徐州市典型稻區(qū)土壤和稻米重金屬含量及健康風險評價

秦越華，強承魁*，曹丹，王鋒，丁永輝，張明，鳳舞劍，韓波，李文紅

1. 徐州生物工程職業(yè)技術學院//徐州市現(xiàn)代農業(yè)生物技術重點實驗室，江蘇 徐州 221006；2. 徐州生物工程職業(yè)技術學院科研處，江蘇 徐州 221006

徐州市典型稻區(qū)土壤和稻米重金屬含量及健康風險評價

秦越華1，強承魁1*，曹丹1，王鋒2，丁永輝1，張明1，鳳舞劍1，韓波1，李文紅1

1. 徐州生物工程職業(yè)技術學院//徐州市現(xiàn)代農業(yè)生物技術重點實驗室，江蘇 徐州 221006；2. 徐州生物工程職業(yè)技術學院科研處，江蘇 徐州 221006

為了解徐州市典型稻區(qū)土壤和稻米中重金屬含量及健康風險，分別測定了土壤和稻米中Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、As、Hg和Cr的含量，并對土壤中重金屬污染狀況及稻米中重金屬因攝入所致的健康風險進行了評價。結果表明：DXDQ（典型稻區(qū)）土壤中As、Hg平均含量分別比中國土壤元素背景值高出0.24、0.29倍，Cd與其持平，其他5種元素均低于背景值，其中PXHX（西北部）超標率最重。但所測稻區(qū)全部重金屬的含量均低于《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618—1995）中的Ⅱ級標準值。單因子污染指數(shù)顯示所有稻區(qū)土壤重金屬污染等級為安全；內梅羅綜合污染指數(shù)顯示DXDQ、SNLJ（東南部）和PZXH（東部）土壤重金屬污染程度總體呈清潔水平，而PXHX（西北部）則達警戒水平。33.33%的DXDQ和全部PXHX土壤樣本為中等生態(tài)風險，并以Hg為主要貢獻因子，SNLJ和PZXH為低生態(tài)風險。DXDQ和3個分稻區(qū)稻米中Pb、Ni和As平均含量均超出國家食品安全標準限制值，其中DXDQ分別超標1.70、0.28和1.20倍。基于HQ和HI評價，食用該區(qū)域生產的稻米對人體健康產生影響的可能性大，其中As的潛在健康危害突出，應引起足夠重視。

典型稻區(qū)；重金屬；健康風險評價；徐州市

隨著工業(yè)化、城市化、農業(yè)集約化的快速發(fā)展及全球變化的日益加劇，工業(yè)“三廢”排放、礦山開采、金屬冶煉、城鎮(zhèn)生活垃圾處置滯后、汽車尾氣排放和農業(yè)投入品不規(guī)范施用等造成的土壤重金屬污染，已成為國內外廣泛關注的重大農業(yè)生態(tài)環(huán)境問題（駱永明，2009；Cheng et al.，2007；Amini et al.，2005）。據(jù)報道，中國受其污染的耕地達2000多萬公頃，約占總耕地面積的 1/5，每年受重金屬污染的糧食約1200×104t，直接經濟損失超過200億元（陳同斌，1999）。重金屬作為一種持久性潛在有毒污染物，一旦進入農田土壤后因不能被生物降解而長期存留積累，直接危及到生態(tài)、食品和人體安全，而食用種植于被污染土壤上的農作物又成了重金屬毒害人體的重要途徑（Fairbrother et al.，2007；Khan et al.，2008；Mansour et al.，2010；劉慶等，2012）。徐州市作為江蘇省傳統(tǒng)的能源型城市和老工業(yè)基地，研究其稻田重金屬污染問題對該區(qū)域農業(yè)土壤環(huán)境保護及農產品質量安全均具有重要意義。

