土壤和莖基部鎘含量對(duì)稻米鎘污染風(fēng)險(xiǎn)的影響

黃永春，張長(zhǎng)波，任興華，王培培，王常榮，劉仲齊*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.湖南省湘潭市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，湖南 湘潭 411134）

為了降低土壤污染給農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)普遍采用土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管理思路，對(duì)于污染農(nóng)田一般采用休耕的方式解決。我國(guó)耕地資源有限，因此采用了對(duì)農(nóng)用地進(jìn)行分類(lèi)管理來(lái)保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的策略。對(duì)于生物有效性較低的重金屬如鉻、銅、鎳等，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行分類(lèi)，能有效降低農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)。但對(duì)于水溶性強(qiáng)、生物活性較高的重金屬鎘（Cd），用簡(jiǎn)單的土壤污染標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。特別是在我國(guó)南方降雨頻繁、水網(wǎng)復(fù)雜的酸性土壤地區(qū)，水稻根際土壤中Cd含量受到多種因素的影響，經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)變化之中。因此，在根際土壤總Cd 含量不變的盆栽試驗(yàn)中，土壤Cd 污染程度總是和稻米中的Cd 含量高度正相關(guān)[1-2]。但是，在田間自然條件下，土壤Cd污染程度與稻米中的Cd 含量沒(méi)有密切的線性相關(guān)，同一田塊中生產(chǎn)的稻米，Cd 含量在早稻和晚稻之間表現(xiàn)出很大的差異[3-5]。

水稻根莖葉等營(yíng)養(yǎng)器官的細(xì)胞壁中能固定大量的Cd，因而能緩解Cd 對(duì)水稻正常代謝過(guò)程所產(chǎn)生的毒性效應(yīng)[6-8]。而動(dòng)物和人體器官中不具備植物細(xì)胞壁這樣的大分子結(jié)構(gòu)，因此通過(guò)食物攝入的Cd 優(yōu)先匯聚到腎臟和肝臟等解毒器官中[9-10]。根據(jù)Cd 對(duì)腎臟的損傷程度，WHO 制定了每月每公斤體質(zhì)量的人體Cd 的最大攝入限量為25 μg[11-12]。參照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，世界各國(guó)推導(dǎo)出主要食物的Cd限量標(biāo)準(zhǔn)。歐美人均消費(fèi)的稻米數(shù)量較少，所以確定的稻米Cd 限制標(biāo)準(zhǔn)為 0.4 mg·kg-1，土壤Cd限值一般為0.8～3.5 mg·kg-1[13]。我國(guó)南方人均大米食用量為326.65 g·d-1[12]，確定的稻米Cd 限制標(biāo)準(zhǔn)為0.2 mg·kg-1，南方酸性土壤的 Cd 污染臨界值為 0.3～0.4 mg·kg-1、中性土壤為0.6 mg·kg-1、堿性土壤為 0.8 mg·kg-1（GB 15618—2018）。土壤Cd 污染程度與稻米Cd 污染不一致的現(xiàn)象屢屢發(fā)生，但對(duì)造成這種現(xiàn)象的原因不甚明了。

耕層土壤是受人類(lèi)活動(dòng)干擾最大、干濕交替最頻繁的土壤。取樣時(shí)間、取樣位點(diǎn)和方式對(duì)耕層土壤Cd 含量和氧化還原電位都有極顯著的影響，測(cè)定值的差異可以高達(dá)5 倍以上[3，14-15]。一些農(nóng)藝措施如施用生石灰和堿性肥料等能改變土壤中Cd的生物有效性，進(jìn)而影響稻米Cd含量[16-19]。而另一些農(nóng)藝措施如改變播種方式、噴施葉面肥、噴灌等措施能使稻米Cd含量下降30%以上[20-25]。此外，通過(guò)種植低積累品種提高根莖葉對(duì)Cd 的攔截能力也能降低稻米中的Cd含量[26-28]。顯然，許多影響稻米Cd含量的因素并不會(huì)對(duì)耕層土壤的Cd 含量產(chǎn)生影響。因此，單純依據(jù)土壤中的Cd 總量進(jìn)行耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)，很難保證土壤污染程度與稻米污染程度的一致性。

