08,空间分布变化较小,其含量略高于足锗土壤标准(1.30×10-6)[15],低于黑龙江省A层锗含量均值1.6×10-6[4],不存在土壤锗污染情况。土壤锗地球化学等级分布情况如图3所示,高值区主要分布在双阳河北侧西北部和南侧中部,呈近EW向带状分布。土壤pH平均值为6.96,呈弱碱性。

表2   表层土壤锗地球化学参数统计

Table 2  Statistics of germanium geochemical parameters in surface soil

范围样本数平均值/
10-6		最小值/
10-6		25%分位数/
10-6		中值/
10-6		75%分位数/
10-6		最大值/
10-6		标准差/
10-6		变异系数pH
研究区27461.3260.9961.2641.3321.3961.6260.1040.086.96
黑龙江[4]521.6000.7001.5001.6001.8002.2000.150

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图3

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图3   土壤锗地球化学等级分布

Fig.3   Distribution map of soil germanium geochemical grades


2.2 土壤富锗标准及分布特征

富锗土壤是一个相对性的概念,目前国内尚无统一标准。本次调查工作采用黑龙江省市场监管局2019年颁布的地方标准[15],将耕地划分为一等(富锗,w(Ge)>1.45×10-6)、二等(足锗,w(Ge)=(1.30~1.45)×10-6)和三等(缺锗,w(Ge)<1.30×10-6)三个等级(图4),划定富锗土壤面积70.55 km2,主要分布在长荣村北部和永勤乡南部;足锗土壤面积166.9 km2,全区均有分布,二者占总面积的40.94%。综合土壤环境综合地球化学评价和绿色食品产地适宜性评价结果,富锗及足锗土壤环境质量优质,属于绿色富锗土壤,可因地制宜开发富锗农产品。

图4

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图4   富锗及足锗耕地分布

Fig.4   Distribution map of germanium-rich arable and germanium-sufficiency land


2.3 土壤锗含量影响因素

土壤锗在成土母质继承的基础上,因锗自有特性、土壤理化性质及外部环境等因素的综合作用,重新产生聚集或流失[12,16]。研究区地形起伏较小,工业生产落后,故地形地貌和人类活动因素可不考虑。

本文主要从成土母质、土壤类型、土地利用方式、土壤理化性质等因素分析土壤锗含量的影响因素。

2.3.1 成土母质因素

成土母质是土壤形成的物质基础,决定了土壤的主要化学组成和理化性质 [17⇓-19]。深层土壤锗不易受人为活动的影响,其含量反映了成土母质的原始特征[20-21]。土壤剖面样品测试结果投图显示(图5),PM03、PM06和PM07三条剖面表层土壤(0~20 cm)锗含量为(1.20~1.37)×10-6,深层土壤(160~180 cm)锗含量为(1.64~1.77)×10-6,由表层到深层呈递增趋势;PM04剖面土壤锗含量由表层的1.57×10-6(可能是人为因素引起的局部锗富集)先降后递增至深层的1.67×10-6;PM08由表层的1.48×10-6增至1.86×10-6,迅速降至1.40×10-6,而后递增至深层的1.63×10-6;5条土壤剖面垂向上的样品锗含量分布规律,指示成土母质是土壤锗的主要物质来源。

图5

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图5   土壤剖面锗含量投图

Fig.5   Projection map of germanium content in soil profile


2.3.2 土壤类型因素

不同土壤类型锗含量参数统计见表3,锗平均含量依次为黑土(1.35×10-6)>黑钙土(1.33×10-6)>草甸土(1.30×10-6),三者变异系数接近(0.07~0.08),变异程度均较低,说明在研究区内不同土壤类型的锗含量差异不明显。

表3   研究区不同土壤类型锗含量特征

Table3  Ge content characteristics of different soil types in the study area

土壤
类型		锗含量/10-6标准
离差		变异
系数		样品
数
最小
值		中位
数		最大
值		算术
平均值
黑土1.001.351.631.350.100.071116
黑钙土1.021.341.581.330.100.08491
草甸土1.001.301.591.300.110.081186