作為中國第一大作物，水稻的質量安全問題時有報道，其中受重金屬污染的程度逐年趨重且范圍日漸擴大（Wang et al.，2011）。如江蘇省蘇北地區(qū)黃潮土、砂礓土及205國道兩側所產大米均有Ni、Pb超標現(xiàn)象（金亮等，2007；楊奕如等，2012）；蘇南地區(qū)的張家港、常熟乃至蘇州市水稻籽粒也都存在Pb超標（齊雁冰等，2010；楊玉峰等，2009），后者還出現(xiàn)Hg、Ni和Cd超標樣點（杭小帥等，2009）。浙江省的杭州郊區(qū)鉛鋅廠周圍水稻糙米中Cd超標率達79.2%（鐘道旭等，2011），貴州典型鉛鋅礦區(qū)稻米中Pb、Hg和As高污染風險明顯（吳迪等，2013），還有吉林省前郭爾羅斯蒙古族自治縣境內的前郭灌區(qū)稻米樣品出現(xiàn) Ni含量超過國家標準含量限值等（朱立祿等，2011）。作為中國機械工程之都、全國重要交通樞紐和淮海經濟區(qū)中心城市的徐州，近年來工業(yè)企業(yè)的快速發(fā)展，形成的以能源、原材料和裝備制造業(yè)等重工業(yè)為主的工業(yè)體系及繁忙的鐵路、公路、航空和水上交通對農業(yè)環(huán)境容納量的影響也是與日俱增。然而迄今，徐州市稻田土壤和水稻重金屬污染的面積、分布和程度均未見系統(tǒng)研究報道，導致防治措施缺乏針對性。鑒于此，本研究以該市典型稻麥輪作區(qū)為研究對象，對土壤和稻米中的重金屬含量及健康風險進行分析，旨在為該地區(qū)稻田土壤生態(tài)風險預警和農產品安全生產提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

徐州地處華北平原東南部和古淮河支流沂、沭、泗諸水下游，位于東經116°22′～118°40′和北緯33°43′～34°58′，工業(yè)交通發(fā)達。全市總面積 11258 km2，其中土地面積11142.33 km2，水稻種植面積約1900 km2，總人口1023.52萬人，下轄2市、3縣和5區(qū)。該市典型稻區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，夏無酷暑，冬無嚴寒，年平均氣溫14.2 ℃，年日照時數(shù)為2284～2495 h，年均無霜期200～220 d，年均降水量800～930 mm，土壤類型以潮褐土和潮土為主，水稻品種屬于中熟中粳類型，近年來主要為寧粳4號和津稻263號。

1.2 樣本采集測定

基于前期對徐州稻區(qū)分布及重金屬污染情況的調查，布點時主要考慮稻田土壤類型、工廠企業(yè)的分布和區(qū)域之間樣點分布的均勻性、代表性等因素，選取位于該市東南部SNLJ、東部PZXH和西北部 PXHX的 3個分稻區(qū)代表該市典型稻區(qū)（DXDQ），每個分稻區(qū)確定采樣點10個。在10月水稻成熟期進行采樣，一般在每個采樣點 600 m2范圍內采集4～5處水稻籽粒（約2 kg），混勻后裝袋。籽粒樣品經自來水、去離子水沖洗并在室內自然風干，再將脫殼去皮后的米粒用不銹鋼粉碎機粉碎，過0.25 mm孔徑篩后置于塑料袋中密封備測（楊玉峰等，2009）。為揭示水稻、土壤中重金屬含量之間的關系，在采集水稻樣品的同時完成土壤樣品采集，盡可能確保土壤采樣點與水稻采樣點一致。采集耕作層（0～15 cm）的土壤并混勻，四分法留取1 kg作為該點混合樣品，待室內自然風干后去除植物根系、礫石等雜質，用瑪瑙研缽磨細過0.15 mm孔徑篩，置于塑料袋中密封備測（王勇等，2008）。

土壤pH值測定方法參照農業(yè)標準NY/T 1121.2—2006。土壤中Cu和Zn、Pb和Cd、Ni、As、Hg和Cr含量測定方法分別參照國家標準GB/T 17138—1997、GB/T 17141—1997、GB/T 17139—1997、GB/T 17135—1997、GB/T 17136—1997和國家環(huán)境保護標準HJ/491—2009。籽粒中Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As和Hg含量測定分別參照國家標準GB/T 5009.13—2003、GB/T 5009.14—2003、GB/T 5009.12—2010、GB/T 5009.15—2003、GB/T 5009.123—2010、GB/T 5009.138—2003、GB/T 5009.11—2003和GB/T 5009.17—2003的規(guī)定進行。在重金屬分析過程中，采用相應的國家標準品對照，質控樣品相對誤差控制在10%以內。

1.3 土壤重金屬污染評價

1.3.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是對土壤中的某一污染物的污染程度進行評價，該法可體現(xiàn)每一個評價指標的污染狀況。其計算公式為：

式中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質量指數(shù)（即為污染指數(shù)）；Ci為污染物i的實測值；Si為污染物i的評價標準，本研究以中國《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618—1995）中Ⅱ級標準值為參照。當Pi≤1時，表示土壤未受污染；當Pi＞1時，表明土壤受到污染，且Pi值越大，污染越嚴重。

