土壤与水稻籽粒镉含量相关性分析及水稻产地土壤镉临界值的研究①

陈宏坪，戴碧川，杨新萍*，王国庆，林玉锁，赵方杰



土壤与水稻籽粒镉含量相关性分析及水稻产地土壤镉临界值的研究①

陈宏坪1，戴碧川1，杨新萍1*，王国庆2，林玉锁2，赵方杰1

(1南京农业大学资源与环境科学学院，南京 210095；2 环境保护部南京环境科学研究所，南京 210042)

在全国采集8个水稻产区、不同镉(Cd)含量的水稻土，添加0 ~ 4 mg/kg外源Cd，通过盆栽试验，分析水稻土、水稻籽粒Cd含量间的相关性，基于水稻籽粒Cd含量符合食品安全国家标准污染物限值(GB 2762–2012)的前提，确定8个水稻产地土壤的Cd临界值。结果表明：水稻土中Cd含量为0.20 ~ 6.27 mg/kg时，随土壤Cd浓度增加，水稻生长没有出现Cd毒害症状。籽粒Cd含量随水稻土Cd浓度的增加而增加，Logistic方程拟合表明籽粒Cd含量和水稻土Cd浓度间相关性显著；依据食品安全国家标准中稻米Cd 限量值(0.2 mg/kg)，反推得到8种水稻土Cd临界值范围为0.70 ~ 4.79 mg/kg，与现行土壤环境质量标准(GB15618–1995)相比，均高于其相应限值(0.3 mg/kg、pH≤7.5，0.6 mg/kg、pH>7.5)；对土壤理化性质和水稻土Cd临界值间关系进行多元回归分析，发现水稻土Cd临界值与pH和土壤黏粒显著相关(2= 0.83，<0.01)。

镉；水稻；相关性；临界值；水稻土

镉(Cd)具有较强的化学活性和易于被植物吸收等特点，容易通过土壤-农产品途径进入食物链，给人体健康带来显著风险[1-3]。水稻(L.)是我国最主要的粮食作物，全国大约 60% 的人口以水稻为主食[4]，Cd是影响我国稻米生产安全的主要污染物。国家环保部和国土部2014年联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国重金属Cd的点位超标率达7%，稻米安全生产问题日趋严重[5]。

研究者从不同角度对生长在Cd污染土壤中的水稻食品安全进行了研究，例如低Cd积累水稻品种筛选[6-7]、Cd在水稻各器官中的分配与水稻耐Cd间的关系研究[8-9]、Cd 污染稻田土壤农艺修复措施研究[10-13]等，这些研究为Cd污染土壤稻米安全生产提供了很好的技术基础。研究者通过土壤、水稻籽粒Cd间的剂量效应关系，并结合国家食品安全标准逆推土壤Cd临界值，是建立满足稻米食品安全的土壤Cd安全阈值方法之一。然而，对于Cd污染土壤种植水稻，满足稻米食品安全的土壤Cd安全阈值的研究结果受土壤理化性质[14-15]、栽培方式[2]、水稻品种[16]等多种因素的影响，这方面的基础数据远远不能满足水稻土Cd安全阈值制定的需要。我国现行《土壤环境质量标准》(GB15618–1995)中Cd元素标准值自公布以来，一直存在很多争议。以全国统一的土壤重金属限量值作为评价土壤重金属污染的标准有利于提高土壤重金属污染评价的可比性。但在实际应用中，由于我国地域广阔，不同地区土壤理化性质差异极大，土壤pH、有机质含量和质地等对土壤中Cd 的生物有效性影响显著[17]，使得该土壤环境质量标准在应用中存在许多不确定因素，例如，应用该标准进行农田土壤环境质量评价时经常出现“土壤重金属超标而农产品不超标”和“农产品超标但土壤重金属不超标”的情况[18]。事实上，与欧盟相比，我国土壤Cd环境质量二级标准要严得多[19]。确定水稻产地土壤Cd的安全阈值是保障水稻籽粒Cd含量不超标的关键。尽管土壤Cd污染对水稻的环境风险已受到广泛关注，但针对我国不同性质稻田土的 Cd 临界值研究还相对薄弱。

本文采取向采自我国水稻主产区江苏、四川、福建、广西、湖北、安徽、浙江、湖南的8种水稻土外源添加不同浓度Cd的方式，形成具有不同Cd 浓度梯度的盆栽土，就水稻土中Cd 浓度对水稻生长影响以及土壤中Cd浓度与水稻籽粒Cd含量相关性进行分析，并深入研究稻米安全生产要求的水稻土Cd临界值，以及影响Cd临界值的土壤理化性质，为稻米安全生产和Cd污染土壤安全农用及农产品产地适宜性评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

