水分管理对复合污染稻田Pb、Cd和As迁移特性及稻米质量安全的影响

陈璐，杨斗龙，米艳华，李倩，王丹，王文治，杜丽娟，尹本林

(1.云南省农业科学院 质量标准与检测技术研究所，云南 昆明，650205；2.红河州经济作物技术推广站，云南 红河哈尼族彝族自治州，661199)

0 引 言

据《2020云南统计年鉴》显示，2019年云南省水稻(OryzasativaL.)种植面积为84.15万hm2，总产量达534万t，是云南省主要的粮食作物[1]。同时，云南省享有“有色金属王国”的美誉，采矿业的发展带动了当地的经济发展，但也引发了生态环境问题。红河州大屯海水域经检测，砷含量超过国家标准限量的96倍[2]，严重威胁着周围农作物的质量安全及人体健康。前期研究发现：个旧地区稻田土壤Cd、As元素的生态风险指数平均值均大于40，94.4%的土壤样品处于中等风险以上水平，33.3%采样点处于生态风险重警级别[3]。通过对个旧市267个稻米样品的质量调查显示，对照《食品安全国家标准·食品中污染物限量标准》(GB 2762-2017)[4]，Pb、As、Cd的超标率均高于20%[5]，大米Cd平均值为0.446 mg·kg-1，超标1.23倍[6]，稻米质量安全问题引发关注。

水分管理是水稻种植中的重要农艺措施，不同的水分管理模式对水稻田土壤重金属的形态和稻米吸收累积重金属具有重要影响。相关研究表明，淹水可以明显提高酸性水稻土的pH，降低土壤有效态镉含量[7-8]，糙米Cd可减少17%～67%[9]；也有研究表明，水分管理对水稻根际土壤中As、Cu和Zn的含量影响不大，但对水稻根、茎叶和籽粒中As增加显著[10]，间歇性排水有效地降低了土壤中As的含量[11]。但目前已有报道大多为室内盆栽培养试验，结合生产的田间试验相对较少。本研究将结合生产实际，在田间设置4种水分管理模式：种植根部起垄、干湿交替、长期淹水及湿润土壤的常规管理。分析采用不同水分管理模式时土壤重金属Pb、Cd和As的浓度及水稻对Pb、Cd和As的吸收转运情况。为进一步筛选出可以有效抑制重金属Pb、Cd和As向稻米籽粒中迁移的水分管理模式，指导水稻实际生产安全种植的农艺措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点范围选取在云南省个旧市大屯镇的水稻种植区，海拔1 220～1 350 m，年平均气温18 ℃～20 ℃，年降雨量800～1 000 mm。该区域农田土壤类型为红壤性水稻土，土壤基本理化性状见表1，对照《土壤环境质量标准》(GB15618-2018)[12]，供试试验田土壤重金属Pb和As含量均超出农用地土壤污染风险筛选值，低于风险管制值，而Cd含量则低于风险筛选值，综合属具有重金属复合污染特征的水稻田土壤。

表1 供试土壤基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

供试作物为水稻(OryzasativaL.)，品种为红优4号，是当地主栽品种之一，由云南省红河州个旧市大屯镇农业综合服务中心提供水稻种子并完成育苗。

1.2 试验设计

试验共设4个田间大区处理，分别为(1)种植根部起垄(Roots ridging，RR)，即水稻栽种于垄上，垄高10 cm，垄间淹水，水面保持低于垄高5 cm；(2)干湿交替(Intermittent flooding，IF)，即淹水至土壤表面2～3 cm水层，待自然落干后，再次淹水至土壤表面2～3 cm水层，如此循环；(3)长期淹水(Continuous flooding，CF)，即水稻全生育期淹水保持土壤表面3～5 cm水层；(4)常规种植管理(Conventional planting)作为对照CK，即农户习惯性管理方式，稻田淹水、落干与降雨量相关。试验区在同一田块，土壤性质一致，试验区长宽为5 m×8 m，每个大区间隔20 cm，为使保证不同处理试验区之间水分不相互流动，将田埂用塑料膜包裹隔离，每个试验处理设置独立的灌溉及排水沟渠，保障试验期不同处理稻田的淹、干水效果，防止雨季长期积水及试验之间相互影响。

