文典，江棋,3，李蕾，趙沛華，杜瑞英*

1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品公共監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510640；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 510640；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070

2014年4月17日環(huán)保部和國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布《全國(guó)首次土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》調(diào)查結(jié)果顯示，全國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率更是高達(dá)19.4%。研究表明土壤中的重金屬可以通過(guò)農(nóng)產(chǎn)品的富集而進(jìn)入食物鏈，長(zhǎng)期攝入重金屬將會(huì)對(duì)人體的皮膚、骨骼、神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)臟器官等造成不同程度的危害（Castelli et al.，2005；Huang et al.，2009；Li et al.，2006；Liu et al.，2006；Rubio et al.，2006）?！吨袊?guó)居民膳食指南（2016）》指出食物多樣、谷類為主是平衡膳食模式的重要特征，保證谷類每天攝入不少于 50—100 g。水稻作為中國(guó)南方地區(qū)的主要糧食作物其質(zhì)量安全對(duì)人體健康的影響顯得更為突出。廣東省水稻播種面積超過(guò) 180×104hm2，總產(chǎn)量約 1046×104t，是全省播種面積最大的農(nóng)作物（2017年）。由于水稻的特性及其種植方式容易吸收、富集環(huán)境中重金屬，這對(duì)保證稻米質(zhì)量安全造成較大的威脅。重金屬低積累水稻品種不但能有效降低水稻稻米中重金屬的含量，而且有經(jīng)濟(jì)成本低、且環(huán)境友好等特點(diǎn)（陳彩艷等，2018；Norton et al.，2012；Bolan et al.，2013；鄒素敏等，2017）。但在重金屬高風(fēng)險(xiǎn)污染區(qū)僅僅使用低積累品種無(wú)法達(dá)到安全生產(chǎn)的目的，往往需要用一種或幾種它修復(fù)技術(shù)與之結(jié)合使用，如湖南省重金屬污染農(nóng)田治理使用的VIP和VIP+技術(shù)。本研究以重金屬污染高風(fēng)險(xiǎn)農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，開(kāi)展重金屬低積累水稻品種篩選和化學(xué)修復(fù)手段結(jié)合的農(nóng)田安全利用技術(shù)研究，為該地區(qū)水稻安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 重金屬低積累品種篩選試驗(yàn)

篩選試驗(yàn)在粵北地區(qū)某農(nóng)田開(kāi)展。共選用 23個(gè)主栽水稻品種，詳見(jiàn)表1，每個(gè)品種設(shè)3個(gè)重復(fù)，共69個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)面積為1 m×2 m。試驗(yàn)地塊土壤基本理化性質(zhì)：Cd全量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.217 mg·kg-1，Pb 全量為 69.2 mg·kg-1，Cr全量為34.6 mg·kg-1，As的全量為 16.1 mg·kg-1；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.98%，pH值為 4.27；全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79.7 mg·kg-1，速效鉀為 47.32 mg·kg-1；全氮為 2.22 g·kg-1，堿解氮為 177.38 mg·kg-1；全磷為 662 mg·kg-1。

表1 供試水稻品種Table 1 The name of rice

1.1.2 重金屬低積累水稻品種+改良劑安全種植試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)對(duì)照（CK）、施加石灰（L）、葉面噴施硒肥（Se）、施加石灰+葉面噴施硒肥（L+Se）4個(gè)處理，每個(gè)處理采樣隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)種植 1.1.1篩選到的6個(gè)重金屬低積累水稻品，每個(gè)小區(qū)面積為1 m×2 m，試驗(yàn)小區(qū)四周和每個(gè)處理之間設(shè)隔離行，寬度為1 m，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，種共72個(gè)小區(qū)。插秧前1天將石灰（500 g·m-2）與水稻專用肥一起撒施，調(diào)整土壤pH值在5.5左右。抽穗期追施225 kg·hm-2尿素。齊穗期噴施第一次葉面硒肥，硒肥用量為300 mL·hm-2，稀釋1000倍噴施。10 d后噴施第2次。其余按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行田間管理。

1.2 樣品處理與分析的檢測(cè)

采集土壤樣品自然晾干、混勻后分別過(guò)孔徑為0.85、0.15 mm篩保存待測(cè)。水稻進(jìn)入蠟熟期后采用對(duì)角線法進(jìn)行采樣，每份樣品重約1 kg，置于尼龍網(wǎng)袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，樣品置于烘箱中60 ℃烘干至恒定質(zhì)量，混勻后用四分法取適量經(jīng)微型碾米機(jī)去殼，再經(jīng)過(guò)粉碎機(jī)磨成米粉，裝袋保存待測(cè)。