在自然環(huán)境中，海拔高度是影響雨水流向和流速的關(guān)鍵因素，許多水溶性元素也會(huì)隨著水流而變化[15，29-30]。因此，本研究選擇平原、崗地和丘陵構(gòu)成的水稻產(chǎn)區(qū)，以稻米Cd含量不超標(biāo)為核心目標(biāo)，對(duì)影響稻米和耕層Cd 變化的主要自然因素進(jìn)行分析，從中篩選能夠降低稻米安全風(fēng)險(xiǎn)的可靠指標(biāo)，為耕地的合理分類(lèi)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與取樣點(diǎn)設(shè)置

湘潭縣（27°06′～28°05′N(xiāo)，112°18′～113°03′E）位于湖南省中部偏東，湘江下游西岸，地貌輪廓為西北、西南、東南部三面高，中部和東北部低。最高處海拔755.1 m，最低為湘江沿岸，海拔僅33.2 m，相對(duì)高差為721.9 m，地勢(shì)比降為10%，造成平原、崗地、丘陵、山地4 種地貌俱備，以平原（39.5%）和崗地（35.2%）為主?？h境中部沿涓水、北部沿漣水形成肥沃的河谷平原，東北由湘江、涓水、漣水匯注，形成湘潭盆地，是主要的雙季稻生產(chǎn)區(qū)。根據(jù)地勢(shì)高度和湘江流向，將湘潭縣分成7 個(gè)大區(qū)（圖1），它們的平均海拔高度、耕層土壤Cd 含量和pH 值如表1 所示。2015年以村鎮(zhèn)為基礎(chǔ)，在早稻和晚稻成熟期采集水稻植株樣品的同時(shí)，收集根層（0～20 cm）土壤樣品，每個(gè)田塊取5 點(diǎn)混合。共采集到有效早稻樣點(diǎn)1160 個(gè)、晚稻樣點(diǎn)1520 個(gè)。

圖1 湖南省湘潭縣地勢(shì)和取樣分區(qū)Figure 1 Topography and sampling area of Xiangtan County Hunan Province

根據(jù) 2015 年樣品的檢測(cè)結(jié)果，在圖1 的4、5、6、7區(qū)域中，2018 年選擇有代表性的4 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)選50 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分別收獲一季稻和晚稻的植株及同田耕層土壤樣品。同時(shí)，根據(jù)每個(gè)自然村的地形地貌，在等高線上隨機(jī)取5～10 個(gè)田塊，每個(gè)田塊選5～6個(gè)點(diǎn)，用土鉆分別采集0～20、20～40、40～60 cm 的土壤樣品，同一田塊的分層土樣混合，用于測(cè)定不同土層中的Cd 含量。為了減少根系年齡和粗細(xì)度對(duì)Cd 含量的影響，只收集離莖基部3 cm 以內(nèi)的粗根，用于測(cè)定根系的Cd含量；同時(shí)，把與最上層根系相連的莖基部（主要是壓縮的蘗節(jié)）分割出來(lái)，用于測(cè)定莖基部的Cd含量。

1.2 測(cè)定方法

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 17141—1997）規(guī)定程序?qū)ν翗舆M(jìn)行消煮：將待測(cè)土壤樣品自然風(fēng)干，用四分法將土樣磨碎，過(guò)100 目篩。準(zhǔn)確稱(chēng)取0.25 g 土樣置于消煮管中，加10 mL HNO3+4 mL HF浸泡過(guò)夜，之后用消解儀ED 54 于120 ℃下加熱0.5 h，150 ℃下加熱3 h，趕酸后定容，測(cè)定土壤Cd 總量。另取1.00 g 樣品，加1.0 mol·L-1的MgCl28 mL，在25 ℃下連續(xù)振蕩1 h，再離心15 min，取出上清液；再向殘余物中加水4 mL，離心15 min，取出上清液過(guò)濾后定容，測(cè)定土壤中的有效態(tài)Cd含量。

按照食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 5009.12—2017）規(guī)定程序?qū)Ω导白蚜＿M(jìn)行消煮：準(zhǔn)確稱(chēng)取0.3 g 根系或0.5 g籽粒于消煮管中，加7 mL HNO3浸泡過(guò)夜，用消解儀ED 54 于110 ℃下加熱1.5 h，待其冷卻后加入1 mL H2O2，繼續(xù)加熱2.5 h，趕酸后定容，用于測(cè)定Cd含量。

