稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬空間變異特征與質(zhì)量安全評價研究進(jìn)展

董振杰 陸堯 李京詠 竇志 張洪程 高輝

（揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn)/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 揚(yáng)州 225009；第一作者：dongzhenjie1227@163.com；*通信作者：gaohui@yzu.edu.cn）

水稻是我國主要的口糧作物，年種植面積穩(wěn)定在3 000 萬hm2左右，在國家糧食安全保障體系中占有重要地位[1]。土壤是重要的自然資源，是水稻生產(chǎn)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期不合理施肥、過量施藥、污水灌溉以及空氣沉降等，使得重金屬元素在土壤富集。當(dāng)土壤重金屬積累量過大時，不僅會改變土壤理化性狀，損害土壤活性，影響土壤生物，而且會抑制作物生長發(fā)育，影響作物產(chǎn)量、品質(zhì)和質(zhì)量安全水平，進(jìn)而威脅人類健康[2]。稻田綜合種養(yǎng)是指利用稻田將水稻種植與水產(chǎn)或畜禽養(yǎng)殖相結(jié)合的一種生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，包括稻田連作種養(yǎng)、稻田共作種養(yǎng)兩種，正成為富有活力與創(chuàng)新力的綠色高效產(chǎn)業(yè)[3]。截至2020 年，我國已有27 個省份開展了不同形式的稻漁綜合種養(yǎng)，面積達(dá)256.3 萬hm2[4]，主要模式為稻-克氏原螯蝦、稻-魚和稻-蟹，占比分別為47.7%、41.4%、5.94%，而稻-鱉、稻-螺和稻-鰍等其他模式總占比不足5.0%[5]。由于產(chǎn)地環(huán)境條件迥異、模式繁多、水產(chǎn)或畜禽動物養(yǎng)殖密度不一、飼料來源與投放數(shù)量不同、肥藥施用強(qiáng)度參差等，使得稻田綜合種養(yǎng)對耕地質(zhì)量與土壤重金屬含量影響存在多樣性，長年規(guī)?；咎锞C合種養(yǎng)區(qū)土壤重金屬空間變異特征與質(zhì)量安全狀況存在差異性。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在有關(guān)土壤與水稻中重金屬時空變異與質(zhì)量安全評價等方面展開了深入的研究[6]，但針對我國不同尺度稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬空間變異特征與質(zhì)量安全評價研究相對較少。本文闡述了稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬空間變異特征與質(zhì)量安全評價研究進(jìn)展，以為促進(jìn)稻田綜合種養(yǎng)綠色高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展提供理論參考[7]。

1 稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬空間變異特征研究進(jìn)展

稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬來源主要包括成土母質(zhì)、大氣降水、空氣沉降、水稻種子與水產(chǎn)（畜禽）苗種、肥藥投入、天然餌料、水草、雜草及飼料投放、污水灌溉、農(nóng)業(yè)廢棄物和生活垃圾等。通常運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)、GIS 空間分析等方法，通過定位取樣、測定分析與地理制圖等，研究揭示不同空間尺度土壤重金屬空間變異特征，挖掘潛在的有用信息，為稻田綜合種養(yǎng)綠色高效技術(shù)發(fā)展與質(zhì)量安全預(yù)測預(yù)警提供技術(shù)支撐。

