湖北省某地区不同种植模式下土壤与稻米中重金属含量和污染风险评价

姚晶晶，吴 旋，李 葳，王明锐，崔文文，张惠贤，易 甜

（1.湖北省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，武汉 430064；2.农产品营养品质与安全湖北省重点实验室，武汉 430064；3.黄冈市农业技术促进中心，湖北 黄冈 438000）

随着中国经济的高速发展，农业生产面临着巨大的挑战。现代农业因长期不合理使用化肥农药等化学物质、工业废水和废物的随意排放以及大气环境的恶化等原因，使得农用地土壤容易受到重金属的污染。目前，重金属对土壤环境的污染已经引起国际社会的广泛关注，农田土壤中重金属来源主要有2 个：一是成土母质，是土壤重金属的自然来源，二是人类活动［1］。《全国土壤污染状况调查公报》显示，中国农田土壤点位超标率为19.4%，其中以Cd、Ni、Cu 等重金属污染最为突出，造成重金属污染原因有很多，其中化肥使用是农田重金属污染的主要原因之一［2］。重金属不仅会对农业生产系统产生毒害作用，还对目标农作物及农产品的产量和质量安全带来很大影响，同时重金属还会通过食物链富集作用对人的身体健康造成隐形影响［3］。综合运用不同物种间的协同作用有利于减少农业上相关化学物质的使用，保证生产系统生产力的同时可提高产品质量，其中渔稻种养模式就是最早利用这种关系的生产方式。

近年来渔稻、蟹稻和虾稻等多种共作养殖方式兴起。虾稻共作生态养殖模式将水稻、水产2 个农业产业有机结合起来，是一种以发掘稻田生产潜力和效益的生态生产方式，高效地利用了中国农村有限的土地资源和人力资源，降低了稻田化肥和农药的使用量，不仅不会使稻谷产量减少，还能生产出低残留或无残留的稻米，提高稻米质量，实现了虾稻双丰收，增加了农民的收入。虾稻共作具有成本低、见效快、易操作、风险小的特点，该生态养殖模式受到人们的青睐。管勤壮等［4］对稻虾共作模式中土壤有机碳研究发现，稻虾共作种植模式相对于常规种植土壤中有机质含量显著增加，并且土壤全磷、脲酶与有机碳呈显著正相关。刘赫群等［5］研究表明，虾稻共作生态系统中农田土壤养分循环较快，土壤呈养分富集。覃东立等［6］采用气质和液质检测了东北地区蟹稻共作模式出产的中华绒螯蟹体内42 种农药的残留水平，并采用食品安全指数法（IFS）评价了农药的潜在健康风险，但鲜见对于虾稻共作模式的重金属污染的报道。本研究采用原子荧光仪（AFS）检测土壤和稻米中汞元素含量，电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）检测土壤和稻米中铬、镍、铜、锌、砷、镉和铅7 种重金属元素含量，并采用单因子指数法、内梅罗综合累计指数法和潜在生态风险指数法对产地土壤中的重金属进行污染风险评价，以此了解产地土壤环境重金属含量及其污染状况。运用THQ（Targt Hazard Quotients）来评估人在食用虾稻产地水稻时重金属进入人体体内的风险，已确定单项重金属和多种重金属综合对人体健康危害等级。湖北省近年来利用自然优势和产业优势大力发展虾稻种植模式，因此，本研究对湖北省虾稻某产地的常规稻田、2年虾稻田和5年虾稻3 种稻田中的土壤和稻米中8 种重金属含量进行检测并分析其重金属污染风险，以检验产地土壤环境和粮食是否符合国家相关标准，对保障产地农作物质量安全和产地环境安全具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 土壤与水稻样品的采集

对湖北省某地的常规稻田、2年虾稻共作稻田和5年虾稻共作稻田3 块稻田同时采集土壤和水稻样品。所有样品均采于2018年10月上旬，其中水稻样品为成熟的晚稻。土壤样品采集按照HJ/T166—2004《土壤环境监测技术规范》［7］的规定进行采样，土壤和水稻的样品采集同时进行，并且采样点位一致。每个点位采集湿土壤质量400 g 和成熟水稻500 g。共采集土样18 个和水稻样品18 个，其中土壤和水稻样品每块稻田取6 个样品。

