江西省稻漁系統(tǒng)中土壤和稻谷重金屬污染特征及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

田威，李娜，倪才英,*，簡(jiǎn)敏菲，孟草

1. 江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，南昌 330022 2. 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，南昌 330022

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大量污水和固體廢棄物排入環(huán)境，化肥、農(nóng)藥的施用不合理，導(dǎo)致農(nóng)用土壤受到嚴(yán)重污染。重金屬污染物進(jìn)入土壤后具有隱蔽性、滯后性、持久性和不可逆性等特征，并且可以通過食物鏈對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。2015年，我國(guó)土壤重金屬中-重度污染或超標(biāo)的點(diǎn)位達(dá)到2.5%，覆蓋面積達(dá)23萬hm2，輕微-輕度污染或超標(biāo)的點(diǎn)位達(dá)到5.7%，覆蓋面積526萬hm2[1]。

稻漁綜合種養(yǎng)是指通過優(yōu)化物質(zhì)能量循環(huán)，利用稻漁一體化養(yǎng)殖，以提升稻田生態(tài)系統(tǒng)功能的一種模式。趙敏[2]對(duì)全國(guó)稻漁綜合種養(yǎng)體系中大米的重金屬及營(yíng)養(yǎng)水平進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)使用水稻水產(chǎn)作物共培方式，可以減少化學(xué)肥料和農(nóng)藥的使用，從而減少水稻中的重金屬污染，并且采用稻漁綜合種養(yǎng)模式生產(chǎn)的時(shí)間越長(zhǎng)，稻米中重金屬含量越低。

江西省擁有豐富的礦產(chǎn)資源，種類多樣，其中，稀有金屬、有色金屬和貴金屬在全國(guó)占有重要地位，但由于過去粗放式的開采，導(dǎo)致大量含重金屬的污染物進(jìn)入農(nóng)用土壤，嚴(yán)重污染了農(nóng)業(yè)用地。呂貴芬等[3]根據(jù)江西省糧食主產(chǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，江西省優(yōu)勢(shì)水稻區(qū)1 000個(gè)土壤樣本中，農(nóng)田土壤的主要污染物為Cd、Cu、As、Hg和Pb，土壤Cd超標(biāo)率最大，為4.7%，超標(biāo)最大倍數(shù)為64，其次是Cu的超標(biāo)率，為4.2%，最大超標(biāo)倍數(shù)為10.1，As超標(biāo)率為2.3%，最大超標(biāo)倍數(shù)為3.8。趙杰等[4]研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)鄱陽(yáng)湖地區(qū)農(nóng)田土壤中Cu的超標(biāo)率最高，為12.24%，且超標(biāo)率排序?yàn)镃u>Cd>As>Hg>Pb。Chang等[5]考察了江西省典型水稻土對(duì)Pb的吸附解吸特性，發(fā)現(xiàn)在等配比條件下，潴育型水稻土和潛育型水稻土對(duì)Pb的吸附能力均高于Cd。因此，筆者選擇超標(biāo)率和超標(biāo)倍數(shù)較高的Cu和Cd以及易被土壤吸附的Pb這3種重金屬進(jìn)行研究。

江西省作為全國(guó)13個(gè)稻漁綜合種養(yǎng)示范區(qū)之一，種養(yǎng)面積在全國(guó)有稻漁綜合種養(yǎng)的省份中排名第8位，水產(chǎn)品的總產(chǎn)量在全國(guó)有稻漁綜合種養(yǎng)的省份中排名第7位[6]。筆者以江西省為研究區(qū)域，系統(tǒng)采集該區(qū)域內(nèi)稻漁綜合種養(yǎng)田塊中的土壤和稻谷樣品，對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤和稻谷的重金屬污染進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以期為江西省及其他地區(qū)農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展提供參考。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區(qū)概況

