目前，我国农田土壤中重金属污染状况呈现加剧趋势，主要由Cd、Hg、Cr、Pb、Cu、Zn等重金属引起^{[1, 2]}。重金属在农田土壤中的不断积聚，会阻碍农作物生长，导致农产品(如稻米)中重金属含量超标，降低其品质与安全性，直接影响到消费者的健康以及稻米的生产销售^{[3, 4]}。Cu和Cd作为土壤中的2种重要的金属元素，对水稻的生长发育的影响已不容忽视。有研究报道，Cu、Cd对水稻生长发育的各方面都有影响，尤其是抑制水稻的光合作用而导致生物量的下降^[5]。也有研究表明，过量Cu可能通过拮抗或协同作用，引起植物体内其他元素的平衡失调^[6]；Lidon和Henriques^[7]研究指出，过量Cu会抑制植物对Mn、Fe、Ca等的吸收，进而影响其安全品质。Cd胁迫对水稻叶片矿质元素积累也有显著的抑制作用^[8]，可通过影响细胞质膜的透性而影响一些营养元素的吸收和积累^[9]。

大气环境是作物生长的重要环境因素之一，CO₂浓度升高会对种植业特别是农产品的产量和品质产生深远影响^[10]。据预测，到本世纪末CO₂浓度可达到800 μL/L^[11]。有研究报道，大气中CO₂浓度升高能够强化植物对重金属等污染物的吸收甚至诱导植物超积累某些重金属^[12]。但由于阳离子之间的在土壤、植物根系表面的竞争，使得植物吸收Cu、Cd的相对有效性可能存在不同^{[13, 14, 15]}。Tang等^[12]的研究表明，CO₂浓度升高对植物抵抗Cu胁迫环境有显著的促进作用，而且显著促进了植物的地上部生物量，还可诱导植物超积累Cu。也有研究指出，CO₂浓度升高降低了稻米中的Cu含量^{[16, 17, 18, 19]}；Guo等^{[20, 21]}研究发现CO₂浓度升高会降低水稻籽粒的Cu含量，但稻米中Cd含量根据品种有升高有降低。李中阳等^[22]发现，CO₂浓度升高会导致部分水稻品种高量吸收重金属，这将来会成为危害人体健康的一个潜在隐患，Cd所带来的隐患比Cu严重。此外，CO₂作为植物光合作用的必要原料，其浓度的升高必然会对植物光合速率、生理代谢等因素产生影响，从而影响作物产量与生物量^{[23, 24]}，也势必会对稻米吸收营养元素产生影响。虽有研究报道，大气CO₂浓度升高会增加水稻产量，但并不意味着稻米对营养元素吸收会增多，且目前关于CO₂浓度升高对水稻籽粒矿质元素的影响报道结果并不一致。吴键^[25]研究表明，大气CO₂浓度升高显著影响了水稻籽粒中各营养元素的含量，其中Cu的含量随大气CO₂浓度升高而呈逐步降低的趋势，Zn、Mn含量呈增长趋势。庞静^[26]研究表明CO₂浓度升高对稻米中Ca、Cu、Zn、Mn、Fe含量无显著影响。Lieffering^[27]研究表明，CO₂浓度升高增加了Zn和Mn的含量，其他元素没有显著变化。Manderscheid^[28]和Fangmeier等^[29]指出，大气中CO₂浓度增高会降低农作物籽粒如小麦、稻米中某些营养元素的含量。Seneweera和Conroy^[17]采用化学计量法证实了高浓度CO₂条件下水稻籽粒中的Fe、Zn含量均降低。

水稻作为我国的主要粮食作物之一，其品质优劣直接关乎到我国居民的身体健康。目前，重金属污染农田CO₂浓度升高影响水稻吸收或超累积重金属的报道较少，对其安全评价的研究也不多见。因此，研究CO₂浓度的升高对其生长发育及稻米品质的影响势在必行。本文通过在2种不同污染程度的铜镉复合污染土壤上，研究CO₂浓度升高条件下5种籼稻稻米中Cu、Cd、Fe、Zn、Ca、Mn等含量的变化，分析不同水稻品种间的重金属含量差异，并对稻米的卫生安全进行评估，了解重金属污染对人类健康的潜在风险，以期为未来CO₂浓度升高条件下重金属污染土壤稻米的安全生产提供指导。

