稻谷对铅富集特性的品种差异及其安全风险

林芗华

（漳州市农业检验监测中心，福建 漳州 363000；作者：linxh135@126.com）

土壤环境中重金属累积会引起复杂生物效应，一方面制约作物生长发育，导致早衰，降低产量，并拮抗对营养元素的吸收，从而降低农产品品质；另一方面，土壤中的重金属可以通过根系进入植物体，再通过食物链的传递和富集，最终危害人体健康[1-2]；2015 年我国自然资源部发布的《中国耕地地球化学调查报告》显示，我国耕地重金属铅、镉、铬、砷、汞等污染比例为8.2%，污染面积达759 万hm2[3]。铅是一种广泛存在于生活环境中的重金属，为农田主要污染物之一[4]。土壤中的铅被水稻根系吸收后积累于籽粒中，严重影响稻谷品质和食用安全。铅会导致人体生殖功能下降和机体免疫力降低，毒害人体中枢和外周神经系统的特定结构及骨骼系统和心血管系统，引起头晕、头疼、记忆力减退和腹疼等一系列症状[5-6]。因此，研究水稻对土壤中铅元素的吸收与积累规律，对人类的食品安全和自身健康有着重要意义。

已有研究表明，水稻籽粒重金属积累量存在显著的基因型差异[4,7]；可以通过筛选和培育低重金属积累品种达到生产安全稻谷的目的，从而为轻、中度重金属污染土壤上持续生产安全稻谷提供一条经济、有效的途径[8-10]，而推广铅低积累水稻品种也是当前解决铅污染农田安全利用问题的有效措施之一[11]。虽然水稻品种对铅胁迫的响应特性已有较多的文献报道，但多侧重于胁迫条件下植株不同器官对铅积累特性的研究，缺乏与对照条件下积累特性的比较[8]。漳州市是福建主要的水稻产区，水田土壤普遍受到不同程度的铅污染，所生产的稻谷也发现过铅含量高的现象[12]。本试验以漳州市15 个水稻主栽品种为材料，通过添加铅污染源的盆栽试验结合大田试验，研究在不同铅浓度胁迫下早季水稻对铅的富集特性，剖析其质量安全风险，旨在为受到铅污染水田落实安全利用的品种调整措施提供技术参考和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以漳州市15 个水稻主栽品种为试验材料，分别是畾优1068、泰优871、昌两优丝苗、Y 两优302、丰两优1 号、丰两优3305、恒丰优华占、徽两优898、泰两优1332、晶两优黄莉占、深两优828、Y 两优689、深两优5814、昌两优8 号和隆两优黄莉占，种子均由漳州市长泰区益民种子经营部提供。

1.2 试验方法

2021 年3—8 月于福建省漳州市长泰区陈巷镇闽圆家庭农场进行试验，其中盆栽试验置于该农场塑料大棚内。供试土壤的肥力状况以及土壤的重金属背景值为：pH 5.94，有机质19.30 g/kg，全氮1.03 g/kg，有效磷143.70 mg/kg，速效钾300.00 mg/kg，铅、镉、铬、砷和汞含量分别为22.40、0.057、3.22、2.47 和0.32 mg/kg。

1.2.1 盆栽试验

试验采用54 cm（长）×40 cm（宽）×25 cm（高）的泡沫箱，土壤取自漳州市陈巷镇闽圆家庭农场水田；每个泡沫箱装土厚度为15 cm、种植3 丛（2 株/丛）。试验设盆钵Ⅰ、盆钵Ⅱ、盆钵Ⅲ共3 个处理，各取土壤0.56 m3进行自然晒干后充分打碎、搅拌混合均匀，其中盆钵Ⅱ、盆钵Ⅲ搅拌混合均匀后撒成约8 cm 厚土层，分别添加铅盐100 mg/kg 和200 mg/kg。每个处理分别采用梅花点法均匀采集土样约1.0 kg，按NY/T 1121.2—2006《土壤检测第2 部分：土壤pH 的测定》[13]测定土壤pH，按GB/T 17141—1997《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》[14]分别测定土壤中铅全量（结果见表1）。水肥管理及病虫防治等按当地大田常规栽培技术。