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2.3.3 土地利用类型因素

不同土地利用类型(轮作制度、管理模式、肥料类型等)锗含量参数统计见表4,锗含量由高到低依次为旱地(1.32×10-6)>林地(1.31×10-6)>水田(1.30×10-6)>草地(1.28×10-6),四者变异系数接近(0.08~0.11),变异程度均较低,说明在研究区内不同土地利用类型的锗含量差异不明显。

表4   研究区不同土地利用类型锗含量特征

Table 4  Ge content characteristics of different soil types in the study area

土壤利
用方式		锗含量/10-6标准
偏差		变异
系数		样品
数
最小
值		中位
数		最大
值		算术
平均值
旱田1.001.331.631.320.100.082163
水田1.111.321.451.300.140.11177
林地1.001.321.561.310.110.08198
草地1.081.281.581.280.110.0981

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2.3.4 土壤理化因素

相关性分析可以表征数据间的相互关系,能更好地解释元素组合特征与相互作用影响。土壤锗含量与主量元素、重金属、有机质、酸碱度等理化指标相关性统计见表5。Ge与Si-Al-K-Na-B-I-Mn元素组合呈显著正相关,属于亲氧族元素。Ge和Si的化学性质和无机地球化学途径相似,Ge在土壤环境中的地球化学行为表现为Ge含量随Si增加而增加,表明Ge的螯合作用与次生土壤硅酸盐的积累有关, 即土壤黏土矿物对Ge的吸附是控制土壤环境中Ge/Si分馏的主要机制[2,22]。Ge-O键长与Al-O键长相近,Ge以类质同象的方式替代黏土矿物八面体中的Al,导致黏土矿物具有较高的Ge 含量,如高岭石中Ge的含量可达(2.47~2.88)×10-6[23];或者在风化强烈的地区,Ge4+可以代替三水铝石晶格八面体中的Al3+而富集于三水铝石中[24]。Ge与Fe-As-Cr-Ni-Pb-Mo元素组合呈显著正相关,属于亲铁族元素。Ge可以替代土壤中次生含Fe 矿物,如Ge可以代替针铁矿中六面体配位的Fe,发生取代作用(2Fe3+↔Ge4++ 2H+),或者Ge可以直接被土壤中无定形Fe3+的氧化物/氢氧化物吸附沉淀,引起土壤Ge的次生富集[25-26]。Ge与Cu-Zn-Hg元素组合呈显著正相关,属于亲硫族元素。Ge与Ca-F-S元素组合呈显著负相关,属于亲有机族元素。Ge与pH、Corg呈显著负相关,说明偏酸性、有机质缺乏的土壤环境更有利于锗的富集。

表5   土壤锗含量与土壤理化指标相关性统计

Table 5  Correlation statistics of soil germanium content and soil physicochemical indexes

指标相关系数指标相关系数指标相关系数
SiO20.469**As0.336**B0.088**
Al2O30.564**Cd-0.023F-0.096**
TFe2O30.539**Cr0.373**I0.196**
CaO-0.549**Cu0.152**Mn0.359**
MgO-0.341**Hg0.090**Mo0.353**
Na2O0.166**Ni0.407**S-0.514**
K2O0.227**Pb0.452**pH-0.519**
Zn0.229**Corg-0.391**

注:“*” 表示在0.05 水平(双侧)上显著相关;“**”表示在0.01 水平(双侧)上显著相关。

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3 土壤—水稻系统中锗生物地球化学特征

3.1 土壤—水稻系统中元素含量特征

水稻根系土元素地球化学参数统计见表6。Ge含量为(0.99~1.69)×10-6,平均值为1.31×10-6,略高于黑龙江省足锗土壤标准1.30×10-6[15]。土壤pH为7.96,呈弱碱性。以黑龙江省土壤背景值为基准[4],研究区水稻根系土有机质平均含量为3.22%,是基准值的1.34倍,营养元素N、P、K、Se平均含量是相应基准值的1.3、1.3、2.3和1.3倍;SiO2、Al2O3、TFe2O3、CaO、MgO、Na2O、As、Cd、Cr、Cu、Ni等营养元素含量高于基准值;Hg、Pb、Zn、Mo等元素含量低于基准值。

表6   61件水稻根系土部分元素地球化学参数统计

Table 6  Statistics of some elemental geochemical parameters of 61 rice root soil

