稻田综合种养土壤重金属空间变异特征与质量安全评价研究进展

董振杰 陆尧 李京咏 窦志 张洪程 高辉

（扬州大学江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点/粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏 扬州 225009；第一作者：dongzhenjie1227@163.com；*通信作者：gaohui@yzu.edu.cn）

水稻是我国主要的口粮作物，年种植面积稳定在3 000 万hm2左右，在国家粮食安全保障体系中占有重要地位[1]。土壤是重要的自然资源，是水稻生产重要的物质基础。农业生产中长期不合理施肥、过量施药、污水灌溉以及空气沉降等，使得重金属元素在土壤富集。当土壤重金属积累量过大时，不仅会改变土壤理化性状，损害土壤活性，影响土壤生物，而且会抑制作物生长发育，影响作物产量、品质和质量安全水平，进而威胁人类健康[2]。稻田综合种养是指利用稻田将水稻种植与水产或畜禽养殖相结合的一种生态循环农业生产模式，包括稻田连作种养、稻田共作种养两种，正成为富有活力与创新力的绿色高效产业[3]。截至2020 年，我国已有27 个省份开展了不同形式的稻渔综合种养，面积达256.3 万hm2[4]，主要模式为稻-克氏原螯虾、稻-鱼和稻-蟹，占比分别为47.7%、41.4%、5.94%，而稻-鳖、稻-螺和稻-鳅等其他模式总占比不足5.0%[5]。由于产地环境条件迥异、模式繁多、水产或畜禽动物养殖密度不一、饲料来源与投放数量不同、肥药施用强度参差等，使得稻田综合种养对耕地质量与土壤重金属含量影响存在多样性，长年规模化稻田综合种养区土壤重金属空间变异特征与质量安全状况存在差异性。

近年来，国内外学者在有关土壤与水稻中重金属时空变异与质量安全评价等方面展开了深入的研究[6]，但针对我国不同尺度稻田综合种养土壤重金属空间变异特征与质量安全评价研究相对较少。本文阐述了稻田综合种养土壤重金属空间变异特征与质量安全评价研究进展，以为促进稻田综合种养绿色高质量可持续发展提供理论参考[7]。

1 稻田综合种养土壤重金属空间变异特征研究进展

稻田综合种养土壤重金属来源主要包括成土母质、大气降水、空气沉降、水稻种子与水产（畜禽）苗种、肥药投入、天然饵料、水草、杂草及饲料投放、污水灌溉、农业废弃物和生活垃圾等。通常运用经典统计学、地统计学、GIS 空间分析等方法，通过定位取样、测定分析与地理制图等，研究揭示不同空间尺度土壤重金属空间变异特征，挖掘潜在的有用信息，为稻田综合种养绿色高效技术发展与质量安全预测预警提供技术支撑。

沈丹琪等[8]调查分析了湖北荆门市和黄冈市稻虾共作模式与稻单模式中3 个不同水稻品种不同重金属含量的差异，在弱碱性土壤背景下，稻虾共作模式可降低土壤中Cr、As、Cd、Pb 和Hg 含量，降低比在11.5%～32.3%之间；在弱酸性土壤背景下，稻虾共作模式可升高土壤中Cr、As、Cd、Pb 和Hg 含量，增长比在20.8%～30.4%之间。张帆等[9]在湖南省长沙市开展了2 年田间试验，以常规稻作为对照，分析了稻鸭共生生态系统重金属Cd 的转化、迁移及循环特征，结果表明，稻鸭共生生态系统Cd 输入量为肥料＞饲料＞秧苗＞雏鸭，Cd 输出主要是水稻籽粒Cd 和成鸭Cd；鸭所摄食的Cd 主要来自鸭饲料，大鸭饲料Cd 输入大于小鸭饲料Cd 输入；重金属Cd 沿食物链的转化、迁移过程以鸭粪Cd 形式放大，且鸭粪Cd 高于鸭饲料Cd 输入；从稻田土壤Cd 输出来看，稻鸭共生和常规稻作相比无显著差异（P＞0.05），没有增加水稻植株Cd 含量和Cd 积累。纪力等[10]设置连续10 年（2010—2019 年）大田规模化稻鸭共养和常规水稻高产栽培试验，证明多年稻鸭共养使0～10 cm耕层土壤中有机质含量提升7.1%，稻鸭田土壤重金属元素含量符合绿色标准。SHA 等[11]研究表明，长期进行稻蛙共作的稻田由于饲料内重金属添加剂的存在以及养殖生物排泄物对其进一步的富集作用，因而增加了土壤重金属含量，从而提高了土壤重金属浓度升高的风险。

总体上，国内外有关土壤重金属来源解析、转化迁移特征、空间分布等研究已多见报道，但在稻田综合种养领域研究偏少，且以往开展的大多是景观尺度小面积试验研究，基本未涉及大中小尺度土壤重金属空间变异研究，难以揭示与相对精确量化不同尺度稻田综合种养土壤重金属空间分布特征，制约了宏观、中观、微观决策的准确性与科学性，影响了质量安全评价的客观性与权威性。为此，应加强不同尺度稻田综合种养土壤重金属空间变异特征研究，以为稻田综合种养绿色高效技术集成创新与决策、评价等提供理论依据。

