由于工业“三废”、生活污水等不合理排放，以及含重金属农业投入品的大量使用，致使农田土壤受到不同程度的重金属污染^[1]。进入土壤中的重金属被作物根系吸收后，通过食物链的作用，最终在作物籽实中累积，影响作物的食用安全^[2]。水稻是人们日常生活中必不可少的粮食作物，前期研究发现福建闽西矿区周边稻米与其对应土壤中Pb、Cd污染较为严重^[3]。然而，目前仍然缺乏有效的手段将重金属从土壤中彻底清除，因此阻控土壤中重金属向食物链迁移成为降低作物重金属污染风险的重要途径之一^[4]。

氮肥作为农业生产中常用的化学肥料，在提高作物产量和改善作物品质等方面都具有重要作用^[5]。不同形态的氮肥对土壤pH值有一定的影响，进而影响土壤中重金属的活性和作物的吸收^[6]。Wangstrand等^[7]研究发现，在Cd污染土壤上施用氮肥后，会影响Cd在土壤中的吸附和解吸、形态转化和迁移，进而影响作物对Cd的吸收。研究还表明，氮肥对污染土壤中Cd的活性及作物吸收Cd的影响除了与土壤性质有关外，还与作物种类有关^[8]，在不同作物、不同形态氮肥处理下表现不同。目前大量研究报道了不同形态氮肥及配比对作物生长、品质特性和氮肥利用率方面的影响^[9-11]，但有关不同氮肥处理影响水稻吸收积累重金属的报道还十分有限^[12]。

本研究选择福建闽西矿区周边的农田土壤，以水稻为材料，进行氮肥不同种类(酰胺态氮肥、铵态氮肥和硝态氮肥)的盆栽试验，比较了不同形态氮肥的施用对水稻根际土壤理化性质、重金属含量(Pb、Cd)及水稻籽粒对其吸收影响的差异，采用污染指数法和风险评价模型对不同氮肥形态水稻重金属的污染程度及对居民健康带来的风险进行评价，为农业生产中通过施肥措施控制重金属的迁移、减少水稻对重金属的吸收提供理论依据。

1.   材料与方法

1.1   供试材料

供试土壤采自福建闽西某矿区周边的农田土壤，基本性质为pH 4.92，有机质2.86%，全氮0.144%，全磷0.064%，全钾4.11%。试验前的土壤Pb含量为332 mg·kg^-1，Cd含量为0.335 mg·kg^-1。供试水稻秧苗(品种为中浙优1号)由农民提供。

1.2   盆栽试验

试验于2017年4月初进行，设置3个氮肥处理：酰胺态氮肥(尿素)、铵态氮肥(硫酸铵)、硝态氮肥(硝酸钠)。以每桶(塑料桶高35 cm，直径30 cm)装土5 kg，每个处理重复3次，选取长势基本一致的水稻秧苗移栽至各处理桶中，每桶3穴，每穴1株，随机排列，全生育期除分蘖末期进行晒田外，其他时间均保持2~3 cm的浅水层。氮肥施用量为N 0.15 g·kg^-1，磷肥和钾肥用量分别为P₂O₅ 0.10 g·kg^-1，K₂O 0.15 g·kg^-1，为了抑制铵态氮肥在土壤中发生硝化作用，在铵态氮肥处理中添加了10%施氮量的硝化抑制剂双氰胺(DCD)，所有肥料均为分析纯试剂。水稻成熟收获后，采集整个植株样品和相应的根际土壤样品。

1.3   样品的前处理

土壤样品采集时分成2部分，一部分经实验室自然风干、磨碎，分别过20目与100目尼龙筛保存备用，另一部分取鲜样直接用于铵态氮和硝态氮含量的测定。

水稻植株样品冲洗干净，分离根系、茎叶和稻谷，稻谷样品经脱壳，脱糠，磨碎，贮存于塑封袋中备用。根系、茎叶样品放入烘箱中105℃杀青30 min，在80℃烘干至恒重，然后将样品磨碎，过70目尼龙筛，装塑封袋保存备用。

1.4   样品的测定

1.4.1   根际土壤理化性质测定

土壤pH值用0.01 mol·L^-1 CaCl₂溶液浸提，浸提液用pH计测定；土壤铵态氮和硝态氮含量的测定参考孙志高等^[13]的方法。

1.4.2   根际土壤Pb、Cd含量测定

土壤样品消解过程参照国标GB/T 17141-1997中的湿式消解法(HCL-HNO₃-HF-HCLO₄)进行，用火焰原子吸收光谱仪测定Pb、Cd含量，元素提取进行全程同步试剂空白控制，分析过程中每个样品均设平行双样，采用国家标准物质(GBW07427)作为质控样进行分析质量控制，且回收率为85%~110%。