本试验供试土壤为不同污染程度的铜镉复合污染土壤，采自江苏省南京市九华山(N 32°04.621′；E 119°05.514′)0—20 cm农田耕层。该土壤类型为黄棕壤，污染为铜矿区污水灌溉所致。其低、高复合污染土壤中Cu 和 Cd 含量接近或超出了农田土壤中重金属含量的国家二级标准^[30](100 mg Cu/kg和0.6 mg Cd/kg，pH值≥7.5)。土壤自然风干后过3 mm不锈钢筛备用。土壤基本性质见表 1，具体测定方法参见农业环境监测实用手册^[30]和土壤农业化学分析方法^[31]。

供试水稻品种为我国南方种植面积较广的5种籼稻，分别为1^#金优463、2^#三香优974的2种杂交稻、3^#中嘉早17、4^#湘早6号、5^#湘早42等3种常规稻。

本试验采用完全随机试验设计。2种不同污染程度的铜镉复合污染土壤，2种CO₂浓度((380±50) μmol/mol和(760±50) μmol/mol)，完全组合，共4个处理，每个处理重复3次。分别标记为AL(低污染土壤正常CO₂)、AH(高污染土壤正常CO₂)、EL(低污染土壤CO₂浓度升高)、EH(高污染土壤CO₂浓度升高)。

采用土培盆栽试验。塑料桶尺寸(高×直径)为26 cm×22 cm，每桶装7.5 kg风干土，栽种3株水稻。幼苗移栽前，每桶土中添加底肥分别为N 0.20 g/kg，P 0.10 g/kg，K 0.20 g/kg(试验所施用的N、P、K肥料种类分别为CO(NH)₂、KH₂PO₄、K₂SO₄，购自天津市赢达稀贵化学试剂厂，试剂纯度≥99.0%)，施肥后平衡2周。试验于2012年4—9月在农业部环境保护科研监测所的6个OTC装置中进行。3个OTC通CO₂气体，控制浓度为(760±50) μmol/mol，以3个OTC不通CO₂气体(正常大气CO₂浓度(380±50) μmol/mol)作为对照。CO₂的通气时间为每天8:30—18:30，共10 h。

水稻完全成熟后采收稻穗，经自然风干后进行手工脱粒，然后用砻谷机(JGMJ8098，上海嘉定里粮油仪器有限公司)脱壳后磨碎备用。称取磨碎后的稻米0.2—0.3 g到100 mL高型烧杯中，加入8 mL HNO₃和2 mL H₂O₂，静置过夜后于电热板上进行消煮。消煮液定容至50 mL容量瓶，过滤至50 mL塑料瓶中备用。用ICP-MS(Agilent 7500)测其Cu、Cd、Fe、Zn的含量。同时测定标准样品进行质量控制与结果校正。

为了评估人群食用CO₂浓度升高后生长于重金属污染土壤上的稻米所造成的健康风险，根据Zheng等人^[32]提出的方法及美国整合风险信息系统(Integrated Risk Information System,IRIS)^[33]，将标靶危害系数(Target hazard quotients，THQ)运用到本研究中。标靶危害系数是一种用于人体通过食物摄取重金属风险的评估方法，其公式如下：

潘晓群等人^[34]研究报道，成年人平均每天的稻米食用量为261.1 g 人^-1 d^-1。根据美国整合风险信息系统，Cd的RfD值为1.0 μg kg^-1 d^-1。THQ计算结果中，当THQ≤1.0时，则人体负荷的重金属对人体健康造成的影响不明显；当10≥THQ＞1.0时，表明对人体健康产生影响的可能性很大；当THQ＞10时，表明存在慢性毒性。