指标最小值平均值中位数最大值标准偏差变异系数黑龙江土壤背景值[4]
Ge0.991.311.311.690.170.131.30
Se0.140.260.260.430.050.040.20
SiO249.6660.6060.9365.412.980.0559.9
Al2O311.0613.5313.5115.040.830.066.62
TFe2O33.604.674.645.840.480.102.94
CaO1.634.093.3512.062.160.531.54
MgO1.061.481.511.850.140.090.78
K2O1.902.372.392.600.150.060.99
Na2O1.151.521.521.950.160.111.02
As6.809.939.6915.101.550.167.30
Cd0.040.120.110.250.040.380.09
Cr48.1064.0864.4078.406.650.1058.6
Cu17.7023.8523.7030.002.840.1220.0
Hg0.010.020.020.040.010.270.04
Ni20.9028.8728.7635.933.540.1222.8
Pb14.3021.8922.2026.302.440.1124.2
Zn49.2265.9764.7485.507.290.1170.7
Mo0.390.530.530.750.080.161.80
N1733.72918.82922.54387.7575.10.202215
P764.01012.41005.01331.0109.270.11747
pH6.077.968.068.770.450.066.60
Corg1.913.223.224.910.620.192.41

注:氧化物及有机质含量单位为%;元素含量单位为10-6;pH无量纲。

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水稻籽实Ge含量为(0.24~3.40)×10-6,平均值为1.59×10-6,变异系数达0.46,表明锗元素在水稻籽实中的含量变化范围较大(表7)。与国内已见报道的黑龙江讷河、浙江省常山县、湖北咸丰县、重庆市南川区等地水稻籽实锗含量相比[8,16-17,26⇓-28], 研究区内作物籽实富锗效果较好。水稻籽实Se含量平均值为0.03×10-6,部分达到了富硒稻谷标准。研究区具有较强的富锗、富硒水稻开发潜力,对保障区域人群锗与硒含量健康水平具有重要意义。

表7   61件水稻籽实部分元素地球化学参数统计

Table 7  Statistics of some elemental geochemical parameters of 61 rice seeds

元素最小值平均值中位数最大值标准偏差变异
系数
Ge0.241.591.593.400.730.46
Se0.020.030.030.060.010.20
Cu0.871.691.733.620.540.32
Zn6.9812.1611.9219.181.980.16
Mo0.100.250.240.510.100.39

注:元素含量单位为10-6。

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3.2 土壤一水稻系统中锗迁移转化及影响因素

3.2.1 土壤—水稻系统锗迁移转化

土壤中高达90%的锗通常不能被植物吸收,因其被固定在次生矿物(如结晶Fe/Mn-羟基氧化物)的晶格中,植物根系很难吸收[22,29-30];另外,锗可以被弱酸、氧化剂和弱还原剂活化成离子态,通常只占土壤中总锗的1%~4%,植物吸收的大部分锗主要来自这些部分[30]。锗对水稻的生长发育影响主要是由水稻根系迅速且大量地吸收锗,靠蒸腾作用向茎、叶和籽实转化,促进其在水稻籽实体内的累积[16,28]。根系土—水稻籽实锗含量对比图(图6)显示,多数水稻籽实锗含量超过了水稻根系土中的锗含量,水稻锗生物吸收系数为18.07%~266.56%,平均为124.41%,达到中等摄取标准的样品有24件(40%),强烈摄取的样品有37件(60%)[10]。水稻对锗的吸收除了与自身基因属性有关,还与土壤理化性质、锗总量、赋存形态及和其他元素间的相互作用等因素有关。

图6

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图6   水稻根系土及籽实锗含量分布对比

Fig.6   Comparison of distribution of germanium content in rice root soil and seeds


