湖南新邵縣土壤-水稻系統(tǒng)重金屬富集特征

賀晨騁　孫立吉　林治家　宋江濤　胡航

摘 要：對新邵縣水稻種植區(qū)土壤-稻米系統(tǒng)Cd，Hg，As，Cr和Pb這5種強(qiáng)毒性元素富集特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)土壤具有明顯的Cd富集。土壤中的Cd向水稻籽實(shí)中的轉(zhuǎn)移量十分有限，單從土壤的污染指數(shù)判斷水稻種植的適宜性缺乏說服力和科學(xué)性，應(yīng)充分結(jié)合水稻對重金屬元素的吸收與分配機(jī)理進(jìn)行綜合評價(jià)。

關(guān)鍵詞：富集特征;重金屬;土壤;水稻;新邵地區(qū)

中圖分類號：P618.76? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1672-5603（2022）01-11-06

Accumulation Characteristics of Heavy Metals in Soil-Rice System in Xinshao， Hunan Province

HE Chencheng SUN Liji LIN Zhijia SONG Jiangtao HU Hang

（1. Hunan Institute of Geological Survey， Changsha Hunan? 410116;

2. Hunan Province Center for Natural Resource Affairs，Changsha Hunan 410004）

Abstract： In this study， the accumulation characteristics of Cd， Hg， As， Cr and Pb were studied systematically in soil-rice system of Xinshao rice growing area.The results show that soil is obviously enriched with Cd. However， the transfer of Cd is very limited from soil to rice. Judging the suitability of rice planting only from soil pollution index is not convincing and scientific. The mechanism of absorption and distribution of heavy metal elements in rice should be comprehensively evaluated.

Keywords： accumulation characteristics; heavy metals; soil; rice; Xinshao area

土壤重金屬污染已成為當(dāng)前世界性的環(huán)境問題，也是糧食安全的重要隱患。隨著礦業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，礦業(yè)選冶活動(dòng)被認(rèn)為是土壤重金屬污染最主要的誘因和禍源[1-2]。重金屬污染具有長期性、隱蔽性、難降解性的特點(diǎn)。同時(shí)，重金屬通過土壤—作物進(jìn)行遷移，經(jīng)食物鏈直接威脅人體健康[3-4]。湖南省作為全國的產(chǎn)糧大省，其中，稻谷產(chǎn)糧穩(wěn)居全國首位，用占全國3%的耕地面積產(chǎn)出約占全國6%的糧食。由于湖南多年來的“鎘米”事件，使得糧食重金屬污染問題一直備受學(xué)者重視[5-6]。新邵縣作為湖南省重要的稻谷產(chǎn)區(qū)，金、銻、鎢、鉛和鋅等金屬礦產(chǎn)的重要礦產(chǎn)地，開展該區(qū)的土壤-水稻系統(tǒng)重金屬研究對糧食安全及綠色礦業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

重金屬元素通常是指密度大于等于5g/cm3的金屬元素，在土壤、水體和大氣等環(huán)境類污染研究中，一般是指鎘（Cd）、汞（Hg）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鈷（Co）、鎳（Ni）以及砷（As）等生物毒性顯著的重元素，其中Hg，As，Cd，Pb和Cr這5種強(qiáng)毒性元素對人體的危害程度最大，廣受學(xué)者重視[7-8]。本文以湖南省新邵地區(qū)土壤-水稻系統(tǒng)為對象，通過對水稻種植區(qū)土壤、稻米5種強(qiáng)毒性元素富集特征研究，探討了農(nóng)田中重金屬的可能來源，以期為該區(qū)糧食安全性提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新邵縣地處湖南省中部，位于邵陽盆地和新漣盆地之間，主要以山地丘陵地貌為主，具有南東高、北西低的特點(diǎn)，地表切割強(qiáng)烈，形成的山地、丘陵、平原、崗地和水面面積比例大致為4.7∶2.2∶1.5∶1.2∶0.4。該縣屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，雨季較長，降水充沛。研究區(qū)內(nèi)地層出露較全，巖性多樣，從新到老有：第四系、白堊系、二疊系、石炭系、泥盆系、奧陶系、震旦系。光照、降水等自然條件隨地勢變化垂直差異明顯，為多土壤類型的形成奠定了基礎(chǔ)。區(qū)域內(nèi)土壤成土母質(zhì)主要以花崗巖風(fēng)化物、砂礫巖風(fēng)化物、砂頁巖風(fēng)化物、石灰?guī)r風(fēng)化物、紅巖風(fēng)化物和第四紀(jì)松散堆積物為主。在所有土類中以紅壤和水稻土分布面積最廣。本次研究區(qū)為新邵縣基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)，主要為水田和旱地，面積約為400 km2，其中水田占耕地比例超過90%，基本以種植水稻為主[9]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