本试验于2017年3-4月进行育秧，5月完成秧苗移栽。除水分管理外，田间施肥、杀虫用药等管理措施按大田常规操作进行。

1.3 样品采集与处理

9月中旬水稻成熟时，采集水稻整株及根际土壤作为试验样品，水稻植株样品分为根、茎叶和谷粒3个部分，分部位洗净泥沙后，105℃杀青30 min后70℃烘干至恒重。使用小型砻谷机(JLG-Ⅱ型，中储粮成都粮食储藏科学研究所研制)将水稻谷粒脱壳，制成糙米样品；根、茎叶、糙米、根上茎及米糠等植物样品充分烘干后，使用小型粉碎机粉碎，过0.15 mm的尼龙筛，用自封袋干燥保存待测。土壤样品经自然风干、研磨后过0.15 mm的尼龙筛，用自封袋干燥保存待测。

1.4 样品分析

土壤样品pH值，测定时固液比值为1∶2.5[13]，使用酸度计(STARTER 3100，奥豪斯仪器(上海)有限公司)测定；土壤重金属使用湿法消解，消解混合酸的比例为，HNO3∶HClO∶HF=10∶1∶2；铅、镉含量的测定采用石墨炉原子吸收分光光度法[14]；砷含量的测定采用原子荧光法[15]。土壤有效态铅、镉参照GB/T 23739-2009土壤质量有效态铅和镉原子吸收法的测定[16]；有效态砷参照DB35/T 1459-2014酸性土壤中有效砷、有效汞原子荧光法的测定[17]。

水稻植株样品，根、茎叶、糙米使用湿法消解，消解混合酸比例为HNO3∶HCIO4=10∶1；砷含量参照GB 5009.11-2014食品安全国家标准食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定[18]；铅含量参照GB5009.12-2010食品安全国家标准中铅的测定[19]；镉含量参照GB 5009.15-2014食品安全国家标准食品中镉的测定[20]。

1.5 数据统计与分析

采用新复极差法(Duncan法)对试验数据进行差异显著性检验(P<0.05)，利用Excel 2010、SPSS 22.0和SigmaPlot 12.0软件进行数据分析和图形处理。

土壤重金属有效态活度系数(Activity coefficient)反映重金属有效态浓度和实际浓度的差异，用来评价土壤重金属的活化程度，活度系数计算公式：γi=Ca/C，其中γi为活度系数；Ca为土壤重金属有效态浓度(mg·kg-1)；C为土壤重金属总量浓度(mg·kg-1)。

重金属的转运系数(Translocation factor)[20]指植物地上部中的金属含量与地下部中的金属含量的比值。用来评价植物将重金属从地下部向地上部的运输和富集能力的一种指标。水稻植株不同部位之间转运系数计算公式：R=S/L，其中R为转运系数；S为重金属地上部分含量(mg·kg-1)；L为重金属地下部分含量(mg·kg-1)。

2 结果与分析

2.1 水分管理模式对土壤重金属含量及有效态的影响

不同的水分管理模式对土壤重金属Pb、Cd和As及其有效态含量的影响表现不同。从图1中可以看出，经过一季的水稻生长，不同的水分管理模式对土壤重金属Pb、Cd和As含量表现出明显差异。RR模式土壤中重金属Pb、Cd和As含量与试验初土壤背景值相比，表现为显著降低，Pb的降幅为12.9%，Cd的降幅为14.3%，As的降幅最大为16.9%；IF模式土壤中Pb和As的含量降低，但表现不显著，Cd含量基本保持不变；CF模式Pb、Cd和As的含量均显著增加，增加幅度分别为20.2%、13.4%和6.9%；常规CK模式中除As含量出现小幅增加外，Pb和Cd的含量变化不大。不同水分管理模式下，重金属有效态变化趋势与土壤重金属总量保持一致。但与对照CK模式相比，CF模式重金属有效态含量最高，分别为有效态砷含量8.33 mg·kg-1，有效态镉含量0.08 mg·kg-1，有效态铅含量2.30 mg·kg-1；RR和IF模式Pb、Cd和As的有效态含量相近且均低于CK模式。综上所述，水稻种植过程中RR和IF两种水分管理模式对比常规管理模式可以有效降低土壤中Pb、Cd和As的有效态含量；CF模式Pb、Cd和As的有效态含量最高且高于常规管理模式。

