粵北地區鎘(Cd)污染農田低累積水稻種植風險研究

關鍵詞：低累積水稻；農田；糙米；鎘；風險

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A

前言

隨著近年來中國工業化進程不斷發展，加劇了礦產資源的開發和利用，使得越來越多的重金屬被排放到自然界中，造成土壤重金屬污染。2014年的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，中國耕地Cd污染尤為突出，已成為中國土壤的主要污染物。土壤中過量的Cd會通過植物吸收富集作用在植物體內累積，不僅會降低農作物的產量和品質，還會通過食物鏈傳遞，危害人體健康。因此，針對農田土壤Cd污染防治，實現Cd污染農田安全利用，保障人民的生命健康安全，已受到全社會的廣泛關注。

粵北韶關是中國著名的有色金屬之鄉，礦山采選及冶煉工業發達，由于長期遭受礦區及冶煉廠三廢的影響，周邊農田重金屬污染情況非常嚴重，尤其Cd污染，已成為當地農田重金屬污染的主要因素。水稻是粵北地區的主要糧食作物，是粵北人民的主要口糧來源，其生長過程易對重金屬產生富集作用，進而威脅人民健康。已有研究表明，不同作物品種對土壤中重金屬吸收富集能力存在較大差異，這與作物的遺傳特性、生理特性、根系分泌物以及重金屬在植物體內的轉運和分配機制等都有關系。利用植物這一特性，通過在重金屬污染土壤上種植低累積作物品種，減少和控制作物對有毒重金屬的積累量，從而保證糧食及其制成品的食用安全，實現受污染土地的安全利用。為探究粵北中度Cd污染農田通過種植低累積品種水稻，從而實現安全利用的可行性，通過盆栽試驗，從華南地區普遍種植的水稻品種中篩選出Cd低累積水稻品種，并在粵北Cd污染農田開展低累積水稻種植試驗。考慮到粵北地區是華南地區重要的雙季水稻種植區，因此，在選定試驗區連續種植早、晚兩季水稻，分別測定早、晚稻糙米、谷殼和秸稈的Cd含量以及收獲水稻后土壤的Cd有效態含量，以評估低累積水稻在粵北Cd污染農田種植風險，這一研究有利于指導粵北Cd污染區農民做好水稻安全生產，為后續粵北Cd污染農田修復及安全利用提供一定的參考。

1材料與方法

1.1供試土壤

盆栽試驗：盆栽土壤取自韶關市仁化縣某地試驗田，該試驗田土壤成土母質為第四紀沉積物母質，土壤風干、磨碎、混勻后過6 mm篩備用，測得土壤基本理化性質如表1所示，土壤Cd全量為3.76 mg·kg^-1，遠高于《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）中的風險篩選值（0.3mg·kg^-1，pH≤5.5）。單因子指數法是國內通用的一種評價土壤重金屬污染程度的方法，依據該方法，對盆栽土壤污染程度進行評估，污染物Cd背景值參考廣東省韶關市《土壤環境背景值》（DB 4402/T 08-2021）中算術平均值，計算得到其土壤的Cd環境質量指數P_i為8.53，根據土壤污染分級標準（NY/T 395-2000），該盆栽土壤屬于重度Cd污染水平（P_igt;3.0）。

田間試驗：田間試驗在韶關市仁化縣某地開展，選取試驗田土壤理化性質如表2所示，土壤pH值為5.73～5.96，Cd全量為0.95～1.30 mg·kg^-1，由單因子指數法計算得該試驗田Cd環境質量指數Pi為2.45～2.95，根據NY/T 395-2000，該地塊屬于中度Cd污染水平（2.0i≤3.0）。同時，由Hakanson潛在生態危害指數法，計算其Cd潛在生態危害系數Eri為95～130，屬于強生態危害（80≤Erilt;160），因此，該地塊對農作物生長、農產品質量安全、土壤生態環境均存在一定的風險。

