镍污染稻田低积累水稻品种筛选及健康风险评价

张秀锦，张容慧，蔡景行，王国坤，柴冠群，黄承玲，范成五

（1.贵州民族大学 生态环境工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025；3.贵阳市乡村振兴服务中心，贵州 贵阳 550081；4.清镇市种植业服务中心，贵州 清镇 551400；5.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006）

水稻是贵州省的主要粮食作物，其常年产量占全省粮食总产量的1/2[1]。贵州以高原山地居多，矿产资源丰富，重金属自然背景值较高[2-3]。随着工业化及城市化的发展，镍（Ni）通过废气、废液、废渣、含Ni 肥料等途径进入土壤，土壤Ni 污染趋势明显。Ni 作为植物必需营养元素之一，参与其生理、生化和生长过程[4]。但作物对Ni 的需求量是有限的，过量的Ni 会影响作物生长，降低作物产量，进而影响农作物品质，其随食物链进入人体，威胁人体健康[5]。目前，对于轻中度重金属污染农田，可筛选并采用低累积品种进行种植，以实现安全生产[6]。

近年来，有关重金属低累积型水稻品种筛选及应用的研究已趋于成熟[7]，种植重金属低积累品种也被认为是减少重金属进入人类饮食的一种有效方法[8]。柳赛花等[9]和周歆[10]在筛选试验中发现，稻米重金属含量不仅在品种间存在显著差异，在不同作物类型间也存在显著差异。白玉杰等[11]关于不同作物Ni低积累品种筛选的结果表明，不同作物的可食部分Ni 富集水平表现为黄瓜＜青椒＜菠菜＜豇豆＜水稻＜青菜＜花菜＜小麦，最终筛选出黄瓜、青椒、菠菜作为Ni 低积累作物。冯爱煊等[12]通过比较13个不同基因型水稻品种在镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）、砷（As）等混合污染土壤上的重金属积累差异，筛选出袁两优908、Y 两优1 号、渝香203、荐隆两优534 作为适宜栽种品种。王会来等[13]关于14 个水稻Cd 低积累品种筛选的结果表明，甬优362、甬优538、甬优1540 可作为较优品种进行种植。吴明言等[14]通过研究不同籼稻品种对Ni 的富集能力，筛选出内2 优6 号、特优627、Ⅱ优3301、宜优99 为低累积品种。冯莲莲[15]关于15 个水稻Ni 低积累品种筛选的结果表明，全优3301 为最适栽种品种。目前，以Cd、Pb、Cr 污染稻田的低积累水稻品种筛选较为普遍，但针对Ni污染稻田的研究鲜见报道，且低累积水稻品种的筛选应用通常具有区域性[16]。鉴于此，以黔中地区主栽的10 个水稻品种为试验材料，在Ni 污染稻田开展田间试验，探讨不同水稻品种对Ni的转运富集特征，以期筛选出低富集水稻品种，为实现黔中地区Ni污染稻田安全生产提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于黔中地区的清镇市（东经106°15′～106°27′、北纬26°30′～26°41′）。供试土壤类型为青黄泥田潜育型水稻土，弱酸性，土壤基本理化性质见表1。供试土壤Ni含量为100.46 mg/kg，高于土壤污染风险筛选值（70 mg/kg）[17]，约为贵州土壤中Ni元素背景值（40 mg/kg）的2.5倍[18]。

表1 供试土壤的基本理化性质Tab.1 Basically physical and chemical properties of soil tested

1.2 供试材料及试验设计

供试水稻为贵州省清镇市主栽的10个品种，其中籼型三系杂交稻品种有乐优891、中优295、蓉3优918、秀香优8号、丽香优5号、野香优莉丝、野香优2998；籼型迟熟三系杂交稻品种有宜香优800、中优808；中籼迟熟三系杂交稻品种有花香优357。

试验采用随机方式排列，设3 个重复，共30 个小区，小区为长方形（5 m×3 m），小区面积为15 m2。多层防水塑料薄膜等均匀覆盖于各田埂，防止小区间水渗漏。在稻田蓄水期间，将基肥（N∶P2O5∶K2O=11∶5∶7）用RE180E2 型耕地机与土壤均匀混合。2021 年6 月移栽水稻，9 月成熟后取样。管理措施同当地大田，收获时分区单收测产。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 土壤样品 采用五点取样法，将土壤连同水稻植株一同采集。取回的土壤混合后铺匀在干净的牛皮纸上，剔除碎石等杂质，置于室内向阳通风的置物架上自然风干。研磨，混匀，分别过0.25、0.15 mm 尼龙筛，置于自封袋，分别用于土壤pH 值、Ni含量测定。