3.2.2 土壤理化性质对锗迁移转化的影响

锗具有亲氧、亲铁、亲硫、亲有机等多种特性,强烈影响其在土壤—植物系统中的化学行为[31]。水稻锗生物吸收系数与根系土理化指标相关性统计见表8,吸收系数与根系土Ge呈显著负相关(p=-0.34),表明低浓度的锗对水稻生长发育具有促进作用,高浓度的锗对水稻生长或具有抑制或毒害作用[32]。土壤pH是许多元素化学性质的综合反映,对锗在土壤溶液中的形态及其迁移性具有一定的制约作用[30,33];吸收系数与水稻根系土pH呈正相关(p=0.40),表明随土壤pH值的增大,水稻对锗的迁移转化能力逐步增强,原因是锗在酸性条件下主要以Ge4+形式存在,易置换土壤矿物中的Al3+、Fe3+、Ti4+等离子,锗的可给性降低,而在中性—弱碱性条件下,锗主要以GeO32-、GeO44-等形式存在,可给性相对较高。吸收系数与根系土有机质、重金属及其他理化指标相关性较差。

表8   水稻锗吸收系数与根系土理化指标相关性统计

Table 8  Correlation statistics of germanium absorption coefficient of rice and physical and chemical indexes of root soil

元素GeK2OCaONa2OMgOAl2O3SiO2TFe2O3SCorgpH
相关系数-0.34-0.052.490.03-0.10-0.03-0.010.03-0.070.110.40
元素SeAsCdCrCuHgNiPbZnBMo
相关系数0.160.130.21-0.04-0.020.04-0.08-0.050.020.02-0.10

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4 人体锗含量特征及健康评价

锗是一种具有多种生物活性的微量元素,成人每天锗的摄人量为400~3 500 μg[34],各种天然食物(如水稻、蔬菜、水果等)是人体锗摄入最主要和最健康途径。研究区长期居住人群人发锗含量统计见表9,其中女成年组人发锗含量为(1.084~5.805)×10-6,平均值为2.542×10-6,男未成年组人发锗含量为(1.519~2.175)×10-6,平均值为1.762×10-6,男成年组人发锗含量为(2.161~4.044)×10-6,平均值为3.186×10-6,三组人发锗含量分布特征均达到中度—强度变异程度,但统计结果与国内其他地区参考值相比,均处于正常健康水平[35-36];女未成年组人发锗含量为(1.826~9.227)×10-6,平均值为5.927×10-6,6人中有5人显著超过参考值范围[35-36],表明未成年女性更容易在体内富集锗元素,这种结果可能与性别、年龄、生活习惯有关。超过锗参考值范围是否对人体存在一定的健康风险,需开展更为详细的研究进行健康评估。

表9   人发锗含量统计参数

Table 9  Germanium content in human hair10-6

性别/年龄样本最小值平均值最大值标准差CV/%参考值1[35]参考值2[36]
女/未成年61.8265.9279.2272.64344.590.10~4.48
女/成年191.0842.5425.8051.59962.900.41~5.692.2
男/未成年31.5191.7622.1750.35920.370.12~4.56(0.9~3.7)
男/成年42.1613.1864.0440.85326.770.34~5.81

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5 结论

1)双阳河流域表层土壤锗含量为(0.996~1.626)×10-6,平均值为 1.326×10-6,略高于黑龙江足锗土壤标准,低于黑龙江A层土壤锗平均值1.6×10-6。锗含量分布差异较小,高值区主要分布在双阳河北侧西北部和南侧中部,呈近EW向带状展布。划定富锗、足锗耕地面积分别为70.55 km2、166.9 km2,具有开发绿色富锗、富硒农产品的较大潜力。

2)成土母质是表层土壤锗的主要物质来源,土壤类型和土地利用类型与锗含量关系较小。土壤Ge含量与Si-Al-K-Na-B-I-Mn、Fe-As-Cr-Ni-Pb-Mo、Cu-Zn-Hg等元素组合显著正相关、与Ca-F-S、pH、Corg显著负相关,这主要与Ge自身亲氧、亲铁、亲硫、亲有机等特性有关,易发生类质置换作用。偏酸性、有机质缺乏的土壤环境可能更有利于锗的富集。

3)根系土锗含量为(0.99~1.69)×10-6,平均值为1.31×10-6。水稻籽实锗含量(0.24~3.40)×10-6,平均值为1.59×10-6,与全国同类农产品相比,处于相对富锗水平;61件水稻样品中达到中等摄取标准的样品有24件,强烈摄取的样品有37件,指示水稻具有优先吸收锗的特性。水稻锗吸收系数与根系土锗呈显著负相关(p=-0.34),表明土壤低浓度锗对水稻生长发育具有促进作用,高浓度锗对水稻生长具有抑制或毒害作用。水稻锗吸收系数与水稻根系土壤pH呈正相关关系(p=0.40),表明随土壤pH值的增大,水稻对锗元素的迁移转化能力逐步增强。

4)成年人发锗含量处于正常健康水平,但未成年女性更容易在体内富集锗元素,其头发锗含量显著超过参考值范围,这可能与性别、年龄、生活习惯有关,需开展更为详细的研究进行人体健康评估。

参考文献

Murnane K J, Stallard R F.