用ICP-MS測(cè)定樣品中的Cd濃度，再換算成樣品中的Cd含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)土壤和植物樣品測(cè)定數(shù)據(jù)完整的早稻、晚稻和一季稻樣點(diǎn)，采用Microsoft Excel 進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)與作圖。新復(fù)極差法（Duncan′s）作多重比較和差異顯著性檢驗(yàn)。

表1 湘潭縣7個(gè)大區(qū)的海拔高度和耕層土壤Cd含量Table 1 Elevation and Cd content in top soil of 7 subarea in Xiangtan County

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤Cd含量對(duì)早稻和晚稻Cd含量分布頻率的影響

土壤中容易被植物利用的有效態(tài)Cd 約占土壤Cd 總量的35.9%，有效態(tài)Cd 與Cd 總量顯著正相關(guān)（r=0.677，P＜0.01，圖2A）。但有效態(tài)Cd 在不同土壤樣點(diǎn)中的變幅非常大，土壤Cd 含量越高，有效態(tài)Cd的離散狀態(tài)越嚴(yán)重。例如，早稻耕層土壤的Cd 含量為0.50 mg·kg-1時(shí)，有效態(tài)Cd 的變幅為0.07～0.16 mg·kg-1，當(dāng)土壤的 Cd 含量為 1.50 mg·kg-1時(shí)，有效態(tài) Cd的變幅為 0.11～1.22 mg·kg-1。如果以土壤 Cd 含量為依據(jù)，按照0.10 mg·kg-1的間距進(jìn)行分組，各組土壤Cd 含量的平均值與對(duì)應(yīng)的有效態(tài)Cd 的平均值高度線性相關(guān)（r=0.952，P＜0.01，圖2B）。平均值掩蓋了樣本間的離散程度，所以，根據(jù)平均值計(jì)算的相關(guān)系數(shù)顯著高于樣本測(cè)定值之間的相關(guān)系數(shù)。

土壤Cd 含量與早稻的稻米Cd 含量（圖2C）和晚稻的稻米Cd含量（圖2D）表現(xiàn)為非線性相關(guān)。如果把土壤Cd以0.3 mg·kg-1的間距分成0～0.3、0.3～0.6、0.6～0.9、0.9～2.5 mg·kg-14組，把稻米Cd以0.2 mg·kg-1的間距分成0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8 和＞0.8 mg·kg-15 組，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨著土壤Cd 含量的增加，早稻稻米Cd＜0.2 mg·kg-1的組分所占的比例為24.2%～29.0%，基本保持在相同水平；0.2～0.4 mg·kg-1的組分所占的比例從41.1%下降到17.9%；0.4～0.6 mg·kg-1的組分所占的比例從22.1%下降到14.1%；而0.6～0.8 mg·kg-1和＞0.8 mg·kg-1的組分所占的比例大幅度增加（圖2E）。晚稻稻米Cd＜0.2 mg·kg-1的組分所占的比例為27.3%～34.4%；0.2～0.4 mg·kg-1的組分所占的比例從30.4%下降到14.2%；0.4～0.6 mg·kg-1的組分和0.6～0.8 mg·kg-1的組分所占的比例分別穩(wěn)定在14.5%～18.0%和7.0%～9.9%的范圍內(nèi)；只有＞0.8 mg·kg-1的組分所占的比例大幅度增加（圖2F）。當(dāng)土壤Cd 含量相同時(shí)，晚稻中高Cd含量的稻米（Cd＞0.8 mg·kg-1）所占的比例明顯高于早稻。

對(duì)266 個(gè)田塊中的早稻和晚稻樣品進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)早稻耕層土壤Cd＜0.7 mg·kg-1時(shí)，到了晚稻收獲季節(jié)，同一地點(diǎn)耕層土壤的Cd 含量一般會(huì)上升0.1～0.2 mg·kg-1；當(dāng)早稻耕層土壤Cd＞0.8 mg·kg-1時(shí)，晚稻耕層土壤的 Cd 含量一般會(huì)下降 0.1～1.1 mg·kg-1。早稻和晚稻的根際土壤Cd含量之間無(wú)顯著的線性相關(guān)（圖2G），早稻和晚稻的稻米Cd 含量之間也無(wú)顯著的線性相關(guān)（圖2H）。在大多數(shù)試驗(yàn)點(diǎn)，晚稻Cd 含量比早稻高0.1～0.3 mg·kg-1；在晚稻根際土的Cd含量大幅度下降的試驗(yàn)點(diǎn)，晚稻中的Cd含量也大幅度下降。

