| 标题 | 稻田土壤和稻米镉含量关系的研究进展 |
| 范文 | 田茂苑 何腾兵 付天岭 成剑波 张庭艳 摘要：稻田土壤镉造成的稻米镉污染已成为危害人类健康的制约因子，摸清稻田土壤和稻米镉的含量关系，可以为稻米安全生产和维护人类健康作出重要贡献。通过从稻田土壤和稻米镉污染现状，稻田土壤和稻米镉的含量关系，土壤pH值、有机质对稻米镉含量的影响等方面总结稻田土壤和稻米镉含量关系的研究进展，并进行展望。我国稻田土壤和稻米镉污染现象形势严峻，主要体现在稻田土壤镉污染逐年增加、稻米超标率高等方面;稻田土壤和稻米镉含量关系复杂，因外界环境的不同，存在正相关性和非正相关性;土壤pH值、有机质对稻米镉含量具有显著性影响，增加或降低土壤pH值和有机质均可改变稻米对镉的吸收与累积。下一步可通过大量的调查研究，有针对性、全面地对稻田土壤和稻米镉含量的关系开展协同调查，建立不同环境条件下稻田土壤和稻米镉含量的耦合关系，以期为稻米安全生产和镉污染土壤修复治理提供科学依据。 关键词：稻田土壤;稻米;镉;含量;相关关系;有机质;pH值 中图分类号： X53;S511.06文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）08-0025-04 随着近年来重金属污染呈扩展之势，重金属污染已成为影响我国粮食生产与食品安全的制约因素之一。我国耕地土壤重金属的污染率为16.67%，由重金属造成的耕地污染面积约占总耕地面积的17%，在所有重金属污染中，又以镉的污染形势最为严峻，其污染率为25.20%，全国有14个省（市、区）的耕地土壤是重金属污染的多发区域[1]。镉是农田土壤重金属中主要的污染物质，在所有重金属中镉是对人类健康威胁最大的有害元素之一[2]，我国每年因重金属污染造成的粮食减产超过1 000万t，每年被重金属污染的粮食也达1 200万t之多[3]。稻米作为我国居民的主要粮食作物之一，全国有65%以上的人口以稻米为主食[4]，稻米质量的安全与否在很大程度上反映了我国粮食安全的总体情况。 稻米中重金属主要从其生长的土壤环境中来，本研究通过稻田土壤镉和稻米镉污染现状、稻田土壤和稻米镉的含量关系、土壤pH值、有机质对稻米镉含量的影响等方面对稻田土壤和稻米镉含量关系研究进展进行了概述，旨在为稻米安全生产和下一步的研究方向提供参考依据。 1稻田土壤和稻米镉的污染现状 1.1稻田土壤镉污染现状 近年来，由于工业化、城市化的快速发展，人与自然矛盾日益显著，带来的固废、液废、气废不断增加，农业生产中自生污染加剧以及对废弃物质的处理不善等原因，导致农田土壤中有毒重金属含量都在逐年增加，由此造成的土壤生产力下降、农产品污染以及生态环境受到严重破坏等问题已成为阻碍农业生产发展、生态环境安全的主要因素之一[5]。 关于我国农田土壤镉污染的研究，学者们从20世纪70年代中后期就开始关注，1980年我国受镉污染的农田土壤面积为9 333 hm2[6]。据不完全统计[3]，我国受镉、汞、铅、砷、铬等重金属污染的耕地面积约为2 000万hm2，约占耕地总面积的20%，其中尤以镉的污染最为严重，镉污染耕地面积为 1.27万hm2，并有11个省份污灌区土壤镉含量达到了生产“镉米”的程度[7]。2014年环境保护部和国土资源部发布的全国土壤污染状况调查公报显示，镉的点位超标率为7%左右，我国土壤环境质量状况不容乐观[8]。 我国土壤重金属的分布情况具有明显的地域特征，张小敏等收集了全国近138个镉的研究数据，得出西南地区土壤中重金属含量较高，其他地區含量相对较低[9]，在西部地区和南部地区镉的平均值最高，稻田土壤中镉的含量超过背景值的现象尤为明显[10]，在调查涉及的区域，重金属污染态势逐年升高，重金属超标区多分布在工矿区及元素高背景区，且镉的污染状况尤为突出，土壤镉污染指数已达到4.05，尤其是贵州属镉重污染区，辽宁省农田土壤中镉含量超出背景值最高，超出其背景值23.02倍。