1.3.2 內梅羅綜合污染指數(shù)法

內梅羅綜合污染指數(shù)法全面反映了各污染物對土壤的不同作用，突出高濃度污染物對環(huán)境質量的影響，還可兼顧各污染物的污染指數(shù)平均值對土壤污染的貢獻，屬目前國內常采用的方法。其計算公式為：

式中，P為土壤中各種污染物的內梅羅綜合污染指數(shù)；Pimax為土壤中各污染指數(shù)的最大值；Piave為土壤中各污染指數(shù)的平均值。當P≤0.7時，表示污染程度為清潔；當0.7＜P≤1時，表示污染程度為警戒；當1＜P≤2時，表示污染程度為輕度污染；當2＜P≤3時，表示污染程度為中度污染；當P≥3時，表示污染程度為重度污染。

1.3.3 潛在生態(tài)風險指數(shù)法

采用瑞典科學家 Hakanson提出的潛在生態(tài)風險指數(shù)法對研究區(qū)土壤進行重金屬污染評價。該法的優(yōu)勢在于從重金屬的生物毒性角度出發(fā)，反映多種污染物的綜合影響，并定量區(qū)分土壤潛在生態(tài)危害的程度。其計算公式如下：

表1 Hakanson潛在生態(tài)風險分級標準Table 1 Graduation standard of Hakanson potential ecological risk

1.4 稻米攝入健康風險評價

運用高危商（HQ）和高危指數(shù)（HI）評價成年居民食用含重金屬大米后的健康風險（雷鳴等，2010），其計算公式分別如下：

式中，ADD為重金屬經谷類產品攝入攝取劑量（mgkg-1d-1）；RfD為口服參考劑量（μgkg-1d-1），即Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、As、Hg和Cr的RfD值分別為 40.0、300.0、3.5、1.0、5.0、20、0.3、0.1和1500 μgkg-1d-1（楊剛等，2011；雷鳴等，2010；U.S.EPA，1997）；C為稻米中重金屬的平均質量分數(shù)（mgkg-1）；IR為該地區(qū)成年人每日的飯量，參照USEPA（2000）暴露因子手冊和實地調查確定該地區(qū)成人稻米攝入量為0.42 kgperson-1d-1；ED為暴露時間，取值為30 a；EF為暴露頻率，取值為365 da-1；BW為該地區(qū)成年人的平均體重，取值為62 kg；AT為生命期望值，取值為70 a；365為轉化系數(shù)。HQ的評價是假定烹飪過程對重金屬的活性和毒性無影響。

式中，當HI≤1.0時，表明重金屬對人體健康的影響不顯著；當HI＞1.0時，表明重金屬對人體健康產生影響的可能性大；當HI＞10時，表明重金屬對人體健康存在慢性毒性。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 13.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行相關性分析和方差分析，其中組間均值差異選擇Duncan新復極差法計算。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量的統(tǒng)計特征

從表2可見，徐州市DXDQ土壤30個采樣點8種重金屬元素含量差異較大。該區(qū)土壤 pH值介于 6.69～7.18，均值為 6.97±0.22。參照中國土壤元素背景值，As和Hg分別平均超標0.24倍和0.29倍，Cd與背景值持平，其它5種元素均低于背景值。除Pb外的7種元素均存在超過背景值的樣本，Hg超標率最大，達到94.44%；Cd次之，為66.67%；其它5種元素均為33.33%；推測該區(qū)這7種元素出現(xiàn)的累積效應可能與人類活動有關。參照《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618—1995）中Ⅱ級標準，所測8種重金屬元素的含量均低于最高限值。8種元素變異系數(shù)由大到小依次為Cu、As、Ni、Pb、Zn、Cr、Hg、Cd。變異系數(shù)大于40%的元素有Cu、As、Ni、Pb，其中Cu的變異系數(shù)達到52.07%，反映了這4種元素在空間分布上有很大的差異，受人類活動的影響較大。其余4種元素變異系數(shù)相對較小，表明在區(qū)域分布上相對均勻。

表2 DXDQ土壤重金屬含量的描述性統(tǒng)計Table 2 Summary statistics of heavy metal contents in soil from DXDQ mgkg-1