在我国水稻主要产区，江苏盱眙、四川都江堰、福建泉州、广西河池、湖北宜昌、安徽合肥、浙江宁波、湖南湘乡采集8种典型水稻田表层(0 ~ 20 cm)土壤。土壤采集后风干过4 mm筛，储存备用。另取少许土样过2 mm和 0.15 mm筛，分别用于土壤常规分析和 Cd 含量测定。土壤理化性质指标均参照《土壤农业化学分析方法》[20]进行分析测定，其中土壤 pH 按水土比 2.5:1电位法测定，土样的机械组成用激光粒度仪测定，土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定。

1.2 土壤、水稻籽粒中Cd含量测定

土壤样品采用HNO3-HCI(1:4，/)，石墨消解仪(上海海能，SH220)消解，采用电感耦合等离子质谱仪ICP-MS (PERKIN-ELMER，NexION 300X)测定Cd含量。水稻籽粒采用HNO3，微波消解仪(CEM，MARS 6)消解，采用同上ICP-MS测定Cd含量。土壤标样(GBW07428)、大米国家标准参比物质(GBW10010(GSB-1))被用来进行分析过程中的质量控制。

水稻土Cd含量、pH、有机质含量及黏粒含量等基本理化性质见表1。

表1 供试水稻土基本理化性质

1.3 水稻品种

水稻品种选用中嘉早17，属籼型常规水稻，在长江中下游常作双季早稻种植，全生育期平均为109 d，株型大小适中，结实率较高。

1.4 水稻土处理与盆栽试验

8种水稻土风干后过4 mm 筛，采用单一污染试验，在土壤中添加不同浓度的外源Cd ( CdCl2·2.5H2O)。Cd添加量分别是0、0.25、0.50、1.00、2.00、4.00 mg/kg，以溶液形式加入所需要的Cd，每个处理3次重复，总计144个处理。种植前每盆施加N、P、K肥，施用量为：N(尿素)0.15 g/kg土，P(磷酸二氢钙)0.05 g/kg土，K(硫酸钾)0.10 g/kg土，确保水稻生长期所需要的养分。土壤充分混匀后装入塑料桶内，用去离子水保持田间最大持水量的60%，稳定2周后待用。

将水稻种子用1% H2O2处理24 h，再用蒸馏水洗净，保持湿润水分，置于30 ℃ 发芽箱内催芽，等种子胚芽露白后，播种到装有珍珠岩和1/2 Hoagland (pH 5.0)营养液的花盆中进行前期培养。待水稻幼苗出现三叶一心时，选择长势一致的苗移栽至装有5 kg 干土的塑料桶中，每桶1穴，每穴3株。将幼苗放置在南京农业大学的自然光温玻璃温室内进行统一管理，排水期之前始终保证土壤处在淹水状态，表层水深度约为2 cm，穗黄达二分之一后将水排干，直到成熟期收获水稻。将谷粒样品置于温室风干，记录谷粒干重后，用砻谷机(浙江台州，JLGJ 4.5)分离谷壳和糙米。

1.5 数据统计和分析方法

所有数据均采用3 次重复的平均值±标准偏差来表示。数据统计和差异显著性分析使用SPSS statistics 20和Excel 2007，采用SigmaPlot 12.3绘图。

2 结果与分析

2.1 水稻土Cd浓度对水稻籽粒干重的影响

水稻土基本理化性质如pH、阳离子交换量、有机质含量、土壤质地和Cd含量等见表1。8种水稻土中广西河池、湖南湘乡、四川都江堰、湖北宜昌4种水稻土Cd含量超过国家土壤环境质量二级标准(GB15618–1995)，属于Cd污染土壤，例如广西河池水稻土Cd浓度为2.27 mg/kg，超出我国土壤环境质量二级标准(0.3 mg/kg)7.53 倍。江苏盱眙、安徽合肥、福建泉州、浙江宁波水稻土符合国家土壤环境质量二级标准，没有Cd污染。本试验外源添加Cd浓度为0 ~ 4.00 mg/kg，当外源添加0 mg/kg Cd时，土壤Cd浓度即为各土壤Cd本底含量，即对照处理。所有Cd处理下，水稻生长正常，没有出现叶片发黄、生长受阻等Cd毒害症状。8种Cd含量不同的水稻土对水稻籽粒干重的影响见图 1。除湖北宜昌、四川都江堰、湖南湘乡水稻土存在籽粒干重低于对照处理外，其余盆栽试验中的水稻在土壤Cd含量为0.20 ~ 6.27 mg/kg时，水稻籽粒干重随水稻土Cd浓度增加而增加，水稻土Cd浓度增加至较高浓度后，籽粒干重才呈现增长减慢或者稳定趋势。例如江苏盱眙水稻土，Cd本底浓度为0.20 mg/kg，外源添加0.25、0.50、1.00、2.00 mg/kg Cd时，水稻籽粒干重显著增加，当外源Cd添加量进一步增加至4.00 mg/kg时，籽粒干重与空白处理相比，仍然有所增加，但没有显著差异。

