種植制度對水稻籽粒鉛、鎘含量的影響

羅 芬，張玉盛，周 亮，田 偉，肖 峰，張小毅，敖和軍*

（1.湖南農業大學農學院，長沙410128；2.南方糧油協同創新中心，長沙410128；3.華南農業大學資源環境學院，廣州510642）

鎘和鉛均是最具生物毒性的重金屬元素[1]。在受重金屬污染的農田，水稻籽粒會富集較多的鉛、鎘，并通過生物鏈嚴重危害人體健康[2]。近年，我國的耕地重金屬污染超過2.0×107km2，由此引發了稻米鉛、鎘含量超標問題[3]。為了保障糧食的食用安全，探究水稻籽粒中重金屬鉛、鎘含量的降低途徑意義重大。現有研究主要從水稻根系對重金屬的吸收和重金屬向水稻籽粒的轉運兩個方面入手[4]。淹水灌溉、施用堿性物質和基施有機肥均可改變土壤中重金屬的賦存形態，從而降低水稻根系對重金屬的吸收積累[5-8]。噴施含有二價陽離子的葉面阻控劑能夠與鎘離子競爭轉運蛋白，從而阻礙鎘離子向水稻籽粒中的轉運[9-10]。種植制度是一種長期影響土壤理化性質的農藝措施，但從種植制度角度開展對水稻重金屬積累的研究較少。在理論上，種植制度中的不同作物類型會在生長過程中潛移默化地改變土壤結構，進而通過影響氧化還原電位來改變土壤中重金屬的賦存形態[11]。種植后的還田秸稈也會通過影響土壤pH、有機質含量和微生物群落組成，來促使不同形態間重金屬的相互轉變[12-13]。王騰飛[14]通過盆栽試驗發現，稻-稻-紫云英和稻-稻-油菜的種植制度能夠提高土壤pH，并降低土壤中有效態鎘和有效態鉛的含量。然而迄今為止，在田間關于種植制度的長期實施對水稻籽粒鉛、鎘含量及變化的影響，國內還未見相關文獻報道。故本試驗通過在衡陽和岳陽兩個地區，連續大田定位3 a 實施不同的種植制度，比較不同種植制度對水稻籽粒中鉛、鎘含量的影響差異，探討其差異的來源，為重金屬污染地區的種植制度選擇提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

本試驗在湖南省衡陽市農業科學研究所試驗基地和岳陽市農業科學研究所試驗基地開展。衡陽市農業科學研究所試驗基地（26°53′N，112°29′E）海拔73 m，氣候類型為亞熱帶季風性濕潤氣候，土壤類型為水稻土。表層土壤（0～20 cm）中土壤有機碳含量18.41 g·kg-1、全氮2.66 g·kg-1、全磷0.73 g·kg-1、全鉀6.55 g·kg-1、全鉛406.3 mg·kg-1、全鎘0.65 mg·kg-1、pH 5.38。岳陽市農業科學研究所試驗基地（28°57′N，112°44′E）海拔40 m，氣候類型為亞熱帶季風性濕潤氣候。土壤為洞庭湖沉積物發育的潮土，土壤質地為黏壤。表層土壤（0～20 cm）中土壤有機碳含量19.55 g·kg-1、全氮2.61 g·kg-1、全磷0.76 g·kg-1、全鉀7.16 g·kg-1、全鉛319.3 mg·kg-1、全鎘0.42 mg·kg-1、pH 5.94。

1.2 試驗設計與田間管理

試驗從2016 年開始，在衡陽和岳陽兩個地區，同時開展大田長期定位種植制度試驗。種植制度設3 種處理：（1）稻-稻-紫云英（簡稱稻-稻-肥）；（2）稻-稻-冬閑（稻-稻-閑）；（3）稻-稻-油菜（稻-稻-油）；隨機區組排列，重復3 次，共計9 個小區，衡陽和岳陽的試驗小區面積分別為45.4 m2和35.5 m2。各個小區用田埂隔離，單獨排灌，每季的小區位置固定不變。