1.2 样品的制备

将土样放置于风干盘中，摊成2～3 cm 的薄层风干，适时地压碎、翻动，拣出碎石、砂砾、植物残体。风干的样品倒在有机玻璃板上，用木锤敲打和压碎，拣出杂质，混匀，过孔径0.25 mm（20 目）尼龙筛。过筛后的样品全部置于无色聚乙烯薄膜上，并充分搅拌混匀。将样品放入聚乙烯样品袋中，写好标签备用。

采集成熟期的水稻，用自来水冲洗干净后采用去离子冲洗3 遍以上，放入风干盘中自然风干。手工除去水稻外壳，制成糙米，用研磨工具把稻米研磨成粉，并通过40 目尼龙筛，将样品放入聚乙烯样品袋中，写好标签备用。

1.3 试验试剂

邻苯二甲酸氢钾（分析纯）、磷酸氢二钠（分析纯）、硼砂（分析纯）、氯化钾（分析纯）、盐酸、硝酸、硫酸、氢氧化钾、硼氢化钾、重铬酸钾、氯化汞、氩气（≥99.995%）、氦气（≥99.995%）、汞元素标准溶液；ICP分析用重金属元素混合标准溶液（GNM-M29197—2013）、内标溶液为铑元素标准溶液（GSB 04-1746—2004）（国家有色金属及电子材料分析测试中心）；试验所用试剂未作说明则是符合国家标准的优级纯。

1.4 仪器与设备

Icap Qc ICP-MS 型电感耦合等离子体质谱仪（美国赛默飞世尔公司）、AF-8230 型原子荧光光谱仪（北京吉天仪器有限公司）、pH 计。

1.5 测定项目和方法

土壤pH 检测采用标准NY/T1121.2—2006《土壤检测：土壤pH 的测定》［8］进行检测。土壤中铬、铜、锌、砷、镉、铅元素采用标准HJ803—2016《土壤和沉积物12 种金属元素的测定 王水提取-电感耦合等离子体质谱法》［9］进行测定。土壤中汞元素采用国标GB/T22105.1—2008《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第1 部分：土壤中总汞的测定》［10］进行测定。

水稻中铬、铜、锌、砷、镉、铅元素采用王水提取-电感耦合等离子体质谱法进行测定。汞元素采用国标GB 5009.17—2014《食品安全国家标准食品中总汞及有机汞的测定》［11］进行测定。

1.6 土壤污染评价方法

1.6.1 单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法 目前，土壤污染评价方法较多，应用最为广泛的是单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法［2］。2 种方法计算公式如下。

式（1）中，Pi为土壤中重金属i的单因子污染指数；Ci为土壤中重金属i实际测定值，单位为mg/kg；Si为土壤中重金属i的参比值，单位mg/kg。本研究采用国标GB15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中规定的土壤污染筛选值［12］。

式（2）中，P为内梅罗综合污染指数；(Ci/Si)Max为土壤中重金属中最大单因子污染指数；为土壤中重金属单因子污染指数平均值。单因子污染指数和内梅罗污染指数评价标准见表1。

表1 内美罗污染指数评价标准

1.6.2 土壤重金属潜在生态风险评价方法 采用HaKanson 潜在生态危害指数法对土壤重金属风险程度进行评价，其计算公式如下。

式（3）中，Cij为土壤中重金属i的污染富集系数；Ci为土壤重金属i的实测值；Cin为重金属的参比值，参比值采用国标GB15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中规定的土壤污染筛选值［12］。

式（4）中，Eir重金属i的单项潜在生态风险指数；为重金属i的毒性系数，采用徐争启等［13］、张鑫楠［14］、吴迪等［15］计算的重金属毒性系数Zn=1＜Cr=2＜Cu=Ni=Pb=5＜As=10＜Cd=30＜Hg=40。

式（5）中，RI是多种重金属元素的综合潜在生态风险指数，其分级评价标准见表2。

表2 单项潜在生态风险指数（E）和综合潜在生态风险指数（RI）分级

1.7 水稻对人体健康的风险评价

THQ（Targt hazard quotients）是USEPA 提出的专门评估人在食用食物时重金属进入人体体内风险的一种评价，THQ 方法前提假设是人体吸收重金属的量等于人体直接食入量。如果THQ小于1，则尚未对人体造成健康风险；如果THQ大于1，则表明存在一定的健康威胁，且THQ越大，对人体健康的风险也就越大［16］，目标风险指数THQ具体计算方法如下。