江西省位于長(zhǎng)江中下游南岸，是典型的農(nóng)業(yè)省份，全省擁有土地面積16.69 萬km2，東西南三面環(huán)山，中部丘陵起伏，氣候?qū)儆谥衼啛釒嘏瘽駶?rùn)季風(fēng)氣候，年均溫度約16.3～19.5 ℃。作物以水稻為主，全省水稻種植面積占總作物面積的85%～90%，是我國(guó)的13個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)之一。近年來，江西省根據(jù)各地獨(dú)特資源，因地制宜發(fā)展稻漁產(chǎn)業(yè)，截至目前全省有近40個(gè)縣在發(fā)展稻漁綜合種養(yǎng)，總面積達(dá)8萬hm2[7]。

1.2 樣品采集

2019年10月，選擇江西省大規(guī)模綜合種養(yǎng)的基地作為采樣目標(biāo)，共采取29個(gè)土壤樣品，由于時(shí)間因素的限制，共采取14個(gè)稻谷樣品，用GPS定位軟件ArcGIS10.2生成的采樣點(diǎn)示意圖如圖1所示。土壤樣品采用五點(diǎn)取樣法，選擇較平整的稻田，將5個(gè)點(diǎn)的土壤樣品混合，并裝入聚乙烯自封袋中保存，以防止污染。在土壤樣品的周圍采取適量水稻樣品，組成一個(gè)樣品，用聚乙烯自封袋保存，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

圖1 研究區(qū)域和采樣點(diǎn)示意圖Fig. 1 Study area and location of sampling sites

1.3 樣品處理與分析

去除土壤樣品中的石塊和雜草等雜質(zhì)，于實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，研磨后過100目篩；水稻樣品選取完整飽滿的籽粒，并烘干，處理后的樣品分別用聚乙烯自封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

用于配制土壤樣品消解液的硝酸(分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～68%)、鹽酸(優(yōu)級(jí)純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%)和過氧化氫(分析純，體積分?jǐn)?shù)為30%)均購(gòu)自西隴科學(xué)股份有限公司。采用725-ES型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)(美國(guó)Varian公司)測(cè)定土壤樣品中的Cu、Cd和Pb含量。稻谷(未脫殼)樣品采用硝酸和過氧化氫消解，采用725-ES型ICP-OES(美國(guó)Varian公司)測(cè)定Cu、Cd和Pb含量。稱取(10±0.1) g土壤，加入25 mL氯化鉀溶液，于離心管中震蕩5 min，靜置1～3 h，用pH-100型pH計(jì)(上海力辰儀器科技有限公司)測(cè)定土壤pH。每個(gè)樣品做3組重復(fù)。

1.4 重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

(1)單因子污染指數(shù)

pi=ci/Si

式中：pi為單因子污染指數(shù)；ci為重金屬元素的實(shí)測(cè)濃度；Si為重金屬元素的背景濃度值，江西省土壤中Cu、Cd和Pd背景值分別為20.8、0.1和32.1 mg·kg-1[8]；pi的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Single factor pollution index evaluation standards

(2)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算的常用方法，其兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最高值，可以突出污染較重的重金屬元素的作用[9]。計(jì)算公式為：

式中：P綜為綜合污染指數(shù)；Pimax為污染指數(shù)的最大值；Piavg為污染指數(shù)的算術(shù)平均值，P綜的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Comprehensive pollution index evaluation standards

(3)潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)價(jià)

1980年，瑞典學(xué)者Hakanson提出了潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)法，不僅考慮了重金屬的含量，而且綜合考慮了多元素協(xié)同作用、毒性水平以及環(huán)境對(duì)重金屬污染的敏感性等因素，因此在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用[10]。計(jì)算公式為：

表3 Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Hakanson potential ecological risk index evaluation standards

(4)地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)(Igeo)是1969年德國(guó)科學(xué)家Muller提出，是用來表征沉積物和土壤中重金屬富集程度的常用指標(biāo)，不僅可以反映重金屬的自然變化特征，還可以判別人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響[12]。計(jì)算公式為:

式中：ci為重金屬元素實(shí)測(cè)濃度，Bi為土壤中該元素的背景值，k值考慮各地巖石差異可能引起的背景值變動(dòng)而取的系數(shù)，一般為1.5[13]；Igeo的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 地累積指數(shù)及等級(jí)劃分Table 4 The geo-accumulation index evaluation standards