1.3.2 水稻样品 水稻成熟后，采取完整水稻植株（包括根际土一起取回），将取回的水稻植株使用超纯水清洗干净后，于105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量，用干净剪刀分别采集叶、茎、根，用JLGJ-45型脱壳机（台州市路桥京奥粮用器材厂）脱壳后采集稻米、稻壳。分别研磨，过0.15 mm尼龙筛，保存备用。

1.3.3 样品测定 土壤Ni 含量采用HCl-HNO3-HClO4消 煮[19]，用ICP-MS 测 定；pH 值 采 用 土 水 比1∶2.5的电位法测定；植物样品采用HNO3-H2O2微波消解炉消解[20]，用ICP-MS测定。

1.4 Ni低积累水稻品种筛选

为表征不同品种水稻重金属吸收累积特征，计算其不同部位（根、茎、叶、稻壳、稻米）对Ni 的富集系数（Bioconcentration coefficient，BCF）：

土壤-水稻系统中Ni在各部位之间的迁移转运情况用转运系数（Transport coefficient，TF）表示：

式中，S表示各部位Ni含量，i、j分别代表土壤-水稻系统的某一部位（根、茎、叶、稻壳、稻米），TFi-j代表Ni从部位i到部位j的转运系数。

1.5 稻米可食部位Ni健康风险评价方法

我国有关水果、蔬菜及粮食的卫生标准中还未对Ni 含量进行相关限定。本研究使用健康风险评价模型采用目标危害系数（Target hazard quotient，THQ）对稻米进行评价，THQ计算模型[21-22]：

其中，EF为暴露频率（以365 d/a 计）；ED为暴露年限或期望寿命，以70 a 计；IR为中国居民每日摄入率（成人摄入率按335 g/d，儿童摄入率按232 g/d）；C 为稻米中Ni 的含量（mg/kg）；RfDo代表口服参考剂量，Ni 的RfDo为0.02 mg/（kg·d）；Bw表示人群的平均身体质量，成人、儿童的体质量分别以56、33 kg 计，成年男性、女性的体质量分别以63、54 kg计；AT为非致癌源的平均暴露时间（ED×EF）。

当THQ≤1，表明食用该地区种植的作物不会对人类健康构成风险；当THQ＞1 时，表明食用该地区种植的作物会对人类健康构成风险。

1.6 数据分析

采用Excel 2019 计算整理数据；应用SPSS 26.0进行单因素方差分析、聚类分析，利用Origin 2021绘制图形及进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 Ni污染稻田不同水稻品种农艺性状

如表2 所示，不同供试水稻品种株高介于105.00～113.33 cm，单株分蘖数介于14.00～23.67个，稻穗长介于23.33～27.00 cm，千粒质量介于26.87～34.30 g。10 个水稻品种产量在8 242.83～13 434.02 kg/hm2，极 差 为5 191.19 kg/hm2，平 均 产 量 为10 743.79 kg/hm2。不同水稻品种产量大小表现为野香优莉丝＜花香优357＜丽香优5 号＜中优808＜宜香优800＜秀香优8 号＜中优295＜乐优891＜野香优2988＜蓉3优918。

表2 Ni污染稻田水稻农艺性状Tab.2 Agronomic traits of rice in Ni contaminated paddy fields

2.2 Ni污染稻田不同水稻品种各部位Ni含量分析

由表3 知，不同水稻品种根、茎、叶、稻壳、稻米的Ni 含 量 分 别 介 于5.848～14.282、0.261～0.871、0.280～0.588、0.140～0.515、0.372～2.136 mg/kg。水稻根Ni 含量最高，其次为稻米，各部位Ni 含量总体表现为稻壳＜叶＜茎＜稻米＜根。10 个水稻品种稻米Ni含量排序为宜香优800＜秀香优8号＜花香优357＜丽香优5 号＜中优295＜野香优2988＜中优808＜蓉3 优918＜野香优莉丝＜乐优891。根据相关文献中稻米Ni 限量建议值（≤0.4 mg/kg）[23]，本研究中，稻米Ni 含量在限量建议值以下的品种是宜香优800，稻米Ni含量为0.372 mg/kg，其他品种稻米Ni含量均在限量建议值以上。其中，稻米Ni含量最高的品种为乐优891，达2.136 mg/kg，显著高于其他9个品种；其次是野香优莉丝，稻米Ni含量为1.171 mg/kg。