式（6）中，EF是暴露频率（365 d/年）；ED是暴露持续时间（30年）；FIR是食物摄入量（每人每天0.42 kg）；C是样品中重金属实际测量值（mg/kg）；RFD是日参考计量（mg/kg）取值为Cr=1.50、Ni=0.02、Cu=0.04、Zn=0.30、As=0.000 3、Cd=0.001、Pb=0.003 5、Hg=0.000 1［17］；WAB是平均体重（62 kg）；TA为平均暴露时间（70年）。

式（7）中，THQs为整体的THQ，表示多种重金属复合污染导致的潜在健康风险。

1.8 数据处理

采用WPS Excel和SPSS 22.0 软件对土壤和水稻中重金属含量数据进行整理，各评价指数均采用WPS Excel软件进行计算。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量及污染评价

常规稻田、2年虾稻共作稻田和5年虾稻共作稻田土壤中Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg 7 种重金属含量和pH 如表3 所示，对于重金属污染评价采用《土壤环境质量农用地污染风险管控标准（实行）》中农用地土壤污染风险筛选值作为重金属参比值，测得常规稻田土壤pH 平均值为7.64、范围为7.41～7.95，2年稻虾共作的稻田土壤pH 平均值为7.84、范围为7.78～7.99，5年稻虾共作的稻田土壤pH 平均值为7.28、范围为7.05～7.50，因此，常规稻田和2年虾稻田标准采用农用地土壤污染风险筛选值中土壤pH＞7.5 的限量值，而5年虾稻田采用农用地土壤污染风险筛选值中6.5＜土壤pH≤7.5 的限量值，7 种金属元素均为未超过《土壤环境质量农用地污染风险管控标准（实行）》中农用地土壤污染风险筛选值。

表3 土壤中重金属含量和参比值 （单位：mg/kg）

由表4 可知，在常规稻田和2年虾稻稻田中重金属单因子污染指数Pi大小顺序为As＞Cd＞Zn＞Cu＞Cr＞Ni＞Pb＞Hg，各金属单因子污染指数均小于1.00、内罗美综合指数小于0.70，即常规稻田和2年虾稻稻田土壤均未受到单一重金属污染和7 种重金属综合污染，处于安全等级。在5年虾稻共作的稻田土壤各重金属单因子污染指数Pi大小顺序为Cd＞As＞Zn＞Ni＞Cr＞Cu＞Hg＞Pb，各重金属单因子污染指数小于1.00、内美罗综合指数小于0.70，即5年虾稻共作稻田也未受到单一重金属污染和重金属综合污染，处于安全等级。3 种稻田土壤中重金属As 和Cd 的污染指数高于其他元素，说明相比于其他元素3 种稻田容易受到As和Cd 污染。

表4 单因子污染指数和内罗美综合指数

2.2 土壤重金属生态风险评价

3 种稻田中单项潜在生态风险系数（E）和多种金属综合潜在生态风险指数（RI）数值如表5 所示，其对应的等级如表6 所示。3 种稻田重金属单项潜在生态风险系数（E）大小顺序为Cd＞As＞Hg＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn＞Pb，即3 种稻田中单项重金属潜在生态污染等级均为轻微风险。就重金属单项潜在生态风险来说，重金属As 和Cd 风险相比其他元素高，容易引起生态污染，与单因子污染指数结果一致。3 种稻田中多种重金属元素的综合潜在生态风险指数RI均小于150，等级均为轻微风险，总的来说，研究区域土壤重金属潜在生态风险处于轻微等级，可能发生不利于生态的影响。

表5 不同稻田中潜在生态风险系数（E）和潜在生态风险指数（RI）

表6 不同稻田中潜在生态污染等级

2.3 水稻中重金属含量及污染评价

3 种稻田水稻样品中重金属含量如表7 所示，其中重金属Pb 在常规稻田和2年虾稻稻田中有部分样品超出国家限量标准，除此之外，其他重金属在3种稻田中均未超出国家限量标准。该研究区域土壤中重金属Pb 平均含量均低于《土壤环境质量农用地污染风险管控标准（实行）》中的限量值，符合农用地土壤标准，并且常规稻田和2年虾稻稻田土壤重金属Pb 污染等级处于安全等级，处于轻微潜在生态污染等级，土壤中重金属Pb 并不会对稻米产生重金属污染。造成农产品重金属超标因素除了土壤环境外，还有灌溉水质量、大气环境和人为因素等。该研究区域2 种稻田中稻米重金属Pb 超标除土壤因素外，其他污染因素还需要进一步探究。