我国大多数城市近郊农田土壤都受到不同程度的镉污染，如广西稻田耕层土壤中全镉含量平均值为0.53 mg/kg，调查对象157个土壤样品中有55个土壤样品镉含量超过国家GB 15618—1995《土壤环境质量标准》的二级标准，稻田土壤镉生态风险为中高等风险[11]。广东大宝山矿山地区稻田土壤镉含量平均值为2.19 mg/kg，以镉污染为主[12]，贵州丹寨金汞矿区稻田土壤镉的含量平均值为（0.426±0.136） mg/kg，大部分点位高于贵州省土壤镉背景值，研究区域内85%的土壤面临镉的轻微污染或轻污染[13]。贵州万山汞矿区某农田土壤镉含量为0.43 mg/kg，研究区内25%的点位存在镉超标现象[14]。[JP+1]贵州中部山区煤矸石堆场周边污染的水稻土镉含量为5.51～5.59 mg/kg，远远高于国家土壤环境质量二级标准限值[15]。湖南攸县煤矿区、工厂区和煤矿工厂区3类典型区域农田土壤中的镉含量超过了土壤环境质量标准0.3 mg/kg[16];贵州典型铅锌矿区水稻土壤镉的单因子污染指数>1，土壤中镉的含量超过标准值84.92倍，水稻土壤镉已经严重超标[17];杭州地区稻田土壤中镉的单项污染指数为2.97，属于中度污染状况，稻田土壤中镉污染现象明显，农作物受镉污染的风险不容忽视[18]。 总体来说，我国稻田土壤镉污染现象较为普遍，稻田土壤镉污染现状不容乐观，土壤镉污染日益加剧。稻田土壤镉污染情况受地域性差异影响变化较大，污染区域多出现在且多存在于城郊交界处、工业排污区和矿区。目前，关于稻田土壤镉污染的研究现状，学者多从局部区域对稻田土壤镉污染现状开展研究，且由于稻田土壤重金属监测数据大多在未公布前属于国家秘密，公开的数据量较少，连贯性的数据信息较为缺乏，有针对性的对大范围内关于稻田土壤镉污染程度及现状的研究结果还鲜有报道，我国稻田土壤还存在镉污染底数不清的情况，亟须摸清稻田土壤镉污染底数，为稻米安全生产提供科学依据。 1.2稻米中镉的污染现状 土壤是稻米中镉的主要来源，水稻对重金属镉具有较强的生理耐受性机制和较强的吸附性，稻田土壤镉是造成稻米镉污染的最大因子[19]，当土壤镉含量为2.21 mg/kg时，糙米中镉含量可达2.64 mg/kg。2002年中华人民共和国农业部（现名农业农村部）对全国市场稻米的安全性进行抽检，得到稻米中镉的超标率已十分严重，其超标率为10.3%。2015年全国有超过10%的稻米受到镉污染[20]，重金属污染产出的粮食对人体健康具有潜在风险。 按照GB 2762—2012《食品中污染物限量》，稻米中镉含量的限制标准为0.2 mg/kg，超过该值后，极易引起食品安全问题。近年来，我国稻米存在镉污染风险，且风险不容忽视，稻米镉污染现象主要发生在矿区超标土壤、高镉背景值区及工业活动频繁区域。1989年沈阳某灌区糙米中平均含镉量为1.06 mg/kg，严重超过了我国无公害稻米中重金属的含量标准[6]。涂杰峰等调查了福建全省1 458份稻米镉的含量情况，发现有5%左右的样品镉含量超出了我国食品卫生标准值，福建稻米镉潜在风险较大[21]。江西省大余县与赣州、广西某矿区、辽宁沈阳、湖南株洲、湖南安化、湖南衡东、湖南常宁等地的稻米中镉平均含量均大于1 mg/kg，最大值达到936 mg/kg，上述区域的稻米受镉污染已十分严重[22]。云南省稻米镉的超标率为2.5%，该省部分区域的居民可能存在通过食用大米途径发生镉超量积累的风险[23]。