試驗采用水稻季（早稻和晚稻）翻耕后機械插秧、冬季作物（紫云英和油菜）免耕直接播種的種植方式。早、晚稻品種均為秈型常規水稻品種中早39。冬季油菜品種為湘油104，用種量為9.0 kg·hm-2。紫云英用種量為97.5 kg·hm-2。水稻秧苗采用硬盤育秧，移栽時的株行距為11 cm×25 cm，每穴7～8 苗。早稻在當年4 月12 日播種，23 d 后移栽；晚稻于當年7 月10日播種，19 d后移栽。油菜和紫云英在晚稻收獲前一周直播。

冬閑時期和紫云英生長時期不施肥，其他每季作物施肥量均一致。氮肥每季用量120 kg·hm-2，分水稻或油菜基施50%、水稻分蘗期或油菜苗期20%、水稻穗期或油菜抽苔期30% 3 次施用。磷肥每季用量67.5 kg·hm-2，一次性基施。鉀肥每季用量120 kg·hm-2，分水稻或油菜基施50%、水稻穗期或油菜抽苔期50% 2 次施用。供試氮肥為尿素（N 46.4%），磷肥用鈣鎂磷肥（P2O517%），鉀肥用氯化鉀（K2O 60%）。稻草和油菜秸稈、紫云英全部用于翻耕還田。試驗日常管理參考當地的種植習慣，嚴格防治病蟲害。

1.3 測定項目與方法

水稻籽粒鉛、鎘含量：在水稻成熟后，每小區取10 穴，人工脫粒。待到谷粒曬干后，用小型糙米機脫去谷殼得到水稻籽粒，再用不銹鋼粉碎機將水稻籽粒打成細粉，供消化使用。每份樣品稱取0.200 0 g，采用10 mL 混酸（HNO3∶HClO4=4∶1）濕法消解；消化至消化液約為1 mL，冷卻后用2%的稀硝酸定容至50 mL 的容量瓶中，過濾后用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，Agilent7700x，USA）測定溶液中鎘和鉛濃度，標準溶液采用ICP混合標準溶液。

土壤pH：早稻移栽前期，采用五點法取稻田土壤，自然風干后，過100 目尼龍篩備用，用pH 計（哈希H160NP 便攜式pH 計）測定，水采用燒沸冷卻后的無CO2超純水，水土比5∶1。

土壤有效態鉛、鎘含量：早稻移栽前期，采用五點法取稻田土壤，自然風干后，過100 目尼龍篩備用。土壤有效態鉛、鎘用DTPA 試劑提取，振蕩提取后過濾，濾液用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，Agilent7700x，USA）測定溶液中鎘和鉛濃度，標準溶液采用ICP混合標準溶液。

1.4 數據處理

采用Excel 2016軟件作圖，利用SPSS 22.0軟件進行方差分析，不同處理間利用Duncan 新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 種植制度對水稻籽粒鎘含量的影響

2.1.1 種植制度對早稻籽粒鎘含量的影響

由圖1 可知，在岳陽和衡陽地區，不同種植制度的早稻籽粒鎘含量，隨種植年限的變化呈現出相同的變化趨勢。在2016—2018年期間，稻-稻-油、稻-稻-肥和稻-稻-閑處理的早稻籽粒鎘含量都表現出先升高后降低的規律，即相比于2016年，2017年的早稻籽粒鎘含量顯著提高后，2018 年的早稻籽粒鎘含量又迅速回落，這可能與不同種植制度的還田秸稈在稻田里的腐解年限有關。無論是在衡陽地區，還是在岳陽地區，連續3 a 實施稻-稻-油種植制度后的早稻籽粒鎘含量都低于其他處理，這說明稻-稻-油是一種有效降低早稻籽粒鎘含量的種植制度。從地區看，在種植的第二年，衡陽地區的各個處理早稻籽粒鎘含量都超出了《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017），超出范圍在19.5%～64.0%，而岳陽各處理的早稻籽粒鎘含量在3 a 里均符合國家標準。整體來看，衡陽3 種種植制度的早稻籽粒，其3 a 的鎘平均含量為0.16 mg·kg-1，高出岳陽早稻籽粒鎘含量的60%。