采用Excel 2003、SPSS 17.0统计软件进行数据处理，并利用新复极差法(Duncan法)进行差异显著性检验( P＜0. 05)。

在低、高铜镉复合污染土壤上，CO₂浓度升高对5种籼稻稻米干物重影响差异显著(P<0.05)(图 1)。在正常CO₂浓度下，低、高铜镉复合污染土壤上，5种籼稻稻米干物重范围分别为34.91—66.35 g/pot、38.41—71.27 g/pot，其中均是湘早6号稻米干物重最低。在低复合污染土壤上，5种籼稻除湘早6号外CO₂浓度升高均显著降低了稻米干物重，降低幅度为5.57%—15.56%，湘早6号显著增加了16.37%。在高复合污染土壤上，5种籼稻除三香优974外CO₂浓度升高均显著增加了稻米干物重，增加幅度为5.68%—20.47%，三香优974显著降低了6.37%。

图1 铜镉污染土壤上CO2浓度升高对稻米干物重的影响 Fig.1 Effects of elevated CO2 on the grain dry weight of rice at Cu and Cd contaminated soil levels 1#金优463, 2#三香优974的2种杂交稻， 3#中嘉早17, 4#湘早6号, 5#湘早42等3种常规稻

图选项

在低、高铜镉复合污染土壤上，CO₂浓度升高对5种籼稻稻米中Cu含量及吸收量的影响存在差异(P<0.05)(图 2)。在正常CO₂浓度下，低、高铜镉复合污染土壤上，5种稻米中Cu含量范围分别为4.42—5.70 mg/kg、5.10—5.85 mg/kg。在CO₂浓度正常、升高条件下，高复合污染土壤处理相较于低复合污染土壤处理其5种稻米中Cu含量基本呈现增加的趋势，增加幅度分别为1.60%—32.37%、32.88%—105.80%；其中均是中嘉早17增加幅度最大。在低复合污染土壤上，CO₂浓度升高降低了稻米中Cu含量，其降低幅度为4.75%—24.49%；而在高复合污染土壤上，CO₂浓度升高均增加了稻米中Cu含量，其增加幅度为6.60%—40.37%，且基本都达到显著水平(P<0.05)。

图2 铜镉污染土壤上CO2浓度升高对稻米中Cu含量及吸收量的影响 Fig.2 Effects of elevated CO2 on the grain Cu concentrations and uptake of rice at Cu and Cd contaminated soil levels

图选项

在正常CO₂浓度下，低、高铜镉复合污染土壤上，5种稻米中Cu吸收量范围分别为0.20—0.31 mg/桶、0.22—0.41 mg/桶，其中均是金优463最高湘早6号最低。相较于低复合污染土壤处理，高复合污染土壤处理均显著增加了5种稻米中Cu的吸收总量，在正常CO₂浓度和CO₂浓度升高条件下增加幅度分别为：5.50%—30.46%、63.14%—185.01%。在低复合污染土壤上，除湘早6号稻米Cu吸收量增加8.14%外，其他品种稻米Cu吸收量在CO₂浓度升高条件下均有所降低，降低幅度为10.68%—28.65%，其中嘉早17和湘早42达到显著水平(P<0.05)。在高复合污染土壤上，CO₂浓度升高均降低了5种籼稻稻米Cu吸收量，降低幅度为12.46%—62.09%，其中除金优463外均达到显著水平(P<0.05)。

CO₂浓度升高对5种籼稻稻米中Cd含量及吸收量的影响存在差异(P<0.05)(图 3)。在正常CO₂浓度下，低、高复合污染土壤上，5种水稻的稻米中Cd含量范围分别为35.93—306.87 μg/kg、79.04 —383.78 μg/kg。在CO₂浓度正常、升高条件下，与低污染土壤处理相比，高污染土壤上稻米中Cd含量除两种杂交稻在高污染土壤上略有降低外其他均显著增加(P<0.05)，增加幅度分别为14.77%—177.24%、22.00%—44.63%。在低、高复合污染土壤上，CO₂浓度升高均显著降低了三香优974稻米中Cd含量，其降低幅度分别为43.44%、57.95%；其他4个水稻品种除金优463和湘早6号稻米Cd含量在高污染土壤上略有降低外，其他在低、高复合污染土壤上，CO₂浓度增加均显著增加了稻米中Cd含量(P<0.05)，其增加幅度分别为25.42%—103.07%、12.62%—20.05%。