表1 试验稻田土壤pH 和铅总量

1.2.2 大田试验

试验设3 丘水田，总面积约1 500 m2（每丘水田面积450 ～550 m2）。每丘水田为1 个处理，即设大田Ⅰ、大田Ⅱ、大田Ⅲ共3 个处理，每个处理种植各供试品种，小区面积20 m2，随机排列。试验前采用梅花点法采集0～20 cm 表层土壤5 个分样混匀平摊，用四分法减量至约1.0 kg 土壤样品，按“1.2.1”测定土壤pH 及铅全量（结果见表1）。水肥管理及病虫防治等按当地大田常规栽培技术。

1.3 样品采集及测定

1.3.1 样品采集

盆栽试验各品种在成熟收获时，分别采集所有稻谷，混合形成混合样品，自然晒干脱壳后供测试；大田试验各小区分别采用梅花点法采集5 个分样，每个分点约采集200 g 稻谷样品，混合形成混合样品，取约0.5 kg 自然晒干脱壳后供测试。

1.3.2 铅含量测定

稻谷中铅含量按GB 5009.12—2017《食品安全国家标准食品中铅的测定》[15]方法测定。

1.4 数据处理与分析

采用IBM SPSS Statistics 22、Microsoft Office Excel 2007 对数据进行整理与分析。铅富集系数=稻谷中铅含量/土壤中铅全量×100%。

2 结果与分析

2.1 不同品种稻谷中的铅含量

由表2 可知，在盆栽试验中，盆钵Ⅰ、盆钵Ⅱ、盆钵Ⅲ稻谷中铅含量分别为0.016 ～0.061、0.061 ～0.198 和0.152～0.606 mg/kg，变异系数38.9%～47.9%，平均为42.1%；在大田试验中，大田Ⅰ、大田Ⅱ、大田Ⅲ稻谷中铅含量分别为0.016 ～0.056、0.024 ～0.069 和0.014 ～0.056 mg/kg，变异系数35.3%～38.8%，平均为37.3%。由此表明，水稻品种因受到土壤中不同浓度铅胁迫，稻谷中铅含量有差异。同一水稻品种在盆栽试验中土壤中铅的质量浓度差异较大，稻谷中铅含量的差异性也较大，且随着土壤中铅全量增加明显提高；而在大田试验中因土壤中铅的质量浓度差异较小，稻谷中铅含量的差异性也较小。

表2 稻谷中铅含量测定结果（单位：mg/kg）

2.2 稻谷铅含量与土壤全铅含量的相关性

盆栽试验的土壤取自于大田试验周边水田，呈弱酸性（pH 为5.58～6.16），环境条件基本相似。对表2 盆栽试验15 个品种稻谷中铅含量（y）与表1 土壤中铅全量（x）进行相关性分析，结果（表3）表明，同一品种稻谷中铅含量（y）与土壤中全铅含量（x）呈正相关的直线相关关系，相关系数（r）为0.9498～0.9995(P＜0.01)。由此可见，土壤中全铅含量为22.4～204.8 mg/kg，同一品种稻谷中铅含量与土壤中全铅含量具有极显著正相关线性关系。