從表3可見，3個分稻區(qū)土壤中8種重金屬元素平均含量差異也較大，在地理位置上總體呈由東南向西北增大的趨勢。各分稻區(qū)元素的變異系數(shù)介于0.47%～8.95%，說明其空間分布相對均勻。土壤Cu、Zn和Ni均以PXHX為最高，其次為PZXH和SNLJ，僅見PXHX上述3種元素平均含量分別超背景值0.45、0.29和0.41倍，超標率均為100%。Cd以PZXH為最高，其次為PXHX和SNLJ，PZXH和PXHX分別超背景值0.14和0.06倍，超標率均為100%。As以PXHX為最高，其次為SNLJ和PZXH，僅見 PXHX超背景值 1.11倍，超標率為100%。Hg和Cr均以PXHX為最高，但SNLJ和PZXH間無顯著差異。3個分稻區(qū)Hg平均含量分別超背景值0.73、0.14和0.11倍，超標率分別為100%、100%和83.33%，而Cr僅見PXHX超背景值0.11倍，超標率為100%。Pb以PZXH為最高，其次為SNLJ和PXHX，但在3個稻區(qū)的含量均低于背景值。參照《土壤環(huán)境質量標準》中Ⅱ級標準，所測8種元素的平均含量均低于最高限值。

2.2 土壤重金屬元素的相關性分析

從表4可見，徐州市DXDQ土壤多數(shù)重金屬元素間存在相關性。其中Cu與Zn、Pb、Ni和Hg的相關性達極顯著水平（P＜0.01），與Cr和As的相關性為顯著水平（P＜0.05）。Zn與Ni、Hg和Cr的相關性達極顯著水平（P＜0.01），與Cd的相關性為顯著水平（P＜0.05）。Pb與Hg和Cr的相關性達極顯著水平（P＜0.01），與Ni和As的相關性為顯著水平（P＜0.05）。Ni與Hg和Cr的相關性達極顯著水平（P＜0.01），與 As的相關性為顯著水平（P＜0.05）。As與Cr之間的相關性也達極顯著水平（P＜0.01），而與Hg的相關性為顯著水平（P＜0.05）。Hg與Cr的相關性為顯著水平（P＜0.05）。這表明典型稻區(qū)Cu、Zn、Pb、Ni、Hg、As和Cr的來源相似性較大，呈現(xiàn)相互伴隨的復合污染現(xiàn)象。Cd的來源與其它元素的來源途徑差異較大，可能源于人為和自然雙重的影響。土壤pH值與Pb、As和Hg的相關性也達極顯著水平（P＜0.01），與 Cu、Zn和Cr的相關性為顯著水平（P＜0.05），而與Cd和Ni的相關性不顯著。

2.3 土壤重金屬的污染評價

(2) 微電網(wǎng)體系的高成本制約其自身發(fā)展。微電網(wǎng)建設的投資成本較高是制約微電網(wǎng)發(fā)展的主要經濟因素。除儲能系統(tǒng)投資成本較高(目前占到整個微電網(wǎng)控制系統(tǒng)成本的1/3)外,微電網(wǎng)的二次系統(tǒng)投資也不小,加上變配電設置以及后期的運營維護,都導致微電網(wǎng)成本居高不下。

從表5可見，徐州市DXDQ土壤中所測8種重金屬元素的Pi值均小于1.00，表明土壤未受污染。P平均值小于0.7，表明污染程度總體呈清潔水平；P最大值為0.74，即有33.33%的樣點污染程度達警戒水平，其中As對P值貢獻大。SNLJ、PZXH的Pi和P值分別小于1.00和0.7，污染程度為清潔；PXHX的P值介于0.72～0.73，污染程度為警戒。其中PZXH的Cd對P值貢獻大，其余兩區(qū)均表現(xiàn)為As對P值貢獻大。對比可知，SNLJ和PZXH的P值均低于PXHX，表明后者復合污染相對更重。

表4 DXDQ土壤重金屬元素和pH值的Pearson相關系數(shù)矩陣Table 4 Correlation matrix between heavy metal elements from DXDQ and pH values

表5 DXDQ和SNLJ、PZXH、PXHX土壤重金屬的Pi和P值Table 5 Piand P values of heavy metal in soil from DXDQ and SNLJ, PZXH, PXHX