2.1.2 不同種植制度對晚稻籽粒鎘含量的影響

由圖2 可知，在延續種植制度的第二年，衡陽地區各處理的晚稻籽粒鎘含量都顯著升高，變化范圍在60.92%～122.82%。第三年，稻-稻-油處理的晚稻籽粒鎘含量相比于上一年出現較大的降幅（-43.43%），而稻-稻-閑的晚稻籽粒鎘含量卻提高了47.82%，高于稻-稻-油（P＜0.05）和稻-稻-肥。最終各處理的晚稻籽粒鎘含量高低表現為稻-稻-閑＞稻-稻-肥＞稻-稻-油。

圖1 種植制度對早稻籽粒鎘含量的影響Figure 1 Effect of cropping system on cadmium content in grain of early rice

在岳陽地區，實施不同種植制度的3 a中，稻-稻-閑的晚稻籽粒鎘含量表現出先顯著增高，后保持不變的規律，而稻-稻-油和稻-稻-肥的晚稻籽粒鎘含量沒有出現顯著的變化，一直圍繞著食安線上下浮動。在種植3 a 后，稻-稻-閑的晚稻籽粒鎘含量為0.46 mg·kg-1，分別是稻-稻-肥和稻-稻-油的2.71倍和1.88倍，稻-稻-肥和稻-稻-油處理之間沒有顯著差異。

2016—2018 年，衡陽和岳陽地區的晚稻籽粒平均鎘含量分別為0.53 mg·kg-1和0.27 mg·kg-1，超出國家谷物食品安全標準的165%和35%。

2.2 種植制度對水稻籽粒鉛含量的影響

2.2.1 種植制度對早稻籽粒鉛含量的影響

由圖3 可知，在2016 年和2017 年里，衡陽地區的稻-稻-肥、稻-稻-閑和稻-稻-油處理的早稻籽粒鉛含量有所上升，但幅度不大，沒有顯著差異。然而，在2018 年，各處理的早稻籽粒鉛含量迅速提高到上一年的3.88～4.40 倍，稻-稻-肥、稻-稻-閑和稻-稻-油3個處理之間的早稻籽粒鉛含量沒有顯著差異。

在岳陽地區，稻-稻-肥處理的早稻籽粒鉛含量逐年遞增，第三年早稻籽粒鉛含量顯著高于第一年（高出51.09%）。在種植的前兩年，稻-稻-閑處理的早稻籽粒鉛含量沒有出現顯著變化。但在種植的第三年，稻-稻-閑的早稻籽粒鉛含量相比于上一年顯著降低，降幅達到了59.44%。稻-稻-油處理的早稻籽粒鉛含量變化與早稻籽粒鎘含量變化一致，都呈現出先升高后下降的規律。在連續種植3 a 后，稻-稻-肥處理的早稻籽粒鉛含量最高，達到了1.46 mg·kg-1，分別高于稻-稻-油和稻-稻-閑處理58.34% 和56.80%，稻-稻-油和稻-稻-閑之間沒有顯著差異。

2016—2018 年，岳陽的早稻籽粒鉛平均含量為1.17 mg·kg-1，是國家谷物食品安全標準的5.85 倍，但遠低于衡陽的早稻籽粒鉛平均含量（2.68 mg·kg-1）。

圖2 種植制度對晚稻籽粒鎘含量的影響Figure 2 Effect of cropping system on cadmium content in grain of late rice

圖3 種植制度對早稻籽粒鉛含量的影響Figure 3 Effect of cropping system on lead content in grain of early rice