Germanium and silicon in rivers of the Orinoco drainage basin

[J]. Nature, 1999, 344(19):749-752.

DOI:10.1038/344749a0      URL     [本文引用: 1]

Bernstein L R.

Germanium geochemistry and mineralogy

[J]. Geuchimica et Cosmochimica Acta, 2018, 49:2409-2422.

[本文引用: 2]

中国科学院地球化学研究所. 高等地球化学[M]. 北京: 科学出版社, 1998:38.

[本文引用: 1]

Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences. Advanced geochemistry[M]. Beijing: Science Press, 1998: 38.

[本文引用: 1]

中国环境监测总站. 中国土壤元素背景值[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 1990.

[本文引用: 5]

China Environmental Monitoring Station. Background value of soil elements in China[M]. Beijing: China Environmental Science Press, 1990.

[本文引用: 5]

鄢明才, 顾铁新, 迟清华, 等.

中国土壤化学元素丰度与表生地球化学特征

[J]. 物探与化探, 1997, 21(3):161-167.

[本文引用: 1]

Yan M C, Gu T X, Chi Q H, et al.

Abundance of chemical elements of soils in china and supergenesis geochemistry characteristics

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 1997, 21(3): 161-167.

[本文引用: 1]

杨利, 黄仁录.

锗与人体健康

[J]. 微量元素与健康研究, 2005, 22(3):60-61.

[本文引用: 1]

Yang L, Huang R L.

Germanium and human health

[J]. Research on Trace Elements and Health, 2005, 22(3): 60-61.

[本文引用: 1]

李景岩.

有机锗与人体健康

[J]. 现代预防医学, 2007, 34(13):2465-2467.

[本文引用: 1]

Li J Y.

Organic germanium and human health

[J]. Modern Preventive Medicine, 2007, 34(13): 2465-2467.

[本文引用: 1]

赵君, 饶竹, 王鹏, 等.

黑龙江讷河市富锗土壤地球化学特征及影响因素浅析

[J]. 岩矿测试, 2022, 41(4):642-651.

[本文引用: 2]

Zhao J, Rao Z, Wang P, et al.

Geochemical characteristics and influencing factors of germanium-enriched soils in Nehe City, Heilongjiang Province

[J]. Rock and Mineral Analysis, 2022, 41(4) :642-651.

[本文引用: 2]

夏伟, 段碧辉, 王天一, 等.

恩施州咸丰县土壤—水稻系统锗元素迁移转化及影响因素

[J]. 西南农业学报, 2021, 34(12):2748-2756.

[本文引用: 1]

Xia W, Duan B H, Wang T Y, et al.

Germanium transfer and its influencing factors in soil-rice system in Xianfeng County,Enshi Prefecture

[J]. Southwest Agricultural Journal, 2021, 34(12):2748-2756.

[本文引用: 1]

刘道荣, 周漪, 侯建国, 等.

大田生产条件下锗在土壤-水稻系统中的迁移累积

[J]. 中国土壤与肥料, 2020(3):133-137.

[本文引用: 3]

Liu D R, Zhou Y, Hou J G, et al.

Translocation and accumulation of germanium in soil-rice system under field conditions

[J]. China Soil and Fertilizer, 2020(3):133-137.

[本文引用: 3]

余飞, 贾中民, 李武斌, 等.

锗在土壤—水稻系统的迁移累积及其影响因素

[J]. 三峡生态环境监测, 2018, 3(1):66-74.

[本文引用: 1]

Yu F, Jia Z M, Li W B, et al.

Translocation and accumulation of germanium in paddy soil-rice plant system

[J]. Three Gorges Ecological Environment Monitoring, 2018, 3(1): 66-74.