2.2 海拔高度對(duì)早稻和晚稻Cd含量的影響

湘潭縣境中部沿涓水、北部沿漣水形成肥沃的河谷平原，湘江、涓水和漣水在東北部匯注形成的湘潭盆地是主要的雙季稻生產(chǎn)區(qū)。以經(jīng)度（112°18′～113°00′E）和緯度（27°06′～27°51′N(xiāo)）為依據(jù)，參照地形地貌和水稻生產(chǎn)面積，把湘潭縣的耕地分成7 大水稻產(chǎn)區(qū)（圖1）。1 區(qū)（27°06′～27°27′N(xiāo)）受高山的影響，水稻種植面積小，樣點(diǎn)數(shù)也少。在經(jīng)度相同（112°36′～113°00′E）的其他6 大主產(chǎn)區(qū)中，隨著緯度的北移，早稻稻米中的Cd 含量明顯上升，特別是臨近湘江的湘潭盆地（27°36′～27°48′N(xiāo)），高Cd 稻米出現(xiàn)的頻率急劇增加（圖3A）。晚稻稻米隨緯度增加的趨勢(shì)更加明顯（圖3B）。這7個(gè)區(qū)域的稻米Cd含量和它們的海拔高度平均值呈明顯的負(fù)相關(guān)，其中早稻的稻米Cd 含量與海拔高度的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.929（P＜0.01，圖3C）。隨著海拔高度的下降，稻米Cd 含量超過(guò)0.4 mg·kg-1的樣本數(shù)明顯增加，稻米Cd 超標(biāo)率和海拔高度呈明顯的負(fù)相關(guān)，其中早稻的稻米Cd 超標(biāo)率與海拔高度的線性相關(guān)達(dá)到1%的極顯著水平，r=-0.982（圖3D）。在平均海拔高度為55 m 的湘江沿岸（第7 區(qū)），早稻和晚稻的稻米Cd超標(biāo)率分別為56.3%和57.5%。而海拔高度大于85 m 的崗地（第1 區(qū)和第2 區(qū)），早稻和晚稻的稻米Cd超標(biāo)率都在11%以內(nèi)。

海拔高度對(duì)土壤pH 無(wú)明顯影響（表1），但對(duì)晚稻耕層土壤Cd 含量和有效態(tài)Cd 含量有明顯的影響。在高海拔地區(qū)（91 m），晚稻耕層土壤中的Cd 含量和有效態(tài)Cd 含量都顯著低于早稻，降幅超過(guò)50%（圖4）。而在其他地區(qū)，晚稻耕層土壤中的Cd 含量和有效態(tài)Cd 含量大多高于早稻。海拔最低的湘潭盆地（平均海拔40 m），早稻和晚稻耕層土壤中有效態(tài)Cd 含量明顯高于相鄰的高海拔地區(qū)（平均海拔62～76 m）。

為了驗(yàn)證海拔高度與稻米Cd 含量的關(guān)系，2018年在湘潭盆地（第7 區(qū)）內(nèi)沿等高線對(duì)一季稻產(chǎn)區(qū)的150個(gè)田塊進(jìn)行密集取樣，分析結(jié)果表明，海拔高度與稻米Cd 含量顯著負(fù)相關(guān)（r=0.852，P＜0.05），特別是當(dāng)海拔高度超過(guò)40 m 以后，海拔每升高1 m，稻米Cd 含量約下降0.1 mg·kg-1。在檢測(cè)的6個(gè)必需元素中，Mg、K、Zn 的含量幾乎不受海拔高度的影響，但Ca、Mn、Fe的含量都隨著海拔的升高而下降。其中海拔高度與稻米Mn含量的負(fù)相關(guān)達(dá)到極顯著水平（r=-0.973，P＜0.01），見(jiàn)表2。