本次樣品采集采取一對一的采樣形式，采樣時(shí)間為農(nóng)作物收獲盛期，分別采集水稻籽實(shí)及對應(yīng)根系土樣各43件（圖1）。在采樣點(diǎn)地塊內(nèi)視不同情況采用棋盤法、梅花點(diǎn)法、對角線法、蛇形法等進(jìn)行多點(diǎn)取樣，然后等量混勻組成一個(gè)混合樣品。水稻籽實(shí)每一混合樣由10～20個(gè)植株組成，采集量為待測試樣量的3～5倍，單個(gè)干樣質(zhì)量為500～1 000 g;根系土樣采集時(shí)需采集地表至20 cm深處的土柱，采集的各分樣點(diǎn)樣品用手掰碎，挑出根系、秸稈、石塊、蟲體等雜物，充分混合后，四分法留取1.5～2.0 kg 裝入樣品袋。采集規(guī)范遵照DZ/T0295—2016“土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)規(guī)范”。

2.2 樣品分析

樣品測試工作由湖南省地質(zhì)調(diào)查院實(shí)驗(yàn)測試中心承擔(dān)。本次研究分析重金屬元素為Cd，Hg，Pb，As和Cr這5種。水稻籽實(shí)及根系土分析方法及檢出限詳見表1、表2。gzslib202204021047

2.3 評價(jià)方法

2.3.1 地質(zhì)累積指數(shù)法

本次污染評價(jià)采用地質(zhì)累積指數(shù)法（Igeo），該方法不僅考慮到自然地質(zhì)過程造成的背景值影響，而且也充分考慮了人為活動(dòng)對重金屬污染的影響，因此，Igeo不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動(dòng)對環(huán)境的影響，是區(qū)分人為活動(dòng)影響的重要參數(shù)[10]。其公式為：

式中，Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)，C_i為元素i在土壤中的實(shí)測質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Bi為元素在該區(qū)的背景值，1.5為修正指數(shù)（表3）。

2.3.2 綜合指數(shù)法

綜合指數(shù)法是對內(nèi)梅羅指數(shù)法的改進(jìn)方法，是將單因子指數(shù)換成地質(zhì)累積指數(shù)，得到新的綜合指數(shù)P，其公式如下：

式中，為地質(zhì)累積指數(shù)平均值，為地質(zhì)累積指數(shù)最大值。

土壤綜合污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

3 結(jié)果與討論

新邵縣根系土、水稻重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果顯示，根系土Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為（0.28～1.55）×10^-6，平均為0.56×10^-6，其他元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：Cr為85.12×10^-6、Hg為 0.21×10^-6、Pb為 42.45×10^-6、As為 19.09×10^-6，根系土Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于湖南省土壤背景值（0.126×10^-6），最大值超土壤背景值12倍，具有明顯的Cd富集特征。按照地質(zhì)累積污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)，43個(gè)土壤樣品中，As和Cr最高污染指數(shù)為2級，污染程度均在中度污染以下 ;Pb除1個(gè)樣品達(dá)到中—強(qiáng)度污染外，其余樣品同樣均在中度污染以下;Hg質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到中—強(qiáng)度污染以上約占總樣品數(shù)16.28%， Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到中—強(qiáng)度污染以上約占總樣品數(shù)90.67%（圖2）。同時(shí)，綜合指數(shù)法計(jì)算結(jié)果顯示，研究區(qū)的土壤綜合污染指數(shù)達(dá)到4.41，均說明研究區(qū)土壤可能存在大面積重金屬污染，尤其是Cd污染指數(shù)和污染等級較高，將會(huì)對該區(qū)的農(nóng)作物種植產(chǎn)生一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