[本文引用: 1]

段轶仁, 杨忠芳, 杨琼, 等.

广西北部湾地区土壤锗分布特征及其影响因素及其生态环境评价

[J]. 中国地质, 2020, 47(6):1826-1837.

[本文引用: 2]

Duan Y R, Yang Z F, Yang Q, et al.

The distribution, influencing factors and ecological environment evaluation of soil germanium in Beibu Gulf of Guangxi Zhuang Autonomous Region

[J]. Geology in China, 2020, 47(6):1826-1837.

[本文引用: 2]

梁帅, 朱建新, 戴慧敏, 等.

黑龙江拜泉地区硒元素在土壤原植物系统中的迁移富集规律

[J]. 地质与资源, 2021, 30(4):456-465.

[本文引用: 1]

Liang S, Zhu J X, Dai H M, et al.

Migration and enrichment of selenium in soil-plant system in baiquan area,heilongjiang province

[J]. Geology and Resources, 2021, 30(4):456-465.

[本文引用: 1]

汤彦辉, 程岩, 孙玉龙, 等. 黑龙江省拜泉县耕地地力评价[M]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2016.

[本文引用: 1]

Tang Y H, Cheng Y, Sun Y L, et al. Evaluation of cultivated land in Baiquan County, Heilongjiang Province[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2016.

[本文引用: 1]

李光辉, 崔玉军, 张立, 等. 富锗土壤评价技术要求[M]. 哈尔滨: 黑龙江省市场监督管理局, 2019.

[本文引用: 3]

Li G H, Cui Y J, Zhang L, et al. Technical requirements for germanium-rich soil evaluation[M]. Harbin: Heilongjiang Provincial Administration for Market Regulation, 2019.

[本文引用: 3]

余飞, 张永文, 王宇, 等.

重庆典型农业区富锗土壤分布特征及影响因素

[J]. 地质与资源, 2021, 30(5):609-616.

[本文引用: 3]

Yu F, Zhang Y W, Wang Y, et al.

Distribution characteristics and influencing factors of germanium-rich soil in typical agricultural area of chongqing municipality

[J]. Geology and Resources, 2021, 30(5):609-616.

[本文引用: 3]

刘道荣.

浙江常山县表层土壤锗地球化学特征及影响因素

[J]. 现代地质, 2020, 34(1):97-104.

[本文引用: 2]

Liu D R.

Geochemical characteristics and influencing factors of germanium in surface soil of Changshan County, Zhejiang Province

[J]. Modern Geology, 2020, 34(1): 97-104.

[本文引用: 2]

游桂芝, 鲍大忠, 李丕鹏.

贵州安龙县耕地土壤富锗含量特征及成因探讨

[J]. 贵州大学学报:自然科学版, 2020, 37(5):35-39.

[本文引用: 1]

You G Z, Bao D Z, Li P P.

Germanium content characteristics and cause of germanium-rich soil in Anlong County,Guizhou Province

[J]. Journal of Guizhou University:Natural Science Edition, 2020, 37(5): 35-39.

[本文引用: 1]

夏伟, 段碧辉, 王天一, 等.

恩施州咸丰县土壤—水稻系统锗元素迁移转化及影响因素

[J]. 西南农业学报, 2021, 34(12):2748-2756.

[本文引用: 1]

Xia W, Duan B H, Wang T Y, et al.

Germanium transfer and its influencing factors in soil-rice system in Xianfeng County,Enshi Prefecture

[J]. Southwest Agricultural Journal, 2021, 34(12): 2748-2756.

[本文引用: 1]

Adriano D C, Chino M.

Biogeochemical aspects of lead, germanium and tin

[J]. Main Group Metal Chemistry, 1994, 17:1-4.

DOI:10.1515/MGMC.1994.17.1-4.1      URL     [本文引用: 1]

代杰瑞, 庞绪贵, 喻超, 等.

山东省东部地区土壤地球化学特征及污染评价

[J]. 中国地质, 2011, 38(5):1387-1395.

[本文引用: 1]

Dai J R, Pang X G, Yu C, et al.

Geochemical features and contamination assessment of soil elements in east Shandong Province

[J]. China Geology, 2011, 38(5): 1387-1395.

