土壤调理剂对稻米中镉含量及其品质的影响

文典 ，江棋 ，邓腾灏博 ，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. 广东省农产品质量安全风险评估重点实验室，广东 广州 510640

近些年来，由于严重的工业污染、化肥不合理使用等多种原因，土壤重金属污染问题日趋严重，重金属污染日益突出，已成为限制我国粮食安全生产的重要因素之一（曾希柏等，2013；《全国首次土壤污染状况调查公报》，2014）。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；Li et al.，2006；Liu et al.，2006；Rubio et al.，2006；Huang et al.，2009）。《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50—100 g。水稻是中国的主要农作物，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。随着居民生活水平的不断提升，社会公众对农产品的消费需求正在由吃得饱向吃得好、吃得放心、吃得健康方向转变。因此，保障水稻生产质量安全和品质营养有着同等重要的意义。

目前，对市售各类重金属污染修复调理剂效果的关注和评价主要集中在对农作物可食部位重金属含量降低的能力，关于调理剂对农产品品质的影响方面的研究相对较少（文炯等，2019）。蛋白质、直链淀粉、矿物质元素含量等是稻米营养品质的重要指标，其含量直接关乎到人体营养的有效供给水平（王义等，2020）。本研究采用大田试验方法，通过比较研究4种不同类型商用土壤重金属调理剂对早、晚稻吸镉能力及品质影响的差异，为镉污染稻田安全修复生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点位于粤北地区北江流域某农田，土壤的基本理化性质：pH值为 5.65，有机质、全氮、有效磷、速效钾、总镉含量分别为25.47 g·kg-1、1.30 g·kg-1、14.98 mg·kg-1、92.86 mg·kg-1、0.80 mg·kg-1，土壤中的镉含量高于农用地土壤污染风险筛选值（GB 15618—2018），为该区域的主要污染物。选取4种商用调理剂（主要成分见表1）开展大田试验。设对照组和处理组共5个处理，调理剂的使用量均为3 t·hm-2，每个处理3个重复，共15个小区，小区面积为20 m2（2.5 m×8 m）。插秧一周前施用调理剂。为防止各处理间互相影响，对每个小区的田埂进行增高加固并外包塑料薄膜将每个小区隔开，各处理采用随机排列。水稻品种为粤农丝苗。为比较季节对水稻生长的影响，于 2019年种植早晚两季，分别于4月初插秧，7月中旬收割，8月初插秧，11月除收割。早、晚水稻生长过程中的日常管理，如施肥、喷洒农药等按当地普通耕作方式进行，确保试验小区条件一致。

表1 土壤调理剂主要成分Table 1 Main components of soil amendments

1.2 样品处理与分析检测

水稻收获期用五点法采集土壤样品，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稻米经微型碾米机去壳，再经过粉碎机磨成米粉，装袋保存待测。

稻米中无机元素的含量采用硝酸-高氯酸消解；土壤中元素的含量定参照 GB/T 17141—1997和NY/T 1121.12—2006的方法前处理，用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定。稻米中蛋白质和直链淀粉含量分别采用 GB 500935—2016和 GB 15683—2008方法测定。

应用Excel和SPSS软件对土壤和稻米的各项参数指标进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤调理剂对稻米产量的影响

施用土壤调理剂后早稻产量增幅在4%—6%之间，晚稻增幅在2%—3%之间。但与对照比较，各处理对产量影响均无显著性差异（P＞0.05），结果详见表2。

表2 不同土壤调理剂对水稻产量的影响Table 2 Effect of different amendments on yield of rice

2.2 土壤调理剂对稻米中Cd含量的影响

试验结果如图1所示，不同土壤调理剂均降低了稻米镉含量。与对照比较各土壤调理剂可以明显降低早稻稻米中 Cd的含量（P＜0.05），稻米的镉含量降低31%—48%，但处理间无显著差异。而且土壤调理剂早稻降镉效果明显好于晚稻。

图1 不同调理剂对稻米镉含量的影响Fig. 1 Effect of different amendments on Cd content in rice

2.3 土壤调理剂对稻米品质的影响

2.3.1 土壤调理剂对稻米中直链淀粉含量的影响

施用土壤调理剂后对稻米中直链淀粉含量的变化如图2所示。施用土壤调理剂后稻米中直链淀粉含量有不同程度的增加，晚稻效果更加明显，增幅在7.5%—10.6%之间，但与对照相比均无显著性差异（P＞0.05）。

图2 调理剂对稻米直链淀粉含量的影响Fig. 2 Effect of amendments on amylose content of rice

2.3.2 土壤调理剂对稻米蛋白质含量的影响

施用土壤调理剂后对稻米蛋白质含量的变化如图3所示，各处理稻米蛋白质含量均有提高，晚稻稻米中蛋白质含量整体高于早稻。与对照相比，早稻稻米中蛋白质提高率在6.6%—10.8%之间，调理剂 C处理的稻米蛋白质含量显著高于对照（P＜0.05）。总体上，各种调理剂在一定程度上提高早、晚稻稻米的蛋白质含量，有益于改善稻米营养品质。

