水稻对5种重金属累积特征及食用安全研究

陈晨，陈小华，沈根祥,,*，白玉杰，钱晓雍，郭春霞，付侃，顾海蓉

1. 东华大学环境科学与工程学院，上海 201020 2. 上海市环境科学研究院，上海 200233

长期以来，由于我国工业、农业发展，以及污水灌溉等问题，污染物排放总量居高不下，土壤重金属污染严重，2014年全国土壤污染调查公报显示我国无机类污染点位超标率达82.8%，Cd、Pb、Cr、Ni和Hg的超标率分别达7.0%、1.5%、1.1%、4.8%和1.6%，对我国农产品质量和人体健康构成严重威胁[1-2]。2015年我国自然资源部发布的《中国耕地地球化学调查报告》显示，我国耕地重金属污染比例为8.2%，污染面积达759万hm2[3]。近年来，我国部分低效工业用地的复垦土地将要改为农业用地[4]，土壤重金属过量成为复垦土地转农用常出现的环境问题，威胁复垦农用后的农产品食用安全。因此轻中度污染农田与作物安全食用研究逐渐受到关注，关于重金属污染农用地的分级安全利用成为当前主要问题[5]。土壤重金属污染不仅影响农作物生长，降低产量，更为重要的是土壤中重金属经植物吸收和转运后进入食物链被动物和人类吸收并在体内累积，最终对动物和人产生极强的毒害作用[6]。

水稻作为南方最常见的农田粮食作物，经常因为农田土壤重金属污染吸收过量重金属，导致发生病理性疾病，如植株矮小，穗重下降，有效分蘖下降等。更为严重的是Cd、Hg、Pb、Cr和Ni等重金属容易富集在水稻籽粒当中，导致大米重金属含量超标[7]，继而通过食物链进入人体，危害人体安全，容易导致多种疾病[8]。有研究表明，人体摄入或聚集的重金属含量过高，会引起风湿性关节炎、食道癌等多种疾病[9-10]。国内外学者对于单一重金属在水稻-土壤系统以及作物根部-可食部位之间的转运规律已有较多研究[11-14]，但对于多种重金属在土壤-水稻系统中土壤安全阈值推算和水稻食用安全的综合研究却少有报道。

因此，本研究针对上海市低效建设用地减量化复垦土地的实际污染特征，选择南方最常见的粮食作物水稻作为研究对象，研究5种污染金属元素(Cd、Hg、Pb、Cr和Ni)对水稻生物量的影响以及水稻对5种重金属的富集特征，并通过建立水稻-土壤中重金属含量相关关系，计算基于水稻籽粒食用安全的5种重金属土壤安全限量值。研究结果将为农用地土壤环境中重金属标准定值提供基础数据，指导受重金属污染农田的安全利用与替代种植，对保障农产品食用安全和人体健康具有重要意义。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 实验材料

前期选取上海市某低效工业场地减量化复垦后的表土，土壤类型为壤质土。将原土壤风干一周、用木锤敲碎，使用园区简易工程铁丝网筛(孔径约4 mm)过筛，保持原有基质特征不变，获得均匀供试土样。并测定了供试土壤的理化性质(表1)和重金属初始含量(表2)。盆栽试验于2017年在上海市青浦现代农业园智能化大棚内进行。供试水稻品种(Oryzasativa)选用本地(青浦现代农业园区)水稻，水稻幼苗本底值如表3所示。

1.2 污染土壤制备

污染土壤配制参考我国“七五”和“十一五”期间土壤环境调查中的各重金属含量范围[15]，每个单一重金属污染盆栽实验设5个梯度(表4)，同时设空白对照(CK)，共6个处理，每个处理设3个平行。Cd的染毒：根据实验设计称取相应质量CdCl2·2.5H2O，分几份放入烧杯中向烧杯中加入去离子水配成母液，保证每个烧杯中CdCl2·2.5H2O完全溶解，浓度为3 mg·L-1。将预先风干处理好的实验所需质量的土在室温中平摊，把每个烧杯中的母液洒到土壤当中，边喷洒边搅拌以保证母液与土壤充分均匀混合，混合后的土壤放置在室温中稳定2周然后装入预先准备好的塑料盆进行后续盆栽土培实验。Pb、Ni、Cr和Hg染毒过程与Cd的染毒过程基本相同，染毒母液浓度分别为PbCl2(900 mg·L-1)、NiSO4(800 mg·L-1)、K2Cr2O7(1 200 mg·L-1)和HgCl2(3 mg·L-1)。所用试剂均为优级纯，购自国药集团，染毒后的盆栽土壤实测值如表5所示。试验盆栽花盆直径30 cm、高25 cm，每盆装供试土壤5 kg，盆底加盆托防漏土，各处理施加同等氮、磷和钾作底肥。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil samples

