稻谷對鉛富集特性的品種差異及其安全風(fēng)險

林薌華

（漳州市農(nóng)業(yè)檢驗監(jiān)測中心，福建 漳州 363000；作者：linxh135@126.com）

土壤環(huán)境中重金屬累積會引起復(fù)雜生物效應(yīng)，一方面制約作物生長發(fā)育，導(dǎo)致早衰，降低產(chǎn)量，并拮抗對營養(yǎng)元素的吸收，從而降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)；另一方面，土壤中的重金屬可以通過根系進(jìn)入植物體，再通過食物鏈的傳遞和富集，最終危害人體健康[1-2]；2015 年我國自然資源部發(fā)布的《中國耕地地球化學(xué)調(diào)查報告》顯示，我國耕地重金屬鉛、鎘、鉻、砷、汞等污染比例為8.2%，污染面積達(dá)759 萬hm2[3]。鉛是一種廣泛存在于生活環(huán)境中的重金屬，為農(nóng)田主要污染物之一[4]。土壤中的鉛被水稻根系吸收后積累于籽粒中，嚴(yán)重影響稻谷品質(zhì)和食用安全。鉛會導(dǎo)致人體生殖功能下降和機體免疫力降低，毒害人體中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)的特定結(jié)構(gòu)及骨骼系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)，引起頭暈、頭疼、記憶力減退和腹疼等一系列癥狀[5-6]。因此，研究水稻對土壤中鉛元素的吸收與積累規(guī)律，對人類的食品安全和自身健康有著重要意義。

已有研究表明，水稻籽粒重金屬積累量存在顯著的基因型差異[4,7]；可以通過篩選和培育低重金屬積累品種達(dá)到生產(chǎn)安全稻谷的目的，從而為輕、中度重金屬污染土壤上持續(xù)生產(chǎn)安全稻谷提供一條經(jīng)濟、有效的途徑[8-10]，而推廣鉛低積累水稻品種也是當(dāng)前解決鉛污染農(nóng)田安全利用問題的有效措施之一[11]。雖然水稻品種對鉛脅迫的響應(yīng)特性已有較多的文獻(xiàn)報道，但多側(cè)重于脅迫條件下植株不同器官對鉛積累特性的研究，缺乏與對照條件下積累特性的比較[8]。漳州市是福建主要的水稻產(chǎn)區(qū)，水田土壤普遍受到不同程度的鉛污染，所生產(chǎn)的稻谷也發(fā)現(xiàn)過鉛含量高的現(xiàn)象[12]。本試驗以漳州市15 個水稻主栽品種為材料，通過添加鉛污染源的盆栽試驗結(jié)合大田試驗，研究在不同鉛濃度脅迫下早季水稻對鉛的富集特性，剖析其質(zhì)量安全風(fēng)險，旨在為受到鉛污染水田落實安全利用的品種調(diào)整措施提供技術(shù)參考和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以漳州市15 個水稻主栽品種為試驗材料，分別是畾優(yōu)1068、泰優(yōu)871、昌兩優(yōu)絲苗、Y 兩優(yōu)302、豐兩優(yōu)1 號、豐兩優(yōu)3305、恒豐優(yōu)華占、徽兩優(yōu)898、泰兩優(yōu)1332、晶兩優(yōu)黃莉占、深兩優(yōu)828、Y 兩優(yōu)689、深兩優(yōu)5814、昌兩優(yōu)8 號和隆兩優(yōu)黃莉占，種子均由漳州市長泰區(qū)益民種子經(jīng)營部提供。

1.2 試驗方法

2021 年3—8 月于福建省漳州市長泰區(qū)陳巷鎮(zhèn)閩圓家庭農(nóng)場進(jìn)行試驗，其中盆栽試驗置于該農(nóng)場塑料大棚內(nèi)。供試土壤的肥力狀況以及土壤的重金屬背景值為：pH 5.94，有機質(zhì)19.30 g/kg，全氮1.03 g/kg，有效磷143.70 mg/kg，速效鉀300.00 mg/kg，鉛、鎘、鉻、砷和汞含量分別為22.40、0.057、3.22、2.47 和0.32 mg/kg。