图3 铜镉污染土壤上CO2浓度升高对稻米中Cd含量及吸收量的影响 Fig.3 Effects of elevated CO2 on the grain Cd concentrations and uptake of rice at Cu and Cd contaminated soil levels

图选项

在正常CO₂浓度下，低、高铜镉复合污染土壤上，5种稻米中Cd吸收量范围分别为2.05 —20.36 μg/桶、5.16—27.38 μg/桶。相较于低复合污染土壤处理，高复合污染土壤处理均显著增加了5种稻米中Cd的吸收总量，在正常CO₂浓度和CO₂浓度升高条件下增加幅度分别为：16.64%—203.98%、20.48%—68.92%。在低复合污染土壤上，除三香优974稻米Cd吸收量显著降低47.01%外，其他品种稻米Cd吸收量在CO₂浓度升高条件下均显著增加，增加幅度为10.68%—28.65%。在高复合污染土壤上，CO₂浓度升高均降低了2种杂交籼稻稻米Cd吸收量，降低幅度分别为：2.33%、60.56%，其中三香优974达到显著水平，而CO₂浓度升高增加了3种常规稻稻米Cd吸收量，分别增加33.06%、3.82%、27.71%，其中中嘉早17和湘早42达到显著水平(P<0.05)。

在铜镉复合污染土壤上，CO₂浓度升高对5种籼稻稻米中Fe、Zn含量的影响存在明显差异(P<0.05)(图 4)。正常CO₂浓度下，在低、高复合污染土壤处理上，5种籼稻稻米中Fe含量范围分别为19.62—31.75 mg/kg、20.01—34.56 mg/kg，其中均是中嘉早17稻米Fe含量最高，湘早42最低。在低、高复合污染土壤上，CO₂浓度升高均降低了两种杂交稻的稻米Fe含量，且金优463达到显著水平(P<0.05)，降低幅度分别为：15.93%、22.96%；而三种常规稻中除湘早6号在高污染土壤上略有降低外，其他均有增加趋势，增加幅度分别为：25.44%—43.37%、4.76%—52.98%，且湘早42均达到显著水平(P<0.05)。

图4 铜镉污染土壤上CO2浓度升高对稻米中Fe、Zn含量的影响 Fig.4 Effects of elevated CO2 on the grain Fe and Zn concentrations of rice at Cu and Cd contaminated soil levels

图选项

正常CO₂浓度下，5个籼稻品种在低、高铜镉复合污染土壤上的稻米中Zn含量范围分别为34.86—68.67 mg/kg、31.98—85.92 mg/kg。在低污染土壤上，CO₂浓度升高显著增加了三香优974稻米Zn含量(P<0.05)，增加幅度为51.08%，其他4个品种有升高有降低，但都未达到显著水平。在高污染土壤上，CO₂浓度升高显著降低了三香优974和中嘉早17的稻米Zn含量(P<0.05)，其降低幅度分别为：27.42%、37.33%；而CO₂浓度升高显著增加了湘早6号和湘早42的稻米Zn含量(P<0.05)，其增加幅度分别为：91.00%、23.28%。

在铜镉复合污染土壤上，CO₂浓度升高对5种籼稻稻米中Ca和Mn的含量影响存在很大的品种差异(P<0.05)(图 5)。正常CO₂浓度下，5个水稻品种在低、高污染土壤处理下的稻米Ca含量范围分别为：96.61—159.15 mg/kg、104.60—195.76 mg/kg，其中均是三香优974稻米中Ca含量最高。CO₂浓度升高对稻米中Ca含量的影响品种差异显著，在低污染土壤上，CO₂浓度升高显著增加了金优463和三香优974籽粒Ca含量(P<0.05)，分别增加了14.67%、33.03%；而显著降低了湘早42稻米的Ca含量(P<0.05)，降低幅度为11.13%。在高污染土壤上，CO₂浓度升高仅显著增加了中嘉早17稻米Ca含量(P<0.05)，增加幅度为22.62%。

图5 铜镉污染土壤上CO2浓度升高对稻米中Ca、Mn含量的影响 Fig.5 Effects of elevated CO2 on the grain Ca and Mn concentrations of rice at Cu and Cd contaminated soil levels