表2 供试土壤重金属含量Table 2 Heavy metal concentration of soil samples

表3 水稻幼苗重金属本底值Table 3 Heavy metal background value in rice seedling

表4 单一污染盆栽实验浓度梯度设置Table 4 The concentration set of total heavy metal in the soil used by this experiment

表5 单一重金属污染盆栽土壤实测浓度梯度Table 5 The actual concentration set of total heavy metal in the soil used by this experiment

1.3 盆栽实验

土壤稳定一周后开始进行育苗，将培育好的水稻苗插入盆中(插秧)，每盆3株，生长期间保持土壤湿度为田间持水量60%，光照根据大棚内情况正常光照12 h，温度白天保持在35 ℃左右，夜间大约27 ℃左右。水稻生长期间根据实际情况进行浇水、松土、除草和去害虫，实验开始后每天早上观察幼苗的生长发育状况，并记录异常情况。水稻在19～20周进行采摘称重确定生物量。

1.4 样品采集与分析方法

土壤样品取样采用四分法五点均匀取土，用木铲将所取5个点土壤取到塑料盆中，充分混合均匀，将土壤中大的杂物去除，放入取样袋中。用研磨器将所取土壤样品研磨、过筛(2 mm)，拣出杂质，测定土壤基本理化性质和土壤中重金属含量。作物样品按照《新鲜水果和蔬菜 取样方法》(GB/T 8855—2008)标准方法取样。

分析方法：水稻植株和籽粒中Cd、Pb、Ni、Cr和Hg的测定方法参照《食品安全国家标准 食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)、《食品安全国家标准 食品中铅的测定》(GB 5009.12—2010)、《食品安全国家标准 食品中镍的测定》(GB 5009.138—2017)、《食品安全国家标准 食品中铬的测定》(GB 5009.123—2014)和《食品安全国家标准 食品中总汞及有机汞的测定》(GB 5009.17—2014)。土壤中重金属含量测定采用《固体废物22种金属元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ 781—2016)进行测定，土壤理化性质均参照《土壤农业化学分析方法》进行测定[16]。

1.5 水稻中重金属限量赋值方法

本研究首先采用靶标危害指数法(THQ)[17-18]，推算水稻籽粒中Ni限量值(mgkg-1)。具体计算公式为：THQ=(c×EF×ED×IR)/(BW×AT×RfD)×10-3，式中：c为谷物(水稻籽粒)中污染物的平均含量(mg·kg-1)；EF为暴露频率(365 d·a-1)；ED为暴露时间(70 a)；IR为我国每日粮食摄入率(摄入率按335 g·d-1计)；BW为我国人体的平均体质量(体质量按60 kg计)；AT为平均暴露时间(365 d·a-1×70 a)[19]；RfD为经口摄入参考剂量(reference dose)，主要参考美国环境保护局(US EPA)综合风险信息系统(IRIS)及其他来源中针对主要污染指标的参考剂量，Ni为0.02 mg·kg-1·d-1[20]。当THQ值≤1，表明人体食用目标区生长的作物基本不产生健康风险；THQ值>1时，可引起人体健康风险。因此，设置THQ=1时所推算出的c值即为作物可食部分中Ni的人体健康安全临界值(mg·kg-1)。其余4种重金属依据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中的谷物重金属含量的限量值来确定人体健康安全临界值。

其次，采用回归分析方法建立水稻籽粒各重金属含量(Y)与土壤各重金属含量(X)的关系式，将以上计算出的水稻籽粒中各金属元素的限量值(Y)代入相对应的“土壤-水稻”重金属含量之间的回归方程式中，推导出基于水稻籽粒食用安全的5种土壤重金属限量值(X)[21]。

1.6 数据处理方法

用Excel 2016及SPASS 19.0软件对数据进行统计和回归分析，采用单因素ANOVA均值检验，选用Duncan法进行方差检验，显著性水平为0.05。图表的制用Origin 9.0和Excel 2016完成。

2 结果(Results)