1.2供試植物

盆栽試驗：供試水稻選取當地普遍種植的水稻品種，包括雜交稻：天優390、博優998、金稻優998和株兩優4026；常規稻：香絲苗、長絲苗、CNC1號和粵粘絲苗，共計8個品種。

田間試驗：選種盆栽試驗優選出的低累積水稻品種。

1.3試驗方案

盆栽方案：試驗每盆裝4 kg干土，施加底肥（硅肥10 mg·kg^-1、氮肥150 mg.kg^-1、磷肥100 mg·kg^-1和鉀肥150 mg·kg^-1），加水至土壤表層4 cm～6 cm，置于陽光棚平衡一周，每個品種設置3個平行，共計24盆。所有水稻品種采用育苗盤和育苗基質進行育苗。育苗前先對種子進行翻曬，用0.1%～0.2%的高錳酸鉀溶液浸種24 h，然后用清水沖洗凈，撈出催芽、播種，25天后移栽，每盆2～3株。水稻生長期水分管理整體遵循深水返青、淺水分蘗、有水壯苞和干濕壯籽的原則。

田間試驗：試驗區總面積約為60m²，表層黏土厚度約為0 cm～20 cm。將試驗田均勻分成3個小區，每個小區約20m²，并連續種植早、晚稻各一季，小區試驗采用人工移栽的插秧方式，早稻3月栽種，6月下旬收割，晚稻7月初栽種，10月下旬收割。各小區水肥管理參照當地農戶水稻種植習慣進行。

1.4樣品采集與處理

水稻樣品：盆栽試驗水稻成熟后，剪下稻穗，手動敲打脫粒，曬干后脫殼，將糙米磨粉，保存備用。田間試驗每季水稻成熟后，按5點采樣法采樣，每區采集1個樣品，共采集3個樣品，早稻與晚稻取樣位置保持大致相同，水稻脫粒后洗凈曬干，脫殼后，將糙米、谷殼分別用碎樣機粉碎，保存于塑料自封袋待測；水稻秸稈先用自來水洗凈表面沾附的泥土等雜質，再用蒸餾水漂洗，晾干后置于50℃烘箱中烘干至恒重，切碎后用碎樣機粉碎，保存于塑料自封袋中待測。

土壤樣品：盆栽試驗在混勻過篩后土壤的不同位置采集土樣，繼續磨碎后分別過10目和100目篩備用。田間試驗在每季水稻收割后，用5點采樣法采集試驗小區表層（0cm～20cm）土壤樣，早稻與晚稻土壤取樣位置保持大致相同，土樣自然風干后用木槌敲碎，去除樣品中的石塊、植物根莖等雜質，磨碎后分別過10目和100目篩備用。

1.5樣品分析

水稻Cd分析：水稻樣品（糙米、谷殼及秸稈）采用HNO₃-H₂O₂法（5：1，V/V）微波消解儀（美國，Ethosl）消解后，用ICP-MS（NexION 300X型）測定Cd含量。

土壤Cd分析：土壤Cd全量采用“HNO₃-HCl-HF-HClO₄”法于電熱板250℃下消解，以Rh作內標，用ICP-MS測定。土壤樣Cd有效態含量分析采用DTPA浸取法，用ICP-MS測定。

土壤pH測定：玻璃電極法，土水質量比1：2.5，采用Sartorius PB-10型pH計測定。

土壤CEC測定：采用氯化鋇法，用ICP - OES（Optima 8000型）測定。

土壤有機質分析：采用重鉻酸鉀一外加熱法。

土壤堿解N：采用堿解擴散法。

土壤速效K：采用醋酸銨浸提法，ICP - OES測定。

土壤有效P：采用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/LH2S04浸提法，用Spectrumlab S22PC可見分光光度計測定。