1.4.3   水稻植株各器官Pb、Cd含量测定

水稻植株各器官(根系、茎叶、籽粒)消解过程参照国标GB/T 5009.15-2003中的湿式消解法(HNO₃-H₂O₂)进行，用石墨炉原子吸收光谱仪测定Pb、Cd含量，元素提取进行全程同步试剂空白控制，分析过程中每个样品均设平行双样，采用国家标准物质(GBW10044)作为质控样进行分析质量控制，且回收率为80%~105%。

1.5   水稻籽粒Pb、Cd的污染评价

采用单因子指数法分别对水稻籽粒中Pb和Cd的污染状况进行评价，具体计算公式如下：

式中：PI表示水稻籽粒中某一重金属元素的单因子污染指数，C_i为重金属i的实测含量，mg·kg^-1；S_i为重金属i的限量标准值，mg·kg^-1。当PI≤1时，说明水稻籽粒未受到重金属污染；当PI＞1时，说明水稻籽粒被重金属所污染，其中1＜PI≤2属于轻度污染等级，2＜PI≤3属于中度污染等级，PI＞3属于重度污染等级^[14]。

1.6   水稻籽粒Pb、Cd的健康风险评价

参照美国环境保护署(USEPA)发布的化学污染物健康风险评估模型，分别对水稻籽粒中Pb和Cd的健康风险进行评价，具体计算公式如下：

式中：CDI表示某一重金属元素的日均暴露量，mg·(kg·d)^-1；Cf为水稻籽粒中重金属的实测含量，mg·kg^-1；IR为水稻籽粒日摄入量，取0.337 kg·days^-1[15]；EF为暴露频率，取350 days·year^-1；ED为暴露年限，取70年；AT为平均接触时间，取70 d^[16]；BW为体质量，取60 kg。

式中：HQ表示风险商；RfD为参考暴露剂量，mg·kg^-1·d^-1，Pb和Cd的RfD分别为0.004和0.001 mg·kg^-1·d^-1。当HQ＜1时，说明水稻籽粒中的Pb和Cd对人体健康未产生危害；当HQ≥1时，说明水稻籽粒中的Pb和Cd可引起人体的健康风险^[17]。

1.7   数据处理

采用Excel 2007和Origin 9.0软件进行试验数据的处理和分析。

2.   结果与分析

2.1   不同氮肥处理对水稻根际土壤理化性质的影响

对不同氮肥处理下采集的水稻根际土壤样品中的pH值、铵态氮和硝态氮含量分别进行了测定，结果如图 1所示。

图  1  不同氮肥种类对土壤理化性质的影响

注：图中CK、AD和XD分别为酰胺态氮肥、铵态氮肥和硝态氮肥处理，DCD为双氰胺；不同小写字母表示各处理间差异显著(P < 0.05)，图 2~4同。

Figure  1.  Physiochemical properties of soil as affected by different nitrogen fertilizers

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图  2  不同氮肥种类对土壤Pb和Cd含量的影响

Figure  2.  Pb and Cd concentrations in soil as affected by different nitrogen fertilizers

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图  3  不同氮肥处理下水稻籽粒中Pb和Cd的污染指数

Figure  3.  Pollution indices on Pb and Cd in grains from rice plants fertilized by different nitrogen fertilizers

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图  4  不同氮肥处理下水稻籽粒中Pb和Cd的风险商

Figure  4.  Hazard quotients on Pb and Cd in grains from rice plants fertilized by different nitrogen fertilizers

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从图 1可以看出，施用硝态氮肥处理，使根际土壤pH值高于酰胺态氮肥处理，上升0.29个单位；施用铵态氮肥处理，使根际土壤pH值低于酰胺态氮肥处理，降低0.17个单位，表明不同形态的氮肥处理会改变水稻根际土壤的酸碱度。可能的原因是铵态氮肥施入土壤后，水稻吸收了铵态氮，为维持细胞内电荷平衡，水稻根际会释放出H⁺，导致土壤pH值下降；相反，硝态氮肥施入土壤后，水稻吸收的氮素以硝态氮为主，使根际向土壤中分泌OH^-或HCO₃^-，导致土壤pH值上升。从图 1还可以看出，水稻根际土壤铵态氮含量呈现CK＞AD＞XD的趋势，硝态氮含量表现为CK＞XD＞AD，说明氮肥的种类能够影响土壤中铵态氮和硝态氮的比例，在水稻吸收和土壤作用下，进而影响根际土壤的pH值。方差分析结果表明，3种不同氮肥处理的土壤pH值之间差异达显著水平(P＜0.05)，而不同氮肥处理的土壤铵态氮和硝态氮含量之间差异均不显著。