沈丹琪等[8]調(diào)查分析了湖北荊門市和黃岡市稻蝦共作模式與稻單模式中3 個不同水稻品種不同重金屬含量的差異，在弱堿性土壤背景下，稻蝦共作模式可降低土壤中Cr、As、Cd、Pb 和Hg 含量，降低比在11.5%～32.3%之間；在弱酸性土壤背景下，稻蝦共作模式可升高土壤中Cr、As、Cd、Pb 和Hg 含量，增長比在20.8%～30.4%之間。張帆等[9]在湖南省長沙市開展了2 年田間試驗(yàn)，以常規(guī)稻作為對照，分析了稻鴨共生生態(tài)系統(tǒng)重金屬Cd 的轉(zhuǎn)化、遷移及循環(huán)特征，結(jié)果表明，稻鴨共生生態(tài)系統(tǒng)Cd 輸入量為肥料＞飼料＞秧苗＞雛鴨，Cd 輸出主要是水稻籽粒Cd 和成鴨Cd；鴨所攝食的Cd 主要來自鴨飼料，大鴨飼料Cd 輸入大于小鴨飼料Cd 輸入；重金屬Cd 沿食物鏈的轉(zhuǎn)化、遷移過程以鴨糞Cd 形式放大，且鴨糞Cd 高于鴨飼料Cd 輸入；從稻田土壤Cd 輸出來看，稻鴨共生和常規(guī)稻作相比無顯著差異（P＞0.05），沒有增加水稻植株Cd 含量和Cd 積累。紀(jì)力等[10]設(shè)置連續(xù)10 年（2010—2019 年）大田規(guī)?；绝喒拆B(yǎng)和常規(guī)水稻高產(chǎn)栽培試驗(yàn)，證明多年稻鴨共養(yǎng)使0～10 cm耕層土壤中有機(jī)質(zhì)含量提升7.1%，稻鴨田土壤重金屬元素含量符合綠色標(biāo)準(zhǔn)。SHA 等[11]研究表明，長期進(jìn)行稻蛙共作的稻田由于飼料內(nèi)重金屬添加劑的存在以及養(yǎng)殖生物排泄物對其進(jìn)一步的富集作用，因而增加了土壤重金屬含量，從而提高了土壤重金屬濃度升高的風(fēng)險。

總體上，國內(nèi)外有關(guān)土壤重金屬來源解析、轉(zhuǎn)化遷移特征、空間分布等研究已多見報道，但在稻田綜合種養(yǎng)領(lǐng)域研究偏少，且以往開展的大多是景觀尺度小面積試驗(yàn)研究，基本未涉及大中小尺度土壤重金屬空間變異研究，難以揭示與相對精確量化不同尺度稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬空間分布特征，制約了宏觀、中觀、微觀決策的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，影響了質(zhì)量安全評價的客觀性與權(quán)威性。為此，應(yīng)加強(qiáng)不同尺度稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬空間變異特征研究，以為稻田綜合種養(yǎng)綠色高效技術(shù)集成創(chuàng)新與決策、評價等提供理論依據(jù)。

2 稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬質(zhì)量安全評價研究進(jìn)展

重金屬元素在土壤中的分布具有地域性、隱蔽性、突發(fā)性和長期性，且其空間分布受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素雙重影響。相較水稻單作，稻田綜合種養(yǎng)系統(tǒng)中水稻和水產(chǎn)（畜禽）同處一田，農(nóng)業(yè)投入品種類增多，肥藥等使用量發(fā)生變化，對稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬累積數(shù)量與質(zhì)量安全狀況帶來了一定影響。

丁君輝等[12]研究了稻鴨共生對稻田土壤理化性質(zhì)及水稻產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，稻鴨共生對土壤重金屬影響可控，土壤重金屬符合NY/T 847—2017《水稻產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件》要求。陳萬明等[13]對比了稻蝦養(yǎng)殖區(qū)與常規(guī)種植區(qū)的環(huán)境及產(chǎn)品安全性指標(biāo)的差異，研究得出兩模式下土壤、灌溉水中重金屬含量變化不明顯，且均未超過規(guī)定的限值；稻蝦養(yǎng)殖區(qū)與常規(guī)種植區(qū)稻米中Pb、Cd、Cr 等8 種重金屬含量無顯著差異，均未超過食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量值，污染風(fēng)險較?。豢耸显r肉中Pb、Cd、Cr 等8 種重金屬含量均未超過規(guī)定的限量值，且重金屬單因子污染指數(shù)Pi 均小于1。陳劉浦等[14]分析了稻魚、稻鱉、稻蝦（克氏原螯蝦）等3 種典型稻田綜合種養(yǎng)模式下6 個水稻品種中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 等重金屬含量，發(fā)現(xiàn)稻谷中7 種重金屬元素含量均符合食品安全要求。沈丹琪等[15]以稻蝦共作模式為研究對象，探究稻蝦共作模式通過改變土壤的理化特性從而使得土壤重金屬含量及形態(tài)變化，結(jié)果表明，不同pH 土壤背景下，稻蝦模式均可明顯降低稻米中Cd 和Pb 含量。趙敏等[16]對全國稻漁綜合種養(yǎng)體系中大米的重金屬及營養(yǎng)水平進(jìn)行評價，研究結(jié)果證明，采用稻漁綜合種養(yǎng)模式生產(chǎn)的時間越長，稻米中重金屬含量越低。田威等[17]采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)法和地累積指數(shù)法等，測定稻漁綜合種養(yǎng)模式下土壤和稻谷中的Cu、Cd 和Pb 含量，并對重金屬污染狀況進(jìn)行分析評價與膳食暴露風(fēng)險評估，表明研究區(qū)稻田土壤中僅Cd 元素的平均含量高于國家農(nóng)業(yè)土壤的限定值，Pb 含量變化范圍為7.03～109.34 mg/kg，平均含量為68.50 mg/kg。劉星星等[18]證實(shí)在稻蝦共生重金屬Cd 污染區(qū)種植Cd低積累水稻品種，是實(shí)現(xiàn)水稻安全生產(chǎn)最具有發(fā)展前景和重要價值的技術(shù)方法。