图选项

正常CO₂浓度下，5种籼稻在低、高污染土壤处理下的稻米Mn含量范围分别为：48.25—55.06 mg/kg、37.48—52.94 mg/kg，其中均是金优463稻米Mn含量最高。在CO₂浓度正常、升高条件下，高污染土壤处理相较于低污染土壤处理其稻米Mn含量均降低，降低幅度分别为：3.84%—23.76%、5.79%—13.35%，其中中嘉早17、湘早6号和湘早42均达到显著水平(P<0.05)。在低污染土壤上，CO₂浓度升高均降低了稻米中Mn的含量，降低幅度为：4.59%—12.32%。在高污染土壤上，CO₂浓度升高降低了两种杂交稻稻米Mn含量，降低幅度分别为：12.24%、2.45%，而3种常规籼稻的稻米Mn含量均有所增加，增加幅度为：2.26%—8.34%。

根据标靶危害系数计算模型可知，5个籼稻品种生产的稻米进入人体Cd暴露接触的THQ值存在差异(图 6)。在正常CO₂浓度条件下，低、高复合污染土壤上两种杂交稻稻米中Cd的THQ值均大于1，3种常规稻品种其稻米Cd的THQ值均小于1，说明金优463和三香优974稻米中Cd对人体健康存在潜在风险。在低污染土壤处理下，CO₂浓度升高降低了三香优974稻米Cd的THQ值，且THQ值小于1，说明CO₂浓度升高显著降低了三香优974稻米Cd对人体的潜在风险；其他四个品种稻米Cd的THQ值均有所增加，但只有金优463稻米Cd的THQ值大于1，说明CO₂浓度升高增加了金优463稻米对人体暴露接触Cd所带来的潜在风险。在高污染土壤上，CO₂浓度升高降低了两种杂交稻稻米Cd的THQ值，且使三香优974稻米Cd的THQ值降到1以下，显著降低了人体暴露接触Cd所带来的潜在风险，而金优463稻米Cd的THQ值仍大于1；CO₂浓度升高对3种常规稻稻米Cd的THQ值影响不明显。

图6 铜镉污染土壤上CO2浓度升高对稻米中Cd的THQ值影响 Fig.6 Effects of elevated CO2 on the grain Cd THQ values of rice at Cu and Cd contaminated soil levels

图选项

有研究结果表明，重金属胁迫会导致水稻生长发育受阻，可降低水稻的生物产量^[35]，Cu、Cd可抑制水稻的光合作用而导致生物量的下降^[5]。有研究结果显示，CO₂浓度升高水稻各个部分的变化比例非常大^[36]，但也有研究认为CO₂浓度升高能够促进水稻的生长发育及干物质形成，但水稻的产量却没有提高^[37]。在本试验中，CO₂浓度升高显著降低了低复合污染土壤上的稻米干物重，而显著增加了高复合污染土壤上的稻米干物重。说明铜镉复合污染土壤处理及CO₂浓度升高的交互作用对水稻稻米生物量的影响存在很大品种差异。

在CO₂浓度升高引起生物量增加的情况下，被水稻稻米吸收的重金属含量，将会出现3种情况：稀释、增加、变化不大。目前作物对Cu和Cd吸收的品种差异受土壤污染程度和CO₂浓度升高的影响早有报道^{[38, 39, 40, 41, 42]}。本试验研究结果表明：在低污染土壤上，CO₂浓度升高均降低了稻米中Cu含量及吸收量，这与吴键^[25]、Yang等^[18]、Seneweera等^{[16, 17]}和Jia等^[19]研究结果一致，而在高污染土壤上，CO₂浓度升高均增加了稻米中Cu的含量，但总吸收量却是有所降低。在两种污染土壤上，CO₂浓度升高均降低了三香优974稻米Cd含量及吸收量，而其他4种水稻稻米Cd含量及吸收量基本上均显著增加。说明阳离子之间的竞争，使得水稻吸收Cu、Cd的相对有效性存在不同^{[13, 14, 15]}，且根据水稻品种的不同对Cu、Cd的吸收差异也较大。

