重金属污染高风险农用地水稻安全种植技术研究

2020-05-29文典江棋李蕾赵沛华杜瑞英

生态环境学报 2020年3期

文典，江棋,3，李蕾，赵沛华，杜瑞英*

1.广东省农业科学院农产品公共监测中心，广东广州 510640；2.农业农村部农产品质量安全风险评估实验室（广州），广东广州 510640；3.华中农业大学资源与环境学院，湖北武汉 430070

2014年4月17日环保部和国土资源部联合发布《全国首次土壤污染状况调查公报》调查结果显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，耕地土壤点位超标率更是高达19.4%。研究表明土壤中的重金属可以通过农产品的富集而进入食物链，长期摄入重金属将会对人体的皮肤、骨骼、神经系统和内脏器官等造成不同程度的危害（Castelli et al.，2005；Huang et al.，2009；Li et al.，2006；Liu et al.，2006；Rubio et al.，2006）。《中国居民膳食指南（2016）》指出食物多样、谷类为主是平衡膳食模式的重要特征，保证谷类每天摄入不少于 50—100 g。水稻作为中国南方地区的主要粮食作物其质量安全对人体健康的影响显得更为突出。广东省水稻播种面积超过 180×104hm2，总产量约 1046×104t，是全省播种面积最大的农作物（2017年）。由于水稻的特性及其种植方式容易吸收、富集环境中重金属，这对保证稻米质量安全造成较大的威胁。重金属低积累水稻品种不但能有效降低水稻稻米中重金属的含量，而且有经济成本低、且环境友好等特点（陈彩艳等，2018；Norton et al.，2012；Bolan et al.，2013；邹素敏等，2017）。但在重金属高风险污染区仅仅使用低积累品种无法达到安全生产的目的，往往需要用一种或几种它修复技术与之结合使用，如湖南省重金属污染农田治理使用的VIP和VIP+技术。本研究以重金属污染高风险农田土壤为研究对象，开展重金属低积累水稻品种筛选和化学修复手段结合的农田安全利用技术研究，为该地区水稻安全生产提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.1.1 重金属低积累品种筛选试验

筛选试验在粤北地区某农田开展。共选用 23个主栽水稻品种，详见表1，每个品种设3个重复，共69个小区，随机排列，每个小区面积为1 m×2 m。试验地块土壤基本理化性质：Cd全量质量分数为1.217 mg·kg-1，Pb 全量为 69.2 mg·kg-1，Cr全量为34.6 mg·kg-1，As的全量为 16.1 mg·kg-1；有机质质量分数为 2.98%，pH值为 4.27；全钾质量分数为79.7 mg·kg-1，速效钾为 47.32 mg·kg-1；全氮为 2.22 g·kg-1，碱解氮为 177.38 mg·kg-1；全磷为 662 mg·kg-1。

表1 供试水稻品种Table 1 The name of rice

1.1.2 重金属低积累水稻品种+改良剂安全种植试验

试验设对照（CK）、施加石灰（L）、叶面喷施硒肥（Se）、施加石灰+叶面喷施硒肥（L+Se）4个处理，每个处理采样随机区组设计种植 1.1.1筛选到的6个重金属低积累水稻品，每个小区面积为1 m×2 m，试验小区四周和每个处理之间设隔离行，宽度为1 m，每个处理设3个重复，种共72个小区。插秧前1天将石灰（500 g·m-2）与水稻专用肥一起撒施，调整土壤pH值在5.5左右。抽穗期追施225 kg·hm-2尿素。齐穗期喷施第一次叶面硒肥，硒肥用量为300 mL·hm-2，稀释1000倍喷施。10 d后喷施第2次。其余按照当地习惯进行田间管理。

1.2 样品处理与分析的检测

采集土壤样品自然晾干、混匀后分别过孔径为0.85、0.15 mm筛保存待测。水稻进入蜡熟期后采用对角线法进行采样，每份样品重约1 kg，置于尼龙网袋中带回实验室，样品置于烘箱中60 ℃烘干至恒定质量，混匀后用四分法取适量经微型碾米机去壳，再经过粉碎机磨成米粉，装袋保存待测。

稻米中的Cd、Pb、As和Se含量采用硝酸-高氯酸消解；土壤中Cd、Pb、As等重金属全量测定参照GB/T17141—1997和NY/T1121.12—2006的方法前处理；土壤中有效态镉、有效态铅（Pb）采用DTPA 浸提（0.005 mol·L-1DTPA，0.1 mol·L-1TEA，0.01 mol·L-1CaCl2）浸提，有效态砷（As）用 0.5 mol·L-1NaH2PO4浸提。Cd和Pb使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定，As和Se使用氢化物发生原子荧光仪测定。

2 结果与讨论

2.1 不同稻米品种中重金属含量特征

23个稻米品种对土壤中重金属的吸收富集能力差异较大，结果见表2。不同稻米品种中Cd含量最大值是最小值的约5倍，不同品种稻米对Pb和As的吸收也表现出类似的差异。值得注意的是在该污染特征的农田土壤会导致 23种稻米中 Cd含量都不同程度超过国家标准限量值，但其它重金属元素含量均远低于限量值。综合以上结果，筛选出五优321、广8优占、丰优428、粤晶丝苗2号、粤金银占、合美占等6个重金属低积累水稻品种。

表2 不同稻米品种中重金属含量特征Table 2 Heavy metal contents in different rice varieties mg·kg-1