图3 调理剂对稻米蛋白质含量的影响Fig. 3 Effect of amendments on protein content of rice

2.3.3 不同土壤调理剂对稻米矿物质元素的影响

土壤调理剂对早、晚稻稻米中各种矿物质元素含量的变化如表3所示。早稻稻米中各矿质元素含量均高于对照处理，如调理剂B对稻米中Mg、Fe、Mn提高能力最好，调理剂C对稻米中Ca、Cu提高能力高于其他调理剂。与对照相比，各种调理剂处理对早稻稻米中矿质元素含量影响大于晚稻，对提高早稻Ca、Mg、Mn含量的效果要明显优于晚稻。

表3 土壤调理剂对稻米中矿物质元素含量的影响Table 3 Effect of amendments on mineral elements content in rice mg·kg-1

2.3.4 稻米中Cd与矿物质元素含量的相关性分析

为进一步探讨稻米中矿物质元素与稻米中镉含量的关系，对其进行相关性分析，结果表4所示，稻米中6种矿物质元素Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn均与稻米中Cd含量呈现负相关关系，并达到显著或极显著水平，说明提高稻米中矿物质元素含量能有效抑制镉向稻米中转移。

表4 稻米中镉与稻米中矿物质元素的相关分析Table 4 Correlation between rice cadmium content and other variables

3 讨论

施用土壤改良剂能一定程度上改善土壤环境，有利于土壤养分的活化，进而促进水稻增产。本研究中，从水稻产量上分析，施用A、B、C、D 4种土壤调理剂均能一定程度上提高水稻产量，一方面可能是这4种土壤调理剂含有钙、镁、硅、钾等元素，施加到土壤中经过一定反应后释放到土壤溶液中，可对水稻生长起到一定促进作用（郑涵等，2018；文炯等，2019），另一方面可能是这4种调理剂降低了土壤中重金属镉的活性，缓解了镉对水稻毒害作用，从而有利于水稻增产（周娅等，2018）。影响作物吸收重金属的因素较多，包括土壤pH值、离子间相互作用以及土壤中重金属有效态含量等（谢运河等，2014），本研究中，与对照比施用调理剂后土壤pH值增加0.2—0.6个单位，各养分指标无明显变化，各调理剂在早稻季的降镉效果明显优于晚稻季，这可能与调理剂本身的稳定性及田间环境等综合因素的影响有关。

稻米中直链淀粉和蛋白质含量是影响稻米营养与食味品质的重要指标。一定范围内的蛋白质、直链淀粉含量有助于提高稻米食味值（杨文祥等，2006；陈能等，1997）。本研究发现，各处理下早、晚稻稻米含量分别在 15.6%—17.6%与 17.4%—19.2%之间，在优质稻谷直链淀粉含量规定的14.0%—20.0%。施用调理剂一定程度上提高了早晚稻米直链淀粉含量，说明施用调理剂略增加了米饭弹性和硬度，但对米饭口感并未造成较大影响。本研究中，施用 4种调理剂均提高了早、晚稻稻米中蛋白质含量，分别提高2.9%—10.8%与0.5%—5.7%，说明调理剂处理在一定程度上提高稻米营养品质的同时也可能提高其食味品质。

矿物质元素钙、镁、铜、锌、铁、锰既是植物生长发育必需的营养元素，也是与人体健康息息相关的必需营养元素。因此，适当提高食物中矿物质元素的含量对人体保障人体健康十分必要。目前，对稻米中矿物质元素的分析已有相关研究，周崇松等（2003）对川稻中的4种矿物质元素铜、锌、铁、锰进行了研究分析，表明稻米中的4种矿物质元素与土壤环境呈一定正相关关系。本研究中，各土壤调理剂处理均一定程度上提高了稻米中6种矿物质元素钙、镁、铜、锌、铁、锰含量，这可能是施用土壤调理剂改善了水稻生长的微环境，使得土壤中这些元素的有效性得到提高，促进了水稻对它们的吸收积累。结合本试验各调理剂对土壤质量、水稻品质综合效果来看，不能只关注调理剂的降镉效果，希望今后以多指标来客观、合理评估调理剂的田间实际应用效果。

4 结论

（1）土壤调理剂可以增加水稻产量，增幅在2%—6%之间，使稻米的镉含量降低18%—48%，调理剂的增产控Cd效果早稻均优于晚稻；

（2）4种调理剂处理下早、晚稻稻米中直链淀粉含量均无明显变化，含量为15.6%—19.2%之间，均处于国家优质米直链淀粉含量14%—20%之间；

（3）施用A、B、C、D调理剂，早晚稻稻米蛋白质较对照均增加，其中早稻稻米蛋白质显著增加，增幅分别为7.4%、7.4%、10.8%、6.9%；

（4）施用调理剂可以增加稻米矿物质元素钙、镁、铜、锌、铁、锰在水稻中的积累。其中C调理剂对提高早稻稻米钙、铜、锌元素含量效果最好，较对照分别提高45.7%、28.7%、36.0%；B对提高早稻稻米镁、铁、锰元素含量效果最好，较对照分别提高42.8%、52.9%、30.9%，且也对提高晚稻稻米铁元素效果最好，较对照提高33.3%；A对提高晚稻钙、镁、锌、锰元素效果最好，较对照分别提高 20.3%、36.3%、10.3%、11.3%；D调理剂对提高晚稻稻米铜元素含量效果最好，较对照提高11.4%。