1.6數據處理

實驗數據采用Microsoft Excel和SPASS26進行分析處理。生物富集系數（BCF）=稻米鎘質量分數／土壤鎘質量分數。

2結果與分析

2.1盆栽試驗結果分析

盆栽試驗糙米Cd含量顯示（見圖1），在種植的8個水稻品種中，有7個水稻品種糙米的Cd含量超標，超標占比87.5%，只有長絲苗水稻糙米Cd含量為0.13 mg·kg^-1，低于《食品安全國家標準》（GB2762-2017）的Cd限量值0.2 mg·kg^-1。其次為金稻優998，其糙米Cd平均含量為0.23mg·kg^-1，略高于GB 2762-2017中的Cd限量值。其它6個品種的水稻糙米Cd含量均超標較為嚴重，含量最高的天優390品種已超出限量值的3.55倍，表明天優390相較其它水稻品種更易富集土壤中的Cd，屬于對土壤Cd較為敏感的水稻品種，不適宜在受Cd污染農田種植。8個水稻品種中，糙米Cd平均含量由高到低依次為：天優390gt;香絲苗gt;CNC1號gt;粵粘絲苗gt;博優998gt;株兩優4 026gt;金稻優998gt;長絲苗，且對糙米Cd的顯著性分析顯示（如圖1所示），長絲苗糙米的Cd含量與其它7個品種糙米Cd含量均存在顯著性差異（Plt;0.05）。生物富集系數（BCF）是表征化學物質被生物濃縮或富集在體內程度的指標，水稻糙米的Cd生物富集系數可以反映水稻從土壤環境中吸收或攝取重金屬Cd的能力。8個水稻品種糙米的生物富集系數如表3所示，其中長絲苗糙米的Cd生物富集系數最小，表明其從土壤中攝取重金屬Cd的能力最弱，因此，長絲苗是華南地區普遍種植的水稻品種中，對Cd吸收累積能力相對較弱的品種。（注：不同小寫字母表示差異顯著（Plt;0.05），相同小寫字母表示差異不顯著（Pgt;0.05）。）

2.2田間試驗結果分析

2.2.1水稻Cd含量分析

對試驗田長絲苗水稻糙米、谷殼及秸稈Cd含量分析如圖2所示，在自然生長條件下，粵北Cd中度污染農田直接種植的兩季低累積水稻，其糙米的Cd含量均高于GB 2762-2017中Cd限值，其中早稻糙米的Cd平均含量為0.504 mg·kg^-1，高于標準值的2. 52倍，晚稻糙米Cd平均含量為0.976mg·kg^-1，高于標準值的4.88倍，早稻糙米、谷殼及秸稈中Cd含量均低于晚稻，且與晚稻各部位Cd含量存在顯著性差異（Plt;0.05），晚稻中糙米、谷殼及秸稈中Cd含量相較早稻分別提高了93.7%、400.2%和61.1%。因此，自然條件下，在粵北中度Cd污染農田，僅僅通過種植低累積水稻的方法，并不能滿足產出的稻米質量合格，無法實現受（注：不同小寫字母或疊加對應符號表示差異顯著（Plt;0.05），相同小寫字母或疊加對應符號表示差異不顯著（Pgt;0.05）。）污染農田的安全利用，且晚稻種植風險要比早稻更高，對人體可能造成的潛在危害也更大。但早稻糙米及谷殼中Cd含量均顯著低于國家《飼料衛生標準》GB 13078-2017中Cd的限值（1.0 mg/kg），因此，早稻稻谷可作為動物養殖飼料。晚稻糙米的Cd含量雖低于GB 13078-2017中Cd的限值，但谷殼Cd含量則顯著高于GB 13078-2017中Cd的限值，因此，晚稻稻谷不能作為動物飼料。此外，早稻和晚稻秸稈中Cd含量均低于《有機肥料》NY525-2012中Cd限量標準（3.0mg/kg），因此，早稻和晚稻秸稈均可作為有機肥使用。

2.2.2土壤Cd含量分析

對早稻和晚稻收獲后采集的土壤樣分別進行Cd全量和有效態含量分析（如表4所示），結果表明，早稻和晚稻土壤Cd全量相差不大，但早稻土壤的Cd有效態含量及在全量中的占比均明顯小于晚稻土壤。