2.2 不同调理剂对土壤性质的影响

2.2.1 pH值

如表3所示，L处理和L+Se处理pH值要高于其他两个处理，其中L处理显著高于CK和Se处理，L+Se处理显著高于Se处理；表明施加试验量的石灰，能显著提高土壤pH值。

表3 不同处理对土壤pH值和重金属有效态含量的影响Table 3 Effect of chemical remediation on the heavy metal contents of soil and pH

2.2.2 对土壤中重金属有效态含量的影响

有研究认为，土壤改良剂主要通过改变土壤中重金属有效态的方式，从而影响植物对重金属的吸收。由表3可以看出，CK处理Cd有效态含量较高，L处理最低，其余两个处理处于中间水平；一般研究认为，pH值大小与Cd的活性呈负相关，随着pH值升高，重金属有效性降低，但本研究发现pH对Cd有效态的含量影响不大。L处理Pb有效态含量最低，L+Se处理要略低于Se处理；从整体来看，Pb有效性有随着pH升高而降低的趋势。L处理土壤As有效系数最低，L+Se处理其次。

2.3 不同调理剂对稻米的影响

2.3.1 不同处理对稻米产量的影响

由表 4可见，杂交稻产量整体高于常规稻，而且不同的改良剂对水稻产量的影响也差异较大。施用石灰均可以提高除粤晶丝苗2号外其余5个品种水稻的产量，增产率分别为：18.9%、11.0%、6.7%、47.5%和 8.9%。石灰和叶面硒肥组合对五优 321有显著的增产效果，增产率为 23.4%。单独施用叶面硒肥对丰优428、粤晶丝苗2号、粤晶银占、合美占增产率分别为：16.0%、5.2%、21.7%和8.9%。

表4 不同品种水稻单株产量Table 4 Effect of chemical remediation on the yield of different rice varieties m/g

2.3.2 不同处理下稻米中重金属含量

表 5可以看出，施用改良剂处理后稻米中 Cd含量均低于国家标准限量0.2 mg·kg-1。从各处理来看，L处理、Se处理和L+Se处理相对CK处理，均能够显著的降低稻米中Cd含量。其中L处理下降幅度最大，L+Se处理次之，Se处理下降幅度最低，但仍然有40%左右的降低幅度。从品种来看，不同处理对不同水稻品种的影响也不同，L处理对粤晶丝苗2号、叶面Se肥处理对粤金银占、L+Se对广8优占降Cd效果最好能。但同一处理对同一水稻品种的不同重金属吸收影响能力也表现出差异。本试验结果表明在该土壤污染水平条件下包括对照在内的各处理稻米中Pb和As含量均低于国家标准限量。

2.3.3 不同处理下稻米中硒含量

硒是人体必需微量元素，具有抗氧化、抗肿瘤、提高机体免疫力等显著生理功能。有研究表明，硒对部分重金属有拮抗作用，能够抑制重金属的吸收。中国富硒稻谷国家标准GB/T 22499—2008富硒稻谷的硒含量规定为0.04—0.30 mg·kg-1。增加稻谷硒含量，同时降低重金属吸收，是一个较为可行的发展方向。从表6可以看出，Se处理和L+Se处理均能显著提高水稻 Se含量，且所有品种均在富硒稻谷范围内，综合来看，L+Se处理对Se的吸收能力要高于单独Se处理。

3 讨论

工业快速发展引起耕地面积锐减，重金属超标土壤的农业利用是在中国耕地资源紧张、粮食和食物安全形势严峻前提下的一种不得已的选择（曾希柏等，2013）。通过筛选低积累重金属的作物品种来减少食物链重金属富集被证明是经济、可行的（程旺大等，2006；周歆等，2013；Zhang et al.，2002）。由于土壤本身的复杂性加之作物对生长环境的强烈依赖性等主要因素导致上述部分研究成果无法在真实环境或者大范围内应用（孙丽娟等，2018）。薛涛等（2019）研究结果也表明水稻的Cd低积累特性也受多种因素的影响，在实际应用中应充分考虑土壤类型、污染程度等因素。因此在对重金属污染农田的安全利用技术集成过程中，作物品种在不同污染程度土壤农田中对重金属的吸收能力需要关注。针对粤北地区重金属污染高风险稻田，通过对当地种植的 23个不同品种水稻在较高浓度重金属环境条件下对重金属的富集能力比较，筛选出五优321、广8优占、丰优428、粤晶丝苗2号、粤金银占、合美占等6个重金属相对低积累且产量相对较高水稻品种。

表5 不同处理对稻米中重金属含量影响Table 5 Effect of chemical remediation on the heavy metal contents in different rice varieties ω/(mg·kg-1)

表6 稻米中Se含量Table 6 Se contents of rices ω/(mg·kg-1)

近几十年来国内外学者已经通过物理、化学、生物和化学-生物联合等技术修复镉污染农田土壤，并取得一系列研究成果，Chen et al.（2016）研究结果表明低镉累积水稻品种与生物炭联合施用可减少69%—80%的稻米镉累积量；He et al.（2017）研究也表明低本累积品种并合理配施钝化剂可保障污染农田土壤农产品安全。本研究结果表明土壤中重金属含量及形态对作物中重金属的含量有重要的影响，在高风险镉污染农田土壤中，采用化学钝化剂联合低累积水稻品种，稻米中Cd含量降低40%—70%。研究还发现五优321品种喷施叶面Se肥不仅可以起到抑制重金属向水稻籽粒转移的作用，还能增加籽粒中 Se的含量，该结果表明通过筛选合适的水稻品种利用元素间的拮抗作用达到控制污染提高质量是可行的。