稻米中的Cd、Pb、As和Se含量采用硝酸-高氯酸消解；土壤中Cd、Pb、As等重金屬全量測(cè)定參照GB/T17141—1997和NY/T1121.12—2006的方法前處理；土壤中有效態(tài)鎘、有效態(tài)鉛（Pb）采用DTPA 浸提（0.005 mol·L-1DTPA，0.1 mol·L-1TEA，0.01 mol·L-1CaCl2）浸提，有效態(tài)砷（As）用 0.5 mol·L-1NaH2PO4浸提。Cd和Pb使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)定，As和Se使用氫化物發(fā)生原子熒光儀測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同稻米品種中重金屬含量特征

23個(gè)稻米品種對(duì)土壤中重金屬的吸收富集能力差異較大，結(jié)果見(jiàn)表2。不同稻米品種中Cd含量最大值是最小值的約5倍，不同品種稻米對(duì)Pb和As的吸收也表現(xiàn)出類似的差異。值得注意的是在該污染特征的農(nóng)田土壤會(huì)導(dǎo)致 23種稻米中 Cd含量都不同程度超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量值，但其它重金屬元素含量均遠(yuǎn)低于限量值。綜合以上結(jié)果，篩選出五優(yōu)321、廣8優(yōu)占、豐優(yōu)428、粵晶絲苗2號(hào)、粵金銀占、合美占等6個(gè)重金屬低積累水稻品種。

表2 不同稻米品種中重金屬含量特征Table 2 Heavy metal contents in different rice varieties mg·kg-1

2.2 不同調(diào)理劑對(duì)土壤性質(zhì)的影響

2.2.1 pH值

如表3所示，L處理和L+Se處理pH值要高于其他兩個(gè)處理，其中L處理顯著高于CK和Se處理，L+Se處理顯著高于Se處理；表明施加試驗(yàn)量的石灰，能顯著提高土壤pH值。

表3 不同處理對(duì)土壤pH值和重金屬有效態(tài)含量的影響Table 3 Effect of chemical remediation on the heavy metal contents of soil and pH

2.2.2 對(duì)土壤中重金屬有效態(tài)含量的影響

有研究認(rèn)為，土壤改良劑主要通過(guò)改變土壤中重金屬有效態(tài)的方式，從而影響植物對(duì)重金屬的吸收。由表3可以看出，CK處理Cd有效態(tài)含量較高，L處理最低，其余兩個(gè)處理處于中間水平；一般研究認(rèn)為，pH值大小與Cd的活性呈負(fù)相關(guān)，隨著pH值升高，重金屬有效性降低，但本研究發(fā)現(xiàn)pH對(duì)Cd有效態(tài)的含量影響不大。L處理Pb有效態(tài)含量最低，L+Se處理要略低于Se處理；從整體來(lái)看，Pb有效性有隨著pH升高而降低的趨勢(shì)。L處理土壤As有效系數(shù)最低，L+Se處理其次。

2.3 不同調(diào)理劑對(duì)稻米的影響

2.3.1 不同處理對(duì)稻米產(chǎn)量的影響

由表 4可見(jiàn)，雜交稻產(chǎn)量整體高于常規(guī)稻，而且不同的改良劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響也差異較大。施用石灰均可以提高除粵晶絲苗2號(hào)外其余5個(gè)品種水稻的產(chǎn)量，增產(chǎn)率分別為：18.9%、11.0%、6.7%、47.5%和 8.9%。石灰和葉面硒肥組合對(duì)五優(yōu) 321有顯著的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)率為 23.4%。單獨(dú)施用葉面硒肥對(duì)豐優(yōu)428、粵晶絲苗2號(hào)、粵晶銀占、合美占增產(chǎn)率分別為：16.0%、5.2%、21.7%和8.9%。

表4 不同品種水稻單株產(chǎn)量Table 4 Effect of chemical remediation on the yield of different rice varieties m/g

2.3.2 不同處理下稻米中重金屬含量

表 5可以看出，施用改良劑處理后稻米中 Cd含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量0.2 mg·kg-1。從各處理來(lái)看，L處理、Se處理和L+Se處理相對(duì)CK處理，均能夠顯著的降低稻米中Cd含量。其中L處理下降幅度最大，L+Se處理次之，Se處理下降幅度最低，但仍然有40%左右的降低幅度。從品種來(lái)看，不同處理對(duì)不同水稻品種的影響也不同，L處理對(duì)粵晶絲苗2號(hào)、葉面Se肥處理對(duì)粵金銀占、L+Se對(duì)廣8優(yōu)占降Cd效果最好能。但同一處理對(duì)同一水稻品種的不同重金屬吸收影響能力也表現(xiàn)出差異。本試驗(yàn)結(jié)果表明在該土壤污染水平條件下包括對(duì)照在內(nèi)的各處理稻米中Pb和As含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量。

