鎘和鋅在水稻中的富集特征及其產(chǎn)地土壤安全臨界值

陳朝述 盧華龍 周振明

（廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)“三廢”和城市生活廢水排放以及農(nóng)戶不合理使用化肥和農(nóng)藥，導(dǎo)致我國土壤重金屬污染越來越嚴(yán)重，其中南方地區(qū)（湖南省、云南省、廣西壯族自治區(qū)等）土壤受到鎘、鋅、鉻等重金屬污染尤為嚴(yán)重。重金屬通過農(nóng)作物富集和食物鏈傳遞的方式，對當(dāng)?shù)鼐用裆眢w健康構(gòu)成威脅［1-2］。

水稻（Oryza sativaL.）是我國南方地區(qū)主要糧食作物，有研究表明水稻對重金屬鎘有較強的累積效果，因此對水稻重金屬累積特征和安全濃度范圍進(jìn)行深入研究是很有必要的［3］。筆者通過盆栽試驗，分析鎘、鋅在水稻中的富集特征及水稻中鎘、鋅含量達(dá)到安全限值時土壤中鎘、鋅的含量，探討水稻產(chǎn)地土壤中鎘、鋅的環(huán)境安全臨界值，指導(dǎo)水稻種植戶合理安排生產(chǎn)。

1 試驗材料與方法

1.1 供試材料

水稻采用廣西壯族自治區(qū)農(nóng)民廣泛種植的品種南粳46，購自桂林市雁山區(qū)種子公司，從播種到收獲需要150 d。

供試土壤為桂林市雁山區(qū)水稻土。選取正常耕作的水稻田，以“S”形設(shè)置10個采樣方塊，采樣方塊長寬為2 m×2 m。試驗人員去除采樣方塊表面土和雜物，用木鏟采集深度2～20 cm土樣，將其裝入編織袋帶回實驗室風(fēng)干后過孔徑2 mm篩，混合備用。供試土壤pH值5.11、有機碳含量23.83 g/kg、有機質(zhì)含量41.08 g/kg、全氮含量0.924 g/kg、全磷含量0.70 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

采用盆栽模擬試驗，設(shè)置不同濃度的鎘和鋅的復(fù)合污染處理，鎘、鋅以氯化鎘、硫酸鋅溶液形式加入供試土壤，具體添加濃度如表1所示。試驗設(shè)計的鎘、鋅濃度分6個處理水平，每個處理設(shè)3個重復(fù)。試驗人員取供試土壤加入鎘、鋅，充分混勻后裝入黑色塑料盆，每盆裝土10.0 kg，同時施入氮磷鉀肥作底肥。其中，氮肥為尿素（氮濃度200 mg/kg），磷肥為過磷酸鈣（五氧化二磷濃度150 mg/kg），鉀肥為硫酸鉀（氧化鉀濃度150 mg/kg）。平衡10 d后將在育苗盤中育好的水稻秧苗移栽到黑色塑料盆內(nèi)，每盆種植6株水稻。在水稻生長過程中，試驗人員按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植水稻的常規(guī)方法進(jìn)行管理。

表1 試驗設(shè)計添加的鎘、鋅濃度 mg/kg

1.3 土壤和植物樣品的采集與處理

土壤與水稻的根、莖、葉及水稻籽粒分開收獲，試驗人員用去離子水將植物樣品清洗干凈后放入105 ℃烘箱殺青后60 ℃烘干，水稻籽粒磨碎，谷殼和糙米分開保存。

1.4 監(jiān)測指標(biāo)與方法

參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》分析土壤理化指標(biāo)，植物和土壤中鎘和鋅采用酸消解—原子吸收分光光度計法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

重金屬富集系數(shù)指重金屬元素含量在植物地上部與相應(yīng)土壤中的比值。重金屬富集系數(shù)越大，表明重金屬越易被植物吸收并進(jìn)入植物內(nèi)部［4］。重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)是指植物地上某部位與地下部某重金屬含量的比值。富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)綜合反映植物對土壤重金屬的吸收和轉(zhuǎn)移能力［5］。重金屬富集系數(shù)=植物各部位重金屬含量/土壤中重金屬含量。重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)=植物某部重金屬含量/地下根部重金屬含量。

試驗所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)試驗的平均值，數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行處理，差異顯著性和回歸方程采用Statistical Product Service Solutions 22.0進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水稻各部位鎘、鋅的含量

不同處理水平下，鎘、鋅在水稻各部位的含量如表2、表3所示。水稻各部位鎘的含量均隨著土壤鎘處理濃度的升高而增加，最高濃度處理水平（S5）的水稻根、莖、葉、谷殼、糙米的鎘含量分別是對照的4.28、7.42、5.82、7.78和6.40倍。同一處理水平下，除S1葉外，水稻根對鎘的累積量要高于其他各部位對鎘的累積量。除對照外，5個處理水平下水稻根部鎘的平均含量分別為莖、葉、谷殼、糙米的1.17、1.45、1.90、1.63倍，存在明顯差異。除S2谷殼外，隨著處理濃度增加，水稻根、莖、谷殼、糙米中鋅的含量逐漸增加，葉的鋅含量在低濃度處理（S0-S3）時增加，在高濃度處理（S4-S5）時減少。同一處理水平下，水稻根對鋅的累積量大于其他部位。5個處理水平下水稻根部鋅的平均含量分別為莖、葉、谷殼、糙米的1.27、2.70、29.56、1.71倍，差異顯著。

表2 不同處理水平下水稻各個部位鎘的含量 mg/kg

表3 不同處理水平下水稻各個部位鋅的含量 mg/kg

2.2 水稻對鎘、鋅的富集系數(shù)（BCF）與轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）