2.2.2 種植制度對晚稻籽粒鉛含量的影響

圖4 表明，在衡陽地區，隨著種植年限的增加，稻-稻-肥處理的晚稻籽粒鉛含量也不斷提高，相比于第一年，第三年的晚稻籽粒鉛含量提高了1.95 倍，存在顯著差異。但稻-稻-閑種植制度對晚稻籽粒鉛含量的變化影響不大，而稻-稻-油對晚稻籽粒鉛含量的影響則表現為先升高后降低。在種植的第三年，晚稻籽粒鉛含量表現為稻-稻-肥＞稻-稻-油＞稻-稻-閑，稻-稻-油、稻-稻-閑相比于稻-稻-肥分別降低了60.09%和48.60%，且差異顯著，稻-稻-油和稻-稻-閑處理之間差異不顯著。

在岳陽地區，稻-稻-肥處理的晚稻籽粒鉛含量在前兩年基本不變，第三年上升32.16%。稻-稻-閑和稻-稻-油處理的晚稻籽粒鉛含量變化都呈現出：前期升高，后期降低。在種植3 a后，各處理的晚稻籽粒鉛含量表現為稻-稻-肥＞稻-稻-閑＞稻-稻-油，稻-稻-油相比于稻-稻-閑和稻-稻-肥，分別降低了32.21%和39.38%。

2016—2018 年，衡陽地區的晚稻鉛平均含量為1.37 mg·kg-1，是國家谷物食品安全標準的6.85 倍，比岳陽地區高出0.47 mg·kg-1。

2.3 種植制度對土壤pH和有效態重金屬含量的影響

由表1 可知，在衡陽和岳陽地區，種植第三年的稻-稻-油處理土壤pH 相比第一年均顯著提高，上升幅度分別為8.67%和10.33%。稻-稻-肥處理的土壤pH 同樣有所提高，但其提高幅度要低于稻-稻-油。而稻-稻-閑處理的土壤pH，雖隨著種植年限的增加有小幅上揚的趨勢，但并沒有出現顯著差異。

圖4 種植制度對晚稻籽粒鉛含量的影響Figure 4 Effect of cropping system on lead content in grain of late rice

表1 種植制度對土壤pH、有效態鎘和有效態鉛的影響Table 1 Effect of planting system on soil pH，available Cd and available Pb

各處理對土壤有效態鎘含量均表現為先上升后下降的規律，其中岳陽地區土壤有效態鎘含量的上升和下降幅度均達到顯著水平，即岳陽地區各處理的有效態鎘含量在種植的第二年表現為顯著上升（22.05%～28.16%），而在第三年顯著降低（15.56%～38.12%）。在衡陽地區，各處理土壤的有效態鉛含量在前兩年沒有顯著差異，而在第三年各處理的有效態鉛含量一致表現為顯著升高，這有可能是遭遇了未知的外源鉛污染。在岳陽地區，不同處理間土壤有效態鉛含量的變化規律表現不一致。稻-稻-油處理的土壤有效態鉛含量表現出先上升后顯著降低的規律。而稻-稻-肥和稻-稻-閑都會促進土壤中有效態鉛含量的提高，尤其以稻-稻-肥處理對土壤有效態鉛含量的促進作用最大，相比于實施稻-稻-肥種植制度的第一年，第三年土壤的有效態鉛含量提高了13.32%。

2.4 季別對水稻籽粒鉛、鎘含量的影響

由表2 可知，季別對水稻籽粒鉛、鎘含量具有顯著的影響。在2016—2018 年，晚稻籽粒中鎘的含量都顯著高于早稻，高出118.93%～429.11%，這說明在晚稻季，水稻對重金屬鎘的吸收積累能力更強。然而，在水稻籽粒的鉛含量上卻表現出相反的規律，連續3 a 晚稻籽粒中鉛含量要低于早稻，減少了10.71%～59.20%，且在2016 年和2018 年表現出顯著差異。這一結果表明，處于早稻季的水稻籽粒積累重金屬鉛的能力要強于晚稻生育期內的水稻。

