水分管理對復合污染稻田Pb、Cd和As遷移特性及稻米質量安全的影響

陳璐，楊斗龍，米艷華，李倩，王丹，王文治，杜麗娟，尹本林

(1.云南省農業(yè)科學院 質量標準與檢測技術研究所，云南 昆明，650205；2.紅河州經濟作物技術推廣站，云南 紅河哈尼族彝族自治州，661199)

0 引 言

據《2020云南統(tǒng)計年鑒》顯示，2019年云南省水稻(OryzasativaL.)種植面積為84.15萬hm2，總產量達534萬t，是云南省主要的糧食作物[1]。同時，云南省享有“有色金屬王國”的美譽，采礦業(yè)的發(fā)展帶動了當地的經濟發(fā)展，但也引發(fā)了生態(tài)環(huán)境問題。紅河州大屯海水域經檢測，砷含量超過國家標準限量的96倍[2]，嚴重威脅著周圍農作物的質量安全及人體健康。前期研究發(fā)現(xiàn)：個舊地區(qū)稻田土壤Cd、As元素的生態(tài)風險指數平均值均大于40，94.4%的土壤樣品處于中等風險以上水平，33.3%采樣點處于生態(tài)風險重警級別[3]。通過對個舊市267個稻米樣品的質量調查顯示，對照《食品安全國家標準·食品中污染物限量標準》(GB 2762-2017)[4]，Pb、As、Cd的超標率均高于20%[5]，大米Cd平均值為0.446 mg·kg-1，超標1.23倍[6]，稻米質量安全問題引發(fā)關注。

水分管理是水稻種植中的重要農藝措施，不同的水分管理模式對水稻田土壤重金屬的形態(tài)和稻米吸收累積重金屬具有重要影響。相關研究表明，淹水可以明顯提高酸性水稻土的pH，降低土壤有效態(tài)鎘含量[7-8]，糙米Cd可減少17%～67%[9]；也有研究表明，水分管理對水稻根際土壤中As、Cu和Zn的含量影響不大，但對水稻根、莖葉和籽粒中As增加顯著[10]，間歇性排水有效地降低了土壤中As的含量[11]。但目前已有報道大多為室內盆栽培養(yǎng)試驗，結合生產的田間試驗相對較少。本研究將結合生產實際，在田間設置4種水分管理模式：種植根部起壟、干濕交替、長期淹水及濕潤土壤的常規(guī)管理。分析采用不同水分管理模式時土壤重金屬Pb、Cd和As的濃度及水稻對Pb、Cd和As的吸收轉運情況。為進一步篩選出可以有效抑制重金屬Pb、Cd和As向稻米籽粒中遷移的水分管理模式，指導水稻實際生產安全種植的農藝措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點范圍選取在云南省個舊市大屯鎮(zhèn)的水稻種植區(qū)，海拔1 220～1 350 m，年平均氣溫18 ℃～20 ℃，年降雨量800～1 000 mm。該區(qū)域農田土壤類型為紅壤性水稻土，土壤基本理化性狀見表1，對照《土壤環(huán)境質量標準》(GB15618-2018)[12]，供試試驗田土壤重金屬Pb和As含量均超出農用地土壤污染風險篩選值，低于風險管制值，而Cd含量則低于風險篩選值，綜合屬具有重金屬復合污染特征的水稻田土壤。

表1 供試土壤基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

供試作物為水稻(OryzasativaL.)，品種為紅優(yōu)4號，是當地主栽品種之一，由云南省紅河州個舊市大屯鎮(zhèn)農業(yè)綜合服務中心提供水稻種子并完成育苗。

1.2 試驗設計

試驗共設4個田間大區(qū)處理，分別為(1)種植根部起壟(Roots ridging，RR)，即水稻栽種于壟上，壟高10 cm，壟間淹水，水面保持低于壟高5 cm；(2)干濕交替(Intermittent flooding，IF)，即淹水至土壤表面2～3 cm水層，待自然落干后，再次淹水至土壤表面2～3 cm水層，如此循環(huán)；(3)長期淹水(Continuous flooding，CF)，即水稻全生育期淹水保持土壤表面3～5 cm水層；(4)常規(guī)種植管理(Conventional planting)作為對照CK，即農戶習慣性管理方式，稻田淹水、落干與降雨量相關。試驗區(qū)在同一田塊，土壤性質一致，試驗區(qū)長寬為5 m×8 m，每個大區(qū)間隔20 cm，為使保證不同處理試驗區(qū)之間水分不相互流動，將田埂用塑料膜包裹隔離，每個試驗處理設置獨立的灌溉及排水溝渠，保障試驗期不同處理稻田的淹、干水效果，防止雨季長期積水及試驗之間相互影響。