2 稻田综合种养土壤重金属质量安全评价研究进展

重金属元素在土壤中的分布具有地域性、隐蔽性、突发性和长期性，且其空间分布受到结构性因素和随机性因素双重影响。相较水稻单作，稻田综合种养系统中水稻和水产（畜禽）同处一田，农业投入品种类增多，肥药等使用量发生变化，对稻田综合种养土壤重金属累积数量与质量安全状况带来了一定影响。

丁君辉等[12]研究了稻鸭共生对稻田土壤理化性质及水稻产量的影响，结果表明，稻鸭共生对土壤重金属影响可控，土壤重金属符合NY/T 847—2017《水稻产地环境技术条件》要求。陈万明等[13]对比了稻虾养殖区与常规种植区的环境及产品安全性指标的差异，研究得出两模式下土壤、灌溉水中重金属含量变化不明显，且均未超过规定的限值；稻虾养殖区与常规种植区稻米中Pb、Cd、Cr 等8 种重金属含量无显著差异，均未超过食品安全国家标准规定的限量值，污染风险较小；克氏原螯虾肉中Pb、Cd、Cr 等8 种重金属含量均未超过规定的限量值，且重金属单因子污染指数Pi 均小于1。陈刘浦等[14]分析了稻鱼、稻鳖、稻虾（克氏原螯虾）等3 种典型稻田综合种养模式下6 个水稻品种中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 等重金属含量，发现稻谷中7 种重金属元素含量均符合食品安全要求。沈丹琪等[15]以稻虾共作模式为研究对象，探究稻虾共作模式通过改变土壤的理化特性从而使得土壤重金属含量及形态变化，结果表明，不同pH 土壤背景下，稻虾模式均可明显降低稻米中Cd 和Pb 含量。赵敏等[16]对全国稻渔综合种养体系中大米的重金属及营养水平进行评价，研究结果证明，采用稻渔综合种养模式生产的时间越长，稻米中重金属含量越低。田威等[17]采用单因子污染指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态危害综合指数法和地累积指数法等，测定稻渔综合种养模式下土壤和稻谷中的Cu、Cd 和Pb 含量，并对重金属污染状况进行分析评价与膳食暴露风险评估，表明研究区稻田土壤中仅Cd 元素的平均含量高于国家农业土壤的限定值，Pb 含量变化范围为7.03～109.34 mg/kg，平均含量为68.50 mg/kg。刘星星等[18]证实在稻虾共生重金属Cd 污染区种植Cd低积累水稻品种，是实现水稻安全生产最具有发展前景和重要价值的技术方法。

可见，国内外学者针对稻田综合种养土壤重金属质量安全评价开展了一些研究。研究领域上，已从单一的土壤拓展到了灌溉水、稻米、饲料等。评价方法上，已扩展到了单因子污染指数法、内梅罗综合指数法、潜在生态危害综合指数法和地累积指数法等多种方法。但不同学者在稻田综合种养土壤重金属质量安全评价中采用的标准不一。为此，应在揭示稻田综合种养土壤重金属空间变异特征的基础上，进一步深化稻田综合种养土壤重金属质量安全评价研究，为发展稻田综合种养绿色高效技术与提高农产品质量安全水平提供决策参考。

3 总结与展望

稻田种养在我国发展历史悠久。2017 年“中央一号文件”明确提出“推进稻田综合种养”，助推产业进入新发展阶段。近年来，稻田综合种养产业发展迅猛，已成为新时代乡村振兴背景下许多省份的农业新兴产业。一方面，由于饲料、水产养殖用药、消毒剂等的投入，使得稻田综合种养系统土壤重金属来源更为多元，增加了土壤重金属空间变异强度与质量安全风险。另一方面，稻田综合种养系统中通常需施用生石灰清塘消毒，调节了土壤pH，可缓解华南、华中等地区的土壤酸化过程，进而降低了土壤重金属活度。为了研究揭示稻田综合种养土壤重金属空间变异特征与质量安全状况，保障国家粮食安全与农产品质量安全，未来应加强以下方面的研究：

1）加强长期稻田综合种养模式对土壤重金属影响的研究。以水稻单作为对照，建立长期的定位试验点，跟踪监测稻田综合种养土壤重金属累积、转化、迁移规律，并深化土壤重金属化学结构、生物有效形态与不同重金属之间的互作效应等研究。

2）开展不同尺度稻田综合种养土壤重金属空间变异特征研究。从保障农产品质量安全角度出发，基于地统计学、GIS 空间分析、大数据和云计算等方法，针对稻虾、稻鱼等稻田综合种养主体模式，进行全国、省域、市域、县域、镇域与规模化种植区等的稻田综合种养土壤重金属空间变异特征研究，为宏观、中观、微观决策提供理论参考。

3）进行稻田综合种养土壤重金属质量安全评价及其标准制定。由于专用权威标准的缺乏，使得稻田综合种养土壤重金属质量安全评价缺少简化统一、科学合理的标准支撑，导致评价方法和参考标准不一，影响了评价的权威性与科学价值。

4）创制单一或多元重金属低积累水稻、水产（畜禽）品种。目前，已在Cd 低积累水稻品种选育上取得一定进展，未来应拓展到其他重金属上，以保障粮食与重要农产品安全稳定供给。