可見，國內(nèi)外學(xué)者針對稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬質(zhì)量安全評價開展了一些研究。研究領(lǐng)域上，已從單一的土壤拓展到了灌溉水、稻米、飼料等。評價方法上，已擴(kuò)展到了單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)法和地累積指數(shù)法等多種方法。但不同學(xué)者在稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬質(zhì)量安全評價中采用的標(biāo)準(zhǔn)不一。為此，應(yīng)在揭示稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬空間變異特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬質(zhì)量安全評價研究，為發(fā)展稻田綜合種養(yǎng)綠色高效技術(shù)與提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平提供決策參考。

3 總結(jié)與展望

稻田種養(yǎng)在我國發(fā)展歷史悠久。2017 年“中央一號文件”明確提出“推進(jìn)稻田綜合種養(yǎng)”，助推產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新發(fā)展階段。近年來，稻田綜合種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，已成為新時代鄉(xiāng)村振興背景下許多省份的農(nóng)業(yè)新興產(chǎn)業(yè)。一方面，由于飼料、水產(chǎn)養(yǎng)殖用藥、消毒劑等的投入，使得稻田綜合種養(yǎng)系統(tǒng)土壤重金屬來源更為多元，增加了土壤重金屬空間變異強(qiáng)度與質(zhì)量安全風(fēng)險。另一方面，稻田綜合種養(yǎng)系統(tǒng)中通常需施用生石灰清塘消毒，調(diào)節(jié)了土壤pH，可緩解華南、華中等地區(qū)的土壤酸化過程，進(jìn)而降低了土壤重金屬活度。為了研究揭示稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬空間變異特征與質(zhì)量安全狀況，保障國家糧食安全與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，未來應(yīng)加強(qiáng)以下方面的研究：

1）加強(qiáng)長期稻田綜合種養(yǎng)模式對土壤重金屬影響的研究。以水稻單作為對照，建立長期的定位試驗(yàn)點(diǎn)，跟蹤監(jiān)測稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬累積、轉(zhuǎn)化、遷移規(guī)律，并深化土壤重金屬化學(xué)結(jié)構(gòu)、生物有效形態(tài)與不同重金屬之間的互作效應(yīng)等研究。

2）開展不同尺度稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬空間變異特征研究。從保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全角度出發(fā)，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)、GIS 空間分析、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等方法，針對稻蝦、稻魚等稻田綜合種養(yǎng)主體模式，進(jìn)行全國、省域、市域、縣域、鎮(zhèn)域與規(guī)?；N植區(qū)等的稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬空間變異特征研究，為宏觀、中觀、微觀決策提供理論參考。

3）進(jìn)行稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬質(zhì)量安全評價及其標(biāo)準(zhǔn)制定。由于專用權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，使得稻田綜合種養(yǎng)土壤重金屬質(zhì)量安全評價缺少簡化統(tǒng)一、科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)支撐，導(dǎo)致評價方法和參考標(biāo)準(zhǔn)不一，影響了評價的權(quán)威性與科學(xué)價值。

4）創(chuàng)制單一或多元重金屬低積累水稻、水產(chǎn)（畜禽）品種。目前，已在Cd 低積累水稻品種選育上取得一定進(jìn)展，未來應(yīng)拓展到其他重金屬上，以保障糧食與重要農(nóng)產(chǎn)品安全穩(wěn)定供給。