2.4 土壤重金屬的潛在生態(tài)風險評價

2.5 稻米重金屬含量的統(tǒng)計特征

從表7可見，徐州市DXDQ稻米中除Cu、Zn、Cd、Hg和Cr外，其它3種重金屬含量均存在超標現(xiàn)象（依據(jù)稻米重金屬限量的最嚴或常用標準）。其中Pb含量為0.34～0.36 mgkg-1，超標率達100%（平均超標1.70倍，最大超標2.30倍）；Ni含量為0.45～0.57 mgkg-1，超標率達100%（平均超標0.28倍，最大超標0.43倍）；As含量為0.23～0.49 mgkg-1，超標率達100%（平均超標1.20倍，最大超標2.27倍）。8種重金屬元素變異系數(shù)由大到小依次為Cd、Hg、Zn、As、Pb、Cr、Ni、Cu。變異系數(shù)大于30%的元素有Cd、Hg、Zn、As，其中Cd的變異系數(shù)達到 75.00%，說明其空間分布差異較大。其余 4種元素變異系數(shù)相對較小，表明空間分布較均勻，存在相似的污染程度。

表6 DXDQ和SNLJ、PZXH、PXHX土壤重金屬的和RI值Table 6 and RI values of heavy metal in soil from DXDQ and SNLJ, PZXH, PXHX

表6 DXDQ和SNLJ、PZXH、PXHX土壤重金屬的和RI值Table 6 and RI values of heavy metal in soil from DXDQ and SNLJ, PZXH, PXHX

稻區(qū)Rice region統(tǒng)計值StatisticCu Zn Pb Cd Ni As Hg Cr RI平均值Mean 4.22 0.90 2.61 29.92 4.46 12.37 51.83 1.68 107.99 DXDQ 最大值Maximum 7.39 1.35 3.48 34.95 7.17 21.25 66.46 2.25 144.30最小值Minimum 2.31 0.63 1.08 21.34 2.90 7.30 39.38 1.25 76.19平均值Mean 2.56 0.66 3.29 23.76 3.01 8.62 44.10 1.41 87.41 SNLJ 最大值Maximum 2.90 0.70 3.48 27.53 3.12 8.96 48.62 1.61 96.92最小值Minimum 2.31 0.63 3.13 21.34 2.90 8.28 39.38 1.25 79.22平均值Mean 2.88 0.74 3.44 34.16 3.32 7.34 45.54 1.40 98.82 PZXH 最大值Maximum 3.12 0.77 3.46 34.95 3.44 7.39 48.00 1.43 102.56最小值Minimum 2.74 0.71 3.41 33.71 3.20 7.30 43.08 1.37 95.52平均值Mean 7.23 1.29 1.10 31.83 7.06 21.15 65.85 2.21 137.72 PXHX 最大值Maximum 7.39 1.35 1.12 33.09 7.17 21.25 66.46 2.25 140.08最小值Minimum 7.08 1.23 1.08 30.31 6.95 20.98 65.23 2.17 135.03

表7 DXDQ稻米重金屬含量的描述性統(tǒng)計Table 7 Summary statistics of heavy metal contents in rice from DXDQ mgkg-1

從表8可見，稻米Cu以PXHX含量為最高，其次為SNLJ和PZXH，且二者無顯著差異。Zn、As和Cr均以SNLJ為最高，其次為PXHX和PZXH，僅見As在3個稻區(qū)超標率達100%，平均含量分別超標2.20、0.80和0.67倍。Pb以PZXH為最高，其次為 PXHX和 SNLJ，3個分稻區(qū)超標率均為100%，平均含量分別超標2.25、2.20和0.80倍。Cd以PZXH含量為最高，其次為SNLJ和PXHX。Ni以PXHX和PZXH為最高，且二者無顯著差異，其次為SNLJ，3個分稻區(qū)超標率均為100%，平均含量分別超標0.35、0.33和0.18倍。Hg以PXHX為最高，其次為SNLJ和PZXH。綜上，Pb、Ni和As在3個分稻區(qū)稻米中的含量均超標，按超標倍數(shù)排序分別為 PZXH＞PXHX＞SNLJ、PXHX＞PZXH＞SNLJ和SNLJ＞PXHX＞PZXH。

表8 SNLJ、PZXH、PXHX稻米重金屬的平均含量及超標率Table 8 Average content and over-limit ratio of heavy metal in rice from SNLJ, PZXH and PXHX (mgkg-1, %)

2.6 稻米攝入的健康風險評價

從表9可見，基于重金屬平均含量的計算，徐州市DXDQ和3個分稻區(qū)稻米中Cu、Zn、Pb、Cd、Ni、Hg和Cr的HQ值都小于1.0，表明食用該區(qū)生產的稻米，這7種元素對人體健康的影響并不顯著；僅見As的HQ值均大于1.0，表明食用該區(qū)生產的稻米存在As的潛在健康危害，需要引起人們的關注。DXDQ和3個分稻區(qū)稻米中所測8種重金屬的HI值均大于1.0且小于10，表明這些重金屬對人體健康產生影響的可能性大。3個分稻區(qū)稻米中的HI值順序為SNLJ＞PXHX＞PZXH，可見SNLJ生產的大米中所測8種重金屬對人體潛在健康的危害相對最大。