表3 Ni污染稻田水稻各部位Ni含量Tab.3 Ni content in different parts of rice in Ni contaminated paddy fields mg/kg

2.3 Ni污染稻田不同水稻品种各部位对Ni的富集转运特征

2.3.1 Ni 污染稻田不同水稻品种各部位对Ni 的富集特征 由表4 知，不同水稻品种各部位Ni 富集存在差异，各水稻品种根、茎、叶、稻壳、稻米对Ni的富集系数分别为0.058 2～0.166 3、0.002 7～0.010 5、0.003 0～0.006 8、0.002 0～0.004 2、0.004 3～0.021 6。10个品种各部位富集能力表现为稻壳＜叶＜茎＜稻米＜根，表明根部是水稻富集Ni的主要器官。就水稻根部富集系数而言，10 个品种中，宜香优800 的富集能力最强，中优808富集能力最弱；就水稻茎部富集系数而言，中优295 对Ni 的富集能力最强，野香优莉丝对Ni 的富集能力最弱；就水稻叶富集系数而言，品种宜香优800 的富集能力最强，野香优2988富集能力最弱。不同水稻品种稻米对Ni 的富集能力表现为宜香优800＜秀香优8号＜花香优357＜野香优2988=丽香优5号＜中优808＜中优295＜蓉3优918＜野香优莉丝＜乐优891。

表4 Ni污染稻田不同水稻品种对Ni的富集系数Tab.4 Bioconcentration coefficient of Ni in different rice varieties in Ni contaminated paddy fields

2.3.2 Ni 污染稻田不同水稻品种各部位对Ni 的转运特征 由表5 可知，10 个水稻品种TF稻壳—稻米、TF茎—稻壳、TF茎—叶、TF根—茎分别为1.366～7.295、0.258～1.556、0.506～1.626、0.030～0.139，整 体 上 表 现 为TF根—茎＜TF茎—稻壳＜TF茎—叶＜TF稻壳—稻米。TF稻壳—稻米整体较高，不同品种的TF稻壳—稻米均大于1.00，说明在水稻植株内Ni 易从稻壳向稻米中迁移，且品种乐优891、野香优2988的TF稻壳—稻米显著大于其他品种，迁移能力最小的品种为宜香优800。Ni从茎向稻壳转运时，迁移能力最大的品种为野香优莉丝，迁移能力最小的品种为野香优2988，其TF茎—稻壳明显低于其他水稻品种。Ni从茎向叶转运时，野香优莉丝迁移能力最大，其TF茎—叶明显高于其他水稻品种，迁移能力最小的品种为中优808。Ni 从根向茎转运时，迁移能力较高的水稻品种为中优295、中优808，其TF茎—叶均为0.139，迁移能力最小的为野香优莉丝。

表5 Ni污染稻田不同水稻品种对Ni的转运系数Tab.5 Transport coefficients of Ni in different rice varieties in Ni contaminated paddy fields

2.4 Ni污染稻田不同水稻品种稻米Ni含量的聚类分析

基于稻米中Ni含量对水稻品种进行聚类，结果见图1。由图1 知，可将10 个水稻品种划分成3 类。第Ⅰ类为低值类品种：中优808、宜香优800、中优295、秀香优8 号、花香优357、野香优2988、蓉3 优918、丽香优5 号共8 个品种；第Ⅱ类为中间值类品种：野香优莉丝；第Ⅲ类为较高值类品种：乐优891。

图1 基于稻米Ni含量的Ni污染稻田水稻品种聚类分析Fig.1 Cluster analysis of rice varieties in Ni contaminated paddy fields based on rice Ni content