(5)膳食暴露及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

通過膳食途徑攝入的重金屬暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(US EPA)推薦的暴露模型，計(jì)算公式為：

式中：EDI(estimated daily intake dose)為重金屬每日暴露量(μg·kg-1·d-1)；c為重金屬的含量(mg·kg-1)；IR為稻谷攝入量(g·d-1)，成人、青年和兒童的稻谷日均攝入量分別為279.4、239.2和65.1 g·d-1；EF為暴露頻率(d·a-1)；ED為暴露持續(xù)時(shí)間(a)，成人、青年和兒童的暴露持續(xù)時(shí)間為30、12和4 a；BW為體重(kg)，成人、青年和兒童體重分別為62.7、54.4和16.5 kg；AT為平均時(shí)間(d)，致癌70 a×365 d·a-1，非致癌ED×365 d·a-1，其中Cd被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)歸類于第一類致癌物，Pb被歸類于可能致癌物[14-15]。

采用風(fēng)險(xiǎn)商值(HQ)表示由大米攝入引起的重金屬暴露風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式為：

式中：RfD為重金屬暴露參考劑量，US EPA規(guī)定Cu、Pb和Cd的RfD值分別為37、3.5和1 μg·kg-1·d-1。若HQ≤1，無攝入風(fēng)險(xiǎn)；若HQ>1，則存在風(fēng)險(xiǎn)，且數(shù)值越大其健康風(fēng)險(xiǎn)越大[16]。

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1 稻田土壤和稻谷中重金屬含量

如表5所示，土壤的pH變化范圍為4.17～6.83，屬于偏酸性土壤。稻田土壤中Cd、Cu和Pb含量變化范圍分別為0.12～0.77、4.33～25.91和7.03～109.34 mg·kg-1，平均含量為0.33、13.25和68.50 mg·kg-1。其中，Cd和Pb的平均值均高于江西省的背景值，分別是背景值的3.3倍和2.13倍，說明研究區(qū)內(nèi)3種重金屬元素中Cd和Pb存在人為污染。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn) (試行)》(GB15618—2018)[17]，研究區(qū)稻田土壤中僅Cd的平均含量高于限定值0.3 mg·kg-1，Cu和Pb的平均含量低于限定值，說明研究區(qū)內(nèi)3種重金屬元素僅Cb存在污染。變異系數(shù)能在一定程度上反映出樣品受到的人為影響，3種重金屬的變異系數(shù)為Cd(54.55%)>Cu(44.98%)>Pb(37.1%)，變異系數(shù)均超過36%，為強(qiáng)變異，表明江西省稻田土壤中重金屬受人為活動(dòng)影響較大[18]。

表5 研究區(qū)土壤和稻谷重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析Table 5 Statistical analysis of heavy metal contents in soil and rice of study area

研究區(qū)稻谷中，Cd、Cu和Pb含量的變化范圍分別為0.10～1.70、2.36～5.64和0.11～0.50 mg·kg-1，平均含量為0.93、4.08和0.19 mg·kg-1。其中，Cu含量最高，但根據(jù)《糧食(含谷物、豆類、薯類)及制品鉛、鉻、鎘、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》(NY861—2004)[19]，Cu含量未超過標(biāo)準(zhǔn)限值10 mg·kg-1；根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB2762—2017)[20]，Cd含量的平均值超過了標(biāo)準(zhǔn)限值0.2 mg·kg-1，Pb含量的平均值低于標(biāo)準(zhǔn)限值0.2 mg·kg-1，說明稻谷中Cd元素有超標(biāo)。稻谷中3種重金屬元素的變異系數(shù)差異較大，分別為Cd(62.37%)>Pb(57.89%)>Cu(24.26%)。

2.2 土壤及稻谷重金屬含量相關(guān)性分析

相關(guān)分析是研究變量之間密切度的一種常用的統(tǒng)計(jì)方法，通過相關(guān)性分析，可以明確看出變量間的相互關(guān)系，重金屬元素之間的相關(guān)性在一定程度上可以反映污染程度的相似性或污染源的相似性[21]。