3 討論

3.1 種植制度影響水稻籽粒重金屬含量的途徑

“源-庫-流”模型常用來描述事物之間的相互關系，揭示供應者、接受者、流通途徑三者之間的內在規律，在各個領域得到廣泛應用[15]。本研究首次將“源-庫-流”模型用于水稻籽粒重金屬累積過程的描述，以期系統闡明水稻籽粒重金屬污染的治理方向和探討種植制度對水稻籽粒重金屬含量影響的途徑。在“源-庫-流”模型中：“源”代表稻田土壤里的有效態重金屬庫容，“庫”是指水稻中能貯藏重金屬的器官，“流”包括水稻根系對土壤重金屬的吸收和水稻各器官將重金屬轉運到籽粒的過程。這三者相互作用，相互制衡，共同決定水稻籽粒的重金屬含量。

“源”的大小受到土壤pH、氧化還原電位和有機質含量的影響[3]。不同種植制度之間對水稻籽粒重金屬含量影響的差異，主要來自于不同的還田秸稈類型和還田時間對稻田有機質含量和土壤pH 的影響[14]。因此，種植制度是通過秸稈還田來影響“源”的大小，從而改變水稻籽粒中重金屬的含量。秸稈還田對“源”的作用，不是抑制或促進的“二元對立論”，而是此消彼長的動態平衡。一方面，秸稈本身能原位鈍化重金屬，在還田后能提高土壤pH[16]，以及形成多絡合位點的復雜有機物來抑制“源”的大小[12]；另一方面，秸稈還田后溶出的可溶性有機碳（DOC）會促進重金屬的溶出，使“源”增大[17]。秸稈還田后，究竟是表現出對“源”的抑制作用，還是促進作用，需要根據具體條件來判斷。這就很好地解釋了長期以來存在的爭議：一部分學者的研究結果表明秸稈分解后會增加土壤中有效態重金屬水平，提高水稻籽粒中的重金屬積累[18]；而另一部分學者則認為秸稈還田有利于鈍化土壤中重金屬，降低水稻籽粒中的重金屬含量[19]。

本試驗結果表明，在實施稻-稻-肥、稻-稻-閑和稻-稻-油的種植制度3 a 后，水稻籽粒鉛和鎘的含量總體表現出先升后降的規律，這可能是由于各種植制度的還田秸稈的腐解過程使土壤有效態重金屬含量和pH 不斷發生動態變化，進而影響水稻籽粒對鉛和鎘的吸收積累。在秸稈還田前期，秸稈中易分解的糖類等物質在微生物的作用下生成大量的DOC 和有機酸[20-21]，從而促進了土壤中鉛和鎘的活化，使第二年種植的水稻對重金屬的吸收積累有所提高；而在秸稈還田后期，秸稈中難分解的半纖維素、纖維素和木質素部分經過漫長的腐殖化過程[21]，逐漸形成并累積了大量的腐殖質，腐殖質與重金屬離子結合成穩定的鹽類，并且土壤pH 不斷升高[22]，這兩者共同作用降低了土壤有效態鉛和有效態鎘含量。此時，秸稈還田對“源”的抑制作用要大于促進作用，從而導致了種植第三年水稻籽粒鉛和鎘含量下降的現象。在種植的第三年，稻-稻-油處理的鎘含量一般要低于稻-稻-肥和稻-稻-閑，這是因為稻-稻-油處理的還田秸稈為油菜秸稈，而油菜秸稈中富含巰基化合物，其能與鎘螯合，且礦質化后形成的硫離子可以與鎘共沉淀[23-25]，顯著降低土壤有效態鎘含量，減少水稻籽粒對鎘的累積。稻-稻-肥處理的水稻籽粒鉛含量在種植3 a 后最高，這可能是因為還田的紫云英富集鉛的能力大，且其莖稈柔韌多汁，纖維素和木質素等含量較少，經微生物分解后形成的腐殖質少，螯合鉛的能力弱[26-27]，反而提高了土壤中有效態鉛的含量，促進水稻籽粒對鉛的吸收。