圖2 土壤Cd含量與稻米Cd含量的相關(guān)性分析Figure 2 Relationship between Cd content in soil and that in rice

2.3 海拔和土層深度對(duì)土壤Cd含量的影響

海拔高度對(duì)土壤Cd含量的影響因土層深度的變化而變化。對(duì)39 個(gè)晚稻田塊的土壤進(jìn)行分層取樣分析，發(fā)現(xiàn)海拔高度與深層土壤（40～60 cm）的Cd 含量顯著負(fù)相關(guān)（r=0.684，P＜0.05），特別是當(dāng)海拔低于40 m 時(shí)，深層土壤中的Cd 含量隨著海拔的下降急劇升高（圖5A）。在海拔高于40 m 的稻田中，深層土壤中的Cd含量比較穩(wěn)定，一般為0.15～0.25 mg·kg-1。中層土壤（20～40 cm）中的Cd 含量主要受深層土壤Cd含量的影響，二者之間的線性相關(guān)達(dá)到1%的極顯著水平，r=0.830（圖5B）。耕層土壤（0～20 cm）中的Cd含量隨著海拔的升高也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但Cd 含量的波動(dòng)比較大。特別是在海拔低于50 m 的一些稻田中，耕層土壤的Cd 含量比深層土壤的Cd 含量高2～5倍。表層土壤Cd 含量較高的試驗(yàn)點(diǎn)，中層土壤的Cd含量也較高。說(shuō)明農(nóng)藝措施或大氣沉降等因素對(duì)耕層土壤的Cd積累有顯著影響。

圖3 海拔高度對(duì)早稻和晚稻Cd的影響Figure 3 Effect of elevation on Cd content in early and late rice

圖4 海拔高度對(duì)早稻和晚稻耕層土壤總Cd及有效態(tài)Cd含量的影響Figure 4 Effect of elevation on the content of total Cd and available Cd in soil of early and late rice

表2 海拔高度對(duì)稻米Cd及營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響Table 2 Effect of elevation on the content of Cd and nutrients in rice

圖5 海拔高度和土層深度對(duì)耕層土壤Cd含量的影響Figure 5 Influence of elevation and soil depth on the Cd content of top soil

2.4 土壤Cd對(duì)水稻根莖Cd含量的影響

耕層土壤中的Cd 和其他營(yíng)養(yǎng)元素一起，通過(guò)自由空間的擴(kuò)散和根系細(xì)胞膜的主動(dòng)吸收，進(jìn)入到根系維管束中，進(jìn)而向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)。與水稻根系相連的莖稈基部是葉片、分蘗和新根共生的主要部位，莖稈基部蘗節(jié)的Cd含量直接決定著上部營(yíng)養(yǎng)器官和稻谷中的Cd 含量。對(duì)165 個(gè)晚稻樣品進(jìn)行分析的結(jié)果表明，土壤Cd 與根系Cd 和莖基部的Cd 含量沒(méi)有密切的線性相關(guān)（圖6A 和圖6B）。但根系和莖基部的Cd含量與稻谷中的Cd顯著正相關(guān)（圖6C和圖6D）。

按照耕層土壤Cd含量，把土壤分成不同的組別，再分析各組內(nèi)根系和莖基Cd 含量的平均值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤Cd含量在0.9 mg·kg-1以內(nèi)時(shí)，隨著土壤Cd含量的增加，根系和莖基Cd 含量呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)；當(dāng)土壤Cd 含量超過(guò)0.9 mg·kg-1以后，根系和莖基Cd 含量急劇增加。在土壤Cd 含量相同的情況下，莖基的Cd 含量明顯高于根系，不同樣本間莖基Cd 含量的標(biāo)準(zhǔn)誤差明顯小于根系（圖6E）。按照莖基Cd 含量1.0 mg·kg-1的間距對(duì)樣本進(jìn)行分組，發(fā)現(xiàn)當(dāng)莖基Cd＜4.0 mg·kg-1時(shí)，稻谷 Cd 含量幾乎都在0.4 mg·kg-1以下；當(dāng)莖基Cd＞9.0 mg·kg-1時(shí)，稻谷Cd 含量幾乎都在0.8 mg·kg-1以上（圖6F）。

