土壤調(diào)理劑對稻米中鎘含量及其品質(zhì)的影響

文典 ，江棋 ，鄧騰灝博 ，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(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 510640；3. 廣東省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640

近些年來，由于嚴(yán)重的工業(yè)污染、化肥不合理使用等多種原因，土壤重金屬污染問題日趨嚴(yán)重，重金屬污染日益突出，已成為限制我國糧食安全生產(chǎn)的重要因素之一（曾希柏等，2013；《全國首次土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，2014）。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；Li et al.，2006；Liu et al.，2006；Rubio et al.，2006；Huang et al.，2009）?！吨袊用裆攀持改希?016）》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50—100 g。水稻是中國的主要農(nóng)作物，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。隨著居民生活水平的不斷提升，社會公眾對農(nóng)產(chǎn)品的消費(fèi)需求正在由吃得飽向吃得好、吃得放心、吃得健康方向轉(zhuǎn)變。因此，保障水稻生產(chǎn)質(zhì)量安全和品質(zhì)營養(yǎng)有著同等重要的意義。

目前，對市售各類重金屬污染修復(fù)調(diào)理劑效果的關(guān)注和評價(jià)主要集中在對農(nóng)作物可食部位重金屬含量降低的能力，關(guān)于調(diào)理劑對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的影響方面的研究相對較少（文炯等，2019）。蛋白質(zhì)、直鏈淀粉、礦物質(zhì)元素含量等是稻米營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)，其含量直接關(guān)乎到人體營養(yǎng)的有效供給水平（王義等，2020）。本研究采用大田試驗(yàn)方法，通過比較研究4種不同類型商用土壤重金屬調(diào)理劑對早、晚稻吸鎘能力及品質(zhì)影響的差異，為鎘污染稻田安全修復(fù)生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于粵北地區(qū)北江流域某農(nóng)田，土壤的基本理化性質(zhì)：pH值為 5.65，有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、總鎘含量分別為25.47 g·kg-1、1.30 g·kg-1、14.98 mg·kg-1、92.86 mg·kg-1、0.80 mg·kg-1，土壤中的鎘含量高于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（GB 15618—2018），為該區(qū)域的主要污染物。選取4種商用調(diào)理劑（主要成分見表1）開展大田試驗(yàn)。設(shè)對照組和處理組共5個(gè)處理，調(diào)理劑的使用量均為3 t·hm-2，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為20 m2（2.5 m×8 m）。插秧一周前施用調(diào)理劑。為防止各處理間互相影響，對每個(gè)小區(qū)的田埂進(jìn)行增高加固并外包塑料薄膜將每個(gè)小區(qū)隔開，各處理采用隨機(jī)排列。水稻品種為粵農(nóng)絲苗。為比較季節(jié)對水稻生長的影響，于 2019年種植早晚兩季，分別于4月初插秧，7月中旬收割，8月初插秧，11月除收割。早、晚水稻生長過程中的日常管理，如施肥、噴灑農(nóng)藥等按當(dāng)?shù)仄胀ǜ鞣绞竭M(jìn)行，確保試驗(yàn)小區(qū)條件一致。

表1 土壤調(diào)理劑主要成分Table 1 Main components of soil amendments

1.2 樣品處理與分析檢測

水稻收獲期用五點(diǎn)法采集土壤樣品，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(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稻米經(jīng)微型碾米機(jī)去殼，再經(jīng)過粉碎機(jī)磨成米粉，裝袋保存待測。

稻米中無機(jī)元素的含量采用硝酸-高氯酸消解；土壤中元素的含量定參照 GB/T 17141—1997和NY/T 1121.12—2006的方法前處理，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定。稻米中蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量分別采用 GB 500935—2016和 GB 15683—2008方法測定。

應(yīng)用Excel和SPSS軟件對土壤和稻米的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤調(diào)理劑對稻米產(chǎn)量的影響

施用土壤調(diào)理劑后早稻產(chǎn)量增幅在4%—6%之間，晚稻增幅在2%—3%之間。但與對照比較，各處理對產(chǎn)量影響均無顯著性差異（P＞0.05），結(jié)果詳見表2。

表2 不同土壤調(diào)理劑對水稻產(chǎn)量的影響Table 2 Effect of different amendments on yield of rice