對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤和稻谷重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，稻田土壤與稻谷中的Pb含量呈顯著性正相關(guān)，說明稻谷中Pb含量可能隨著土壤中Pb含量的增加而增加。而土壤和稻谷中3種元素之間不具有顯著相關(guān)性，說明其污染程度以及來源可能不同(表6)。

表6 稻田土壤和稻谷重金屬含量相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis for heavy metals in soil and rice of study area

2.3 土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

對(duì)研究區(qū)內(nèi)稻田土壤重金屬的單項(xiàng)和綜合污染評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示。Cd、Cu和Pb的單項(xiàng)污染指數(shù)為3.32、0.64和2.13，范圍分別為1.16～7.71、0.21～1.25和0.21～3.41。其中，Cd元素中度及重度污染的點(diǎn)位達(dá)44.83%，輕度污染的點(diǎn)位達(dá)34.48%，清潔及尚清潔的點(diǎn)位為20.69%；Pb中度污染的點(diǎn)位達(dá)17.24%，輕度污染的點(diǎn)位達(dá)51.72%，清潔及尚清潔的點(diǎn)位為31.03%；Cu元素清潔及尚清潔的點(diǎn)位為100%，說明研究區(qū)內(nèi)稻田土壤主要存在Cd和Pb污染。內(nèi)梅羅污染指數(shù)反映了研究區(qū)3種重金屬元素的綜合污染狀況(圖2)，其中，重度污染的點(diǎn)位達(dá)31.03%，中度污染的點(diǎn)位為31.03%，輕度污染點(diǎn)位為37.93%，說明研究區(qū)內(nèi)土壤受重金屬綜合污染較為嚴(yán)重。

表7 稻田土壤重金屬單因子評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7 Single factor evaluation results of heavy metal contamination in paddy soils

圖2 研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig. 2 The evaluation results of paddy soil heavy metal pollution by Nemerow method in the study area

2.4 土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果如表8所示，Cd的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，為99.70；Cu和Pb次之，分別為3.18和10.67。其中，Cu和Pb的最大值均<40，無風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位為100%，而Cd元素屬于高風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)位達(dá)20.69%，一般風(fēng)險(xiǎn)及中等風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)位為75.86%，說明Cd元素的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高。綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的變化范圍為46.32～240.49，平均值為113.55?？傮w上風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低，其中，一般風(fēng)險(xiǎn)和無風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位所占比例分別為31.03%和68.97%。從各元素對(duì)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的貢獻(xiàn)率來看，Cu、Pb和Cd的貢獻(xiàn)率分別為2.8%、9.4%和87.8%，說明Cd元素是研究區(qū)內(nèi)土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要來源。

表8 稻田土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Table 8 Index of potential ecological risk for heavy metals in paddy soils

2.5 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)

如表9所示，3種重金屬元素的地累積指數(shù)分別為Cd(0.95)>Pb(0.34)>Cu(-1.40)。Cd元素的地累積指數(shù)最高，其中，屬于中度污染等級(jí)的點(diǎn)位達(dá)10.34%，輕度污染及偏中度污染的點(diǎn)位為75.86%，無污染的點(diǎn)位為13.79%。Pb元素屬于偏中度污染等級(jí)的點(diǎn)位達(dá)17.24%，輕度污染的點(diǎn)位為58.62%，無污染的點(diǎn)位為24.14%。Cu無污染的點(diǎn)位為100%。這說明，研究區(qū)內(nèi)稻田土壤中Cd和Pb的含量很可能受到了人類活動(dòng)的影響，且Cd元素所受影響最大。

表9 稻田土壤重金屬地累積指數(shù)Table 9 The geo-accumulation index of heavy metals in paddy soils

2.6 膳食風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

關(guān)于食品中Cu元素的限量問題，衛(wèi)生部和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2011年發(fā)布公告，決定廢止《食品中銅限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15199—1994)[22]，引起了較大爭(zhēng)議。雖然Cu是人體必需微量元素，但攝入過量的Cu同樣會(huì)危害人體健康，因此，本研究將Cu也納入膳食風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中[23]。