水稻重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果顯示，研究區(qū)水稻籽實(shí)Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為（0.002～0.770）×10^-6，平均0.08×10^-6，其他元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：Cr 為0.31×10^-6、Hg為 0.002×10^-6、Pb為0.08×10^-6、As為0.06×10^-6（表5）。食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量（GB2762—2017）中稻谷（糙米）重金屬限值如下：無機(jī)As為 0.2 mg/kg、Hg為 0.02 mg/kg、Cr為 1 mg/kg、Cd 為0.2 mg/kg以及Pb 為0.2 mg/kg[12]，通過對比發(fā)現(xiàn)，43件水稻樣品中，有3件樣品Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過限值，約占總樣品量的7%，與國際食品法典（CAC）稻谷（糙米）Cd的限量標(biāo)準(zhǔn)

（0.4 mg/kg）相比較，本次分析中僅有 1件樣品Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過限值，占總樣品數(shù)量的2%（表4）。

富集系數(shù)（P）是生物體對重金屬富集能力的重要量化指標(biāo)，即水稻籽實(shí)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對應(yīng)根系土重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比。表達(dá)式為：

P=ω_rice/ω_soil

通過計(jì)算，研究區(qū)重金屬元素富集系數(shù)大小順序?yàn)椋篊d，Hg，As，Cr，Pb，表明土壤Cd易向水稻籽實(shí)中轉(zhuǎn)移，Pb轉(zhuǎn)移能力相對較弱，這與前人的研究結(jié)果一致[13]。眾所周知，重金屬元素在水稻植株體內(nèi)不同部位的富集量有所不同，總體為根、莖，葉和籽實(shí)呈現(xiàn)由多到少的分布特征[14]，富集系數(shù)最大的Cd也僅有不足3%進(jìn)入可食用部位，即糙米中[15]。結(jié)合前文研究區(qū)土壤評價(jià)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，土壤中的重金屬向水稻籽實(shí)中的轉(zhuǎn)移量十分有限，土壤的污染指數(shù)明顯夸大了其對水稻籽實(shí)的影響。因此，單從土壤的污染指數(shù)判斷水稻種植的適宜性顯然缺乏說服力和科學(xué)性，應(yīng)充分結(jié)合水稻對重金屬元素的吸收與分配機(jī)理進(jìn)行綜合評價(jià)。

農(nóng)田土壤理化性質(zhì)是影響重金屬在土壤中遷移性、可給性及活性等重要因素，本次研究對水稻根系土的酸堿度、土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀以及有效磷進(jìn)行了對應(yīng)分析，研究其與不同重金屬元素的相關(guān)關(guān)系，以期追溯土壤中重金屬元素的可能來源。結(jié)果表明，Pb與Cd、As與Hg之間相關(guān)系數(shù)均大于0.6，具有強(qiáng)正相關(guān);Cd與Hg之間相關(guān)系數(shù)為0.498，具有中等正相關(guān)，表明上述重金屬元素可能具有同源性（表5）。從土壤有關(guān)組分樹狀圖中（圖3），Cd，Hg，As和Pb為一大類，尤其是Cd與Hg處于同一亞類中，進(jìn)一步顯示出上述重金屬元素具有同源的特點(diǎn)。但所有重金屬元素與pH、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效磷之間均無明顯相關(guān)關(guān)系，說明重金屬在土壤中累積并非受到單一因素影響，可能為復(fù)合因素影響所致。

4 結(jié)論

研究區(qū)土壤 Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到中—強(qiáng)度污染以上比例較大，說明研究區(qū)土壤可能存在大面積重金屬污染，Cd污染指數(shù)較高應(yīng)引起重視。

土壤中的重金屬向水稻籽實(shí)中的轉(zhuǎn)移量十分有限，土壤的污染指數(shù)明顯夸大了其對水稻籽實(shí)的影響，單從土壤的污染指數(shù)判斷水稻種植的適宜性缺乏說服力， 應(yīng)充分結(jié)合水稻對重金屬元素的吸收與分配機(jī)理進(jìn)行綜合評價(jià)。

根系土中Cd，Hg，As和Pb可能具有同源性，尤其是Cd與Hg同源特點(diǎn)明顯。同時(shí)，重金屬在土壤中累積并非受到單一因素影響，可能為復(fù)合因素影響所致。

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