2.2 土壤調(diào)理劑對稻米中Cd含量的影響

試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，不同土壤調(diào)理劑均降低了稻米鎘含量。與對照比較各土壤調(diào)理劑可以明顯降低早稻稻米中 Cd的含量（P＜0.05），稻米的鎘含量降低31%—48%，但處理間無顯著差異。而且土壤調(diào)理劑早稻降鎘效果明顯好于晚稻。

圖1 不同調(diào)理劑對稻米鎘含量的影響Fig. 1 Effect of different amendments on Cd content in rice

2.3 土壤調(diào)理劑對稻米品質(zhì)的影響

2.3.1 土壤調(diào)理劑對稻米中直鏈淀粉含量的影響

施用土壤調(diào)理劑后對稻米中直鏈淀粉含量的變化如圖2所示。施用土壤調(diào)理劑后稻米中直鏈淀粉含量有不同程度的增加，晚稻效果更加明顯，增幅在7.5%—10.6%之間，但與對照相比均無顯著性差異（P＞0.05）。

圖2 調(diào)理劑對稻米直鏈淀粉含量的影響Fig. 2 Effect of amendments on amylose content of rice

2.3.2 土壤調(diào)理劑對稻米蛋白質(zhì)含量的影響

施用土壤調(diào)理劑后對稻米蛋白質(zhì)含量的變化如圖3所示，各處理稻米蛋白質(zhì)含量均有提高，晚稻稻米中蛋白質(zhì)含量整體高于早稻。與對照相比，早稻稻米中蛋白質(zhì)提高率在6.6%—10.8%之間，調(diào)理劑 C處理的稻米蛋白質(zhì)含量顯著高于對照（P＜0.05）。總體上，各種調(diào)理劑在一定程度上提高早、晚稻稻米的蛋白質(zhì)含量，有益于改善稻米營養(yǎng)品質(zhì)。

圖3 調(diào)理劑對稻米蛋白質(zhì)含量的影響Fig. 3 Effect of amendments on protein content of rice

2.3.3 不同土壤調(diào)理劑對稻米礦物質(zhì)元素的影響

土壤調(diào)理劑對早、晚稻稻米中各種礦物質(zhì)元素含量的變化如表3所示。早稻稻米中各礦質(zhì)元素含量均高于對照處理，如調(diào)理劑B對稻米中Mg、Fe、Mn提高能力最好，調(diào)理劑C對稻米中Ca、Cu提高能力高于其他調(diào)理劑。與對照相比，各種調(diào)理劑處理對早稻稻米中礦質(zhì)元素含量影響大于晚稻，對提高早稻Ca、Mg、Mn含量的效果要明顯優(yōu)于晚稻。

表3 土壤調(diào)理劑對稻米中礦物質(zhì)元素含量的影響Table 3 Effect of amendments on mineral elements content in rice mg·kg-1

2.3.4 稻米中Cd與礦物質(zhì)元素含量的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步探討稻米中礦物質(zhì)元素與稻米中鎘含量的關(guān)系，對其進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表4所示，稻米中6種礦物質(zhì)元素Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn均與稻米中Cd含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，并達(dá)到顯著或極顯著水平，說明提高稻米中礦物質(zhì)元素含量能有效抑制鎘向稻米中轉(zhuǎn)移。

表4 稻米中鎘與稻米中礦物質(zhì)元素的相關(guān)分析Table 4 Correlation between rice cadmium content and other variables

3 討論

施用土壤改良劑能一定程度上改善土壤環(huán)境，有利于土壤養(yǎng)分的活化，進(jìn)而促進(jìn)水稻增產(chǎn)。本研究中，從水稻產(chǎn)量上分析，施用A、B、C、D 4種土壤調(diào)理劑均能一定程度上提高水稻產(chǎn)量，一方面可能是這4種土壤調(diào)理劑含有鈣、鎂、硅、鉀等元素，施加到土壤中經(jīng)過一定反應(yīng)后釋放到土壤溶液中，可對水稻生長起到一定促進(jìn)作用（鄭涵等，2018；文炯等，2019），另一方面可能是這4種調(diào)理劑降低了土壤中重金屬鎘的活性，緩解了鎘對水稻毒害作用，從而有利于水稻增產(chǎn)（周婭等，2018）。影響作物吸收重金屬的因素較多，包括土壤pH值、離子間相互作用以及土壤中重金屬有效態(tài)含量等（謝運(yùn)河等，2014），本研究中，與對照比施用調(diào)理劑后土壤pH值增加0.2—0.6個(gè)單位，各養(yǎng)分指標(biāo)無明顯變化，各調(diào)理劑在早稻季的降鎘效果明顯優(yōu)于晚稻季，這可能與調(diào)理劑本身的穩(wěn)定性及田間環(huán)境等綜合因素的影響有關(guān)。

