淮安市5个县区稻田土壤-稻谷系统中重金属污染水平及富集特征

王 芹 徐 瑞 袁爱菊 吴珺玮 张 芹

（淮安市疾病预防控制中心，淮安 223003）

土壤是人类生存不可或缺的资源。随着经济社会的飞速发展和人们生活水平的提高，农药化肥的不正确使用、污水和固体废弃物的不合理排放，导致环境污染程度逐年增加，农用土壤重金属污染问题凸现。污染严重地区粮食安全生产受到威胁，甚至引发了生态事件[1]。重金属进入土壤后具有滞后性、持久性、不可逆性和隐蔽性，易进入食物链对生态环境和人体健康产生危害[2-8]。2010～2012年间，中国有10万km2耕地受重金属污染。高背景值地区的土壤重金属超标。土壤重金属污染呈流域性的趋势[9]。

水稻对重金属有很强的富集能力[2,10]，作为一种重要粮食作物，是重金属进入人体的途径之一。在以稻谷为主食的地区，土壤-水稻系统中重金属的含量水平，对居民的膳食健康有重要的现实意义。本试验以淮安市稻田土壤-稻谷为研究对象，采集土壤-稻谷样品40组，检测5种重金属含量，并分析土壤中重金属的污染特征及其在稻谷中富集状况，以了解本地区土壤重金属污染状况和稻谷安全状况，为淮安市建立地产农产品安全体系提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品来源

采集淮安市5个县区(淮阴区、淮安区、洪泽区、清江浦区、涟水县)水稻种植区的土壤和水稻样本各8组，共40组。

稻田土壤在1m2范围内按照5点取样法采集，5～20cm深表层土壤混合为1份样品，每份1000g左右。在采集土壤的同时，采集该土壤1m2范围内农田生长的稻谷1000g。

1.2 分析方法及仪器试剂

土壤样品自然风干后，研磨过0.15mm筛，密封备用。稻谷样品自然晒干后，脱壳粉碎，密封备用。

土壤样品按照《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》(HJ 803-2016)、《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》(GB/T 22105.1-2008)消化检测；稻谷样品按照《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》(GB 5009.268-2016) 消化检测。

仪器：电感耦合等离子体质谱仪(PE Nexion300x)；原子荧光光度计(北京吉天 AFS-9130)；pH计(上海雷磁 PHSJ-226)。标准溶液：24种ICP分析用多元素溶液标准物质(GBW(E)083549 NCS141018)；汞单元素标准溶液(GSB 04-1729-2004)。试剂：盐酸(优级纯)，硝酸(光谱纯)。

使用电感耦合等离子体质谱仪检测土壤Pb、Cd、Cr、As和稻谷样品中的Pb、Cd、Cr、As、Hg，使用原子荧光光度计检测土壤中Hg。用pH计测定土壤pH值。每份样品重复测定3次取平均值。相关性分析使用SPSS19.0软件。

1.3 评价方法

土壤和稻谷中重金属临界值评价分别参照《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准标准(试行)》(GB15618-2018)、《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)，见表1。

表1 土壤及稻谷中重金属含量评价标准

土壤重金属污染评价方采用单因子污染指数法和内梅罗污染指数法[11]。

单因子污染指数

式中，Pi为污染物i的单因子污染指数，Ci污染物i的实测值，Si为污染物i的评价标准值。单因子污染指数评价标准见表2，Pi越大，污染越严重。

表2 单因子污染指数评价标准

（1） 内梅罗综合指数

式中，P综为所有因子的综合污染指数，Pimax为污染指数的最大值，Piavg为污染指数的算术平均值。综合污染指数分级标准见表3。

表3 综合污染指数分级评价标准

（2） 植物富集因子

式中，PUF为稻谷中污染物i的富集因子，用于分析重金属在稻谷中的富集水平。Vi为大米中污染物i的含量，Si为土壤中污染物i的含量[12]。

2 结果与分析

2.1 稻田土壤和稻谷中重金属含量及评价

2.1.1 土壤中重金属的含量

如表4 所示，研究区稻田土壤的p H 值范围为5.70～8.73，平均值为7.60。稻田土壤中Pb、Cd、Cr、As、Hg的平均含量分别为15.31mg/kg、0.14mg/kg、51.6mg/kg、10.3mg/kg、0.084mg/kg。研究区内Pb、Cd、Cr、As、Hg5种重金属含量均小于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准标准(试行)》(GB15618-2018)规定限值。

同一种重金属元素含量在5个县区比较来看:清江浦区稻田土壤中Pb、Cr、As的平均含量均高于其他4个县区，淮安区Cd和Hg的平均含量高于其他4个县区。Hg和Pb的变异系数分别为74.32%、36.08，为强变异。

2.1.2 稻田土壤重金属评价

由表5可见，研究区稻田土壤的单因子污染指数平均值分别为：Pb(0.097)、Cd(0.23)、Cr(0.17)、As(0.45)、Hg(0.12)，均＜1,未受污染，As的单因子污染指数明显高于其他4个重金属，Cd次之。同一县区As的单因子污染指数高于其他重金属。同一重金属的单因子污染指数在5个县区相比较，清江浦区Pb、Cd、Cr的单因子污染指数高于其他县区，洪泽区As的单因子污染指数较高，淮安区Hg的单因子污染指数较高。