2.1 不同处理水平下5种重金属对水稻鲜质量的影响

生物量变化是水稻响应重金属胁迫的最直观的综合体现，分析不同重金属胁迫下水稻的鲜质量发现，不同重金属对水稻鲜质量的影响各不相同(图1)。结果表明，Cd、Cr和Hg对水稻鲜质量起着“低促高抑”的效果，即随着土壤中Cd、Cr和Hg含量的升高，水稻鲜质量表现出先增加后减少的趋势。对于不同的重金属，水稻鲜质量出现抑制时，土壤各重金属的浓度不同。对于Cd处理组，处理组1、2、3、4和5均高于对照组，可见Cd对于作物生物量有一定的促进作用，但处理5与处理4相比生物量开始明显下降；对于Cr、Hg处理组，处理组1、2、3和4均对水稻植株鲜质量具有促进作用，当浓度达到处理5时，水稻鲜质量受到抑制，低于对照组鲜质量。

随着土壤中重金属Pb的处理水平升高，水稻鲜质量呈明显的下降趋势，当土壤中Pb达到处理5浓度水平时，水稻鲜质量与对照相比差异达到显著(P<0.05)。随着土壤中Ni的处理水平升高，水稻鲜质量表现为先下降后上升趋势，但总体与对照组相比无显著差异，说明水稻对重金属Ni的抗逆性较好，能够在较高浓度Ni污染土壤中保持良好长势，这与康立娟和谢忠雷[8]研究结果不同，可能是由于水稻品种不同以及Ni在土壤中的形态不一样，可被吸收形态的Ni还没有达到对作物毒害作用的剂量。

图1 不同处理水平下5种重金属对水稻鲜质量的影响Fig. 1 Effects of five heavy metals on rice fresh weight under different treatment levels

2.2 水稻对5种重金属积累特征

2.2.1 水稻植株对5种重金属积累特征

如图2所示，随着土壤中5种重金属浓度的升高，水稻植株中5种重金属含量呈现出明显的上升趋势，除Pb以外，均与对照组植株重金属含量表现出显著差异(P<0.05)。当土壤中Pb(图2(a))浓度达到处理2水平时，植株Pb含量与对照组达显著差异(P<0.05)，当土壤中Pb浓度达到处理5水平时，水稻植株中Pb含量是对照组植株Pb含量的15倍。由图2(c)可知，水稻植株对土壤重金属Ni吸收量较多，当土壤中Ni含量达到处理1水平时，水稻植株中Ni含量即表现出“突增”，为对照组含量的35倍。水稻植株对Cr的吸收量(图2(b))虽然随着土壤Cr含量上升而增高，但在处理2、3、4和5之间，水稻植株Cr含量没有表现出显著差异。水稻植株对土壤中Hg的吸收较少(图2(d))，在土壤中Hg浓度为处理1、2、3和4水平时，水稻植株Hg含量没有表现出明显差异，但在达到处理5水平时，水稻植株Hg含量显著提高，与处理1、2、3和4表现出显著差异(P<0.05)。

2.2.2 水稻籽粒对5种重金属积累特征

随着土壤中5种重金属含量的上升，水稻籽粒的各重金属含量均有所上升(图3)，但水稻籽粒对各种金属的累积能力表现出差异，水稻籽粒对5种重金属累积量排序为Ni>Cr>Cd>Pb>Hg。水稻籽粒对重金属Cd、Pb、Cr、Ni和Hg的吸收与累积呈上升趋势。当土壤Cd、Pb、Ni和Hg浓度分别达到2.4、750、650和2.5 mg·kg-1时，水稻籽粒中的Cd、Pb、Ni和Hg含量与对照相比表现出显著差异(P<0.05)，但不同Cr含量土壤中，水稻籽粒对Cr的吸收累积无明显差异(图3(b))，这可能是由于种植期间大棚温度较高，水分挥发较快，Cr在未淹水状态下，大部分Cr都以Cr3+形式存在，而Cr在土壤中以Cr6+存在时才易于被水稻吸收，因此在水稻籽粒中的积累差异不明显[22]。

图3 不同处理水平下水稻籽粒中5种重金属含量注：(a) Cd, Pb；(b) Ni, Cr；(c) Hg。Fig. 3 Contents of five heavy metals in rice grains under different treatment levelsNote: (a) Cd, Pb; (b) Ni, Cr; (c) Hg.