3 討論

表9 DXDQ和SNLJ、PZXH、PXHX稻米重金屬的HQ和HI值Table 9 HQ and HI values of heavy metal in rice from from DXDQ and SNLJ, PZXH, PXHX

本研究發(fā)現(xiàn)徐州市DXDQ土壤中As、Hg的平均含量分別超中國土壤元素背景值的0.24、0.29倍，Cd與背景值持平，其它5種元素均低于背景值。這與強承魁等（2013）對徐州地區(qū)雙胞蘑菇覆土重金屬的調查結果一致（強承魁等，2013），但超標倍數(shù)低于該結果，這可能與DXDQ施行的水旱輪作模式等因素有關。王學松等（2006）報道徐州市 21個表層土壤樣品中未見As和Hg超標，同時，劉紅俠等（2006）報道該市北郊 20個農業(yè)耕層土壤樣品中也未見這兩種元素超標。對比說明隨著該市工業(yè)、交通等相關行業(yè)的快速發(fā)展，人類的活動加劇了土壤重金屬元素的累積效應，需引起關注，但這也可能是樣點布局差異所致。針對Cd與其它5種元素的含量分別等于和低于背景值，而非王學松等（2006）報道的徐州市表層土壤中Cd、Pb、Zn、Cu、Ni和Cr分別超標5.57、1.67、1.99、1.69、1.28和1.29倍的情況，分析原因是后者樣點更毗鄰鋼鐵廠、皮革廠等工業(yè)重污染源，而DXDQ的Cd超標率下降應與該區(qū)域農田近年來大力增施有機肥而逐漸減少P肥的使用相關，有機肥可對土壤中重金屬的吸附等環(huán)境化學行為產生顯著的影響（劉紅俠等，2006；Hao et al.，2009；劉秀春等，2008）。本研究僅見DXDQ土壤中Pb無超標樣本，此與30個樣點均遠離交通要道相關。因為劉世梁等（1997）報道 Pb污染主要來自于交通排放的尾氣，經污染物質的干、濕沉降至農田土壤中，而管東生等（2001）提出路邊土壤中的 Pb和 Zn污染最重，楊奕如等（2012）也報道 205國道兩側公路大氣污染物向道路兩側的沉降對路側附近農田的影響明顯。

PXHX土壤中重金屬超標率居 3個分稻區(qū)之首，超背景值的重金屬達7種，這較金亮等（2007）報道的僅Pb和Cd含量下降外，其它6種元素含量均有不同幅度的上升，而SNLJ僅見Hg含量增加0.8倍。這與PXHX毗鄰的大屯煤礦和微山湖灌溉用水存在一定的關系。如賈英等（2013）報道，因蕰藻浜與黃浦江交界處的采樣點靠近寶山工業(yè)區(qū)，其河流沉積物中的重金屬污染相對較類似。另如邢維芹等（2010）報道P肥施用在造成土壤重金屬有效性下降的同時造成重金屬全量上升。該區(qū) Ni的超標和較大的變異系數(shù)可能與該地區(qū)污水灌溉、農藥化肥施用和近年來大力發(fā)展電動車產業(yè)有關（張希云等，2013）。該產業(yè)電鍍工序中大量使用的Ni極易隨電鍍廢水排入水體，進而通過農業(yè)灌溉進入土壤系統(tǒng)，經作物根系代謝作用富集于機體，隨著蒸騰作用向地上部移動，并積累于作物莖葉和果實（陳蘇等，2007；王新等，1994）。眾所周知，背景值本身就是平均值，且從廣泛收集的未受人類活動影響的土壤樣品中再次挑選，基于此，3個分稻區(qū)中的PXHX土壤污染最重，可見對未受污染的基本農田保護和限制已污染農田的農業(yè)利用問題，應給予特別關注。雖然本研究中所測的8種重金屬含量均低于《土壤環(huán)境質量標準》中Ⅱ級標準值，但表4中Pearson相關系數(shù)矩陣顯示的有關重金屬來源、運輸和沉積等地球化學行為還有待深入探討。