1.2.1 盆栽試驗

試驗采用54 cm（長）×40 cm（寬）×25 cm（高）的泡沫箱，土壤取自漳州市陳巷鎮(zhèn)閩圓家庭農(nóng)場水田；每個泡沫箱裝土厚度為15 cm、種植3 叢（2 株/叢）。試驗設(shè)盆缽Ⅰ、盆缽Ⅱ、盆缽Ⅲ共3 個處理，各取土壤0.56 m3進(jìn)行自然曬干后充分打碎、攪拌混合均勻，其中盆缽Ⅱ、盆缽Ⅲ攪拌混合均勻后撒成約8 cm 厚土層，分別添加鉛鹽100 mg/kg 和200 mg/kg。每個處理分別采用梅花點法均勻采集土樣約1.0 kg，按NY/T 1121.2—2006《土壤檢測第2 部分：土壤pH 的測定》[13]測定土壤pH，按GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》[14]分別測定土壤中鉛全量（結(jié)果見表1）。水肥管理及病蟲防治等按當(dāng)?shù)卮筇锍Ｒ?guī)栽培技術(shù)。

表1 試驗稻田土壤pH 和鉛總量

1.2.2 大田試驗

試驗設(shè)3 丘水田，總面積約1 500 m2（每丘水田面積450 ～550 m2）。每丘水田為1 個處理，即設(shè)大田Ⅰ、大田Ⅱ、大田Ⅲ共3 個處理，每個處理種植各供試品種，小區(qū)面積20 m2，隨機排列。試驗前采用梅花點法采集0～20 cm 表層土壤5 個分樣混勻平攤，用四分法減量至約1.0 kg 土壤樣品，按“1.2.1”測定土壤pH 及鉛全量（結(jié)果見表1）。水肥管理及病蟲防治等按當(dāng)?shù)卮筇锍Ｒ?guī)栽培技術(shù)。

1.3 樣品采集及測定

1.3.1 樣品采集

盆栽試驗各品種在成熟收獲時，分別采集所有稻谷，混合形成混合樣品，自然曬干脫殼后供測試；大田試驗各小區(qū)分別采用梅花點法采集5 個分樣，每個分點約采集200 g 稻谷樣品，混合形成混合樣品，取約0.5 kg 自然曬干脫殼后供測試。

1.3.2 鉛含量測定

稻谷中鉛含量按GB 5009.12—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鉛的測定》[15]方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用IBM SPSS Statistics 22、Microsoft Office Excel 2007 對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析。鉛富集系數(shù)=稻谷中鉛含量/土壤中鉛全量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種稻谷中的鉛含量

由表2 可知，在盆栽試驗中，盆缽Ⅰ、盆缽Ⅱ、盆缽Ⅲ稻谷中鉛含量分別為0.016 ～0.061、0.061 ～0.198 和0.152～0.606 mg/kg，變異系數(shù)38.9%～47.9%，平均為42.1%；在大田試驗中，大田Ⅰ、大田Ⅱ、大田Ⅲ稻谷中鉛含量分別為0.016 ～0.056、0.024 ～0.069 和0.014 ～0.056 mg/kg，變異系數(shù)35.3%～38.8%，平均為37.3%。由此表明，水稻品種因受到土壤中不同濃度鉛脅迫，稻谷中鉛含量有差異。同一水稻品種在盆栽試驗中土壤中鉛的質(zhì)量濃度差異較大，稻谷中鉛含量的差異性也較大，且隨著土壤中鉛全量增加明顯提高；而在大田試驗中因土壤中鉛的質(zhì)量濃度差異較小，稻谷中鉛含量的差異性也較小。