2.2   不同氮肥处理对水稻根际土壤Pb、Cd含量的影响

对不同氮肥处理下采集的水稻根际土壤样品分别进行Pb和Cd含量的测定，结果如图 2所示。

根据国家《土壤环境质量标准》(GB l5618-1995)中的Ⅱ级标准对土壤进行评价，Pb和Cd元素的限量值分别为：Pb≤250 mg·kg^-1，Cd≤0.3 mg·kg^-1，由图 2可知，各处理中的水稻根际土壤Pb和Cd含量均超标。其中，施用硝态氮肥处理，根际土壤Pb和Cd含量均高于酰胺态氮肥处理；施用铵态氮肥处理，根际土壤Pb和Cd含量均低于酰胺态氮肥处理，表明不同形态的氮肥处理会影响水稻根际土壤对重金属的吸收。原因可能在于铵态氮肥施入土壤中，使根际土壤pH值下降(图 1)，根际周围酸化，增大了土壤中Pb和Cd的溶解度，导致土壤吸附Pb和Cd的量减少；相反，硝态氮施入土壤后会提高根际土壤pH值，造成根际周围碱化，从而增加了土壤中Pb和Cd的吸附量^[18-19]。方差分析结果表明，不同氮肥处理的根际土壤Pb含量之间差异达显著水平(P＜0.05)，Cd含量之间差异不显著，无论何种氮肥处理，根际土壤Pb含量均显著高于Cd含量。

2.3   不同氮肥处理对水稻植株吸收Pb、Cd的影响

水稻收获后，分离植株的根、茎叶和籽粒，分别测定不同氮肥处理下样品中Pb和Cd的含量，结果如表 1所示。

表  1  不同氮肥种类对水稻植株Pb和Cd含量的影响

Table  1.  Pb and Cd concentration of rice plants as affected by different nitrogen form

氮肥形态	Pb含量/(mg·kg-1)				Cd含量/(mg·kg-1)
	根	茎叶	籽粒		根	茎叶	籽粒
CK	55.7±4.34b	4.40±0.588d	0.229±0.039d		0.738±0.083b	0.431±0.004de	0.265±0.014d
AD+DCD	24.0±0.637c	3.89±0.549d	0.116±0.001d		0.674±0.020bc	0.373±0.001d	0.197±0.001e
XD	73.2±0.559a	6.32±0.324d	0.374±0.061d		1.21±0.056a	0.471±0.019cd	0.336±0.006d
注：表中CK、AD和XD分别为酰胺态氮肥、铵态氮肥和硝态氮肥处理，DCD为双氰胺；不同小写字母表示各处理间差异显著(P < 0.05)。

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从表 1可以看出，无论何种形态的氮肥处理，Pb和Cd元素在水稻植株各部位的含量基本呈现根部＞茎叶＞籽粒的现象，说明水稻植株吸收的重金属绝大多数分布在根部。依据国家《食品中污染物限量标准》(GB 2762-2017)对水稻籽粒中的Pb和Cd含量进行评价，各重金属元素的限量值分别为：Pb≤0.2 mg·kg^-1，Cd≤0.2 mg·kg^-1。由表 1可知，酰胺态氮肥和硝态氮肥处理的水稻籽粒中Pb和Cd含量均有一定程度的超标，硝态氮肥处理的水稻不同部位Pb、Cd含量要比铵态氮肥处理的高，原因主要是不同种类氮肥施入土壤后，对土壤重金属活性的改变影响了水稻对其的吸收。方差分析结果表明，不同氮肥处理的水稻根部Pb含量之间差异达显著水平(P＜0.05)，无论何种氮肥处理，根部的Pb和Cd含量均分别与茎叶和籽粒部位的Pb和Cd含量达显著性差异水平。

进一步采用单因子污染指数(PI)来评价不同氮肥处理下水稻籽粒中Pb和Cd的污染程度，结果如图 3所示。

从图 3可以看出，酰胺态氮肥和硝态氮肥处理的水稻籽粒中Pb和Cd的污染指数均在1~2，属于轻度污染等级；铵态氮肥处理的籽粒中Pb的污染指数小于1，说明籽粒未受到Pb的污染，Cd的污染指数在1~2，污染等级为轻度。从不同氮肥形态比较来看，酰胺态氮肥和硝态氮肥处理的籽粒中Pb和Cd污染指数均高于铵态氮肥处理，说明在同一土壤背景，同一水稻品种种植下，施用铵态氮肥水稻籽粒受到重金属的污染程度可以得到减轻。