根據(jù)稻谷中平均重金屬含量(表1)和重金屬膳食風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，計(jì)算得到不同人群的重金屬每日暴露量(EDI)的平均值(表10)。從不同的人群來看，EDI平均值的排序?yàn)槌扇?青年>兒童；從重金屬元素來看，Cu元素的EDI平均值最高，其中，成人、青年和兒童的EDI平均值分別為18.18、17.94和16.10 μg·kg-1·d-1，但未超過US EPA的推薦值。而對(duì)于Pb和Cd元素，成人的EDI平均值分別為0.37 μg·kg-1·d-1和1.79 μg·kg-1·d-1，是US EPA推薦值的0.11倍和1.79倍。由不同人群的風(fēng)險(xiǎn)商值(表11)可知，Cu和Pb的風(fēng)險(xiǎn)商均<1，無攝入風(fēng)險(xiǎn)，而成人、青年和兒童的Cd風(fēng)險(xiǎn)商分別是1.79、0.71和0.21，其中，成人的風(fēng)險(xiǎn)商>1，說明Cd元素對(duì)成人的健康存在風(fēng)險(xiǎn)。

表10 不同暴露人群對(duì)水稻籽實(shí)中重金屬的每日暴露量(EDI)Table 10 The estimated daily intake (EDI) of heavy metals in rice grain for different populations

表11 不同暴露人群對(duì)水稻籽實(shí)中重金屬的攝入風(fēng)險(xiǎn)商(HQ)Table 11 The hazard quotient (HQ) of heavy metals in rice grain for different populations

3 討論(Discussion)

研究結(jié)果表明，研究區(qū)中采用稻漁綜合種養(yǎng)模式的土壤中Cu、Pb和Cd的平均含量分別為(13.25±5.96)、(68.50±25.41)和(0.33±0.18) mg·kg-1，Cu平均含量均未超標(biāo)，Pb和Cd的最大含量的超標(biāo)倍數(shù)為1.37倍和2.57倍，Cd超標(biāo)最嚴(yán)重。劉婭菲[24]對(duì)7個(gè)優(yōu)勢(shì)水稻縣(市)的水稻土重金屬含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中，Cd和Pb的平均含量均低于本研究結(jié)果，其原因可能是樣本量多于本研究；但Cu、Pb和Cd的最高含量及其最大超標(biāo)倍數(shù)均高于本研究結(jié)果。其原因可能是在稻漁綜合種養(yǎng)過程中通過控制化肥和農(nóng)藥的施用，減少了重金屬的輸入。

魏林根等[25]對(duì)江西省49個(gè)縣的部分農(nóng)田及山地土壤重金屬含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)江西省土壤重金屬污染范圍非常廣，幾乎每個(gè)縣都存在土壤重金屬污染問題，只是程度不同，污染元素不同。本研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)均有重金屬累積現(xiàn)象，但僅Cd平均含量超標(biāo)，Cu和Pb的平均含量未超標(biāo)，其他元素還有待進(jìn)一步研究。

近年來，食品安全一直備受關(guān)注，對(duì)研究區(qū)內(nèi)稻谷重金屬進(jìn)行膳食風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)果得出Cd元素對(duì)成人健康存在風(fēng)險(xiǎn)，但由于稻谷樣品未脫殼且現(xiàn)代人群的膳食結(jié)構(gòu)多樣化，所以研究區(qū)內(nèi)稻谷的實(shí)際膳食風(fēng)險(xiǎn)值可能比估計(jì)值小。

本研究采用不同方法對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行評(píng)價(jià)，地累積指數(shù)結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)Cd和Pb含量受到人為污染的影響，并且潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明，研究區(qū)3種重金屬元素中Cd元素是主要的風(fēng)險(xiǎn)來源，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)Cd污染土壤的環(huán)境監(jiān)管以及污染農(nóng)田的修復(fù)工作。由于本研究采集樣品數(shù)量有限，尤其是稻谷樣品數(shù)量較少，因此研究結(jié)果只適用于本論文采樣區(qū)，對(duì)江西省的代表性有一定的局限性，還有待進(jìn)一步的研究。