表2 稻谷中鉛含量測定結(jié)果（單位：mg/kg）

2.2 稻谷鉛含量與土壤全鉛含量的相關(guān)性

盆栽試驗的土壤取自于大田試驗周邊水田，呈弱酸性（pH 為5.58～6.16），環(huán)境條件基本相似。對表2 盆栽試驗15 個品種稻谷中鉛含量（y）與表1 土壤中鉛全量（x）進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（表3）表明，同一品種稻谷中鉛含量（y）與土壤中全鉛含量（x）呈正相關(guān)的直線相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（r）為0.9498～0.9995(P＜0.01)。由此可見，土壤中全鉛含量為22.4～204.8 mg/kg，同一品種稻谷中鉛含量與土壤中全鉛含量具有極顯著正相關(guān)線性關(guān)系。

表3 稻谷中鉛含量與土壤中全鉛含量的相關(guān)性

2.3 不同品種稻谷對鉛的富集特性

富集系數(shù)可用來表征“土壤-水稻體系”中重金屬元素吸收、遷移的難易程度，能較清楚比較水稻不同器官對重金屬元素的吸收積累能力[7,16-17]。通過表3 中不同品種稻谷鉛含量，分析不同品種稻谷對土壤中全鉛含量的富集系數(shù)，15 個品種在盆栽試驗和大田試驗中，平均富集系數(shù)分別為0.059%～0.296%和0.060%～0.261%，兩者高低相差分別達(dá)5.02 倍和4.35 倍，表明了不同品種稻谷對土壤中全鉛含量的富集特性存在很大差異（P＜0.05）；而同一品種的富集系數(shù)在2 個試驗中表現(xiàn)基本一致（表4）。表明在環(huán)境條件基本相似的條件下，同一品種稻谷對土壤中全鉛含量的富集特性基本一致。綜合盆栽試驗、大田試驗結(jié)果，不同品種稻谷的鉛富集能力表現(xiàn)為晶兩優(yōu)黃莉占、徽兩優(yōu)898＞恒豐優(yōu)華占＞深兩優(yōu)828、昌兩優(yōu)8 號＞隆兩優(yōu)黃莉占、豐兩優(yōu)3305＞深兩優(yōu)5814＞泰優(yōu)871、Y 兩優(yōu)689＞昌兩優(yōu)絲苗、泰兩優(yōu)1332、Y 兩優(yōu)302＞豐兩優(yōu)1 號、畾優(yōu)1068。

表4 不同品種稻谷對土壤中全鉛含量的富集系數(shù)

2.4 不同水稻品種鉛積累特性的聚類分析

由圖1 可見，15 個品種的富集特性可劃分為高富集、中富集和低富集3 類。盆栽試驗表現(xiàn)高富集的品種4 個，分別為恒豐優(yōu)華占、徽兩優(yōu)898、晶兩優(yōu)黃莉占和深兩優(yōu)828，中富集的品種5 個，分別為泰優(yōu)871、豐兩優(yōu)3305、深兩優(yōu)5814、昌兩優(yōu)8 號和隆兩優(yōu)黃莉占，低富集的品種6 個，分別為昌兩優(yōu)8 號、泰優(yōu)871、豐兩優(yōu)3305、Y 兩優(yōu)689、深兩優(yōu)5814 和隆兩優(yōu)黃莉占；大田試驗表現(xiàn)高富集的品種3 個，分別為恒豐優(yōu)華占、徽兩優(yōu)898 和晶兩優(yōu)黃莉占，中富集的品種6 個，分別為豐兩優(yōu)3305、Y 兩優(yōu)689、深兩優(yōu)5814、昌兩優(yōu)8 號和隆兩優(yōu)黃莉占，低富集的品種6 個，分別為畾優(yōu)1068、泰優(yōu)871、昌兩優(yōu)絲苗、Y 兩優(yōu)302、豐兩優(yōu)1 號和泰兩優(yōu)1332。為避開稻谷鉛含量超標(biāo)的質(zhì)量安全高風(fēng)險，對其富集特性的類別劃分“就高不就低”，綜合兩試驗結(jié)果，恒豐優(yōu)華占、徽兩優(yōu)898、晶兩優(yōu)黃莉占和深兩優(yōu)828 為高富集品種，昌兩優(yōu)8 號、泰優(yōu)871、豐兩優(yōu)3305、Y 兩優(yōu)689、深兩優(yōu)5814 和隆兩優(yōu)黃莉占為中富集品種，畾優(yōu)1068、昌兩優(yōu)絲苗、Y 兩優(yōu)302、豐兩優(yōu)1號和泰兩優(yōu)1332 為低富集品種。