徐州市DXDQ和3個分稻區(qū)土壤中所測8種重金屬的Pi值均小于1.00，表明土壤未受污染，但表6反映Hg的平均值最高（51.83），表現(xiàn)出中等生態(tài)風險。另表5顯示DXDQ土壤污染程度總體呈清潔水平，這與表6中RI均值反映的結果一致，但內梅羅綜合污染指數(shù)法分析顯示As為主要貢獻因子，而潛在生態(tài)風險評價的主要貢獻因子卻是Hg。這與陳京都等（2012）、張菊等（2012）和寧曉波等（2009）報道單因子污染指數(shù)法、內梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評價結果具有較好一致性的結論有異。這一方面與上述評價方法所選擇的標準不同有關，另一方面Hg、As、Cd等重金屬的毒性響應因子?值的差異應為導致評價結果存在不同的主要原因（秦魚生等，2013；任婧等，2015）。任華麗等（2008）在研究哈尼梯田濕地核心區(qū)水稻土重金屬分布與潛在生態(tài)風險時曾提出，采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法在評價土壤重金屬的生態(tài)風險時，元素的價態(tài)效應、環(huán)境條件不同所造成的生物效應差異和評價角度不同對重金屬元素毒性響應因子數(shù)值確定的差異等都會影響評價結果，這也是重金屬污染評價中要重點考慮解決的問題。

近年來，水稻重金屬污染問題逐漸成為社會關注的熱點和政府農場品質量安全監(jiān)管的重點。據(jù)農業(yè)部稻米及其制品質量監(jiān)督檢驗測試中心 2002年對全國市場稻米安全性抽檢結果，稻米中超標最嚴重的是Pb，超標率為28.4%，其次是Cd，超標率是10.3%，As和Hg超標率相對較低，分別為2.8%和3.4%（程旺大等，2005）。本研究結果顯示DXDQ稻米中Pb、As和Hg的超標率均為100%，遠遠高于上述抽檢結果，但未見Cd超標樣本。與金亮等（2007）報道的蘇北地區(qū)沛縣供試大米比較，本研究發(fā)現(xiàn)8年后的PXHX僅見As和Cr平均含量下降，其余 6種元素均上升（金亮等，2007）；與睢寧縣相比，SNLJ僅見Cr含量下降和Hg持平，其余元素也存在不同程度的上升，比照土壤重金屬含量，該區(qū)稻米中的相關重金屬可能源于大氣中較高濃度的顆粒物沉降被莖葉截獲轉移所致（蔣高明，1995）。DXDQ稻米中超標元素與蘇州比，Pb含量高2倍（齊雁冰等，2010），較常熟新港鎮(zhèn)Pb、Ni和As含量分別高0.56、0.65和0.48倍（杭小帥等，2009），較長江三角洲典型地區(qū)大田Pb含量高4.09倍（楊玉峰等，2009），較長春市郊區(qū) Pb、Ni和As含量分別高0.47、0.37和0.35倍（王勇等，2008）。對此需要進行合理的生產區(qū)域布局和種植業(yè)結構調整，也可通過培育、推廣低Pb、Ni和As累積水稻品種及重金屬污染聯(lián)合阻控等措施，降低土壤-水稻系統(tǒng)重金屬污染。

通過表9可見，食用徐州市DXDQ和3個分稻區(qū)生產的稻米僅存在As的潛在健康危害，這與金亮等（2007）報道除豐縣外蘇北5個縣區(qū)生產的大米均存在不同程度的As潛在食物暴露風險一致，但本研究未見Cr、Ni和Pb的潛在危害。本研究選擇高危商和高危指數(shù)評價水稻攝入的健康風險，僅以稻米作為唯一暴露途徑與來源，但日常生活中消費人群的膳食結構較復雜，如小麥、蔬菜、高粱等作物中重金屬Cr、Cd也是膳食暴露風險的貢獻者，再加上加工方式的差異，其表現(xiàn)的風險性可能較估計的小。另如本研究選擇的人生命期望值、體重和日攝入量等參數(shù)，未考慮到隨著人們生活水平的提高而發(fā)生的差異性變化。對此，尚需更新更權威的信息對評價結果進行修正，后續(xù)工作要突出重金屬在“水體-土壤-作物-人體”系統(tǒng)中的遷移、轉化和健康風險毒理學方面系統(tǒng)研究，為區(qū)域農業(yè)環(huán)境管理及稻米攝入后重金屬所致人體健康風險評價等方面提供依據(jù)。

4 結論

（1）DXDQ土壤中所測的8種重金屬，僅見As、Hg平均含量分別比中國土壤元素背景值高出0.24、0.29倍，但所測稻區(qū)全部重金屬含量均低于《土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618—1995）中的Ⅱ級標準值。