3 討論

3.1 影響耕層土壤Cd含量波動(dòng)的主要因素

2014 年以來(lái)，原農(nóng)業(yè)部和財(cái)政部啟動(dòng)了“湖南長(zhǎng)株潭地區(qū)重金屬污染耕地修復(fù)及農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整試點(diǎn)”專(zhuān)項(xiàng)，對(duì)農(nóng)田重金屬污染治理工作開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)和協(xié)同創(chuàng)新。隨著大量田間試驗(yàn)的展開(kāi)，人們發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田耕層土壤中的Cd 含量與稻米Cd 含量的相關(guān)程度并不高[3-5]，大氣沉降、有機(jī)肥等農(nóng)業(yè)投入品成為耕層土壤Cd 污染的主要來(lái)源[31-32]，這給以土壤Cd 污染程度為依據(jù)劃分水稻安全生產(chǎn)區(qū)的策略提出了新的挑戰(zhàn)。為此，本研究以村鎮(zhèn)為基礎(chǔ)，在縣域范圍內(nèi)進(jìn)行密集布點(diǎn)，對(duì)耕層土壤和稻谷Cd 含量分季節(jié)進(jìn)行分析和比對(duì)，發(fā)現(xiàn)深層土壤（40～60 cm）和中層土壤（20～40 cm）的Cd 含量呈高度正相關(guān)，Cd 含量在不同點(diǎn)位間和相鄰鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的差異都很小。但受中層和深層土壤Cd含量、水稻生長(zhǎng)季節(jié)、緯度和海拔高度以及其他農(nóng)事活動(dòng)的影響，耕層土壤的Cd含量波動(dòng)很大。中層和深層土壤的Cd 含量反映了成土母質(zhì)中Cd 的本底值，生長(zhǎng)季節(jié)、緯度和海拔高度可能都是通過(guò)影響稻田淹水時(shí)間，影響了耕層土壤的Cd 含量和生物活性。在高海拔地區(qū)（平均海拔91 m），經(jīng)過(guò)夏季雨水的淋洗，晚稻耕層土壤中的Cd 含量和有效態(tài)Cd 含量比早稻耕層土下降了50%。水流向低海拔地區(qū)匯聚的同時(shí)，把水溶性Cd也帶到了稻田中，致使低海拔地區(qū)耕層土壤中有效態(tài)Cd含量明顯高于相鄰的高海拔地區(qū)。

圖6 耕層土壤Cd含量對(duì)根莖Cd含量的影響Figure 6 Influence of Cd content in surface soil on the Cd content in roots and stem base parts

3.2 影響稻米Cd含量的關(guān)鍵因素

土壤Cd 污染是引起稻米Cd 污染的重要因素，但不是唯一的決定性因素。在長(zhǎng)期的自然進(jìn)化過(guò)程中，水稻的根莖葉組織進(jìn)化出識(shí)別必需元素和有害元素的特殊功能，能夠把大量的Cd 固定在營(yíng)養(yǎng)器官中[6]，水稻根系和穗下節(jié)分別將80%以上和75%以上的Cd轉(zhuǎn)化為難溶態(tài)[7]，從而限制了Cd從莖葉向稻米中的遷移。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤的總Cd 含量、有效態(tài)Cd 含量和稻米Cd 含量之間沒(méi)有密切的線性相關(guān)，而是呈離散分布狀態(tài)；同一地點(diǎn)晚稻和早稻的稻米Cd 含量之間也沒(méi)有顯著的線性相關(guān)。相反，海拔高度與稻米中的Cd 含量以及Ca、Mn、Fe 的含量表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中的二級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按照Cd 含量把耕層土壤分成不同的組別，發(fā)現(xiàn)在清潔、輕度、中度和重度污染土壤中，稻米Cd 含量小于0.2 mg·kg-1的合格稻米所占的比例穩(wěn)定在24.5%～34.4%之間，不因土壤污染程度的變化而波動(dòng)；但隨著土壤Cd 污染的加重，稻米 Cd 含量介于 0.2～0.4 mg·kg-1的組分所占的比例急劇下降，高Cd 稻米（Cd＞0.8 mg·kg-1）所占的比例急劇增加（圖2）。所以，以土壤污染程度為依據(jù)劃分輕度污染、中度污染和重度污染區(qū)的方法，并不能保證安全區(qū)生產(chǎn)出Cd 含量低于0.2 mg·kg-1的稻米，但卻使這些區(qū)域中能夠生產(chǎn)合格稻米的農(nóng)田失去了發(fā)揮生產(chǎn)作用的機(jī)會(huì)。