3討論

研究顯示，長絲苗在田間試驗應用時的效果不如盆栽試驗效果好，這主要是因為水稻籽粒中Cd累積量除受自身品種影響外，還與其生長的外界環境密切相關。野外條件下，水稻生長的外界環境因素無法像室內盆栽試驗一樣精確控制，正是這些不可控因素的作用，導致長絲苗水稻在大田試驗時的Cd累積效果與盆栽試驗存在較大差距。

此外，試驗結果還顯示，晚稻糙米、谷殼、秸稈中Cd含量整體較早稻偏高。有研究表明，土壤Cd污染水平雖與土壤Cd全量高低存在一定的相關性，但Cd全量高低并不能很好反映其對植物所產生的危害，反而是土壤Cd有效態含量比起全量，對于揭示土壤Cd污染風險具有更實際的意義，其作為評價污染強度的指標，能更好地反映土壤實際污染狀況以及其對植物的毒性，這主要是因為土壤中Cd被植物吸收的量，主要取決于Cd元素在土壤中有效態含量。土壤中Cd有效態含量與植物各部位對Cd的吸收累積量存在顯著的正相關，是影響農作物安全生產的關鍵因素，而Cd全量的大小與植物對Cd富集量的高低呈現弱的相關性。雖然早稻和晚稻在同一試驗田種植，土壤Cd全量相差不大，但由于晚稻土壤中Cd有效態含量及在全量中占比更高，促進了晚稻對土壤Cd的吸收，因而導致晚稻糙米、谷殼、秸稈中Cd含量均比早稻高。

晚稻土壤中Cd有效態含量及占比高于早稻土壤，這主要是因為粵北屬于亞熱帶季風氣候，每年3～8月為雨季，降水充沛，9～2月為旱季，降水較少。楊小粉等研究表明，長期淹水灌溉可顯著減少水稻植株及亞細胞Cd含量。葛穎等研究發現，水稻在全生育期淹水種植，其糙米中Cd降低量顯著高于非全生育期淹水。自然種植條件下，早稻種植期在上半年，雨水充足，水稻大部分時間處于淹水狀態下生長，土壤Eh較低，處于還原狀態下，Cd溶解度降低，在厭氧細菌的作用下，土壤中還原態硫化物（HS^-、S^2-等）含量升高，易形成CdS沉淀，降低了土壤中有效態Cd的含量。而晚稻種植期在下半年，降水較少，水稻的整個生長期土壤更多處在干濕交替狀態下，土壤Eh較高，處于氧化狀態下，Cd溶解度增加，厭氧細菌活動減弱，土壤中還原態硫化物含量降低，不易形成CdS沉淀，導致土壤Cd有效態的含量整體較高，進而促進了水稻對土壤中Cd的吸收富集。因此，受降雨的影響，水稻種植期水分的不同導致晚稻Cd含量整體高于早稻。早稻糙米Cd含量平均值比晚稻降低了48%，即淹水種植時，水分對早稻糙米Cd含量降低的貢獻率約為48%。由于水稻糙米、谷殼及秸稈Cd含量和土壤Cd有效態含量同時受農田淹水狀態影響較大，因此，對于粵北Cd污染農田下半年的晚稻種植，為減輕晚稻對Cd的吸收富集，可在整個種植期保持水田淹水狀態，同時也可合理規劃原有的種植模式，由雙季稻轉為單季稻，晚稻時期休耕或改種其它不食用作物。

4結論

通過盆栽試驗篩選出Cd低累積水稻品種長絲苗，可作為粵北地區Cd污染農田優先種植水稻品種。自然條件下，在粵北中度Cd污染農田直接種植低累積水稻長絲苗，其糙米Cd含量均高于GB 2762-2017中Cd限值，存在較高的種植風險，且晚稻風險要顯著高于早稻。同時研究表明，晚稻種植期土壤對農作物的Cd毒害作用明顯高于早稻種植期土壤。粵北Cd污染農田水稻種植風險除受水稻品種影響外，還較大程度受當地自然降水影響。因此，為實現Cd污染農田的安全利用，建議在水稻整個種植期配合淹水管理，同時聯合其它修復技術。