(图中小写字母不同表示处理间差异达到P<0.05显著水平)

2.2 水稻土Cd浓度与水稻籽粒Cd含量相关性

江苏盱眙、安徽合肥、福建泉州、浙江宁波水稻土，自身Cd含量符合国家土壤环境质量二级标准，其上生长的水稻籽粒Cd含量分别为0.016、0.019、0.016和0.001 mg/kg，均低于食品安全国家标准污染物限值(GB 2762-2012)。广西河池土壤自身Cd含量为2.27 mg/kg(pH为5.50)，属于Cd污染土壤，其上生长的水稻籽粒Cd含量达到0.271 mg/kg，超出了食品安全国家标准Cd限量值(0.2 mg/kg)。而其余自身属于Cd污染土壤，四川都江堰、湖北宜昌、湖南湘乡水稻土上生长的水稻籽粒Cd含量分别为0.128、0.055和0.079 mg/kg，均符合国家食品安全标准。

选用Sigmaplot 12.3中的Logistic模型方程拟合8种土壤Cd浓度与对应的水稻籽粒Cd含量间的关系，对土壤Cd浓度与籽粒Cd含量进行回归分析，结果如图2所示。8种水稻土Cd浓度增加，水稻籽粒Cd含量也相应增加。土壤Cd浓度与水稻籽粒Cd含量存在显著的正相关性。随着外源Cd添加，江苏盱眙水稻土种植的水稻籽粒Cd含量增加非常明显，当外源Cd添加量为1.00 mg/kg时，籽粒Cd含量出现超标，为0.633 mg/kg，外源Cd增加至4.00 mg/kg时，籽粒Cd含量高达1.757 mg/kg。四川都江堰、福建泉州、湖北宜昌、安徽合肥水稻土当外源Cd添加量为0.50或1.00 mg/kg时，籽粒Cd含量开始出现超标。浙江宁波、湖南湘乡土壤对应水稻籽粒Cd含量增加趋势最为缓慢，当外源Cd增加至4.00 mg/kg时，籽粒Cd含量才出现超标，分别为0.251 mg/kg和0.215 mg/kg。

图2 水稻土中Cd浓度与稻米中Cd含量的相关性

2.3 水稻土Cd临界值及影响因素

我国食品安全国家标准——食品中污染物限量值(GB2762–2012)中规定稻米中Cd的安全限值为0.2 mg/kg。当籽粒Cd含量为0.2 mg/kg时，Logistic模型方程中对应的土壤Cd浓度即为引起水稻籽粒Cd污染的土壤Cd临界值(表2)。

8种土壤的Cd临界值从大到小依次是：湘乡水稻土(4.79 mg/kg)>宁波水稻土(3.68 mg/kg)>河池水稻土(2.12 mg/kg)>都江堰水稻土(1.25 mg/kg)>宜昌水稻土(1.11 mg/kg)>合肥水稻土(0.98 mg/kg)>泉州水稻土(0.74 mg/kg)>盱眙水稻土(0.70 mg/kg)，Cd临界值范围为0.70 ~ 4.79 mg/kg，由此可见不同土壤中的Cd对水稻的生物有效性存在明显差异。

由Pearson相关性分析(表3)可知，土壤Cd临界值与土壤pH、土壤黏粒含量显著相关，其2分别为0.787(<0.01)、0.699(<0.05)。8处水稻产地土壤 Cd 临界值与土壤黏粒含量、 pH 间的相关性分析见图3。随着土壤黏粒含量和pH升高，土壤Cd临界值呈现上升趋势，与土壤黏粒含量(2= 0.49，<0.01)、pH(2= 0.74，<0.05)间分别存在显著正相关性。