表2 季別對水稻籽粒鉛、鎘含量的影響Table 2 Effects of different seasons on the contents of Pb and Cd in rice grains

總之，種植制度對水稻籽粒鎘和鉛的影響，主要是通過秸稈還田的時間長短和還田秸稈的類型所實現的。

3.2 季別與地區對水稻籽粒鉛、鎘含量的影響

連續3 a，在衡陽地區和岳陽地區，季別間水稻籽粒鎘含量都表現出晚稻高于早稻的特征。這可能與種植過程的氣象因子相關，湖南地處亞熱帶季風氣候區，大部分的降雨量集中在3—7 月，這個階段正值早稻季，充沛的雨水會將水稻根周的土壤沉降到深層土壤中，減少了水稻根系與鎘的接觸；加之田間空氣濕度高，水稻蒸騰作用弱，將土壤溶液中的鎘轉移到水稻籽粒的蒸騰拉力不足[9]。而晚稻季為6—10 月，此時田間氣溫較高，一方面會加快水稻的蒸騰作用，促進水稻根系對水分的吸收和轉運，在此過程中，土壤溶液中的養分和有效態鎘也會隨著水分，共同進入水稻體內參與新陳代謝過程[28]；另一方面，高溫會促進水稻根系釋放植物鐵螯合物（Phytosiderophore，PS）[29]，植物鐵螯合物會結合土壤中的鐵以螯合物的形式進入水稻體內。而鎘與鐵共用一套螯合轉運系統[30]，因此它會伴隨著鐵從土壤中遷移到水稻體內，并逐漸累積。早稻籽粒的鉛含量連續3 a 都高于晚稻，這與季別對水稻籽粒中鎘積累的影響恰恰相反，表現出一定程度的拮抗作用。這有可能是因為鎘和鉛在水稻體內的轉運需要競爭結合相同的轉運蛋白，因此當水稻體內鎘含量較高時，會阻礙鉛向水稻籽粒轉運和積累，但也有可能是溫度、水分和光照影響土壤中鉛的空間分布以及水稻體內相關鉛轉運蛋白的基因表達。在鉛、鎘復合污染地區，鉛和鎘在氣象因子的影響下會產生怎樣的環境化學行為，以及與水稻體內的相關基因表達的交互關系，值得進一步研究探明。

衡陽地區的水稻籽粒鉛、鎘含量一般要遠高于岳陽地區，而且衡陽地區的鉛污染在種植的第三年有進一步擴大的趨勢。這可能是因為，一方面衡陽地區藏有較多的有色金屬礦產[31]，土壤鉛、鎘的背景值高；另一方面在開采礦物的過程中沒有嚴格控制污染物的排放，導致鉛、鎘以灌溉水和大氣沉降的形式進入稻田生態系統，加重了稻田重金屬污染。故在有色金屬礦產資源豐富的地區，需要提高礦產開采時產生的廢棄物排放標準，以及建立完善的稻田重金屬實時監測體系，從根源上防范重金屬污染風險。

4 結論

（1）2016—2018 年間，稻-稻-紫云英、稻-稻-油菜和稻-稻-冬閑種植制度下，水稻籽粒鉛、鎘含量變化總體呈現先升高后下降的趨勢。

（2）從總體來看，相比于稻-稻-紫云英和稻-稻-冬閑，稻-稻-油菜的種植制度能顯著降低水稻籽粒鉛、鎘含量，這是由于稻-稻-油菜的種植制度能顯著提高土壤pH，并降低土壤中有效態鉛和有效態鎘的含量。稻-稻-紫云英的種植制度會促進土壤有效態鉛含量的提高，顯著增加水稻籽粒對鉛的積累，有增大稻米鉛含量超標的風險。

（3）湖南地區早稻品種中早39，在晚稻季的籽粒鎘累積能力顯著強于早稻季，而鉛累積能力顯著低于早稻季。