鎘和鋅在水稻中的富集特征及其產地土壤安全臨界值

陳朝述 盧華龍 周振明

（廣西師范大學環境與資源學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著經濟快速發展，工業“三廢”和城市生活廢水排放以及農戶不合理使用化肥和農藥，導致我國土壤重金屬污染越來越嚴重，其中南方地區（湖南省、云南省、廣西壯族自治區等）土壤受到鎘、鋅、鉻等重金屬污染尤為嚴重。重金屬通過農作物富集和食物鏈傳遞的方式，對當地居民身體健康構成威脅［1-2］。

水稻（Oryza sativaL.）是我國南方地區主要糧食作物，有研究表明水稻對重金屬鎘有較強的累積效果，因此對水稻重金屬累積特征和安全濃度范圍進行深入研究是很有必要的［3］。筆者通過盆栽試驗，分析鎘、鋅在水稻中的富集特征及水稻中鎘、鋅含量達到安全限值時土壤中鎘、鋅的含量，探討水稻產地土壤中鎘、鋅的環境安全臨界值，指導水稻種植戶合理安排生產。

1 試驗材料與方法

1.1 供試材料

水稻采用廣西壯族自治區農民廣泛種植的品種南粳46，購自桂林市雁山區種子公司，從播種到收獲需要150 d。

供試土壤為桂林市雁山區水稻土。選取正常耕作的水稻田，以“S”形設置10個采樣方塊，采樣方塊長寬為2 m×2 m。試驗人員去除采樣方塊表面土和雜物，用木鏟采集深度2～20 cm土樣，將其裝入編織袋帶回實驗室風干后過孔徑2 mm篩，混合備用。供試土壤pH值5.11、有機碳含量23.83 g/kg、有機質含量41.08 g/kg、全氮含量0.924 g/kg、全磷含量0.70 g/kg。

1.2 試驗設計

采用盆栽模擬試驗，設置不同濃度的鎘和鋅的復合污染處理，鎘、鋅以氯化鎘、硫酸鋅溶液形式加入供試土壤，具體添加濃度如表1所示。試驗設計的鎘、鋅濃度分6個處理水平，每個處理設3個重復。試驗人員取供試土壤加入鎘、鋅，充分混勻后裝入黑色塑料盆，每盆裝土10.0 kg，同時施入氮磷鉀肥作底肥。其中，氮肥為尿素（氮濃度200 mg/kg），磷肥為過磷酸鈣（五氧化二磷濃度150 mg/kg），鉀肥為硫酸鉀（氧化鉀濃度150 mg/kg）。平衡10 d后將在育苗盤中育好的水稻秧苗移栽到黑色塑料盆內，每盆種植6株水稻。在水稻生長過程中，試驗人員按照當地農戶種植水稻的常規方法進行管理。

表1 試驗設計添加的鎘、鋅濃度 mg/kg

1.3 土壤和植物樣品的采集與處理

土壤與水稻的根、莖、葉及水稻籽粒分開收獲，試驗人員用去離子水將植物樣品清洗干凈后放入105 ℃烘箱殺青后60 ℃烘干，水稻籽粒磨碎，谷殼和糙米分開保存。

1.4 監測指標與方法

參考《土壤農業化學分析方法》分析土壤理化指標，植物和土壤中鎘和鋅采用酸消解—原子吸收分光光度計法測定。

1.5 數據處理

重金屬富集系數指重金屬元素含量在植物地上部與相應土壤中的比值。重金屬富集系數越大，表明重金屬越易被植物吸收并進入植物內部［4］。重金屬轉移系數是指植物地上某部位與地下部某重金屬含量的比值。富集系數和轉移系數綜合反映植物對土壤重金屬的吸收和轉移能力［5］。重金屬富集系數=植物各部位重金屬含量/土壤中重金屬含量。重金屬轉移系數=植物某部重金屬含量/地下根部重金屬含量。

試驗所有數據均為3次重復試驗的平均值，數據采用Microsoft Excel 2010進行處理，差異顯著性和回歸方程采用Statistical Product Service Solutions 22.0進行分析。

2 試驗結果與分析

2.1 水稻各部位鎘、鋅的含量

不同處理水平下，鎘、鋅在水稻各部位的含量如表2、表3所示。水稻各部位鎘的含量均隨著土壤鎘處理濃度的升高而增加，最高濃度處理水平（S5）的水稻根、莖、葉、谷殼、糙米的鎘含量分別是對照的4.28、7.42、5.82、7.78和6.40倍。同一處理水平下，除S1葉外，水稻根對鎘的累積量要高于其他各部位對鎘的累積量。除對照外，5個處理水平下水稻根部鎘的平均含量分別為莖、葉、谷殼、糙米的1.17、1.45、1.90、1.63倍，存在明顯差異。除S2谷殼外，隨著處理濃度增加，水稻根、莖、谷殼、糙米中鋅的含量逐漸增加，葉的鋅含量在低濃度處理（S0-S3）時增加，在高濃度處理（S4-S5）時減少。同一處理水平下，水稻根對鋅的累積量大于其他部位。5個處理水平下水稻根部鋅的平均含量分別為莖、葉、谷殼、糙米的1.27、2.70、29.56、1.71倍，差異顯著。