圖1 不同品種稻谷中鉛富集系數(shù)聚類分析結(jié)果

2.5 不同水稻品種的安全風(fēng)險

表3 顯示，供試的15 個品種在盆栽試驗中，土壤全鉛含量為22.4 和103.5 mg/kg 時，參試15 個品種稻谷鉛含量未出現(xiàn)高于GB2762—2017[18]規(guī)定的0.20 mg/kg安全限量標(biāo)準(zhǔn)；土壤全鉛含量為204.8 mg/kg 時，10 個品種稻谷鉛含量高于0.20 mg/kg，超標(biāo)率66.7%。說明在土壤鉛全量小于土壤風(fēng)險篩選值100 mg/kg 的優(yōu)選保護(hù)類水田，供試15 個品種稻谷鉛含量超標(biāo)的安全風(fēng)險較小。當(dāng)土壤全鉛含量為204.8 mg/kg 時稻谷鉛含量超標(biāo)的安全風(fēng)險明顯提高。表3 的相關(guān)方程測算結(jié)果（圖2）顯示，供試的15 個品種經(jīng)聚類分析得出的稻谷鉛低富集、中富集和高富集品種，早季種植于弱酸性水田土壤鉛全量的風(fēng)險臨界值范圍分別為204.1～274.7、113.5～180.0 和82.7～107.1 mg/kg。由此可見，漳州市15個水稻主栽品種在弱酸性土壤（5.5＜pH≤6.5）鉛全量≥風(fēng)險臨界值的水田栽培種植，同時未配套落實優(yōu)化施肥、土壤調(diào)理、葉面調(diào)控等安全利用措施，稻谷易出現(xiàn)鉛含量超標(biāo)風(fēng)險。

圖2 不同品種稻谷鉛含量≤0.2 mg/kg 限量標(biāo)準(zhǔn)時土壤鉛總量風(fēng)險臨界值

3 討論與結(jié)論

3.1 不同品種稻谷對土壤中鉛的積累特性

在鉛輕度、中度污染水田，種植鉛低積累品種是確保稻谷鉛含量安全的重要技術(shù)措施。研究表明，水稻籽粒重金屬積累量存在顯著的基因型差異[4,7,19-22]。本試驗結(jié)果也表明，在土壤鉛脅迫濃度一致時，不同品種稻谷中鉛含量有顯著差異；不同品種稻谷對鉛的富集系數(shù)也呈現(xiàn)顯著性差異，盆栽試驗、大田試驗的富集系數(shù)最高值與最低值兩者相差分別達(dá)5.02 倍和4.35 倍。說明本試驗供試的15 個品種水稻對土壤中鉛的富集特性存在顯著差異。同時，本研究根據(jù)不同品種的富集系數(shù)大小，應(yīng)用聚類分析法，將漳州市15 個主栽品種稻谷對土壤中鉛的積累特性劃分為高積累、中積累和低積累3 類，是否合理科學(xué)值得商榷，但其對當(dāng)?shù)厥茔U輕、中度污染水田推行品種調(diào)整的安全利用措施有一定指導(dǎo)意義。