[本文引用: 1]

Kurtz A C, Derry L A, Chadwick O A.

Germanium-silicon fractionation in the weathering environment

[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2002, 66(9):1525-1537.

DOI:10.1016/S0016-7037(01)00869-9      URL     [本文引用: 2]

Lugolobi F, Kurtz A C, Derry L A.

Germanium-silicon fractionation in a tropical, granitic weathering environment

[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2010, 4(74): 1294-1308.

[本文引用: 1]

Scribner A M, Kurtz A C, Chadwick O A.

Germanium sequestration by soil: Targeting the roles of secondary clays and Fe-oxyhydroxides

[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2006,3- 4(243): 760-770.

[本文引用: 1]

Pokrovsky O S, Galy A, Schott J, et al.

Germanium isotope fractionation during Ge adsorption on goethiteand its coprecipitation with Fe oxy(hydr)oxides

[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2014, 5(131): 138-149.

[本文引用: 1]

李明堂. 锗在土壤—水稻体系内迁移和积累规律的研究[D]. 长春: 吉林农业大学, 2002.

[本文引用: 2]

Li M T. Study on the migration and accumulation of germanium in soil-rice system[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2002.

[本文引用: 2]

Yang J T, Jwang J F, Liao X Y, et al.

Chain modeling for the biogeochemical nexus of cadmium in soil-rice-human health system

[J]. Environment International, 2022, 167:107424-407433.

DOI:10.1016/j.envint.2022.107424      URL     [本文引用: 1]

李明堂, 张月, 赵晓松.

锗在土壤—水稻系统内的迁移和积累规律

[J]. 农业环境科学学报, 2007, 26(1):126-129.

[本文引用: 2]

Li M T, Zhang Y, Zhao X S.

Migration and accumulation of germanium in soil-rice system

[J]. Journal of Agricultural and Environmental Sciences, 2007, 26(1): 126-129.

[本文引用: 2]

Kiyoshi T, Ko-Ling Y.

Soil science and plant nutrition

[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1972, 18(5):173-178.

DOI:10.1080/00380768.1972.10432501      URL     [本文引用: 1]

Oliver W, Balázs S, Christin M, et al.

Germanium in the soil-plant system:A review

[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(32): 31938-31956.

DOI:10.1007/s11356-018-3172-y      URL     [本文引用: 3]

Philippe N, Anna L, Clemens R, et al.

Gemas:Source, distribution patterns and geochemical behavior of Ge in agricultural and grazing land soils at European Continental Scale

[J]. Applied Geochemistry, 2016, 72:113-124.

DOI:10.1016/j.apgeochem.2016.07.004      URL     [本文引用: 1]

李桂珠, 赵丽丽.

金属锗在水稻体内的植物化研究

[J]. 安徽农业科学, 2008, 36(22):9434-9435.

[本文引用: 1]

Li G Z, Zhao L L.

Phytochemical study of metal germanium in rice

[J]. Anhui Agricultural Sciences, 2008, 36(22): 9434-9435.

[本文引用: 1]

Fan B L, Tang M L, Yao L Y, et al.

Germanium fractions in typical paddy soil and its interaction with humic substances

[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2020, 28:9670-9681.

DOI:10.1007/s11356-020-11482-9      URL     [本文引用: 1]

李青仁, 李会, 岳春月, 等.

微量元素锗与人体健康

[J]. 世界元素医学, 2008, 15(3):21-23.

[本文引用: 1]

Li Q R, Li H, Yue C Y, et al.

Trace element germanium and human health

[J]. World Elemental Medicine, 2008, 15(3): 21-23.

[本文引用: 1]

T/GDWJ 003—2020人体头发中38种微量元素健康评价阈值

[S]. 广东省卫生经济学会, 2020.

[本文引用: 3]

T/GDWJ 003—2020 Thresholds for health evaluation of 38 trace elements in human hair

[S]. Guangdong Health Economics Association, 2020.

[本文引用: 3]

廖昌园, 王春红, 陈彬. 营养与健康[M]. 北京: 新华出版社, 2003:104.

[本文引用: 3]

Liao C Y, Wang C H, Chen B. Nutrition and health[M]. Beijing: Xinhua Press, 2003: 104.

[本文引用: 3]

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