2.3 水稻籽粒5种重金属富集规律

水稻对重金属的吸收能力通过富集系数(bioconcentration coefficient, BCF)量化表现[23-25]。富集系数通常能直观地表示植株对重金属的吸收累积能力，富集系数=植株重金属含量(mg·kg-1)/土壤重金属含量(mg·kg-1)，一般来说，作物对重金属的富集系数越小，则表明其吸收重金属的能力越差，对于土壤重金属的抗逆性越强[26-28]。水稻籽粒对5种重金属的富集能力表现出明显的差异，水稻籽粒对于重金属Cd的富集能力明显高于其他4种重金属元素(表6)。水稻籽粒对于Cd的富集呈现出先上升后下降的趋势，在处理1浓度时富集系数最高，达到0.4775，其余处理浓度的富集系数均在0.2315～0.4043之间；水稻籽粒对Pb的富集系数在5种金属元素中最低，在对照组达最高，其余处理水平无明显差距，说明水稻不易吸收Pb；不同处理组水稻籽粒对Cr和Ni的富集系数分别在0.0012～0.0088和0.0465～0.0081之间，水稻籽粒Cr的富集系数在对照组中最高，在处理1水平下Ni富集系数达最高；水稻籽粒对Hg在不同处理水平下富集系数没有表现出明显差异，在对照组达到最高。

综上所述，除Hg元素外，水稻对于不同重金属均在低浓度处理组或对照组富集系数较高，而在高浓度处理组富集系数反而下降，这可能由于水稻籽粒的抗逆性较好，对于单一重金属的吸收量有限，所以随着土壤中各重金属含量增加，水稻对重金属的吸收速率减缓，富集系数有所下降，表现为处理组富集系数低于对照组，同时水稻根系是通过吸收含有金属离子的溶液来富集重金属，而Hg元素在土壤中相较其他4种金属溶解度较差，且当土壤中Hg含量达到一定浓度时，水稻对Hg的吸收累积在根部，难以向籽粒中转移，从而出现动态上升的趋势[29]。

2.4 基于水稻食用安全的土壤5种重金属安全阈值推算

重金属在水稻可食部分过量累积并通过食物链传递到人体对人类健康造成威胁，基于水稻食用安全的土壤重金属安全阈值也应引起重视。基于回归分析方法建立了5种重金属水稻籽粒含量与土壤中含量关系(表7)。5种重金属在水稻中的含量与土壤中的含量表现出明显的线性关系(P<0.01)。相关系数大小依次为Cr(0.9712)>Pb(0.9696)>Cd(0.9654)>Ni(0.9220)>Hg(0.8463)。

依据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)规定，谷物类粮食对于各重金属都有安全限量值。其中Cd、Pb、Cr和Hg的安全限量值分别为0.20、0.20、1.00和0.01 mg·kg-1，将上述4种重金属在谷物粮食中的限量值(Y)逐一带入对应的“土壤-水稻”重金属含量方程中，计算出基于水稻籽粒食用安全的土壤各重金属含量安全阈值(X)(表5)，得到关于Cd、Pb、Cr和Hg水稻籽粒食用安全的土壤重金属限量值分别为0.51、330.33、231.67和0.93 mg·kg-1。

鉴于我国食品安全质量标准中尚未规定食物中Ni的安全限量值，依据美国环境保护局(US EPA)推荐的Ni人体最大日允许摄入量(RfD)0.02 mg·kg-1·d-1，推算出靶标危害指数(THQ)=1时水稻籽粒可食部分的Ni的限量值为3.58 mg·kg-1。

表6 5种重金属不同浓度处理下水稻籽粒的富集系数Table 6 Enrichment coefficient of rice grains under different treatments of five heavy metals (%)

表7 5种重金属在水稻籽粒中含量(Y)与土壤中含量(X)的相关关系及限量值计算Table 7 Correlation between content (Y) in rice grains and content (X) in soil and calculation of limit values of five heavy metals

3 讨论(Discussion)

本研究采用温室盆栽土培试验方法研究了水稻对5种土壤重金属的积累转运特征，并基于《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)和水稻食用安全要求分析了土壤中的各重金属限量值，研究结果表明，土壤重金属Cd、Cr和Hg对水稻地上部分生物量具有“低促高抑”现象，这可能是因为低含量的重金属对土壤根际微生物以及植物体内酶(脲酶、脱氢酶)活性具有一定的刺激作用，从而促进了植物的生长[30-32]。当超过某一阈值时，通过抑制作物的细胞分裂和伸长，刺激和抑制一些酶的活性影响组织蛋白质合成、影响根基对作物养分的吸收，从而降低了作物的光合作用和呼吸作用，出现生长迟缓、植株矮小、生物量下降甚至死亡等症状[33]。但出现抑制现象的重金属浓度不同，表明水稻对不同重金属的敏感度与耐受性不一样，这可能与土壤性质、水稻品种有关。水稻籽粒对不同浓度的重金属Pb、Cr和Hg富集系数均小于对照组，这可能是由于Pb、Cr和Hg较难被作物吸收，当处理组土壤浓度升高时，吸收量难以大幅度增加，导致富集系数低于对照组。