本試驗于2017年3-4月進行育秧，5月完成秧苗移栽。除水分管理外，田間施肥、殺蟲用藥等管理措施按大田常規(guī)操作進行。

1.3 樣品采集與處理

9月中旬水稻成熟時，采集水稻整株及根際土壤作為試驗樣品，水稻植株樣品分為根、莖葉和谷粒3個部分，分部位洗凈泥沙后，105℃殺青30 min后70℃烘干至恒重。使用小型礱谷機(JLG-Ⅱ型，中儲糧成都糧食儲藏科學研究所研制)將水稻谷粒脫殼，制成糙米樣品；根、莖葉、糙米、根上莖及米糠等植物樣品充分烘干后，使用小型粉碎機粉碎，過0.15 mm的尼龍篩，用自封袋干燥保存待測。土壤樣品經自然風干、研磨后過0.15 mm的尼龍篩，用自封袋干燥保存待測。

1.4 樣品分析

土壤樣品pH值，測定時固液比值為1∶2.5[13]，使用酸度計(STARTER 3100，奧豪斯儀器(上海)有限公司)測定；土壤重金屬使用濕法消解，消解混合酸的比例為，HNO3∶HClO∶HF=10∶1∶2；鉛、鎘含量的測定采用石墨爐原子吸收分光光度法[14]；砷含量的測定采用原子熒光法[15]。土壤有效態(tài)鉛、鎘參照GB/T 23739-2009土壤質量有效態(tài)鉛和鎘原子吸收法的測定[16]；有效態(tài)砷參照DB35/T 1459-2014酸性土壤中有效砷、有效汞原子熒光法的測定[17]。

水稻植株樣品，根、莖葉、糙米使用濕法消解，消解混合酸比例為HNO3∶HCIO4=10∶1；砷含量參照GB 5009.11-2014食品安全國家標準食品安全國家標準食品中總砷及無機砷的測定[18]；鉛含量參照GB5009.12-2010食品安全國家標準中鉛的測定[19]；鎘含量參照GB 5009.15-2014食品安全國家標準食品中鎘的測定[20]。

1.5 數據統(tǒng)計與分析

采用新復極差法(Duncan法)對試驗數據進行差異顯著性檢驗(P<0.05)，利用Excel 2010、SPSS 22.0和SigmaPlot 12.0軟件進行數據分析和圖形處理。

土壤重金屬有效態(tài)活度系數(Activity coefficient)反映重金屬有效態(tài)濃度和實際濃度的差異，用來評價土壤重金屬的活化程度，活度系數計算公式：γi=Ca/C，其中γi為活度系數；Ca為土壤重金屬有效態(tài)濃度(mg·kg-1)；C為土壤重金屬總量濃度(mg·kg-1)。

重金屬的轉運系數(Translocation factor)[20]指植物地上部中的金屬含量與地下部中的金屬含量的比值。用來評價植物將重金屬從地下部向地上部的運輸和富集能力的一種指標。水稻植株不同部位之間轉運系數計算公式：R=S/L，其中R為轉運系數；S為重金屬地上部分含量(mg·kg-1)；L為重金屬地下部分含量(mg·kg-1)。

2 結果與分析

2.1 水分管理模式對土壤重金屬含量及有效態(tài)的影響

不同的水分管理模式對土壤重金屬Pb、Cd和As及其有效態(tài)含量的影響表現(xiàn)不同。從圖1中可以看出，經過一季的水稻生長，不同的水分管理模式對土壤重金屬Pb、Cd和As含量表現(xiàn)出明顯差異。RR模式土壤中重金屬Pb、Cd和As含量與試驗初土壤背景值相比，表現(xiàn)為顯著降低，Pb的降幅為12.9%，Cd的降幅為14.3%，As的降幅最大為16.9%；IF模式土壤中Pb和As的含量降低，但表現(xiàn)不顯著，Cd含量基本保持不變；CF模式Pb、Cd和As的含量均顯著增加，增加幅度分別為20.2%、13.4%和6.9%；常規(guī)CK模式中除As含量出現(xiàn)小幅增加外，Pb和Cd的含量變化不大。不同水分管理模式下，重金屬有效態(tài)變化趨勢與土壤重金屬總量保持一致。但與對照CK模式相比，CF模式重金屬有效態(tài)含量最高，分別為有效態(tài)砷含量8.33 mg·kg-1，有效態(tài)鎘含量0.08 mg·kg-1，有效態(tài)鉛含量2.30 mg·kg-1；RR和IF模式Pb、Cd和As的有效態(tài)含量相近且均低于CK模式。綜上所述，水稻種植過程中RR和IF兩種水分管理模式對比常規(guī)管理模式可以有效降低土壤中Pb、Cd和As的有效態(tài)含量；CF模式Pb、Cd和As的有效態(tài)含量最高且高于常規(guī)管理模式。

