镉和锌在水稻中的富集特征及其产地土壤安全临界值

陈朝述 卢华龙 周振明

（广西师范大学环境与资源学院，广西 桂林 541004）

0 引言

随着经济快速发展，工业“三废”和城市生活废水排放以及农户不合理使用化肥和农药，导致我国土壤重金属污染越来越严重，其中南方地区（湖南省、云南省、广西壮族自治区等）土壤受到镉、锌、铬等重金属污染尤为严重。重金属通过农作物富集和食物链传递的方式，对当地居民身体健康构成威胁［1-2］。

水稻（Oryza sativaL.）是我国南方地区主要粮食作物，有研究表明水稻对重金属镉有较强的累积效果，因此对水稻重金属累积特征和安全浓度范围进行深入研究是很有必要的［3］。笔者通过盆栽试验，分析镉、锌在水稻中的富集特征及水稻中镉、锌含量达到安全限值时土壤中镉、锌的含量，探讨水稻产地土壤中镉、锌的环境安全临界值，指导水稻种植户合理安排生产。

1 试验材料与方法

1.1 供试材料

水稻采用广西壮族自治区农民广泛种植的品种南粳46，购自桂林市雁山区种子公司，从播种到收获需要150 d。

供试土壤为桂林市雁山区水稻土。选取正常耕作的水稻田，以“S”形设置10个采样方块，采样方块长宽为2 m×2 m。试验人员去除采样方块表面土和杂物，用木铲采集深度2～20 cm土样，将其装入编织袋带回实验室风干后过孔径2 mm筛，混合备用。供试土壤pH值5.11、有机碳含量23.83 g/kg、有机质含量41.08 g/kg、全氮含量0.924 g/kg、全磷含量0.70 g/kg。

1.2 试验设计

采用盆栽模拟试验，设置不同浓度的镉和锌的复合污染处理，镉、锌以氯化镉、硫酸锌溶液形式加入供试土壤，具体添加浓度如表1所示。试验设计的镉、锌浓度分6个处理水平，每个处理设3个重复。试验人员取供试土壤加入镉、锌，充分混匀后装入黑色塑料盆，每盆装土10.0 kg，同时施入氮磷钾肥作底肥。其中，氮肥为尿素（氮浓度200 mg/kg），磷肥为过磷酸钙（五氧化二磷浓度150 mg/kg），钾肥为硫酸钾（氧化钾浓度150 mg/kg）。平衡10 d后将在育苗盘中育好的水稻秧苗移栽到黑色塑料盆内，每盆种植6株水稻。在水稻生长过程中，试验人员按照当地农户种植水稻的常规方法进行管理。

表1 试验设计添加的镉、锌浓度 mg/kg

1.3 土壤和植物样品的采集与处理

土壤与水稻的根、茎、叶及水稻籽粒分开收获，试验人员用去离子水将植物样品清洗干净后放入105 ℃烘箱杀青后60 ℃烘干，水稻籽粒磨碎，谷壳和糙米分开保存。

1.4 监测指标与方法

参考《土壤农业化学分析方法》分析土壤理化指标，植物和土壤中镉和锌采用酸消解—原子吸收分光光度计法测定。

1.5 数据处理

重金属富集系数指重金属元素含量在植物地上部与相应土壤中的比值。重金属富集系数越大，表明重金属越易被植物吸收并进入植物内部［4］。重金属转移系数是指植物地上某部位与地下部某重金属含量的比值。富集系数和转移系数综合反映植物对土壤重金属的吸收和转移能力［5］。重金属富集系数=植物各部位重金属含量/土壤中重金属含量。重金属转移系数=植物某部重金属含量/地下根部重金属含量。

试验所有数据均为3次重复试验的平均值，数据采用Microsoft Excel 2010进行处理，差异显著性和回归方程采用Statistical Product Service Solutions 22.0进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 水稻各部位镉、锌的含量

不同处理水平下，镉、锌在水稻各部位的含量如表2、表3所示。水稻各部位镉的含量均随着土壤镉处理浓度的升高而增加，最高浓度处理水平（S5）的水稻根、茎、叶、谷壳、糙米的镉含量分别是对照的4.28、7.42、5.82、7.78和6.40倍。同一处理水平下，除S1叶外，水稻根对镉的累积量要高于其他各部位对镉的累积量。除对照外，5个处理水平下水稻根部镉的平均含量分别为茎、叶、谷壳、糙米的1.17、1.45、1.90、1.63倍，存在明显差异。除S2谷壳外，随着处理浓度增加，水稻根、茎、谷壳、糙米中锌的含量逐渐增加，叶的锌含量在低浓度处理（S0-S3）时增加，在高浓度处理（S4-S5）时减少。同一处理水平下，水稻根对锌的累积量大于其他部位。5个处理水平下水稻根部锌的平均含量分别为茎、叶、谷壳、糙米的1.27、2.70、29.56、1.71倍，差异显著。

