淮安市5個縣區稻田土壤-稻谷系統中重金屬污染水平及富集特征

王 芹 徐 瑞 袁愛菊 吳珺瑋 張 芹

（淮安市疾病預防控制中心，淮安 223003）

土壤是人類生存不可或缺的資源。隨著經濟社會的飛速發展和人們生活水平的提高，農藥化肥的不正確使用、污水和固體廢棄物的不合理排放，導致環境污染程度逐年增加，農用土壤重金屬污染問題凸現。污染嚴重地區糧食安全生產受到威脅，甚至引發了生態事件[1]。重金屬進入土壤后具有滯后性、持久性、不可逆性和隱蔽性，易進入食物鏈對生態環境和人體健康產生危害[2-8]。2010～2012年間，中國有10萬km2耕地受重金屬污染。高背景值地區的土壤重金屬超標。土壤重金屬污染呈流域性的趨勢[9]。

水稻對重金屬有很強的富集能力[2,10]，作為一種重要糧食作物，是重金屬進入人體的途徑之一。在以稻谷為主食的地區，土壤-水稻系統中重金屬的含量水平，對居民的膳食健康有重要的現實意義。本試驗以淮安市稻田土壤-稻谷為研究對象，采集土壤-稻谷樣品40組，檢測5種重金屬含量，并分析土壤中重金屬的污染特征及其在稻谷中富集狀況，以了解本地區土壤重金屬污染狀況和稻谷安全狀況，為淮安市建立地產農產品安全體系提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品來源

采集淮安市5個縣區(淮陰區、淮安區、洪澤區、清江浦區、漣水縣)水稻種植區的土壤和水稻樣本各8組，共40組。

稻田土壤在1m2范圍內按照5點取樣法采集，5～20cm深表層土壤混合為1份樣品，每份1000g左右。在采集土壤的同時，采集該土壤1m2范圍內農田生長的稻谷1000g。

1.2 分析方法及儀器試劑

土壤樣品自然風干后，研磨過0.15mm篩，密封備用。稻谷樣品自然曬干后，脫殼粉碎，密封備用。

土壤樣品按照《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定王水提取-電感耦合等離子體質譜法》(HJ 803-2016)、《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法第1部分：土壤中總汞的測定》(GB/T 22105.1-2008)消化檢測；稻谷樣品按照《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》(GB 5009.268-2016) 消化檢測。

儀器：電感耦合等離子體質譜儀(PE Nexion300x)；原子熒光光度計(北京吉天 AFS-9130)；pH計(上海雷磁 PHSJ-226)。標準溶液：24種ICP分析用多元素溶液標準物質(GBW(E)083549 NCS141018)；汞單元素標準溶液(GSB 04-1729-2004)。試劑：鹽酸(優級純)，硝酸(光譜純)。

使用電感耦合等離子體質譜儀檢測土壤Pb、Cd、Cr、As和稻谷樣品中的Pb、Cd、Cr、As、Hg，使用原子熒光光度計檢測土壤中Hg。用pH計測定土壤pH值。每份樣品重復測定3次取平均值。相關性分析使用SPSS19.0軟件。

1.3 評價方法

土壤和稻谷中重金屬臨界值評價分別參照《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準標準(試行)》(GB15618-2018)、《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB2762-2017)，見表1。

表1 土壤及稻谷中重金屬含量評價標準

土壤重金屬污染評價方采用單因子污染指數法和內梅羅污染指數法[11]。

單因子污染指數

式中，Pi為污染物i的單因子污染指數，Ci污染物i的實測值，Si為污染物i的評價標準值。單因子污染指數評價標準見表2，Pi越大，污染越嚴重。

表2 單因子污染指數評價標準

（1） 內梅羅綜合指數

式中，P綜為所有因子的綜合污染指數，Pimax為污染指數的最大值，Piavg為污染指數的算術平均值。綜合污染指數分級標準見表3。

表3 綜合污染指數分級評價標準

（2） 植物富集因子

式中，PUF為稻谷中污染物i的富集因子，用于分析重金屬在稻谷中的富集水平。Vi為大米中污染物i的含量，Si為土壤中污染物i的含量[12]。

2 結果與分析

2.1 稻田土壤和稻谷中重金屬含量及評價

2.1.1 土壤中重金屬的含量

如表4 所示，研究區稻田土壤的p H 值范圍為5.70～8.73，平均值為7.60。稻田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg的平均含量分別為15.31mg/kg、0.14mg/kg、51.6mg/kg、10.3mg/kg、0.084mg/kg。研究區內Pb、Cd、Cr、As、Hg5種重金屬含量均小于《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準標準(試行)》(GB15618-2018)規定限值。

同一種重金屬元素含量在5個縣區比較來看:清江浦區稻田土壤中Pb、Cr、As的平均含量均高于其他4個縣區，淮安區Cd和Hg的平均含量高于其他4個縣區。Hg和Pb的變異系數分別為74.32%、36.08，為強變異。

2.1.2 稻田土壤重金屬評價

由表5可見，研究區稻田土壤的單因子污染指數平均值分別為：Pb(0.097)、Cd(0.23)、Cr(0.17)、As(0.45)、Hg(0.12)，均＜1,未受污染，As的單因子污染指數明顯高于其他4個重金屬，Cd次之。同一縣區As的單因子污染指數高于其他重金屬。同一重金屬的單因子污染指數在5個縣區相比較，清江浦區Pb、Cd、Cr的單因子污染指數高于其他縣區，洪澤區As的單因子污染指數較高，淮安區Hg的單因子污染指數較高。