土壤重金屬有效態(tài)活度系數可以反映土壤重金屬的活化程度。從表2中可以看出，RR、IF和CK管理模式對土壤As的活度系數影響不大，CF模式下As的活度系數顯著增加，說明CF管理模式易使土壤As的活化程度增強；重金屬Cd的活度系數最高，說明土壤中的Cd較易活化，RR和IF模式對Cd的活化程度相近且影響最小，CF處理的Cd有效態(tài)活度系數達0.189比CK處理高，說明CF處理更易增強Cd的活性；重金屬Pb的活度系數最低，且不同水分管理模式的活度系數間差異不顯著，說明土壤Pb有效態(tài)的活化與水分管理模式無關。

表2 土壤重金屬有效態(tài)活度系數Table 2 Available activity coefficients of heavy metals in soil

2.2 水分管理模式對水稻各部位重金屬含量的影響

不同水分管理模式對水稻各部位重金屬的含量影響表現(xiàn)不同(表3)。從表3中可以看出，RR、IF水分管理模式可以顯著降低水稻根部重金屬Pb、Cd和As的含量，約是CF模式的55%～81%；根上莖即根部以上15 cm的莖稈，是水稻根系吸收重金屬后向地上部轉運的首要部位，IF模式下根上莖的Pb、Cd和As含量均為最高，分別達92.4 mg·kg-1、1.90 mg·kg-1和46.9 mg·kg-1。RR、CF和CK模式根上莖Pb和Cd的含量無顯著差異；RR模式下根上莖As的含量顯著低于其他水分管理模式，最低達40.0 mg·kg-1。莖葉中Pb含量最高的為RR模式，最低為CK模式；Cd含量最高為CF模式，最低為IF和CK模式；As含量最高為CK模式，最低為IF模式。米糠中Pb、Cd和As含量在RR管理模式條件下最低，CF模式下含量達到最高。RR和IF水分管理模式下，糙米中重金屬含量顯著低于另外兩種水分管理模式，且糙米中Pb、Cd和As的含量低于《食品安全國家標準·食品中污染物限量標準》(GB 2762-2017)[4]，糙米質量安全。綜合分析，RR和IF水分管理模式可以顯著降低糙米的重金屬含量，重金屬多富集在根上莖和莖葉中；CF管理模式根部、根上莖及糙米重金屬均為所有水分管理模式中含量最高；CK和CF模式下糙米Pb和Cd的含量超過《食品安全國家標準·食品中污染物限量標準》(GB 2762-2017)[4]，超標1.9～2.7倍，應減少或不采用此種水稻種植的水分管理模式。

表3 水分管理模式對水稻各部位重金屬含量的影響(mg·kg-1)Table 3 Effects of water management models on heavy metal contents in different parts of rice