表7 不同稻田水稻中的重金属含量 （单位：mg/kg）

如表8 所示，在常规稻田中稻米重金属单因子污染指数（Pi）的大小顺序为1.0＞Pb＞As=Cd＞Zn＞Cu＞Cr＞Hg，2年虾稻田和5年虾稻田的稻米为Pb＞As＞Zn＞Cu＞Cd＞Cr＞Hg，即 常规稻 田、2年虾稻稻田以及5年虾稻田的稻米中7 种单重金属污染评价均为安全等级，但7 种重金属元素中Pb 的Pi在3 种稻田中均为最大，因此Pb 是最容易污染稻米的重金属。

表8 3 种稻田稻米的P 和各重金属元素的Pi

2.4 水稻重金属污染风险评价

从表9 水稻中各重金属危险系数可以发现，不同稻田稻米中各重金属危险系数不同，常规稻田稻米中各金属危害系数大小顺序为As＞Cd＞Pb＞Ni＞Cu＞Zn＞Hg＞Cr，2年虾稻田稻米中各重金属危害系数大小顺序为As＞Ni＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd＞Hg＞Cr，5年虾稻田稻米中各重金属危害系数大小顺序 为As＞Ni＞Cu＞Zn＞Cd＞Pb＞Hg＞Cr，不 同 稻田稻米中各重金属危害系数大小顺序也不尽相同。从表9 中可以看到，3 种稻田稻米中各重金属THQ均小于1.000，说明该区域3 种稻田所生产的水稻目前未对人体健康造成危害。在3 种稻田稻米中重金属As 危害系数均是最大，该地域所生产的水稻中重金属As 可能对人体存在潜在的健康风险危害，需要引起关注。前面探究的3 种稻田土壤中单项重金属污染指数和潜在生态风险系数中，重金属As 和Cd的值大于其他元素，与稻米重金属危害系数结果基本一致，说明土壤中重金属污染风险会影响稻米的重金属含量超标风险。

表9 3 种稻田中各重金属危险系数（THQ）

通过3 种不同稻田中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg 单个重金属THQ相加得到多种重金属复合污染的潜在健康风险系数THQS，3 种稻田中THQS均大于1.000，说明3 种稻田虽未受到单个重金属造成的健康危害，但受到这几种重金属复合污染的威胁。

3 小结与讨论

通过单因子污染指数法、内梅罗污染综合指数法和潜在生态风险评价法对研究区域3 种稻田土壤进行评价发现，研究区域3 种稻田土壤重金属含量小于《土壤环境质量农用地污染风险管控标准（实行）》中的限量值，且土壤生态环境良好，未出现重金属污染现象。3 种稻田土壤中单项重金属污染指数和潜在生态风险系数中重金属As 和Cd 的值大于其他元素，说明3 种稻田中重金属As 和Cd 最容易污染研究区域的土壤。在研究区域3 种稻田中，水稻质量良好，总体未受到重金属污染。但在所采集的样品中，出现2 个水稻样品中检出重金属Pb 超标，其他样品中均未检出重金属超标，有可能是灌溉水等其他因素受到重金属污染导致，具体原因需要进一步探究。7 种重金属元素中Pb 的Pi在3 种稻田中均为最大，说明Pb 是最容易污染稻米的重金属。该地域所生产的水稻中重金属As 可能存在潜在的健康风险危害，需要引起关注。3 种稻田所生产的水稻单项重金属未对人体健康造成危害，但可能存在多种重金属复合污染对健康造成威胁，需要加强监测。

结果表明，研究区域稻虾共作模式总体来说是安全的，建议针对产地环境重金属污染风险和产品重金属超标问题，加强管理和监测。同时也建议虾稻种植模式的主要种植区编制相关的标准和技术规程，如：虾稻共作地方标准，规范农药、抗生素、有机肥的使用等，以保证虾稻的质量。

本研究的评价方法存在相应的缺陷：①虾稻种植模式中不仅土壤受到重金属污染会对水稻和小龙虾的质量安全产生影响，而且灌溉水也会对虾稻种植模式产物的质量安全产生影响，本研究只对土壤环境做出了相关的风险评价，但未对灌溉水的质量做出相应的重金属风险评价。②虾稻种植模式产物有水稻和小龙虾，对虾稻种植模式产物的健康风险评价不仅需要对水稻进行评价，也需要对小龙虾进行健康风险评价。