将土壤理化性质如有机质、土壤黏粒含量、pH与土壤Cd临界值进行多元回归分析，发现土壤黏粒含量、pH 2个因素与水稻土Cd临界值存在显著线性相关(2= 0. 83，<0.01)：

(水稻土 Cd 临界值) = 0.979 × (pH) + 0.098 × (黏粒含量) –6.100

3 讨论

本次盆栽试验土壤Cd浓度设定范围为0.20 ~ 6.27 mg/kg，随土壤Cd浓度增加，水稻生长均没有出现Cd毒害症状。盆栽试验中，湖北宜昌、四川都江堰、湖南湘乡水稻土在添加外源Cd后，在个别Cd浓度下，存在籽粒干重低于对照的现象，其余5种水稻土上生长的籽粒干重在低、中Cd浓度下表现出显著增加趋势，龙思斯等[21]、刘宏鸽等[15]的试验也观察到类似现象。孙聪等[16]的研究也表明水稻在土壤Cd 浓度为1.2和4.8 mg/kg时，与对照相比，生物量增加4% ~ 56%，认为这是Cd在低剂量时表现出对水稻生长的刺激作用。Chaca等[22]认为，水稻在长期受到Cd 胁迫时会产生抗性，从而使植株适应这种逆境并进行生长补偿。这些结果表明水稻是一种对Cd耐性较强的作物，这在一定程度上增加了水稻土Cd 污染的隐蔽性。

表2 基于稻米Cd 限量值的供试水稻土Cd临界值

注：代表籽粒Cd含量，代表土壤中Cd浓度。

表3 土壤Cd临界值与土壤属性之间的相关性

注：* 表示显著性达到<0.05显著水平，** 表示显著性达到<0.01显著水平。

本试验表明，水稻籽粒中Cd含量随着土壤Cd浓度增加而增加，这与张红振等[2]研究者结论一致，但籽粒Cd含量与籽粒干重间没有明显相关性(数据没有列出)。蔡秋玲等[23]种植84个水稻品种统计结果表明，水稻产量与糙米Cd 富集能力不存在相关性，这与本试验结论相似。对照处理中，四川都江堰、湖北宜昌、湖南湘乡水稻土自身是Cd污染土壤，生产的水稻籽粒Cd含量都符合国家食品安全标准，属于“土壤Cd超标而作物不超标”的情况。都江堰、宜昌水稻土本底Cd浓度相近，但都江堰水稻土生产的水稻籽粒Cd含量比宜昌的高2.3倍，湖南湘乡水稻土Cd浓度比四川都江堰水稻土高出2.2倍，但湘乡水稻籽粒Cd含量反而低于都江堰。究其原因，可能土壤基本理化性质如pH、土壤有机质含量、阳离子交换量、土壤质地等因素对水稻籽粒Cd含量有着影响。有研究表明，水稻中Cd的积累量与土壤中总Cd关系不确定，而和土壤中有效态Cd含量关系更密切[24-25]。但我们发现水稻籽粒中Cd含量与8种土壤总Cd浓度均存在显著相关性。

图3 土壤黏粒含量、pH与土壤Cd临界值的相关性

利用Logistic回归模型，对土壤Cd浓度与籽粒Cd含量关系进行统计分析，得到二者间的拟合方程。以国家粮食Cd安全标准值0.2 mg/kg为评价标准，根据拟合方程计算得本试验中引起稻米Cd含量超标的8种土壤Cd 临界值范围为0.70 ~ 4.79 mg/kg，显著高于相应的土壤环境质量标准限值(GB15618– 1995)。范中亮等[14]通过人工添加外源Cd 试验，推算当土壤pH为7.50 时，土壤Cd 临界值为1.63 mg/kg，当土壤pH为5.94时，土壤Cd 临界值为0.74 mg/kg；张红振等[2]通过搜集筛选文献数据建立稻米Cd 含量与土壤Cd临界值及pH之间的多元线性回归方程，推算得出土壤pH>7时，土壤Cd临界值约为1.5 mg/kg，远高于相应的土壤环境质量标准。本文试验确定的水稻土Cd 临界值不仅高于我国土壤环境质量标准，而且也高于这些研究报道。研究表明，除生物因素(物种、生育期、生物适应性差异及不同评价终点等)外，非生物因素(老化作用、土壤性质、环境条件等)也是影响Cd生物有效性的显著因子[26-28]。刘彬等[29]研究了外源Cd在5种水稻土中的老化动力学特征与影响因子，结果表明不同Cd添加浓度的土壤中有效态Cd含量均随着老化时间的增加而逐渐下降，外源添加的低浓度Cd在土壤中达到平衡的时间较高浓度Cd所需时间短。李传飞等[30]的土壤培养试验结果表明，外源添加Cd后，土壤中Cd的有效态在培养15 d内迅速下降，随后缓慢降低；当外源Cd添加量≤2 mg/kg 时，30 d后基本达到平衡；外源Cd添加量≥5 mg/kg 时，60 d后才趋于稳定。本试验中外源添加Cd的土壤，老化时间为2周，因此外源添加Cd的生物有效性会高于含有相同Cd全量的实际污染土壤，我们推导出的8种土壤Cd 临界值实际上代表着最不利情形，包含了一定的安全系数。本文的盆栽试验对水稻生长实行模拟田间管理，在稻穗1/2变黄之前保持水稻处于淹水状态，因而可能比水稻田间生长保持较长的淹水期，而王荣萍等[31]的研究表明，水稻淹水处理，可以降低土壤中Cd的有效性，这可能使我们试验得到的水稻土壤Cd 临界值呈现偏高趋势。