表2 不同處理水平下水稻各個部位鎘的含量 mg/kg

表3 不同處理水平下水稻各個部位鋅的含量 mg/kg

2.2 水稻對鎘、鋅的富集系數（BCF）與轉移系數（TF）

由表4可知，水稻根和莖對鎘的富集系數隨著處理濃度升高而逐漸增加，葉、谷殼、糙米則小幅振蕩，5個處理水平下（S1-S5），水稻根、莖、葉、谷殼、糙米對鎘的富集系數平均值分別為0.50、0.41、0.36、0.26、0.31，說明水稻各部位對鎘有較強的富集能力，其中水稻根對鎘的富集能力最強，谷殼最弱。由表5可知，5個處理水平下（S1-S5），水稻根、莖、葉、谷殼、糙米對鋅的富集系數平均值分別為0.30、0.22、0.13、0.012、0.15，說明水稻根對鋅的富集能力最強，谷殼富集能力最弱。

表4 水稻對鎘的富集系數

表5 水稻對鋅的富集系數

由表6、表7可知，水稻各部位對鎘的轉移能力都比較強，水稻莖對鎘的轉移系數隨著處理濃度的增加而增大，葉、谷殼、糙米對鎘的轉移系數在高濃度處理下（S5）呈現降低趨勢，說明隨著鎘濃度的增加，水稻將鎘累積在莖中，從而阻止了鎘向谷殼和米轉移。鋅在水稻莖、葉和糙米中的轉移能力也較強，在谷殼中較弱。

表6 水稻對鎘的轉移系數

表7 水稻對鋅的轉移系數

2.3 水稻產地土壤鎘、鋅的安全臨界值

鎘、鋅含量以土壤和水稻糙米的測定結果為依據，采用朱立新回歸分析法［6］，擬合土壤中重金屬含量（Y）和水稻糙米中重金屬含量（X）的相關關系，建立線性回歸模型（見表8）。根據《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）和《糧食（含谷物、豆類、薯類）及制品中鉛、鎘、鉻、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》（NY 861—2004），糙米中鎘、鋅的最大允許量分別為0.2 mg/kg和50 mg/kg。通過回歸方程可知，水稻土壤中鎘安全臨界值為0.805 mg/kg，鋅的安全臨界值為277.8 mg/kg。

表8 鎘、鋅在水稻糙米中含量（X）與土壤中的含量（Y）回歸方程及土壤安全臨界值

以《食用農產品產地環境質量評價標準》（HJ/T 332—2006）中土壤限值規定：pH＜6.5，鎘≤0.3 mg/kg，鋅≤200 mg/kg。此次研究測算的產地土壤鎘、鋅安全臨界值均超過限值，其中鎘達到限值的2.68倍，表明產地土壤環境安全臨界值與土壤中重金屬限值存在較大差異。宋波等［7］指出，近年來由于各種原因導致土壤鎘含量逐漸積累，廣西壯族自治區西江流域土壤鎘背景值達到了0.514 mg/kg，與此次研究所采土壤鎘含量（0.62 mg/kg）相似。在這種條件下，當地土壤鎘含量還可以存在約0.3 mg/kg的緩沖，此時農田種植的水稻仍然可以安全食用。此外，此次研究試驗用土的pH值比較低，水稻種植戶可以通過合理施用化肥或者拋撒石灰的方式提高土壤pH值，降低重金屬鎘鋅的活性，從而減少農作物對重金屬的吸收，進一步提高農產品質量安全。

3 結論

水稻各器官中的鎘、鋅含量均隨著土壤鎘、鋅濃度的上升而增加，根中的鎘、鋅含量顯著高于糙米。整體來看，水稻根部對鎘、鋅的富集能力最強，谷殼富集能力最弱。

水稻糙米中鎘、鋅的產地土壤安全臨界值分別為0.805、277.8 mg/kg，對于此次試驗土壤，鎘和鋅超標不一定會造成危害，農作物產品是否安全不能只關注土壤的重金屬污染程度。因此，在產地農作物種植實踐中，研究人員需要進一步研究關于農作物產品安全和產地土壤環境安全的統一問題，水稻種植戶需要充分考慮作物對重金屬累積的差異，做出科學合理的規劃。參考文獻：［1］趙雄，李福燕，張冬明，等.水稻土鎘污染與水稻鎘含量相關性研究［J］.農業環境科學學報，2009（11）：2236-2240.［2］范中亮，季輝，楊菲，等.不同土壤類型下Cd和Pb在水稻籽粒中累積特征及其環境安全臨界值［J］.生態環境學報，2010（4）：792-797.［3］覃都，陳銘學，周蓉，等.錳-鎘互作對水稻生長和植株鎘、錳含量的影響［J］.中國水稻科學，2010（2）：189-195.［4］仲曉春，陳京都，郝心寧.水稻作物對重金屬鎘的積累、耐性機理及栽培調控措施進展［J］.中國農學通報，2015（36）：1-5.［5］李鳴，吳結春，李麗琴.鄱陽湖濕地22種植物重金屬富集能力分析［J］.農業環境科學學報，2008（6）：2413-2418.［6］劉昭兵，紀雄輝，田發祥，等.不同基因型甘薯（Ipomoea batatasLam．）吸收累積Cd的特征差異性研究［J］.農業環境科學學報，2010（9）：1653-1658.［7］宋波，楊子杰，張云霞，等.廣西西江流域土壤鎘含量特征及風險評估［J］.環境科學，2018（4）：1888-1900.