3.2 同一品種稻谷對土壤中鉛的富集特性

土壤中重金屬元素鉛可直接被作物吸收，并殘留在作物的各個部位，作物鉛含量會隨著土壤中鉛含量的增加而提高[23]。本研究結(jié)果表明，在弱酸性（pH 為5.58～6.16）土壤且鉛總量為22.4～204.8 mg/kg 條件下，同一品種稻谷鉛含量與土壤中鉛總量呈極顯著正相關(guān)直線關(guān)系，但在2 個試驗中的富集系數(shù)基本接近，表明在環(huán)境條件基本相似時，同一品種稻谷對土壤中鉛全量的富集特性基本一致。這與前人的研究結(jié)論較為一致[23-24]。然而，本研究各品種的富集系數(shù)是在特定條件得出，可能因土壤理化性質(zhì)的變化、肥料施用等而改變。大量研究表明，水稻對土壤重金屬的富集除了與自身遺傳特性及土壤重金屬含量相關(guān)外，還與土壤重金屬形態(tài)（特別是有效態(tài)）、土壤的理化性質(zhì)以及重金屬間的相互作用有關(guān)[25-26]。已有報道，季別對水稻籽粒鉛含量具有顯著影響，晚稻谷的鉛含量都顯著低于早稻谷[27]，為此，本研究所供試的15 個水稻品種僅在早季進(jìn)行，其在中、晚季種植稻谷中鉛含量變化有待進(jìn)一步研究。受鉛污染的水田應(yīng)落實阻斷污染源、優(yōu)化施肥、土壤調(diào)理、葉面調(diào)控等安全利用措施改良酸化土壤，降低土壤中鉛有效態(tài)含量，降低稻谷對土壤中鉛的積累，從而減少稻谷對土壤中鉛積累的安全風(fēng)險[27-29]。

3.3 不同品種稻谷鉛含量超標(biāo)的安全風(fēng)險

根據(jù)GB15618—2018[30]耕地類別的劃分標(biāo)準(zhǔn)，稻田土壤在5.5＜pH≤6.5 時，鉛全量的風(fēng)險篩選值為100 mg/kg。本次試驗的水田屬于優(yōu)先保護(hù)類耕地，試驗結(jié)果表明，供試的15 個品種大田試驗稻谷鉛含量為0.014～0.069 mg/kg、盆栽試驗盆缽Ⅰ、盆缽Ⅱ稻谷鉛含量分別為0.016～0.061 mg/kg 和0.061～0.198 mg/kg，均未高于0.2 mg/kg 限量標(biāo)準(zhǔn)。說明在鉛輕微污染（優(yōu)先保護(hù)類）水田，供試的15 個品種稻谷鉛超標(biāo)的安全風(fēng)險較低。盆栽試驗盆缽Ⅲ稻谷鉛含量為0.152～0.606 mg/kg，有10 個品種稻谷鉛含量高于0.20 mg/kg，超標(biāo)率66.7%，說明在鉛中度污染（風(fēng)險管控類）土壤種植這10 個品種存在較高安全風(fēng)險。為避免稻谷鉛含量超標(biāo)，應(yīng)根據(jù)水田土壤鉛含量的背景值，選擇相應(yīng)鉛富集特性品種種植。根據(jù)本研究結(jié)果，水田土壤5.5＜pH≤6.5，漳州市15 個水稻主栽品種在配套落實優(yōu)化施肥、土壤調(diào)理、葉面調(diào)控等安全利用措施的基礎(chǔ)上，推薦早季種植的高富集品種恒豐優(yōu)華占、徽兩優(yōu)898、晶兩優(yōu)黃莉占和深兩優(yōu)828 適宜在土壤中鉛全量＜107.1 mg/kg 水田上種植；中富集品種昌兩優(yōu)8 號、泰優(yōu)871、豐兩優(yōu)3305、Y 兩優(yōu)689、深兩優(yōu)5814 和隆兩優(yōu)黃莉占適宜在土壤中鉛全量＜180.0 mg/kg 水田上種植；低富集品種畾優(yōu)1068、昌兩優(yōu)絲苗、Y 兩優(yōu)302、豐兩優(yōu)1 號和泰兩優(yōu)1332 適宜在土壤中鉛全量＜274.7 mg/kg 水田上種植。但鑒于本試驗的局限性及水田土壤環(huán)境條件的復(fù)雜性，此結(jié)論還有待于進(jìn)一步驗證。