由表4可知，水稻根和莖對鎘的富集系數(shù)隨著處理濃度升高而逐漸增加，葉、谷殼、糙米則小幅振蕩，5個處理水平下（S1-S5），水稻根、莖、葉、谷殼、糙米對鎘的富集系數(shù)平均值分別為0.50、0.41、0.36、0.26、0.31，說明水稻各部位對鎘有較強的富集能力，其中水稻根對鎘的富集能力最強，谷殼最弱。由表5可知，5個處理水平下（S1-S5），水稻根、莖、葉、谷殼、糙米對鋅的富集系數(shù)平均值分別為0.30、0.22、0.13、0.012、0.15，說明水稻根對鋅的富集能力最強，谷殼富集能力最弱。

表4 水稻對鎘的富集系數(shù)

表5 水稻對鋅的富集系數(shù)

由表6、表7可知，水稻各部位對鎘的轉(zhuǎn)移能力都比較強，水稻莖對鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著處理濃度的增加而增大，葉、谷殼、糙米對鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)在高濃度處理下（S5）呈現(xiàn)降低趨勢，說明隨著鎘濃度的增加，水稻將鎘累積在莖中，從而阻止了鎘向谷殼和米轉(zhuǎn)移。鋅在水稻莖、葉和糙米中的轉(zhuǎn)移能力也較強，在谷殼中較弱。

表6 水稻對鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)

表7 水稻對鋅的轉(zhuǎn)移系數(shù)

2.3 水稻產(chǎn)地土壤鎘、鋅的安全臨界值

鎘、鋅含量以土壤和水稻糙米的測定結(jié)果為依據(jù)，采用朱立新回歸分析法［6］，擬合土壤中重金屬含量（Y）和水稻糙米中重金屬含量（X）的相關(guān)關(guān)系，建立線性回歸模型（見表8）。根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）和《糧食（含谷物、豆類、薯類）及制品中鉛、鎘、鉻、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》（NY 861—2004），糙米中鎘、鋅的最大允許量分別為0.2 mg/kg和50 mg/kg。通過回歸方程可知，水稻土壤中鎘安全臨界值為0.805 mg/kg，鋅的安全臨界值為277.8 mg/kg。

表8 鎘、鋅在水稻糙米中含量（X）與土壤中的含量（Y）回歸方程及土壤安全臨界值

以《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 332—2006）中土壤限值規(guī)定：pH＜6.5，鎘≤0.3 mg/kg，鋅≤200 mg/kg。此次研究測算的產(chǎn)地土壤鎘、鋅安全臨界值均超過限值，其中鎘達(dá)到限值的2.68倍，表明產(chǎn)地土壤環(huán)境安全臨界值與土壤中重金屬限值存在較大差異。宋波等［7］指出，近年來由于各種原因?qū)е峦寥梨k含量逐漸積累，廣西壯族自治區(qū)西江流域土壤鎘背景值達(dá)到了0.514 mg/kg，與此次研究所采土壤鎘含量（0.62 mg/kg）相似。在這種條件下，當(dāng)?shù)赝寥梨k含量還可以存在約0.3 mg/kg的緩沖，此時農(nóng)田種植的水稻仍然可以安全食用。此外，此次研究試驗用土的pH值比較低，水稻種植戶可以通過合理施用化肥或者拋撒石灰的方式提高土壤pH值，降低重金屬鎘鋅的活性，從而減少農(nóng)作物對重金屬的吸收，進(jìn)一步提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

3 結(jié)論

水稻各器官中的鎘、鋅含量均隨著土壤鎘、鋅濃度的上升而增加，根中的鎘、鋅含量顯著高于糙米。整體來看，水稻根部對鎘、鋅的富集能力最強，谷殼富集能力最弱。

水稻糙米中鎘、鋅的產(chǎn)地土壤安全臨界值分別為0.805、277.8 mg/kg，對于此次試驗土壤，鎘和鋅超標(biāo)不一定會造成危害，農(nóng)作物產(chǎn)品是否安全不能只關(guān)注土壤的重金屬污染程度。因此，在產(chǎn)地農(nóng)作物種植實踐中，研究人員需要進(jìn)一步研究關(guān)于農(nóng)作物產(chǎn)品安全和產(chǎn)地土壤環(huán)境安全的統(tǒng)一問題，水稻種植戶需要充分考慮作物對重金屬累積的差異，做出科學(xué)合理的規(guī)劃。參考文獻(xiàn)：［1］趙雄，李福燕，張冬明，等.水稻土鎘污染與水稻鎘含量相關(guān)性研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2009（11）：2236-2240.［2］范中亮，季輝，楊菲，等.不同土壤類型下Cd和Pb在水稻籽粒中累積特征及其環(huán)境安全臨界值［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010（4）：792-797.［3］覃都，陳銘學(xué)，周蓉，等.錳-鎘互作對水稻生長和植株鎘、錳含量的影響［J］.中國水稻科學(xué)，2010（2）：189-195.［4］仲曉春，陳京都，郝心寧.水稻作物對重金屬鎘的積累、耐性機理及栽培調(diào)控措施進(jìn)展［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2015（36）：1-5.［5］李鳴，吳結(jié)春，李麗琴.鄱陽湖濕地22種植物重金屬富集能力分析［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2008（6）：2413-2418.［6］劉昭兵，紀(jì)雄輝，田發(fā)祥，等.不同基因型甘薯（Ipomoea batatasLam．）吸收累積Cd的特征差異性研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010（9）：1653-1658.［7］宋波，楊子杰，張云霞，等.廣西西江流域土壤鎘含量特征及風(fēng)險評估［J］.環(huán)境科學(xué)，2018（4）：1888-1900.