安徽某地稻米中鎘含量的平均值为0.21 mg/kg，已经超出我国食品污染物镉含量的限定值0.2 mg/kg[5]。湖南北部某镇稻米重金属镉污染极其严重，研究区内稻米镉全部超标，且“镉米”的产出率达53%，研究区稻米存在很大的安全风险[24]。贵州典型铅锌矿区精米中镉含量超标严重，超标率高达68%以上，矿区生产的稻米已对人体健康造成潜在风险[17]。织金某煤矿区土壤受到重金属镉的污染，稻米镉超标率为30%[25]。贵州兴仁煤矿区糙米镉含量超过食品安全标准4.0～7.7倍，长期食用污染区域稻米将对人体健康造成极大风险问题[26]。 由此可见，我国稻米受镉的污染已相当严重，且我国稻米镉污染现象主要发生在矿区超标土壤、高镉背景值区及工业活动频繁区域，从区域上看，稻米镉污染现象呈现南部区域高于中部及北部，在我国南方城市如湖南、广东、福建、浙江存在稻米镉超标现象，我国中部及北部地区稻米镉超标的报道较少。目前，在稻米镉污染情况研究方面还存在着稻米镉污染底数不清、稻米镉监测数据量少以及研究数据不集中的局限性，下一步可从摸清稻米镉污染底数入手，对大范围稻米镉污染情况开展研究，以期为稻米安全生产提供数据支撑与科学指导。 2稻田土壤与稻米镉的含量关系 土壤是作物生长的主要基质，作物中的成分与土壤成分密切相关，水稻对重金属镉具有较强的生理耐受性机制和较强的吸附性，据报道，当土壤镉含量为2.21 mg/kg时，糙米中镉含量可达2.64 mg/kg，稻田土壤镉是造成稻米镉污染的最大因子[19]。与其他重金属相比，镉在土壤中具有较高的植物有效性，并且土壤镉的浓度在达到毒害植物之前就可以使可食部分镉含量超过食用标准而危害人类健康[27]。要减少镉从稻田土壤向稻米中的传递，首要任务是摸清稻田土壤与稻米镉之间的关系。摸清稻田土壤与稻米镉含量之间的关系，对降低稻米镉含量及保障人类安全健康具有极其重要的意义。 关于稻田土壤和稻米镉之间的相关关系，目前主要有2种观点，一是稻田土壤和稻米镉含量呈极显著正相关关系。王梦梦等研究表明，在田间条件下，土壤全镉与稻米镉含量达到了极显著相关水平，其相关性系数为0.392，稻米镉含量与土壤镉含量的相关性出现减弱现象[28]。彭华等研究表明，稻田土壤与稻米镉含量呈显著正相关关系，在没有超标的土壤环境条件下生长的稻米仍可能产生镉超标现象，土壤中镉含量越高，稻米超标的风险就越严重[29]。赵雄等研究得出，糙米镉累积量随土壤添加镉浓度的增大而增加，稻米镉含量与土壤镉总量呈现显著正相关性[30]。Schuhmacher等得到稻米镉浓度与土壤镉浓度呈正相关性，在其他外界条件不变的情况下，土壤含镉量越高就越容易生产出高镉含量的稻米[31]。任荣富等研究表明，稻田土壤和稻米中镉存在良好的相关性，当土壤镉含量达 308 mg/kg 时，有75%的稻米的镉含量达到0.32 mg/kg[32]。 另一观点是由于外界环境的复杂性，稻米与稻田土壤镉含量除了呈现正相关性外，还有其他相关关系。张建辉等发现，稻米镉含量与土壤总镉含量呈开口向上的二次曲线关系，稻米镉与土壤有效态镉含量呈正相关，稻米镉含量受到土壤有效态镉含量的促进[33]。稻米富集土壤中的镉受到土壤镉形态变化的显著影响，糙米镉含量与土壤可交换态镉呈极显著正相关，与有机物结合态镉呈极显著负相关[34]。Suzuki等对德克萨斯州稻田土壤及稻米镉含量关系的研究中发现，稻米与土壤中镉之间没有明显的相关关系[35]。喻凤莲等发现，在不同环境下，土壤镉与稻米镉之间的关系响应不一，在酸性环境下，土壤镉与稻米镉呈现显著正相关关系，相关系数为0.971，在碱性条件下，土壤镉与稻米镉呈弱正相关性，在中性条件下，土壤镉与稻米镉的相关性不显著[36]。 