稻田綜合種養土壤重金屬空間變異特征與質量安全評價研究進展

董振杰 陸堯 李京詠 竇志 張洪程 高輝

（揚州大學江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/糧食作物現代產業技術協同創新中心，江蘇 揚州 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，是水稻生產重要的物質基礎。農業生產中長期不合理施肥、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育，影響作物產量、品質和質量安全水平，進而威脅人類健康[2]。稻田綜合種養是指利用稻田將水稻種植與水產或畜禽養殖相結合的一種生態循環農業生產模式，包括稻田連作種養、稻田共作種養兩種，正成為富有活力與創新力的綠色高效產業[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，面積達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]。由于產地環境條件迥異、模式繁多、水產或畜禽動物養殖密度不一、飼料來源與投放數量不同、肥藥施用強度參差等，使得稻田綜合種養對耕地質量與土壤重金屬含量影響存在多樣性，長年規模化稻田綜合種養區土壤重金屬空間變異特征與質量安全狀況存在差異性。

近年來，國內外學者在有關土壤與水稻中重金屬時空變異與質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土壤重金屬空間變異特征與質量安全評價研究相對較少。本文闡述了稻田綜合種養土壤重金屬空間變異特征與質量安全評價研究進展，以為促進稻田綜合種養綠色高質量可持續發展提供理論參考[7]。

1 稻田綜合種養土壤重金屬空間變異特征研究進展

稻田綜合種養土壤重金屬來源主要包括成土母質、大氣降水、空氣沉降、水稻種子與水產（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、農業廢棄物和生活垃圾等。通常運用經典統計學、地統計學、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，為稻田綜合種養綠色高效技術發展與質量安全預測預警提供技術支撐。

沈丹琪等[8]調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，以常規稻作為對照，分析了稻鴨共生生態系統重金屬Cd 的轉化、遷移及循環特征，結果表明，稻鴨共生生態系統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。紀力等[10]設置連續10 年（2010—2019 年）大田規模化稻鴨共養和常規水稻高產栽培試驗，證明多年稻鴨共養使0～10 cm耕層土壤中有機質含量提升7.1%，稻鴨田土壤重金屬元素含量符合綠色標準。SHA 等[11]研究表明，長期進行稻蛙共作的稻田由于飼料內重金屬添加劑的存在以及養殖生物排泄物對其進一步的富集作用，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險。

總體上，國內外有關土壤重金屬來源解析、轉化遷移特征、空間分布等研究已多見報道，但在稻田綜合種養領域研究偏少，且以往開展的大多是景觀尺度小面積試驗研究，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土壤重金屬空間分布特征，制約了宏觀、中觀、微觀決策的準確性與科學性，影響了質量安全評價的客觀性與權威性。為此，應加強不同尺度稻田綜合種養土壤重金屬空間變異特征研究，以為稻田綜合種養綠色高效技術集成創新與決策、評價等提供理論依據。

2 稻田綜合種養土壤重金屬質量安全評價研究進展

重金屬元素在土壤中的分布具有地域性、隱蔽性、突發性和長期性，且其空間分布受到結構性因素和隨機性因素雙重影響。相較水稻單作，稻田綜合種養系統中水稻和水產（畜禽）同處一田，農業投入品種類增多，肥藥等使用量發生變化，對稻田綜合種養土壤重金屬累積數量與質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及水稻產量的影響，結果表明，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《水稻產地環境技術條件》要求。陳萬明等[13]對比了稻蝦養殖區與常規種植區的環境及產品安全性指標的差異，研究得出兩模式下土壤、灌溉水中重金屬含量變化不明顯，且均未超過規定的限值；稻蝦養殖區與常規種植區稻米中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準規定的限量值，污染風險較小；克氏原螯蝦肉中Pb、Cd、Cr 等8 種重金屬含量均未超過規定的限量值，且重金屬單因子污染指數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模式下6 個水稻品種中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 等重金屬含量，發現稻谷中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變化，結果表明，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體系中大米的重金屬及營養水平進行評價，研究結果證明，采用稻漁綜合種養模式生產的時間越長，稻米中重金屬含量越低。田威等[17]采用單因子污染指數法、內梅羅綜合指數法、潛在生態危害綜合指數法和地累積指數法等，測定稻漁綜合種養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行分析評價與膳食暴露風險評估，表明研究區稻田土壤中僅Cd 元素的平均含量高于國家農業土壤的限定值，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]證實在稻蝦共生重金屬Cd 污染區種植Cd低積累水稻品種，是實現水稻安全生產最具有發展前景和重要價值的技術方法。

可見，國內外學者針對稻田綜合種養土壤重金屬質量安全評價開展了一些研究。研究領域上，已從單一的土壤拓展到了灌溉水、稻米、飼料等。評價方法上，已擴展到了單因子污染指數法、內梅羅綜合指數法、潛在生態危害綜合指數法和地累積指數法等多種方法。但不同學者在稻田綜合種養土壤重金屬質量安全評價中采用的標準不一。為此，應在揭示稻田綜合種養土壤重金屬空間變異特征的基礎上，進一步深化稻田綜合種養土壤重金屬質量安全評價研究，為發展稻田綜合種養綠色高效技術與提高農產品質量安全水平提供決策參考。

3 總結與展望

稻田種養在我國發展歷史悠久。2017 年“中央一號文件”明確提出“推進稻田綜合種養”，助推產業進入新發展階段。近年來，稻田綜合種養產業發展迅猛，已成為新時代鄉村振興背景下許多省份的農業新興產業。一方面，由于飼料、水產養殖用藥、消毒劑等的投入，使得稻田綜合種養系統土壤重金屬來源更為多元，增加了土壤重金屬空間變異強度與質量安全風險。另一方面，稻田綜合種養系統中通常需施用生石灰清塘消毒，調節了土壤pH，可緩解華南、華中等地區的土壤酸化過程，進而降低了土壤重金屬活度。為了研究揭示稻田綜合種養土壤重金屬空間變異特征與質量安全狀況，保障國家糧食安全與農產品質量安全，未來應加強以下方面的研究：

1）加強長期稻田綜合種養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點，跟蹤監測稻田綜合種養土壤重金屬累積、轉化、遷移規律，并深化土壤重金屬化學結構、生物有效形態與不同重金屬之間的互作效應等研究。

2）開展不同尺度稻田綜合種養土壤重金屬空間變異特征研究。從保障農產品質量安全角度出發，基于地統計學、GIS 空間分析、大數據和云計算等方法，針對稻蝦、稻魚等稻田綜合種養主體模式，進行全國、省域、市域、縣域、鎮域與規模化種植區等的稻田綜合種養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）進行稻田綜合種養土壤重金屬質量安全評價及其標準制定。由于專用權威標準的缺乏，使得稻田綜合種養土壤重金屬質量安全評價缺少簡化統一、科學合理的標準支撐，導致評價方法和參考標準不一，影響了評價的權威性與科學價值。

4）創制單一或多元重金屬低積累水稻、水產（畜禽）品種。目前，已在Cd 低積累水稻品種選育上取得一定進展，未來應拓展到其他重金屬上，以保障糧食與重要農產品安全穩定供給。