水稻植株对5种重金属的吸收量均大于籽粒的吸收量，除Hg元素外其他4种重金属在植株的富集含量均超出籽粒中含量的2倍～8倍，水稻植株虽不是作物可食部分，不会对人体直接产生健康风险，但水稻收获后产生的水稻秸秆容易重新进入土壤，近年来农业资源化利用逐渐成为热点，水稻秸秆常以不同的形式重新进入土壤[34-35]，对土壤易产生二次污染，因此，在关注土壤重金属的作物累积特征与食用安全的同时，应注意作物不可食部分的富集特征，避免将来农业废弃物资源化利用而产生的二次污染。

土壤重金属Pb对水稻生物量表现为持续抑制作用，这可能是由于随着Pb浓度的升高，影响了水稻叶片叶绿素的合成，从而持续降低了水稻的生物量[36]。从预测的土壤安全阈值来看，水稻对于土壤中重金属吸收量远大于青椒、黄瓜和青菜等作物[14,21,32,37-38]，尤其是对于重金属Cd，水稻籽粒对Cd的富集系数明显高于其他4种重金属，富集系数最高达47%，这是由于Cd和Zn位于元素周期表的同一列，在植物吸收Cd时，往往伴随Zn吸收，并在低浓度时代替Zn元素被当作营养元素，作物从土壤中吸收Cd，主要通过Ca、Fe、Mn和Zn转运体进行，当土壤中Cd浓度不断升高，导致后者的稳态失调或导致它们从蛋白质中置换出[39]，这也间接佐证了在低浓度处理时，Cd对水稻生物量具有一定的促进作用。总体来看，水稻籽粒对5种重金属的富集能力差距较大，一方面是因为每种重金属从土壤中进入根系细胞，进而向地上部分转运的机制不同，另一方面每种重金属在土壤中的形态分布不均一，表现出的生物有效性不同，从而最终导致水稻籽粒对不同重金属的富集系数差距较大。

综上所述，本研究表明：

(1) 重金属Cd、Cr和Hg对水稻地上部分鲜质量起着“低促高抑”的效果，随着土壤中Pb浓度的升高，水稻地上部分鲜质量持续下降，水稻对Ni的抗逆性较好，土壤中不同浓度Ni对水稻鲜质量无明显影响。

(2) 随着土壤中重金属含量升高，水稻地上植株与籽粒中重金属含量均不断上升，但水稻植株重金属含量均大于籽粒含量，存在明显差异。5种金属在籽粒中的积累量排序为Ni>Cr>Cd>Pb>Hg，在植株中的积累量排序为Ni>Cr>Pb>Cd>Hg。

(3) 水稻对不同重金属的富集系数较大，其中对Cd的富集系数远大于其他4种重金属，Cd的富集系数在0.2315～0.4775之间，Pb、Cr、Ni和Hg富集系数分别在0.0004～0.0006、0.0012～0.0067、0.0215～0.0465和0.0060～0.0202之间。

(4) 基于水稻籽粒重金属含量与土壤重金属含量的关系方程，推算出各Cd、Pb、Ni、Cr和Hg在土壤中对应的安全阈值预测为：Cd 0.51 mg·kg-1、Pb 330.33 mg·kg-1、Ni 131.00 mg·kg-1、Cr 231.67 mg·kg-1和Hg 0.93 mg·kg-1。

本文研究讨论了水稻对5种重金属的累积特征和土壤中对应的安全阈值。但本文仅从土壤中重金属的总量来进行分析探究，实际上不同的重金属在土壤中的不同形态存在较大差异，其生物有效性差异较大，因此在关注土壤重金属安全阈值时，还应关注土壤重金属的形态分布。其次，土壤中的重金属有效性受土壤理化性质以及微生物群落影响较大，这也是我国不同地区土壤重金属安全阈值不同的主要原因，因此，在后续研究中，可进一步探究不同地区土壤，重金属有效性的影响因子，进一步准确推导不同地区的土壤重金属安全阈值，为农业用地的安全利用和农产品质量的提升提供科学依据。