总体而言，稻米镉与稻田土壤镉关系复杂，除呈现正相关性外，还存在其他关系。要想降低稻米中镉的含量，首要做法就是摸清稻田土壤与稻米镉含量之间的相关关系，就目前公布的研究数据而言，多是局部区域的数据，如前文提到的王梦梦等用60个点位研究了14个乡（镇）稻田和稻米镉含量，用于说明二者的定量关系[28]，Fang等用92份稻米样品来说明我国主要种植水稻区域镉的健康风险[37]，这些数据难以全面、准确揭示稻米与土壤镉的关系。针对土壤环境质量工作，国家层面十分重视，如农业农村部（原农业部）于2012—2016年开展的“农产品产地土壤重金属污染防治普查”工作，目前在全国范围内开展的“土壤污染防治行动计划”涉及的系列工作，主要针对耕地土壤及主要粮食作物（南方水稻、北方小麦）重金属污染情况，目的是摸清全国农产品产地土壤重金属的污染情况、土壤环境质量的污染底数和污染分布，但由于重金属数据在未公布前皆属于秘密数据，相关研究数据尚未向社会公布，目前所获得的信息多是定性不定量，难以全面、系统地反映实际情况。待数据向社会公布后，对于说明稻米与土壤镉之间的相关关系具有极其重要的意义。 3土壤pH值、有机质对稻米镉含量的影响 3.1土壤pH值对稻米镉含量的影响 土壤理化性质如土壤有机质、土壤质地、土壤类型对稻米镉的吸收系数产生影响，但影响远远小于土壤pH值对稻米镉吸收的影响[34]。易亚科等通过研究土壤酸碱度对水稻生长及稻米镉含量的影响得到，土壤pH值、品种及二者之间交互作用下对水稻农艺性状及产量的影响均达到显著水平（P<0.05），其中土壤pH值影响最大[38]。土壤pH值变化对稻米镉吸收有显著影响，研究表明，当pH值在5～6时，稻米对土壤镉的吸收能力最强，pH值为6～7时吸收系数下降明显，两者差异在1.4～7.4倍之间[35]。当土壤pH值为5.0时，稻米中镉含量达最高值，为0.32 mg/kg，当pH值为5.65时，稻米镉含量为 0.02 mg/kg，随着土壤酸度值的增加稻米镉含量呈降低趋势，且稻米镉含量与土壤酸度值呈现良好的线性关系[33]。当土壤pH值大于6.97时[39]，土壤处于中偏碱性时，稻米镉含量受pH值及土壤镉含量的影响，pH值升高，稻米镉含量下降，土壤镉含量升高，稻米镉含量也随之升高，在酸性和中性条件下[36]，土壤pH值与稻米镉含量均呈显著正相关关系，在碱性环境下，土壤pH值与稻米镉含量呈负相关性。通过施用生石灰降镉发现，土壤pH值平均提升016个单位，稻米镉平均含量由对照的0.29 mg/kg降至 0.13 mg/kg[40]。 土壤酸碱度是控制稻米吸收土壤镉的基本地球化学因素，直接影响生物对重金属的吸收，降低土壤酸碱度能促进或刺激稻米吸收土壤中更多的镉，土壤中镉的活性和形态与土壤pH值密切相关，提高土壤pH值能有效降低土壤有效态镉含量和稻米镉含量的累积，增加土壤pH值是防治耕地镉污染的重要有效措施[41]。pH值是影响稻米镉积累的重要因子，改变土壤pH值可以调节稻米对镉的吸收，在不同酸碱度环境下，pH值对稻米的响应不一致。总体而言，在酸性偏中性条件下，稻米对镉的响应积极，在碱性条件下，稻米吸收镉效率降低。稻米镉含量除受pH值影响外，还受到其他因素的影响，下一步，可通过大量数据，综合考虑其他因素对稻米镉的影响，建立多因素与稻米之间的线性关系，为镉污染稻田修复治理提供理论依据。 3.2有机质对稻米镉含量的影响 从土壤有机质的组成成分上看，有机质本身不含重金属，增加土壤有机质含量并不会增加重金属的来源，但因其含有大量的含氧官能團及其他官能团，能与土壤中的重金属发生离子交换、螯合反应，改变土壤溶液中的化学性质及重金属的存在状态从而抑制或促进重金属在土壤中的含量，减少或增加农产品对重金属的吸附[42]。