可见，硝态氮肥和铵态氮肥影响水稻对Pb和Cd的吸收效果不同，从前面分析可知，硝态氮肥处理可以提高根际土壤的pH值，而在较高的pH值条件下水稻籽粒对Pb和Cd的吸收能力明显高于较低pH值条件下(铵态氮肥处理)，表明pH值不是氮肥影响水稻重金属吸收和积累的唯一决定因素，这与已有的研究结果一致^{[18, 20]}。Mao等^[21]，Guan等^[22]研究表明，作物对Cd的吸收和积累与硝态氮含量具有协同作用，本研究结果显示，硝态氮肥处理的水稻籽粒Pb和Cd含量较高，其对应的根际土壤硝态氮含量也较高(图 1)。但王艳红等^[4]，Zaccheo等^[23]研究结果认为，铵态氮肥处理能够降低根际土壤的pH值，提高土壤中重金属的活性，导致作物吸收了更多的重金属。关于氮肥形态对水稻重金属含量影响的研究并不一致，原因可能在于土壤的理化性质、微生物活性和作物的生理机制等因素对其影响较大。因此，有关不同氮肥形态调控水稻重金属吸收差异的机制还需要开展进一步的深入研究。

2.4   不同氮肥处理下水稻籽粒Pb、Cd的健康风险评价

为了进一步明确本研究中受重金属Pb和Cd污染的水稻籽粒是否给居民健康带来风险，通过风险评价模型计算不同氮肥处理下籽粒中Pb和Cd的风险商(HQ)，以评价重金属对人体的健康风险，结果如图 4所示。

从图 4可以看出，对于Pb元素，3种氮肥处理下水稻籽粒中Pb的风险商均小于1，保持在可接受风险水平以内，说明通过食用研究中的水稻籽粒摄入的Pb元素不会对居民健康造成危害。对于Cd元素，3种氮肥处理下水稻籽粒中Cd的风险商均大于1，说明通过食用研究中的水稻籽粒摄入的Cd元素存在对居民健康造成风险的可能。从不同氮肥形态比较来看，酰胺态氮肥和硝态氮肥处理的籽粒中Cd的风险商均高于铵态氮肥处理，说明施用铵态氮肥可以降低镉对居民健康带来的风险。

以上结果表明，铵态氮肥施入土壤能够有效减少水稻籽粒对Pb和Cd的吸收，降低通过水稻途径摄入镉的风险，因此实际生产中可以通过施用铵态氮肥以减轻水稻重金属污染。但在土壤中施用铵态氮肥时，应综合考虑不同土壤类型、不同作物品种的特点，选择合适的铵态氮肥种类、用量及施用时间，以达到肥料的最优化利用。

3.   讨论与结论

稻米是我国居民的主要消费食品，随着科学技术的不断发展，相应的产地环境污染对稻米的危害也日益加深，重金属污染问题已严重威胁到稻米的安全生产。本研究选择福建闽西矿区周边的农田土壤，以福建省常见的中浙优1号为供试水稻品种，进行氮肥不同种类的盆栽试验，分析不同氮肥处理对水稻根际土壤理化性质的影响及土壤-水稻系统中Pb、Cd含量的变化情况，应用单因子污染指数和风险评价模型对不同氮肥处理下稻米重金属的污染程度和食用风险进行评价。研究结果表明：(1)水稻土中施入不同形态的氮肥可改变根际土壤的性质如pH、铵态氮和硝态氮含量，相对于酰胺态氮肥，施用铵态氮肥可使根际土壤pH值下降，施用硝态氮肥可使根际土壤pH值上升，这与土壤中铵态氮和硝态氮所占比例有一定关系；(2)不同形态的氮肥处理会影响水稻根际土壤对重金属的吸收，相对于酰胺态氮肥，铵态氮肥处理可使根际土壤中Pb、Cd含量减少，硝态氮肥处理则使根际土壤中Pb、Cd含量增加；(3)不同形态的氮肥处理会影响水稻植株对重金属的吸收，相对于酰胺态氮肥和硝态氮肥，铵态氮肥能够降低水稻植株各部位的Pb、Cd含量，适合在镉污染土壤上水稻的施用；(4)居民通过水稻途径摄入的Pb对其健康不存在潜在风险，摄入的Cd存在潜在风险，相对于酰胺态氮肥和硝态氮肥，铵态氮肥处理可在一定程度上降低镉对居民健康带来的风险。本研究结果将为农业生产中通过施肥措施调控土壤-水稻系统重金属的累积与吸附提供重要途径。

本研究中，因盆栽试验所获得的数据量少，只能基于点评估计算的方法对水稻籽粒的食用风险进行评价，得到一个确定的风险估计值，这样无法获取不同概率下的膳食风险大小，而且没有考虑到测量数据的不确定性和变异性，可能会高估暴露的风险程度。而基于Monte Carlo模拟的概率模型是目前国际广泛接受的方法，它通过风险方程式输入及使用这些输入值重复抽样以计算风险值范围的概率分布，通过模拟一系列随机选择的条件而评价每一个风险参数，产生一个潜在风险的概率估计，结果更符合实际^[24-25]。因此，今后还需要开展进一步的数据收集，采用概率模型进行水稻的膳食暴露评估，提高风险分析的准确度。