表5 稻田土壤中重金属单因子及综合评价

研究区稻田土壤内梅罗综合污染指数为0.32，5个县区土壤重金属内梅罗综合污染指数依次为淮安区(0.40)、洪泽区(0.38)、清江浦区(0.35)、涟水县(0.34)、淮阴区(0.33),根据评价标准，土壤清洁。

2.2 稻谷中重金属含量及富集特征

2.2.1 稻谷中重金属含量

研究区内稻谷中5 种重金属的含量见表6。Pb、Cd、Cr、As的平均含量分别为0.0140mg/kg、0.0286mg/kg、0.2593mg/kg、0.1074mg/kg，Hg均未检出，所有数据未检出比例≤60%，未检出数据以1/2检出限计[13]。5种重金属元素的检出限分别为Pb＜0.004mg/kg、Cd＜0.002mg/kg、Cr＜0.05mg/kg、As＜0.002mg/kg、Hg＜0.0002mg/kg。

表6 稻谷中重金属含量

5种重金属含量均低于国家标准限值。Pb、Cd、Cr、As的变异系数分别为109%、106%、83%、73%，为强变异。同一重金属在5个县区比较来看，淮阴区稻谷Pb的平均含量高(0.0143mg/kg)于其他县区，清江浦区稻谷Cd4(0.036mg/kg)和As(0.2140mg/kg)平均含量高于其他县区，淮安区稻谷Cr平均含量高(0.3491mg/kg)于其他县区。

2.2.2 稻田土壤及稻谷中重金属的相关性分析

对研究区稻田土壤和稻谷中重金属含量进行相关性分析，结果见表7。土壤和稻谷中Pb、Cd、Cr、As的Person相关系数分别为0.017、0.135、0.291、0.17，土壤和稻谷中4种重金属含量呈微弱相关。土壤中Pb含量和土壤中Cd、Cr、As含量呈显著正相关，土壤中Cd和土壤中Cr、As显著相关，土壤中Cr和土壤中As显著相关。稻谷中Cd和As显著正相关。

表7 稻田土壤和稻谷中重金属含量相关性分析

2.2.3 稻谷对土壤重金属的富集水平

富集因子能够在一定程度上反映稻谷对土壤中重金属的富集状况。由表8可见，稻谷对5种重金属的富集水平由高到低分别为Cd(0.14)、As(0.01)、Cr(0.005)、Pb(0.0007)、Hg(0)，稻谷富集Cd能力最强、As次之，Cd、As、Cr、Pb的富集因子大小顺序与范荣伟的研究结果一致[14]。同一县区稻谷富集5种重金属的能力差异显著，Cd最强、As次之。同一重金属在不同县区富集能力有差异，Cd和As在清江浦区富集水平最高，Cr在淮阴区和淮安区富集水平最高。

表8 稻谷对重金属富集水平

3 讨论

本试验研究结果显示，研究区所有土壤和稻谷中5种重金属的含量均在国家标准限值范围内，且处于较低浓度水平。

5种重金属的单因子污染指数和内梅罗综合指数均显示土壤清洁安全。As和Cd的单因子污染水平明显高于其他3种重金属。

土壤中Hg、Pb和稻田中Pb、Cd、Cr、As均为强变异，说明稻田土壤和稻谷中重金属含量受人为影响显著，空间分布不均匀，与人类活动相关[15-17]。稻谷中Hg未检出，可能是土壤中Hg含量未达到在稻谷中形成富集的水平，或是Hg不容易在谷粒中富集。

稻谷对土壤中5种重金属的富集研究显示，稻谷对Cd的富集能力最强，Cd迁移能力最强，As次之。Cd和As在清江浦区富集水平最高。同一重金属在不同县区富集能力有差异，这种差异可能与区域环境因子差异(土壤性质、气候条件、灌溉条件、施肥情况等)有关[18]。

结合相关性分析，土壤中Pb含量和土壤中Cd、Cr、As含量呈显著正相关，土壤中Cd和土壤中Cr显著相关，土壤中Cr和土壤中As显著相关，说明土壤中的Pb、Cd、Cr、As、Hg有同源性。稻谷中Cd和As显著相关,说明稻谷中Cd和As具有同源性。土壤和稻谷中Pb、Cd、Cr、As微弱相关性，说明土壤和稻谷中的重金属元素来源和污染程度可能不同，重金属的迁移具有复杂性[19]。稻谷中重金属富集也可能是施肥、灌溉水引入。也可能水稻不同部位对重金属的吸收能力不同，谷粒吸收富集能力较弱[20]。

本研究只采集稻谷，未对水稻的茎叶、根部进行研究，可能是土壤和稻谷中重金属相关性微弱的原因之一。采集样本数量、区域有限，代表性有一定的局限性，还有待于进一步研究。

4 结论

总体来看，淮安市稻田土壤和稻谷中5种重金属总体安全性较好。土壤中5种重金属具有较显著的相关性，稻谷中土壤中5种重金属具有一定的相关性，土壤和稻谷中5种重金属的相关性微弱。土壤中Cd和As的单因子污染指数高于其他3种金属，稻谷富集Cd和As的水平也较高。其他3种重金属的累积特征和富集特征较低。建议加强对人为污染和肥料、灌溉水质量的管控，加大对土壤环境的监控和治理，扩大农产品监测范围，并充分考虑不同植物的不同部位对重金属吸收能力差异。