土壤中的Cd 能否進(jìn)入水稻根系，不僅受Cd 離子濃度的影響，還受其他金屬離子濃度和電化學(xué)平衡系統(tǒng)的影響[33-35]。只有土壤中的Cd進(jìn)入根系細(xì)胞以后，才成為具有生物活性的Cd。根系細(xì)胞中的Cd 匯聚到維管束中，首先遇到蘗節(jié)的攔截和篩選，經(jīng)過(guò)11～16 節(jié)地上莖葉的層層攔截，只有極少數(shù)的Cd 通過(guò)穗軸進(jìn)入到稻米中[6]。本研究發(fā)現(xiàn)，根系和基部莖節(jié)（以蘗節(jié)為主）的Cd 含量是稻米Cd 含量的8.2～10.9倍，它們之間表現(xiàn)出高度的線性相關(guān)，稻米與莖基部Cd 含量的相關(guān)系數(shù)更高。說(shuō)明通過(guò)根系和蘗節(jié)篩查的Cd 離子，會(huì)按照相對(duì)固定的比例轉(zhuǎn)運(yùn)到稻米中。因此，只有提高根系和莖基部的攔截能力，才能有效控制稻米中的Cd 含量，而控制土壤中的Cd 含量，只能有效降低高Cd 稻米所占的比例，對(duì)提高稻米合格率的作用并不大。

3.3 以根莖Cd 含量為依據(jù)進(jìn)行水稻安全生產(chǎn)區(qū)劃的可行性

為了降低土壤污染給農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，我國(guó)先后頒發(fā)了《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》《農(nóng)用地分等定級(jí)規(guī)程》《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，試圖通過(guò)對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行分類(lèi)來(lái)降低農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到土壤重金屬污染與農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染程度的不一致性，2018 年頒布實(shí)施的《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中，在界定土壤Cd 污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的基礎(chǔ)上，又設(shè)置了土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn)管控值，二者之間相差5 倍。對(duì)于土壤Cd 污染值介于風(fēng)險(xiǎn)值和管控值之間的農(nóng)田如何管理？早稻和晚稻的耕層土壤Cd 含量和稻米Cd 含量差異很大，劃分安全生產(chǎn)區(qū)時(shí)應(yīng)以早稻為依據(jù)還是以晚稻為依據(jù)？如何排除海拔高度、土壤環(huán)境質(zhì)量、作物類(lèi)型、生態(tài)環(huán)境等因素對(duì)安全生產(chǎn)區(qū)劃分的干擾？這些問(wèn)題都缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐。本研究發(fā)現(xiàn)，中層和深層土壤（20～60 cm）的Cd 含量在相鄰鄉(xiāng)鎮(zhèn)和不同季節(jié)都比較穩(wěn)定，而耕層土壤（0～20 cm）的Cd 含量受多種因素的影響，是一個(gè)波動(dòng)性很大的變量。耕層土壤中的Cd既可以進(jìn)行上下方向的垂直移動(dòng)，也可以通過(guò)徑流進(jìn)行橫向移動(dòng)，要直接監(jiān)控它們的動(dòng)態(tài)變化比較困難，但水稻根系中的Cd積累量能間接反映耕層土壤有效態(tài)Cd的變化。