表3 稻谷中铅含量与土壤中全铅含量的相关性

2.3 不同品种稻谷对铅的富集特性

富集系数可用来表征“土壤-水稻体系”中重金属元素吸收、迁移的难易程度，能较清楚比较水稻不同器官对重金属元素的吸收积累能力[7,16-17]。通过表3 中不同品种稻谷铅含量，分析不同品种稻谷对土壤中全铅含量的富集系数，15 个品种在盆栽试验和大田试验中，平均富集系数分别为0.059%～0.296%和0.060%～0.261%，两者高低相差分别达5.02 倍和4.35 倍，表明了不同品种稻谷对土壤中全铅含量的富集特性存在很大差异（P＜0.05）；而同一品种的富集系数在2 个试验中表现基本一致（表4）。表明在环境条件基本相似的条件下，同一品种稻谷对土壤中全铅含量的富集特性基本一致。综合盆栽试验、大田试验结果，不同品种稻谷的铅富集能力表现为晶两优黄莉占、徽两优898＞恒丰优华占＞深两优828、昌两优8 号＞隆两优黄莉占、丰两优3305＞深两优5814＞泰优871、Y 两优689＞昌两优丝苗、泰两优1332、Y 两优302＞丰两优1 号、畾优1068。

表4 不同品种稻谷对土壤中全铅含量的富集系数

2.4 不同水稻品种铅积累特性的聚类分析

由图1 可见，15 个品种的富集特性可划分为高富集、中富集和低富集3 类。盆栽试验表现高富集的品种4 个，分别为恒丰优华占、徽两优898、晶两优黄莉占和深两优828，中富集的品种5 个，分别为泰优871、丰两优3305、深两优5814、昌两优8 号和隆两优黄莉占，低富集的品种6 个，分别为昌两优8 号、泰优871、丰两优3305、Y 两优689、深两优5814 和隆两优黄莉占；大田试验表现高富集的品种3 个，分别为恒丰优华占、徽两优898 和晶两优黄莉占，中富集的品种6 个，分别为丰两优3305、Y 两优689、深两优5814、昌两优8 号和隆两优黄莉占，低富集的品种6 个，分别为畾优1068、泰优871、昌两优丝苗、Y 两优302、丰两优1 号和泰两优1332。为避开稻谷铅含量超标的质量安全高风险，对其富集特性的类别划分“就高不就低”，综合两试验结果，恒丰优华占、徽两优898、晶两优黄莉占和深两优828 为高富集品种，昌两优8 号、泰优871、丰两优3305、Y 两优689、深两优5814 和隆两优黄莉占为中富集品种，畾优1068、昌两优丝苗、Y 两优302、丰两优1号和泰两优1332 为低富集品种。

图1 不同品种稻谷中铅富集系数聚类分析结果

2.5 不同水稻品种的安全风险

表3 显示，供试的15 个品种在盆栽试验中，土壤全铅含量为22.4 和103.5 mg/kg 时，参试15 个品种稻谷铅含量未出现高于GB2762—2017[18]规定的0.20 mg/kg安全限量标准；土壤全铅含量为204.8 mg/kg 时，10 个品种稻谷铅含量高于0.20 mg/kg，超标率66.7%。说明在土壤铅全量小于土壤风险筛选值100 mg/kg 的优选保护类水田，供试15 个品种稻谷铅含量超标的安全风险较小。当土壤全铅含量为204.8 mg/kg 时稻谷铅含量超标的安全风险明显提高。表3 的相关方程测算结果（图2）显示，供试的15 个品种经聚类分析得出的稻谷铅低富集、中富集和高富集品种，早季种植于弱酸性水田土壤铅全量的风险临界值范围分别为204.1～274.7、113.5～180.0 和82.7～107.1 mg/kg。由此可见，漳州市15个水稻主栽品种在弱酸性土壤（5.5＜pH≤6.5）铅全量≥风险临界值的水田栽培种植，同时未配套落实优化施肥、土壤调理、叶面调控等安全利用措施，稻谷易出现铅含量超标风险。

图2 不同品种稻谷铅含量≤0.2 mg/kg 限量标准时土壤铅总量风险临界值

3 讨论与结论

3.1 不同品种稻谷对土壤中铅的积累特性

在铅轻度、中度污染水田，种植铅低积累品种是确保稻谷铅含量安全的重要技术措施。研究表明，水稻籽粒重金属积累量存在显著的基因型差异[4,7,19-22]。本试验结果也表明，在土壤铅胁迫浓度一致时，不同品种稻谷中铅含量有显著差异；不同品种稻谷对铅的富集系数也呈现显著性差异，盆栽试验、大田试验的富集系数最高值与最低值两者相差分别达5.02 倍和4.35 倍。说明本试验供试的15 个品种水稻对土壤中铅的富集特性存在显著差异。同时，本研究根据不同品种的富集系数大小，应用聚类分析法，将漳州市15 个主栽品种稻谷对土壤中铅的积累特性划分为高积累、中积累和低积累3 类，是否合理科学值得商榷，但其对当地受铅轻、中度污染水田推行品种调整的安全利用措施有一定指导意义。