土壤重金属有效态活度系数可以反映土壤重金属的活化程度。从表2中可以看出，RR、IF和CK管理模式对土壤As的活度系数影响不大，CF模式下As的活度系数显著增加，说明CF管理模式易使土壤As的活化程度增强；重金属Cd的活度系数最高，说明土壤中的Cd较易活化，RR和IF模式对Cd的活化程度相近且影响最小，CF处理的Cd有效态活度系数达0.189比CK处理高，说明CF处理更易增强Cd的活性；重金属Pb的活度系数最低，且不同水分管理模式的活度系数间差异不显著，说明土壤Pb有效态的活化与水分管理模式无关。

表2 土壤重金属有效态活度系数Table 2 Available activity coefficients of heavy metals in soil

2.2 水分管理模式对水稻各部位重金属含量的影响

不同水分管理模式对水稻各部位重金属的含量影响表现不同(表3)。从表3中可以看出，RR、IF水分管理模式可以显著降低水稻根部重金属Pb、Cd和As的含量，约是CF模式的55%～81%；根上茎即根部以上15 cm的茎秆，是水稻根系吸收重金属后向地上部转运的首要部位，IF模式下根上茎的Pb、Cd和As含量均为最高，分别达92.4 mg·kg-1、1.90 mg·kg-1和46.9 mg·kg-1。RR、CF和CK模式根上茎Pb和Cd的含量无显著差异；RR模式下根上茎As的含量显著低于其他水分管理模式，最低达40.0 mg·kg-1。茎叶中Pb含量最高的为RR模式，最低为CK模式；Cd含量最高为CF模式，最低为IF和CK模式；As含量最高为CK模式，最低为IF模式。米糠中Pb、Cd和As含量在RR管理模式条件下最低，CF模式下含量达到最高。RR和IF水分管理模式下，糙米中重金属含量显著低于另外两种水分管理模式，且糙米中Pb、Cd和As的含量低于《食品安全国家标准·食品中污染物限量标准》(GB 2762-2017)[4]，糙米质量安全。综合分析，RR和IF水分管理模式可以显著降低糙米的重金属含量，重金属多富集在根上茎和茎叶中；CF管理模式根部、根上茎及糙米重金属均为所有水分管理模式中含量最高；CK和CF模式下糙米Pb和Cd的含量超过《食品安全国家标准·食品中污染物限量标准》(GB 2762-2017)[4]，超标1.9～2.7倍，应减少或不采用此种水稻种植的水分管理模式。

表3 水分管理模式对水稻各部位重金属含量的影响(mg·kg-1)Table 3 Effects of water management models on heavy metal contents in different parts of rice