大量文献报道，重金属胁迫与CO₂浓度升高均会对水稻吸收矿质元素产生影响。有研究研究指出，过量Cu会抑制植物对Mn、Fe、Ca等的吸收^[7]，Cd胁迫对水稻矿质元素积累也有显著的抑制作用^[8]。庞静^[26]研究结果表明CO₂浓度升高对籽粒中Ca、Zn、Mn、Fe含量无显著影响，而Lieffering^[27]研究表明，CO₂浓度升高可增加了Zn和Mn的含量，其他元素没有显著变化。本试验研究表明，铜镉复合污染土壤上，CO₂浓度升高对稻米中Fe、Zn、Ca、Mn含量变化的影响品种差异显著，有升高有降低。在两种污染土壤上，CO₂浓度升高显著降低了金优463稻米Fe含量，显著增加了湘早42稻米Fe含量，这和庞静^[26]、Seneweera等^[17]部分研究结果一致。在低污染土壤上，CO₂浓度升高显著增加了三香优974稻米Zn、Ca含量，显著降低了湘早42稻米Ca含量，其他品种影响不明显，这和庞静^[26]、Lieffering^[27]和Seneweera^[17]部分结果相一致；CO₂浓度升高均降低了5种籼稻稻米中Mn的含量，这与庞静^[26]和Lieffering^[27]研究结果相反。在高污染土壤上，CO₂浓度升高显著降低了三香优974和中嘉早17稻米Zn含量，却显著增加了湘早6号和湘早42稻米Zn含量，这和庞静^[19]研究结果不一致，与Lieffering^[27]部分研究结果一致；CO₂浓度升高增加了3种常规稻稻米中Ca、Mn含量，而两种杂交稻稻米Ca、Mn有降低趋势。因此，水稻籽粒对矿质元素的吸收在铜镉复合污染土壤处理和CO₂浓度升高条件下存在很大品种差异。

参照《农业环境监测实用手册》稻米中重金属含量的允许量标准值Cd≤0.2 mg/kg^[30]。本试验中，在正常CO₂浓度和CO₂浓度升高条件下，低、高复合污染土壤上金优463稻米中Cd含量均超标，三香优974仅在正常CO₂浓度条件下稻米Cd含量超标，而在CO₂浓度升高条件下其稻米Cd含量未超标；其他3个水稻品种稻米中Cd含量均未超标。

THQ 值是一种广泛应用于人体通过食物摄取重金属风险的评估方法^{[43, 44]}。本试验中，在正常CO₂浓度条件下，低、高复合污染土壤上5种籼稻中，两种杂交稻金优463和三香优974稻米中Cd的THQ值均大于1，说明稻米中Cd含量对人体暴露接触的潜在风险范围扩大比较严重。在低污染土壤上，CO₂浓度升高使三香优974稻米Cd的THQ值小于1，明显降低了其稻米中Cd对人体的潜在风险，其他4个水稻品种稻米中Cd的THQ值均有所增加，说明CO₂浓度升高增加了人体暴露接触Cd所带来的潜在风险。在高污染土壤上，CO₂浓度升高明显降低了三香优974稻米Cd的THQ值，使人体暴露接触Cd所带来的潜在风险大大降低；而CO₂浓度升高对其他4种水稻稻米中Cd的THQ值影响不明显。

CO₂浓度升高均降低了低污染土壤上的稻米Cu含量及吸收量，增加了高污染土壤上的稻米Cu含量而降低了Cu的吸收量。两种污染土壤上，CO₂浓度升高降低了三香优974的稻米Cd含量及吸收量，而增加了其他4种水稻稻米Cd含量及吸收量。在正常CO₂浓度和CO₂浓度升高条件下，两种污染土壤上金优463稻米中Cd含量均超标，三香优974仅在正常CO₂浓度条件下稻米Cd含量超标。

铜镉复合污染土壤上，CO₂浓度升高对稻米矿质元素Fe、Zn、Ca、Mn含量变化的影响表现为显著增加、显著降低或无影响，品种差异显著。

在低、高复合污染土壤上，金优463和三香优974稻米中Cd含量对人体暴露接触的潜在风险范围扩大比较严重。CO₂浓度升高显著降低了三香优974稻米中Cd对人体暴露接触的潜在风险，对其他4个水稻品种稻米Cd的THQ值影响不明显。