3.2 同一品种稻谷对土壤中铅的富集特性

土壤中重金属元素铅可直接被作物吸收，并残留在作物的各个部位，作物铅含量会随着土壤中铅含量的增加而提高[23]。本研究结果表明，在弱酸性（pH 为5.58～6.16）土壤且铅总量为22.4～204.8 mg/kg 条件下，同一品种稻谷铅含量与土壤中铅总量呈极显著正相关直线关系，但在2 个试验中的富集系数基本接近，表明在环境条件基本相似时，同一品种稻谷对土壤中铅全量的富集特性基本一致。这与前人的研究结论较为一致[23-24]。然而，本研究各品种的富集系数是在特定条件得出，可能因土壤理化性质的变化、肥料施用等而改变。大量研究表明，水稻对土壤重金属的富集除了与自身遗传特性及土壤重金属含量相关外，还与土壤重金属形态（特别是有效态）、土壤的理化性质以及重金属间的相互作用有关[25-26]。已有报道，季别对水稻籽粒铅含量具有显著影响，晚稻谷的铅含量都显著低于早稻谷[27]，为此，本研究所供试的15 个水稻品种仅在早季进行，其在中、晚季种植稻谷中铅含量变化有待进一步研究。受铅污染的水田应落实阻断污染源、优化施肥、土壤调理、叶面调控等安全利用措施改良酸化土壤，降低土壤中铅有效态含量，降低稻谷对土壤中铅的积累，从而减少稻谷对土壤中铅积累的安全风险[27-29]。

3.3 不同品种稻谷铅含量超标的安全风险

根据GB15618—2018[30]耕地类别的划分标准，稻田土壤在5.5＜pH≤6.5 时，铅全量的风险筛选值为100 mg/kg。本次试验的水田属于优先保护类耕地，试验结果表明，供试的15 个品种大田试验稻谷铅含量为0.014～0.069 mg/kg、盆栽试验盆钵Ⅰ、盆钵Ⅱ稻谷铅含量分别为0.016～0.061 mg/kg 和0.061～0.198 mg/kg，均未高于0.2 mg/kg 限量标准。说明在铅轻微污染（优先保护类）水田，供试的15 个品种稻谷铅超标的安全风险较低。盆栽试验盆钵Ⅲ稻谷铅含量为0.152～0.606 mg/kg，有10 个品种稻谷铅含量高于0.20 mg/kg，超标率66.7%，说明在铅中度污染（风险管控类）土壤种植这10 个品种存在较高安全风险。为避免稻谷铅含量超标，应根据水田土壤铅含量的背景值，选择相应铅富集特性品种种植。根据本研究结果，水田土壤5.5＜pH≤6.5，漳州市15 个水稻主栽品种在配套落实优化施肥、土壤调理、叶面调控等安全利用措施的基础上，推荐早季种植的高富集品种恒丰优华占、徽两优898、晶两优黄莉占和深两优828 适宜在土壤中铅全量＜107.1 mg/kg 水田上种植；中富集品种昌两优8 号、泰优871、丰两优3305、Y 两优689、深两优5814 和隆两优黄莉占适宜在土壤中铅全量＜180.0 mg/kg 水田上种植；低富集品种畾优1068、昌两优丝苗、Y 两优302、丰两优1 号和泰两优1332 适宜在土壤中铅全量＜274.7 mg/kg 水田上种植。但鉴于本试验的局限性及水田土壤环境条件的复杂性，此结论还有待于进一步验证。