稻米中直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量是影響稻米營養(yǎng)與食味品質(zhì)的重要指標(biāo)。一定范圍內(nèi)的蛋白質(zhì)、直鏈淀粉含量有助于提高稻米食味值（楊文祥等，2006；陳能等，1997）。本研究發(fā)現(xiàn)，各處理下早、晚稻稻米含量分別在 15.6%—17.6%與 17.4%—19.2%之間，在優(yōu)質(zhì)稻谷直鏈淀粉含量規(guī)定的14.0%—20.0%。施用調(diào)理劑一定程度上提高了早晚稻米直鏈淀粉含量，說明施用調(diào)理劑略增加了米飯彈性和硬度，但對米飯口感并未造成較大影響。本研究中，施用 4種調(diào)理劑均提高了早、晚稻稻米中蛋白質(zhì)含量，分別提高2.9%—10.8%與0.5%—5.7%，說明調(diào)理劑處理在一定程度上提高稻米營養(yǎng)品質(zhì)的同時(shí)也可能提高其食味品質(zhì)。

礦物質(zhì)元素鈣、鎂、銅、鋅、鐵、錳既是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，也是與人體健康息息相關(guān)的必需營養(yǎng)元素。因此，適當(dāng)提高食物中礦物質(zhì)元素的含量對人體保障人體健康十分必要。目前，對稻米中礦物質(zhì)元素的分析已有相關(guān)研究，周崇松等（2003）對川稻中的4種礦物質(zhì)元素銅、鋅、鐵、錳進(jìn)行了研究分析，表明稻米中的4種礦物質(zhì)元素與土壤環(huán)境呈一定正相關(guān)關(guān)系。本研究中，各土壤調(diào)理劑處理均一定程度上提高了稻米中6種礦物質(zhì)元素鈣、鎂、銅、鋅、鐵、錳含量，這可能是施用土壤調(diào)理劑改善了水稻生長的微環(huán)境，使得土壤中這些元素的有效性得到提高，促進(jìn)了水稻對它們的吸收積累。結(jié)合本試驗(yàn)各調(diào)理劑對土壤質(zhì)量、水稻品質(zhì)綜合效果來看，不能只關(guān)注調(diào)理劑的降鎘效果，希望今后以多指標(biāo)來客觀、合理評估調(diào)理劑的田間實(shí)際應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

（1）土壤調(diào)理劑可以增加水稻產(chǎn)量，增幅在2%—6%之間，使稻米的鎘含量降低18%—48%，調(diào)理劑的增產(chǎn)控Cd效果早稻均優(yōu)于晚稻；

（2）4種調(diào)理劑處理下早、晚稻稻米中直鏈淀粉含量均無明顯變化，含量為15.6%—19.2%之間，均處于國家優(yōu)質(zhì)米直鏈淀粉含量14%—20%之間；

（3）施用A、B、C、D調(diào)理劑，早晚稻稻米蛋白質(zhì)較對照均增加，其中早稻稻米蛋白質(zhì)顯著增加，增幅分別為7.4%、7.4%、10.8%、6.9%；

（4）施用調(diào)理劑可以增加稻米礦物質(zhì)元素鈣、鎂、銅、鋅、鐵、錳在水稻中的積累。其中C調(diào)理劑對提高早稻稻米鈣、銅、鋅元素含量效果最好，較對照分別提高45.7%、28.7%、36.0%；B對提高早稻稻米鎂、鐵、錳元素含量效果最好，較對照分別提高42.8%、52.9%、30.9%，且也對提高晚稻稻米鐵元素效果最好，較對照提高33.3%；A對提高晚稻鈣、鎂、鋅、錳元素效果最好，較對照分別提高 20.3%、36.3%、10.3%、11.3%；D調(diào)理劑對提高晚稻稻米銅元素含量效果最好，較對照提高11.4%。