陈浩等研究表明，有机质含量与土壤镉含量呈显著正相关关系，有机质与重金属离子易形成络合物，降低重金属离子的活性，减少重金属有效态在土壤中的含量[43]。何腾兵等研究表明，不同母岩发育的土壤中有机质与重金属的相关性不一致，白云岩、钙质砂页岩、河流冲积物发育而来的土壤镉含量与有机质不存在相关性，石灰岩、砂岩、石岩发育而来的土壤镉含量与有机质存在一定的相关性，砂页岩和老风化壳发育而来的土壤镉与有机质存在极显著相关关系[44]。 有机质与稻米镉含量关系密切，土壤有机质是影响水稻土吸附镉的主要因素，有机质去除后，Cd2+的吸附量会减少20%[45]。有机质与植物吸收的镉含量呈显著相关[46]，生长在有机质含量高的土壤上的作物更容易吸收更高含量的镉，稻米镉含量随有机质的增加而增加，添加颗粒有机质可以提高水稻籽粒生物量，促进水稻对Cd的吸收，显著影响Cd在籽粒中的分布，当颗粒有机质添加量≤1.0 g/kg时，Cd在籽粒中的分布降低，当颗粒有机质添加量达到2.5 g/kg时，镉在籽粒中的分布显著增加[47]。所以利用有机物质作为镉污染土壤的改良剂也存在风险[48]，有机物质在刚施入土壤时能够增加土壤中镉的吸附和固定，从而降低土壤镉的有效性和生物活性，但后期有机物质在土壤中容易矿化和分解成有机酸等物质而增加作物对金属的吸收。 有机质是影响稻米对镉累积的重要因子，根据外界环境影响因子，有机质既可促进也可抑制稻米对镉的吸收，目前，利用有机质修复重金属污染土壤的研究较多，王秀梅等研究表明，有机物料的修复材料可以显著降低土壤中有效镉含量，土壤有效镉含量与土壤有机质含量之间不具备显著相关性，分析其原因可能受土壤总镉、pH值、有机质的共同影响[49]。在利用有机质开展修复时，在研究有机质对镉的影响上，要综合考虑外界环境如温度、pH值、阳离子交换量（CEC）、母岩性质等条件，尤其是pH值和有机质，才能利用环境中大量的有机物质治理镉污染土壤。 4结论与展望 通过从稻田土壤和稻米镉的污染现状，稻田土壤和稻米镉的含量关系，土壤pH值、有机质对稻米镉含量的影响等方面总结稻田土壤和稻米镉含量关系的研究进展，提出了下一步的研究方向。 （1）我国稻田土壤和稻米镉污染现象形势严峻，主要体现在稻田土壤镉污染逐年增加，稻米超标率高。目前，关于对稻田土壤和稻米镉污染现状的研究还存在公开数据量少、现有数据表现出的研究范围不大以及底数不清的问题，下一步可利用国家层面已开展的研究详细了解全国稻田土壤和稻米镉的污染情况，摸清镉污染底数，为稻米安全生产提供科学依据。 （2）稻田土壤和稻米镉含量关系复杂，因外界环境的不同，存在正相关性和非正相关性。要想降低稻米中镉的含量，首要做法就是摸清稻田土壤与稻米镉含量之间的相关关系，就目前公布的数据而言，数据量少且多是对局部区域的污染研究，由于数据量少的局限性，难以全面、准确揭示稻米与土壤镉的关系。下一步应有针对性、全面性地对稻田土壤和稻米镉含量关系开展协同调查。 （3）土壤pH值、有机质对稻米镉含量具有显著影响，增加或降低土壤pH值和有机质均可改变稻米对镉的吸收与累积。在研究土壤pH值、有机质对稻米镉的影响上，要综合考虑其他因素如温度、CEC、质地、母岩性质等条件，下一步可通过开展关于多因素对稻米镉含量的影响，建立多因素与稻米镉含量之间的线性关系，为镉污染稻田修复治理提供理论依据。 参考文献： [1]宋伟，陈百明，刘琳. 中国耕地土壤重金属污染概况[J]. 水土保持研究，2013，20（2）：293-298. 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