2.3 水分管理模式對水稻重金屬轉運系數的影響

從表4可以看出，水分管理模式對重金屬在水稻中的轉運影響不同。Pb從根系到莖葉的轉運系數范圍為0.031 2～0.089 9，其中RR水分管理模式最高，CK模式最低；Cd從根系到莖葉的轉運系數范圍為0.295 1～1.048 6，其中CF模式的轉運系數最高能力最強，IF模式的轉運系數最低；As從根系到莖葉的轉運系數范圍為0.145 5～0.301 1，其中CK模式轉運系數最高約是最低的IF模式的一倍。Pb從莖葉到糙米的轉運系數為0.003 5～0.514 8，CK模式的轉運系數最高，RR模式的轉運系數最低；Cd從莖葉到糙米的轉運系數為0.394 9～2.137 6，水分管理CK模式轉運系數遠高于其他模式，達2.137 6，CF模式僅次于CK，達1.217 9，RR和IF模式的轉運系數較低僅為0.398 9和0.394 9；As從莖葉到糙米的轉運系數為0.007 4～0.012 9，IF和CF模式的轉運系數為0.012 9和0.010 5，RR和CK的轉運系數較低，僅為0.009 3和0.007 4。Pb從根系到糙米的轉運系數介于0.000 3～0.016 1，CF和CK模式的轉運系數較高為0.011 6和0.016 1，RR模式的轉運系數僅為0.000 3，遠低于其他模式；Cd從根系葉到糙米的轉運系數介于0.324 3～0.949 9，RR和IF模式的轉運系數相近且較低，CF模式略高為0.414 1，CK模式最高達0.949 9。As從根系到糙米的轉運系數介于0.001 7～0.002 2，不同水分管理模式的轉運系數相差不大。綜上所述，水分管理RR模式條件下Pb、Cd和As的轉運系數從根系到莖葉的較高，從莖葉到糙米的相對較低，從根系到糙米的轉運系數最低，說明RR模式對土壤中重金屬Pb、Cd和As從根系到莖葉的轉運能力較強，從莖葉再到糙米的轉運能力較弱，從根系到糙米的轉運能力最弱。IF模式重金屬從根系到莖葉、從莖葉到糙米、從根系到糙米的轉運系數中等偏低，轉運能力較弱。CF和CK模式從根系到莖葉、從莖葉到糙米、從根系到糙米的轉運系數均較高，轉運能力較強，尤其對重金屬Cd的轉運能力較強。

表4 水分管理模式對重金屬在水稻各器官間轉運系數的影響Table 4 Effects of water management models on transport coefficients of heavy metals among rice organs

3 討論

水分管理是水稻種植過程中的重要農藝措施之一，不同水分管理方式對稻田土壤重金屬形態(tài)和稻米吸收重金屬及微量元素具有重要影響[8,21-23]。本研究中采用的根部起壟(RR)和干濕交替(IF)兩種水分管理模式土壤中Pb、Cd和As有效態(tài)含量明顯降低，再次證實了土壤氧化氧化還原條件對土壤重金屬形態(tài)變化的影響。而且本試驗結果與鄧林等[8]采用室內土壤培養(yǎng)獲得的土壤溶液中重金屬的有效性含量隨干濕交替次數增加而降低結論相一致；而長期淹水(CF)模式As的有效態(tài)含量最高且高于常規(guī)管理模式，與楊揚等[24]研究結論一致，說明長期淹水對于減少土壤中As的活性非常不利。

同時，本試驗中根部起壟(RR)和干濕交替(IF)措施與對照相比，水稻根部、糙米的重金屬含量顯著降低，且糙米重金屬含量低于《食品安全國家標準·食品中污染物限量標準》(GB 2762-2017)[4]，糙米質量安全，這與WU等[23]、龍水波等[25]和崔曉熒等[26]采用盆栽試驗研究的干濕交替可以保持稻米中相對較低的Pb和As濃度結論相吻合。

前期研究表明，長期淹水可以使酸性水稻土壤pH顯著提高，土壤有效態(tài)鎘含量降低[27-28]，本試驗中長期淹水(CF)模式Cd的有效態(tài)含量最高且高于常規(guī)管理模式，與前期采用土壤培養(yǎng)、盆栽試驗的研究結論不一致，主要原因可能是在水稻成熟后期，試驗區(qū)因自然干旱影響，土壤出現(xiàn)10天左右的缺水所致。同時，本試驗也再次說明了在復雜的環(huán)境和氣候條件下，單一的水分調控措施對于土壤Cd有效態(tài)的控制效果不穩(wěn)定。

4 結論

水稻種植過程中，水分管理對土壤中Pb、Cd和As的有效態(tài)含量影響較大。其中根部起壟和干濕交替兩種水分管理模式可以同時有效降低土壤中Pb、Cd和As有效態(tài)含量，且 Cd活度系數最高、最易活化，Pb的活度系數最低，較穩(wěn)定；同時，根部起壟和干濕交替兩種水分管理模式重金屬各部位間的轉運系數均偏低，轉運能力較弱，可以顯著降低糙米的重金屬含量；在水分條件可控的種植環(huán)境條件下，推薦使用根部起壟和干濕交替措施可實現(xiàn)中、輕度重金屬風險區(qū)稻米的安全種植。