（2）單因子污染指數(shù)顯示所有稻區(qū)土壤重金屬污染等級為安全；內梅羅綜合污染指數(shù)顯示DXDQ、SNLJ和PZXH土壤重金屬污染程度總體呈清潔水平，僅見PXHX達警戒水平；潛在生態(tài)風險指數(shù)法分析表明33.33%的DXDQ和全部PXHX土壤樣本為中等生態(tài)風險，其中Hg為主要貢獻因子，而SNLJ和PZXH則處于低生態(tài)風險。

（3）DXDQ和3個分稻區(qū)稻米中Pb、Ni和As平均含量均超出國家食品安全標準限制值，其中DXDQ中這 3種元素分別超標1.70、0.28和 1.20倍。基于HQ和HI的計算，表明食用該區(qū)域生產的稻米對人體健康產生影響的可能性大，其中 As的潛在健康危害突出，應引起足夠重視。

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Contents and Health Risk Assessment of Heavy Metals in Soils and Rice Grains from Typical Rice-growing Region of Xuzhou City

QIN Yuehua1, QIANG Chengkui1*, CAO Dan1, WANG Feng2, DING Yonghui1, ZHANG Ming1, FENG Wujian1, HAN Bo1, LI Wenhong1

1. Xuzhou Key Laboratory of Modern AgroBiotechnology//Xuzhou Vocational College of Bioengineering, Xuzhou 221006, China; 2. Scientific Research Department, Xuzhou Vocational College of Bioengineering, Xuzhou 221006, China

To understand the contents and health risk of heavy metal in soils and rice grains from typical rice-growing region (DXDQ) of Xuzhou city, the contents of Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, As, Hg and Cr in soils and rice grains were determined, respectively. Then the pollution state of each heavy metal in soils and their human health risk in rice grains were evaluated, respectively. The results showed that the average contents of As, Hg in soils from DXDQ were about 0.24, 0.29 times higher compared with national background values of soil elements, respectively. Cd content basically flatted with the value, but the contents of other 5 heavy metals were lower than the corresponding values. Over-limit ratio of heavy metals in PXHX (northwest) was the most serious among 3 rice-growing region branches. But the contents of 8 heavy metals in soil from all tested regions were lower than the limit values of Environmental quality standard for soils (GB 15618—1998) secondary standard. Single pollution index indicated that pollution grade of 8 heavy metals in soils from all regions was safe. The Nemero comprehensive pollution indices indicated that the soils from DXDQ, SNLJ (southeast) and PZXH (east) were clean, but pollution degree of PXHX soils had reached warning level. About 33.33% of the total samples in DXDQ and 100% of the total samples in PXHX reached medium level of the potential ecological risk of heavy metals, and Hg as the main pollution factor was found. However, low risk occurred in SNLJ and PZHX. The average contents of Pb, Ni and As in rice grains from DXDQ and 3 rice-growing region branches had exceeded the limit values of National Food Safety Standard. The contents of those 3 elements in DXDQ were about 1.70, 0.28 and 1.20 times. According to the HQ and HI, locally produced rice grains had extremely high risk for human health. Potential health hazard of As element in rice grains to human being was found and must arouse enough attention.

typical rice-growing region; heavy metals; health risk assessment; Xuzhou city

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.09.019

X825; X826

A

1674-5906（2016）09-1546-09

秦越華, 強承魁, 曹丹, 王鋒, 丁永輝, 張明, 鳳舞劍, 韓波, 李文紅. 2016. 徐州市典型稻區(qū)土壤和稻米重金屬含量及健康風險評價[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 25(9): 1546-1554.

QIN Yuehua, QIANG Chengkui, CAO Dan, WANG Feng, DING Yonghui, ZHANG Ming, FENG Wujian, HAN Bo, LI Wenhong. 2016. Contents and health risk assessment of heavy metals in soils and rice grains from typical rice-growing region of Xuzhou city [J]. Ecology and Environmental Sciences, 25(9): 1546-1554.

江蘇省農業(yè)三新工程項目[SXGC(2013)041]；徐州市推動科技創(chuàng)新專項資金項目（KC14SM101）；國家星火計劃項目（2015GA690053）

秦越華（1965年生），男，副教授，碩士，主要從事現(xiàn)代農業(yè)生物技術和職教管理研究。E-mail: yuehua5855@sina.com

?通信作者：強承魁（1978年生），教授，博士，主要從事農產品安全與質量控制技術研究。E-mail: bioqck@163.com

2016-07-23