植物根系是吸收水分和各種離子、保持植物養(yǎng)分平衡的第一道屏障，主要通過(guò)細(xì)胞壁間隙構(gòu)成的質(zhì)外體（即自由空間）、胞間連絲構(gòu)成的共質(zhì)體途徑來(lái)完成吸收過(guò)程[36-38]。Cd2+和許多金屬離子如 K+、Ca2+、Mn2+、Zn2+等進(jìn)入根系的過(guò)程非常相似，都符合Michaelis-Menten 方程[39-40]，說(shuō)明通過(guò)根系內(nèi)的自由空間以及細(xì)胞膜上的非選擇性陽(yáng)離子通道進(jìn)行的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是離子進(jìn)入根系細(xì)胞的主要方式。根系內(nèi)皮層細(xì)胞上形成的凱氏帶雖然能有效抑制水分和溶質(zhì)通過(guò)自由擴(kuò)散進(jìn)入維管束，但根冠區(qū)、分生區(qū)和伸長(zhǎng)區(qū)的內(nèi)皮層細(xì)胞并未形成完善的凱氏帶[41]。因此，根系中的Cd積累主要取決于被動(dòng)吸收過(guò)程，受根際環(huán)境中Cd 離子濃度和蒸騰拉力的影響較大，受品種間主動(dòng)運(yùn)輸差異的影響較小。與水稻根系相連的莖稈基部，有7～13 個(gè)節(jié)間不伸長(zhǎng)的蘗節(jié)，是長(zhǎng)分蘗和新根的主要部位。葉、分蘗及根的輸導(dǎo)組織都在莖基部的蘗節(jié)內(nèi)會(huì)合，對(duì)光合產(chǎn)物、營(yíng)養(yǎng)元素、有害元素等各種成分進(jìn)行再分配。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤Cd 含量為0.19～1.60 mg·kg-1時(shí)，絕大多數(shù)根系和莖基部的Cd 含量分別在6.0 mg·kg-1和 10.0 mg·kg-1以下，對(duì)應(yīng)的稻米 Cd 含量在1.1 mg·kg-1以下。根系的再生能力強(qiáng)，在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，不斷地有新根發(fā)育，老根中的Cd含量明顯高于新根。取樣時(shí)只收集離莖基部3 cm 以內(nèi)的粗根，可以有效減少根系的取樣誤差。和根系相比，莖基部易于采樣和分割，且Cd濃度高、取樣誤差小。水稻根系和莖基部的Cd含量反映了水稻整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中Cd 的吸收累積狀態(tài)，能更客觀全面地反映水稻根際環(huán)境中Cd 的活性狀態(tài)。當(dāng)莖基部的Cd 含量小于4.0 mg·kg-1時(shí)，稻米Cd含量超過(guò)0.4 mg·kg-1的樣品只占8.85%。以根系或莖基部的Cd 含量為依據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，能保證稻米Cd含量的合格率達(dá)到90%以上。

4 結(jié)論

（1）耕層土壤的Cd含量容易受海拔高度、水稻生長(zhǎng)季節(jié)和深層土壤Cd 含量的影響，低海拔地區(qū)的土壤Cd 含量顯著高于高海拔地區(qū)，耕層土壤Cd 含量（0.22～1.78 mg·kg-1）顯著高于深層土壤（0.11～0.60 mg·kg-1）。以耕層土壤Cd 含量為依據(jù)對(duì)水稻產(chǎn)區(qū)進(jìn)行分類(lèi)，不能有效控制稻米Cd超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）耕層土壤Cd 總量和有效態(tài)Cd 含量高度線性相關(guān)，但對(duì)低Cd 稻米（Cd≤0.2 mg·kg-1）的分布頻率沒(méi)有顯著影響。隨著土壤Cd 含量的增加，中Cd 稻米（0.2 mg·kg-1＜Cd≤0.4 mg·kg-1）的分布頻率顯著下降，高Cd 稻米（Cd＞0.8 mg·kg-1）的發(fā)生率顯著增加，導(dǎo)致稻米的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。

（3）在海拔高度為26～90 m 的平原和崗地，稻米Cd 含量和產(chǎn)地的海拔高度顯著負(fù)相關(guān)，其中早稻Cd含量與海拔高度的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.929（P＜0.01）；低海拔地區(qū)耕層土壤中的有效態(tài)Cd含量明顯高于相鄰的高海拔地區(qū)。

（4）根系和莖基部的Cd 含量與稻米的Cd 含量顯著正相關(guān)，當(dāng)莖基Cd含量小于4.0 mg·kg-1時(shí)，稻米Cd超過(guò)0.4 mg·kg-1的樣點(diǎn)數(shù)為8.8%，稻米Cd 平均值為0.2 mg·kg-1。當(dāng)莖基Cd含量大于9.0 mg·kg-1時(shí)，稻米Cd含量幾乎都在0.8 mg·kg-1以上。以莖基Cd含量為依據(jù)進(jìn)行稻田分類(lèi)，能有效降低稻米Cd超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。