2.3 水分管理模式对水稻重金属转运系数的影响

从表4可以看出，水分管理模式对重金属在水稻中的转运影响不同。Pb从根系到茎叶的转运系数范围为0.031 2～0.089 9，其中RR水分管理模式最高，CK模式最低；Cd从根系到茎叶的转运系数范围为0.295 1～1.048 6，其中CF模式的转运系数最高能力最强，IF模式的转运系数最低；As从根系到茎叶的转运系数范围为0.145 5～0.301 1，其中CK模式转运系数最高约是最低的IF模式的一倍。Pb从茎叶到糙米的转运系数为0.003 5～0.514 8，CK模式的转运系数最高，RR模式的转运系数最低；Cd从茎叶到糙米的转运系数为0.394 9～2.137 6，水分管理CK模式转运系数远高于其他模式，达2.137 6，CF模式仅次于CK，达1.217 9，RR和IF模式的转运系数较低仅为0.398 9和0.394 9；As从茎叶到糙米的转运系数为0.007 4～0.012 9，IF和CF模式的转运系数为0.012 9和0.010 5，RR和CK的转运系数较低，仅为0.009 3和0.007 4。Pb从根系到糙米的转运系数介于0.000 3～0.016 1，CF和CK模式的转运系数较高为0.011 6和0.016 1，RR模式的转运系数仅为0.000 3，远低于其他模式；Cd从根系叶到糙米的转运系数介于0.324 3～0.949 9，RR和IF模式的转运系数相近且较低，CF模式略高为0.414 1，CK模式最高达0.949 9。As从根系到糙米的转运系数介于0.001 7～0.002 2，不同水分管理模式的转运系数相差不大。综上所述，水分管理RR模式条件下Pb、Cd和As的转运系数从根系到茎叶的较高，从茎叶到糙米的相对较低，从根系到糙米的转运系数最低，说明RR模式对土壤中重金属Pb、Cd和As从根系到茎叶的转运能力较强，从茎叶再到糙米的转运能力较弱，从根系到糙米的转运能力最弱。IF模式重金属从根系到茎叶、从茎叶到糙米、从根系到糙米的转运系数中等偏低，转运能力较弱。CF和CK模式从根系到茎叶、从茎叶到糙米、从根系到糙米的转运系数均较高，转运能力较强，尤其对重金属Cd的转运能力较强。

表4 水分管理模式对重金属在水稻各器官间转运系数的影响Table 4 Effects of water management models on transport coefficients of heavy metals among rice organs

3 讨论

水分管理是水稻种植过程中的重要农艺措施之一，不同水分管理方式对稻田土壤重金属形态和稻米吸收重金属及微量元素具有重要影响[8,21-23]。本研究中采用的根部起垄(RR)和干湿交替(IF)两种水分管理模式土壤中Pb、Cd和As有效态含量明显降低，再次证实了土壤氧化氧化还原条件对土壤重金属形态变化的影响。而且本试验结果与邓林等[8]采用室内土壤培养获得的土壤溶液中重金属的有效性含量随干湿交替次数增加而降低结论相一致；而长期淹水(CF)模式As的有效态含量最高且高于常规管理模式，与杨扬等[24]研究结论一致，说明长期淹水对于减少土壤中As的活性非常不利。

同时，本试验中根部起垄(RR)和干湿交替(IF)措施与对照相比，水稻根部、糙米的重金属含量显著降低，且糙米重金属含量低于《食品安全国家标准·食品中污染物限量标准》(GB 2762-2017)[4]，糙米质量安全，这与WU等[23]、龙水波等[25]和崔晓荧等[26]采用盆栽试验研究的干湿交替可以保持稻米中相对较低的Pb和As浓度结论相吻合。

前期研究表明，长期淹水可以使酸性水稻土壤pH显著提高，土壤有效态镉含量降低[27-28]，本试验中长期淹水(CF)模式Cd的有效态含量最高且高于常规管理模式，与前期采用土壤培养、盆栽试验的研究结论不一致，主要原因可能是在水稻成熟后期，试验区因自然干旱影响，土壤出现10天左右的缺水所致。同时，本试验也再次说明了在复杂的环境和气候条件下，单一的水分调控措施对于土壤Cd有效态的控制效果不稳定。

4 结论

水稻种植过程中，水分管理对土壤中Pb、Cd和As的有效态含量影响较大。其中根部起垄和干湿交替两种水分管理模式可以同时有效降低土壤中Pb、Cd和As有效态含量，且 Cd活度系数最高、最易活化，Pb的活度系数最低，较稳定；同时，根部起垄和干湿交替两种水分管理模式重金属各部位间的转运系数均偏低，转运能力较弱，可以显著降低糙米的重金属含量；在水分条件可控的种植环境条件下，推荐使用根部起垄和干湿交替措施可实现中、轻度重金属风险区稻米的安全种植。