重金屬污染高風(fēng)險農(nóng)用地水稻安全種植技術(shù)研究

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)險評估實驗室（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)保部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布《全國首次土壤污染狀況調(diào)查公報》調(diào)查結(jié)果顯示，全國土壤總的點位超標(biāo)率為16.1%，耕地土壤點位超標(biāo)率更是高達(dá)19.4%。研究表明土壤中的重金屬可以通過農(nóng)產(chǎn)品的富集而進(jìn)入食物鏈，長期攝入重金屬將會對人體的皮膚、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）。《中國居民膳食指南（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。水稻作為中國南方地區(qū)的主要糧食作物其質(zhì)量安全對人體健康的影響顯得更為突出。廣東省水稻播種面積超過 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)濟成本低、且環(huán)境友好等特點（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)險污染區(qū)僅僅使用低積累品種無法達(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)險農(nóng)田土壤為研究對象，開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 試驗設(shè)計

1.1.1 重金屬低積累品種篩選試驗

篩選試驗在粵北地區(qū)某農(nóng)田開展。共選用 23個主栽水稻品種，詳見表1，每個品種設(shè)3個重復(fù)，共69個小區(qū)，隨機排列，每個小區(qū)面積為1 m×2 m。試驗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

試驗設(shè)對照（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個處理，每個處理采樣隨機區(qū)組設(shè)計種植 1.1.1篩選到的6個重金屬低積累水稻品，每個小區(qū)面積為1 m×2 m，試驗小區(qū)四周和每個處理之間設(shè)隔離行，寬度為1 m，每個處理設(shè)3個重復(fù)，種共72個小區(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

采集土壤樣品自然晾干、混勻后分別過孔徑為0.85、0.15 mm篩保存待測。水稻進(jìn)入蠟熟期后采用對角線法進(jìn)行采樣，每份樣品重約1 kg，置于尼龍網(wǎng)袋中帶回實驗室，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)微型碾米機去殼，再經(jīng)過粉碎機磨成米粉，裝袋保存待測。

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）測定，As和Se使用氫化物發(fā)生原子熒光儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同稻米品種中重金屬含量特征

23個稻米品種對土壤中重金屬的吸收富集能力差異較大，結(jié)果見表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)田土壤會導(dǎo)致 23種稻米中 Cd含量都不同程度超過國家標(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、粵金銀占、合美占等6個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；表明施加試驗量的石灰，能顯著提高土壤pH值。

表3 不同處理對土壤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改變土壤中重金屬有效態(tài)的方式，從而影響植物對重金屬的吸收。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；從整體來看，Pb有效性有隨著pH升高而降低的趨勢。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)理劑對稻米的影響

2.3.1 不同處理對稻米產(chǎn)量的影響

由表 4可見，雜交稻產(chǎn)量整體高于常規(guī)稻，而且不同的改良劑對水稻產(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號外其余5個品種水稻的產(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五優(yōu) 321有顯著的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)率為 23.4%。單獨施用葉面硒肥對豐優(yōu)428、粵晶絲苗2號、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含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)限量0.2 mg·kg-1。從各處理來看，L處理、Se處理和L+Se處理相對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。從品種來看，不同處理對不同水稻品種的影響也不同，L處理對粵晶絲苗2號、葉面Se肥處理對粵金銀占、L+Se對廣8優(yōu)占降Cd效果最好能。但同一處理對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。本試驗結(jié)果表明在該土壤污染水平條件下包括對照在內(nèi)的各處理稻米中Pb和As含量均低于國家標(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、提高機體免疫力等顯著生理功能。有研究表明，硒對部分重金屬有拮抗作用，能夠抑制重金屬的吸收。中國富硒稻谷國家標(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，同時降低重金屬吸收，是一個較為可行的發(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)，綜合來看，L+Se處理對Se的吸收能力要高于單獨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)利用是在中國耕地資源緊張、糧食和食物安全形勢嚴(yán)峻前提下的一種不得已的選擇（曾希柏等，2013）。通過篩選低積累重金屬的作物品種來減少食物鏈重金屬富集被證明是經(jīng)濟、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)雜性加之作物對生長環(huán)境的強烈依賴性等主要因素導(dǎo)致上述部分研究成果無法在真實環(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。因此在對重金屬污染農(nóng)田的安全利用技術(shù)集成過程中，作物品種在不同污染程度土壤農(nóng)田中對重金屬的吸收能力需要關(guān)注。針對粵北地區(qū)重金屬污染高風(fēng)險稻田，通過對當(dāng)?shù)胤N植的 23個不同品種水稻在較高濃度重金屬環(huán)境條件下對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、粵金銀占、合美占等6個重金屬相對低積累且產(chǎn)量相對較高水稻品種。

表5 不同處理對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)

近幾十年來國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過物理、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)對作物中重金屬的含量有重要的影響，在高風(fēng)險鎘污染農(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）綜合評價，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效果要好于單獨施Se肥。