土壤理化性质是影响土壤中Cd植物有效性的主要因素，土壤pH是所有理化性质中影响土壤Cd有效性最重要的因子之一，根本原因在于pH对土壤中Cd溶解性有很大的影响[25]。叶新新和孙波[32]认为随着土壤pH升高，土壤胶体带负电荷数会相应增加，土壤对重金属Cd的吸附能力加强，从而降低了Cd的生物有效性。王卫等[33]认为，土壤pH、有机质含量是影响烟草Cd积累的重要因素。我们将水稻籽粒Cd含量与土壤pH、有机质含量、阳离子交换量、土壤黏粒含量等土壤性质分别进行单因素回归分析，发现水稻籽粒Cd含量与土壤pH显著相关，通过多元回归分析，表明土壤Cd临界值与土壤pH和黏粒含量2个因素存在显著线性相关。林大松等[34]认为土壤有机质含量是影响水稻吸收Cd的重要因素之一，但本文结果表明，土壤有机质含量对水稻籽粒吸收土壤 Cd 的影响并不显著。

4 结论

8种水稻土Cd含量为0.20 ~ 6.27 mg/kg时，水稻生长均没有出现Cd毒害症状。籽粒Cd含量与土壤Cd浓度呈显著正相关，随土壤Cd浓度的增加而增加。由Logistic方程反推得到8种水稻土Cd临界值范围为0.70 ~ 4.79 mg/kg，均高于土壤环境质量标准相应限值(0.3 mg/kg、pH≤7.5，0.6 mg/kg、pH>7.5)。多元线性回归分析结果表明，土壤pH和土壤黏粒含量是影响水稻土Cd临界值的主要因素，基于二者的回归方程可以很好地预测8种水稻土的Cd临界值(2= 0.83，<0.01 )，回归方程为：(水稻土 Cd 临界值) = 0.979 × (pH) + 0.098 × (黏粒含量) –6.100。

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Cadmium (Cd) Threshold Values of Paddy Soils to Brown Rice as Determined by Cd Concentrations in Soils and Rice Grains as well as Soil Properties

CHEN Hongping1, DAI Bichuan1, YANG Xinping1*, WANG Guoqing2, LIN Yusuo2, ZHAO Fangjie1

(1 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Nanjing Institute of Environmental Science, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China)

The accumulation of Cd in brown rice as affected and predicted by Cd concentrations of soils and soil properties was investigated by pot experiments with eight different paddy soils with a wide range of Cd concentration (0.20–6.27 mg/kg). Compared with the control, no toxic symptom was observed when rice exposure to high Cd concentrations. Based on national maximum levels of contaminants in foods (GB 2762-2012), Cd threshold values of the studied paddy soils were derived to be 0.70-4.79 mg/kg, all of which exceeded the guideline values in national soil environmental quality standard (GB15618-1995) (0.3 mg/kg when pH≤7.5 and 0.6 mg/kg when pH>7.5). The multiple regression analysis showed that there were significant positive correlation (2=0.83,<0.01) between soil pH, clay content and the threshold values of Cd to brown rice.

Cadmium, Rice, Correlation, Threshold values, Paddy soil

10.13758/j.cnki.tr.2018.02.020

环保部行业科研专项(201409041)和公益性行业(农业)科研专项(201403014)资助。

(xpyang@njau.edu.cn)

陈宏坪(1991—)，男，福建泉州人，硕士研究生，主要从事环境污染控制研究。E-mail: 2014103063@njau.edu.cn

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