2.3.3 不同處理下稻米中硒含量

硒是人體必需微量元素，具有抗氧化、抗腫瘤、提高機(jī)體免疫力等顯著生理功能。有研究表明，硒對(duì)部分重金屬有拮抗作用，能夠抑制重金屬的吸收。中國(guó)富硒稻谷國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22499—2008富硒稻谷的硒含量規(guī)定為0.04—0.30 mg·kg-1。增加稻谷硒含量，同時(shí)降低重金屬吸收，是一個(gè)較為可行的發(fā)展方向。從表6可以看出，Se處理和L+Se處理均能顯著提高水稻 Se含量，且所有品種均在富硒稻谷范圍內(nèi)，綜合來(lái)看，L+Se處理對(duì)Se的吸收能力要高于單獨(dú)Se處理。

3 討論

工業(yè)快速發(fā)展引起耕地面積銳減，重金屬超標(biāo)土壤的農(nóng)業(yè)利用是在中國(guó)耕地資源緊張、糧食和食物安全形勢(shì)嚴(yán)峻前提下的一種不得已的選擇（曾希柏等，2013）。通過(guò)篩選低積累重金屬的作物品種來(lái)減少食物鏈重金屬富集被證明是經(jīng)濟(jì)、可行的（程旺大等，2006；周歆等，2013；Zhang et al.，2002）。由于土壤本身的復(fù)雜性加之作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的強(qiáng)烈依賴性等主要因素導(dǎo)致上述部分研究成果無(wú)法在真實(shí)環(huán)境或者大范圍內(nèi)應(yīng)用（孫麗娟等，2018）。薛濤等（2019）研究結(jié)果也表明水稻的Cd低積累特性也受多種因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)充分考慮土壤類型、污染程度等因素。因此在對(duì)重金屬污染農(nóng)田的安全利用技術(shù)集成過(guò)程中，作物品種在不同污染程度土壤農(nóng)田中對(duì)重金屬的吸收能力需要關(guān)注。針對(duì)粵北地區(qū)重金屬污染高風(fēng)險(xiǎn)稻田，通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)胤N植的 23個(gè)不同品種水稻在較高濃度重金屬環(huán)境條件下對(duì)重金屬的富集能力比較，篩選出五優(yōu)321、廣8優(yōu)占、豐優(yōu)428、粵晶絲苗2號(hào)、粵金銀占、合美占等6個(gè)重金屬相對(duì)低積累且產(chǎn)量相對(duì)較高水稻品種。

表5 不同處理對(duì)稻米中重金屬含量影響Table 5 Effect of chemical remediation on the heavy metal contents in different rice varieties ω/(mg·kg-1)

表6 稻米中Se含量Table 6 Se contents of rices ω/(mg·kg-1)

近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過(guò)物理、化學(xué)、生物和化學(xué)-生物聯(lián)合等技術(shù)修復(fù)鎘污染農(nóng)田土壤，并取得一系列研究成果，Chen et al.（2016）研究結(jié)果表明低鎘累積水稻品種與生物炭聯(lián)合施用可減少69%—80%的稻米鎘累積量；He et al.（2017）研究也表明低本累積品種并合理配施鈍化劑可保障污染農(nóng)田土壤農(nóng)產(chǎn)品安全。本研究結(jié)果表明土壤中重金屬含量及形態(tài)對(duì)作物中重金屬的含量有重要的影響，在高風(fēng)險(xiǎn)鎘污染農(nóng)田土壤中，采用化學(xué)鈍化劑聯(lián)合低累積水稻品種，稻米中Cd含量降低40%—70%。研究還發(fā)現(xiàn)五優(yōu)321品種噴施葉面Se肥不僅可以起到抑制重金屬向水稻籽粒轉(zhuǎn)移的作用，還能增加籽粒中 Se的含量，該結(jié)果表明通過(guò)篩選合適的水稻品種利用元素間的拮抗作用達(dá)到控制污染提高質(zhì)量是可行的。

4 結(jié)論

（1）在試驗(yàn)的pH范圍內(nèi)，隨著pH的升高，土壤中Cd有效性出現(xiàn)小幅升高，而Pb和As有效性出現(xiàn)降低。

（2）綜合評(píng)價(jià)，五優(yōu)321品種與石灰、石灰Se配施等配合施用均有較好的效果，可以作為此類污染區(qū)域重點(diǎn)推廣品種。

（3）噴施Se葉面肥能顯著增加稻米中Se含量，提升稻米品質(zhì)，且Se與石灰配合施用，增Se效果要好于單獨(dú)施Se肥。