2.5 Ni污染稻田不同水稻品种Ni健康风险评价

根据公式（3）计算水稻Ni 重金属污染目标危害系数，结果见表6。不同水稻品种对成年、儿童的THQ 值均小于1，表明当地居民食用水稻不存在健康风险。其中，成人当中成年女性的THQ 值大于成年男性，且儿童的THQ 值均大于成人。成年男性、成年女性及儿童的THQ值大小排序均为宜香优800＜秀香优8 号＜花香优357＜丽香优5 号＜中优295＜野香优2988＜中优808＜蓉3 优918＜野香优莉丝＜乐优891。

表6 Ni污染稻田不同水稻品种Ni健康风险指数Tab.6 Ni health risk index of different rice varieties in Ni-contaminated paddy fields

3 结论与讨论

植株各部位的富集重金属能力主要取决于本身的生理特性和环境因素[24-26]。本研究对10个水稻品种的不同部位进行Ni富集差异化比较发现，根部富集能力大于水稻其他部位，且其Ni含量最高。这可能是禾本科植物的根系分泌物为麦根酸类物质，不仅可活化土壤中难溶性铁（Fe），还能活化重金属Cd、Ni、铜（Cu）、锰（Mn）、锌（Zn）等元素，进而促进水稻根部对Ni 的吸收[27]。稻米对Ni 的富集能力仅次于根部，该结果与康立娟等[28]的研究结果不一致，可能是由于不同基因型水稻品种对Ni 吸收累积能力和转运机制不同导致对Ni 的敏感度不同。研究结果表明，植物种类的差异直接导致对重金属吸收能力有差异[29]。白玉杰等[11]的研究表明，茄果类作物对Ni 富集能力较弱，而谷物类作物对Ni 的富集能力较强。而关卉等[30]和廖自基[31]的研究结果表明，相比于蔬菜和水果而言，稻米含Ni 量更高。本研究中，品种乐优891、野香优莉丝的稻米对Ni的富集能力明显大于其他8 个水稻品种，而富集最低的品种为宜香优800。不同品种水稻稻米对Ni富集存在差异，可能是由于水稻基因型不同导致，吴明言等[14]、谭周镃[32]的研究已经证实，基因型差异会导致重金属富集能力差异。

Ni 在水稻不同部位间的转运系数表现为TF根—茎＜TF茎—稻壳＜TF茎—叶＜TF稻壳—稻米。这与前人研究结果不同，李贵杰[33]的研究表明，Cd 等重金属在水稻中以TF根—茎为最大。本研究中，水稻Ni 的TF根—茎最小，这可能是Ni与其他重金属在水稻植株内转运能力有差别，有待进一步探索。有研究指出，随着水稻生长至成熟期，茎部重金属的代谢能力减弱，致使土壤和根部的重金属易迁移累积到茎部[34]，导致茎部Ni含量低于根但大于叶，这与本研究结果一致。品种乐优891、野香优2988 的TF稻壳—稻米值显著大于其他8 个品种，转运能力最小的品种为宜香优800，而且10 个品种的TF稻壳—稻米值均大于1，说明Ni在水稻植株内易累积在稻米中，通过食物链危害人体健康的风险较高。秦冉等[35]的研究结果表明，不同品种水稻遗传特性会导致其对重金属吸收转运产生差异。稻米中Ni 含量主要取决于根系对Ni 的吸收能力以及根到茎、叶的转运能力，吸收能力越强，则转运到地上部的Ni 就越多。土壤中Ni 的供应是次要因素，Ni在植株内转运的生理生化过程更为重要[36]。还有研究表明，土壤中铁锰氧化物对Ni具有强烈吸附性。BHATTACHARYYA 等[37]的研究结果表明，在淹水状态下，土壤中Ni 的生物可利用性显著增加，这可能是由于Ni结合的铁锰氧化物在还原状态下具有可溶性，导致Ni 易于被水稻吸收。事实上，水稻中重金属的积累、运输和排泄过程非常复杂，涉及应激蛋白的调控机制和转运蛋白的运输机制等[38]，参与水稻对重金属积累和运输的每一个环节。

人类摄取含重金属的食物带来的健康风险受作物品种差异影响，本研究结果表明，10 个水稻品种对成年男女、儿童的THQ值均小于1，表明当地居民食用稻米不存在健康风险。不同人群THQ 值表现为儿童＞成年女性＞成年男性，说明儿童通过食用稻米造成潜在健康风险较成人更大。综合成年男女及儿童的THQ 值及聚类分析结果认为，食用宜香优800风险值最低。