表5 稻田土壤中重金屬單因子及綜合評價

研究區稻田土壤內梅羅綜合污染指數為0.32，5個縣區土壤重金屬內梅羅綜合污染指數依次為淮安區(0.40)、洪澤區(0.38)、清江浦區(0.35)、漣水縣(0.34)、淮陰區(0.33),根據評價標準，土壤清潔。

2.2 稻谷中重金屬含量及富集特征

2.2.1 稻谷中重金屬含量

研究區內稻谷中5 種重金屬的含量見表6。Pb、Cd、Cr、As的平均含量分別為0.0140mg/kg、0.0286mg/kg、0.2593mg/kg、0.1074mg/kg，Hg均未檢出，所有數據未檢出比例≤60%，未檢出數據以1/2檢出限計[13]。5種重金屬元素的檢出限分別為Pb＜0.004mg/kg、Cd＜0.002mg/kg、Cr＜0.05mg/kg、As＜0.002mg/kg、Hg＜0.0002mg/kg。

表6 稻谷中重金屬含量

5種重金屬含量均低于國家標準限值。Pb、Cd、Cr、As的變異系數分別為109%、106%、83%、73%，為強變異。同一重金屬在5個縣區比較來看，淮陰區稻谷Pb的平均含量高(0.0143mg/kg)于其他縣區，清江浦區稻谷Cd4(0.036mg/kg)和As(0.2140mg/kg)平均含量高于其他縣區，淮安區稻谷Cr平均含量高(0.3491mg/kg)于其他縣區。

2.2.2 稻田土壤及稻谷中重金屬的相關性分析

對研究區稻田土壤和稻谷中重金屬含量進行相關性分析，結果見表7。土壤和稻谷中Pb、Cd、Cr、As的Person相關系數分別為0.017、0.135、0.291、0.17，土壤和稻谷中4種重金屬含量呈微弱相關。土壤中Pb含量和土壤中Cd、Cr、As含量呈顯著正相關，土壤中Cd和土壤中Cr、As顯著相關，土壤中Cr和土壤中As顯著相關。稻谷中Cd和As顯著正相關。

表7 稻田土壤和稻谷中重金屬含量相關性分析

2.2.3 稻谷對土壤重金屬的富集水平

富集因子能夠在一定程度上反映稻谷對土壤中重金屬的富集狀況。由表8可見，稻谷對5種重金屬的富集水平由高到低分別為Cd(0.14)、As(0.01)、Cr(0.005)、Pb(0.0007)、Hg(0)，稻谷富集Cd能力最強、As次之，Cd、As、Cr、Pb的富集因子大小順序與范榮偉的研究結果一致[14]。同一縣區稻谷富集5種重金屬的能力差異顯著，Cd最強、As次之。同一重金屬在不同縣區富集能力有差異，Cd和As在清江浦區富集水平最高，Cr在淮陰區和淮安區富集水平最高。

表8 稻谷對重金屬富集水平

3 討論

本試驗研究結果顯示，研究區所有土壤和稻谷中5種重金屬的含量均在國家標準限值范圍內，且處于較低濃度水平。

5種重金屬的單因子污染指數和內梅羅綜合指數均顯示土壤清潔安全。As和Cd的單因子污染水平明顯高于其他3種重金屬。

土壤中Hg、Pb和稻田中Pb、Cd、Cr、As均為強變異，說明稻田土壤和稻谷中重金屬含量受人為影響顯著，空間分布不均勻，與人類活動相關[15-17]。稻谷中Hg未檢出，可能是土壤中Hg含量未達到在稻谷中形成富集的水平，或是Hg不容易在谷粒中富集。

稻谷對土壤中5種重金屬的富集研究顯示，稻谷對Cd的富集能力最強，Cd遷移能力最強，As次之。Cd和As在清江浦區富集水平最高。同一重金屬在不同縣區富集能力有差異，這種差異可能與區域環境因子差異(土壤性質、氣候條件、灌溉條件、施肥情況等)有關[18]。

結合相關性分析，土壤中Pb含量和土壤中Cd、Cr、As含量呈顯著正相關，土壤中Cd和土壤中Cr顯著相關，土壤中Cr和土壤中As顯著相關，說明土壤中的Pb、Cd、Cr、As、Hg有同源性。稻谷中Cd和As顯著相關,說明稻谷中Cd和As具有同源性。土壤和稻谷中Pb、Cd、Cr、As微弱相關性，說明土壤和稻谷中的重金屬元素來源和污染程度可能不同，重金屬的遷移具有復雜性[19]。稻谷中重金屬富集也可能是施肥、灌溉水引入。也可能水稻不同部位對重金屬的吸收能力不同，谷粒吸收富集能力較弱[20]。

本研究只采集稻谷，未對水稻的莖葉、根部進行研究，可能是土壤和稻谷中重金屬相關性微弱的原因之一。采集樣本數量、區域有限，代表性有一定的局限性，還有待于進一步研究。

4 結論

總體來看，淮安市稻田土壤和稻谷中5種重金屬總體安全性較好。土壤中5種重金屬具有較顯著的相關性，稻谷中土壤中5種重金屬具有一定的相關性，土壤和稻谷中5種重金屬的相關性微弱。土壤中Cd和As的單因子污染指數高于其他3種金屬，稻谷富集Cd和As的水平也較高。其他3種重金屬的累積特征和富集特征較低。建議加強對人為污染和肥料、灌溉水質量的管控，加大對土壤環境的監控和治理，擴大農產品監測范圍，并充分考慮不同植物的不同部位對重金屬吸收能力差異。