表2 不同处理水平下水稻各个部位镉的含量 mg/kg

表3 不同处理水平下水稻各个部位锌的含量 mg/kg

2.2 水稻对镉、锌的富集系数（BCF）与转移系数（TF）

由表4可知，水稻根和茎对镉的富集系数随着处理浓度升高而逐渐增加，叶、谷壳、糙米则小幅振荡，5个处理水平下（S1-S5），水稻根、茎、叶、谷壳、糙米对镉的富集系数平均值分别为0.50、0.41、0.36、0.26、0.31，说明水稻各部位对镉有较强的富集能力，其中水稻根对镉的富集能力最强，谷壳最弱。由表5可知，5个处理水平下（S1-S5），水稻根、茎、叶、谷壳、糙米对锌的富集系数平均值分别为0.30、0.22、0.13、0.012、0.15，说明水稻根对锌的富集能力最强，谷壳富集能力最弱。

表4 水稻对镉的富集系数

表5 水稻对锌的富集系数

由表6、表7可知，水稻各部位对镉的转移能力都比较强，水稻茎对镉的转移系数随着处理浓度的增加而增大，叶、谷壳、糙米对镉的转移系数在高浓度处理下（S5）呈现降低趋势，说明随着镉浓度的增加，水稻将镉累积在茎中，从而阻止了镉向谷壳和米转移。锌在水稻茎、叶和糙米中的转移能力也较强，在谷壳中较弱。

表6 水稻对镉的转移系数

表7 水稻对锌的转移系数

2.3 水稻产地土壤镉、锌的安全临界值

镉、锌含量以土壤和水稻糙米的测定结果为依据，采用朱立新回归分析法［6］，拟合土壤中重金属含量（Y）和水稻糙米中重金属含量（X）的相关关系，建立线性回归模型（见表8）。根据《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）和《粮食（含谷物、豆类、薯类）及制品中铅、镉、铬、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》（NY 861—2004），糙米中镉、锌的最大允许量分别为0.2 mg/kg和50 mg/kg。通过回归方程可知，水稻土壤中镉安全临界值为0.805 mg/kg，锌的安全临界值为277.8 mg/kg。

表8 镉、锌在水稻糙米中含量（X）与土壤中的含量（Y）回归方程及土壤安全临界值

以《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ/T 332—2006）中土壤限值规定：pH＜6.5，镉≤0.3 mg/kg，锌≤200 mg/kg。此次研究测算的产地土壤镉、锌安全临界值均超过限值，其中镉达到限值的2.68倍，表明产地土壤环境安全临界值与土壤中重金属限值存在较大差异。宋波等［7］指出，近年来由于各种原因导致土壤镉含量逐渐积累，广西壮族自治区西江流域土壤镉背景值达到了0.514 mg/kg，与此次研究所采土壤镉含量（0.62 mg/kg）相似。在这种条件下，当地土壤镉含量还可以存在约0.3 mg/kg的缓冲，此时农田种植的水稻仍然可以安全食用。此外，此次研究试验用土的pH值比较低，水稻种植户可以通过合理施用化肥或者抛撒石灰的方式提高土壤pH值，降低重金属镉锌的活性，从而减少农作物对重金属的吸收，进一步提高农产品质量安全。

3 结论

水稻各器官中的镉、锌含量均随着土壤镉、锌浓度的上升而增加，根中的镉、锌含量显著高于糙米。整体来看，水稻根部对镉、锌的富集能力最强，谷壳富集能力最弱。

水稻糙米中镉、锌的产地土壤安全临界值分别为0.805、277.8 mg/kg，对于此次试验土壤，镉和锌超标不一定会造成危害，农作物产品是否安全不能只关注土壤的重金属污染程度。因此，在产地农作物种植实践中，研究人员需要进一步研究关于农作物产品安全和产地土壤环境安全的统一问题，水稻种植户需要充分考虑作物对重金属累积的差异，做出科学合理的规划。参考文献：［1］赵雄，李福燕，张冬明，等.水稻土镉污染与水稻镉含量相关性研究［J］.农业环境科学学报，2009（11）：2236-2240.［2］范中亮，季辉，杨菲，等.不同土壤类型下Cd和Pb在水稻籽粒中累积特征及其环境安全临界值［J］.生态环境学报，2010（4）：792-797.［3］覃都，陈铭学，周蓉，等.锰-镉互作对水稻生长和植株镉、锰含量的影响［J］.中国水稻科学，2010（2）：189-195.［4］仲晓春，陈京都，郝心宁.水稻作物对重金属镉的积累、耐性机理及栽培调控措施进展［J］.中国农学通报，2015（36）：1-5.［5］李鸣，吴结春，李丽琴.鄱阳湖湿地22种植物重金属富集能力分析［J］.农业环境科学学报，2008（6）：2413-2418.［6］刘昭兵，纪雄辉，田发祥，等.不同基因型甘薯（Ipomoea batatasLam．）吸收累积Cd的特征差异性研究［J］.农业环境科学学报，2010（9）：1653-1658.［7］宋波，杨子杰，张云霞，等.广西西江流域土壤镉含量特征及风险评估［J］.环境科学，2018（4）：1888-1900.