上海市閔行區稻田土壤-水稻系統中重金屬含量水平及富集特征

郝曉潔，金曹貞，孫 燦，劉樹超，姚燁華，張 霆，蔣建平

(上海市閔行區動植物檢測檢驗中心，上海 201109)

食品安全是人民群眾最關心的問題之一，直接關系到人們的身體健康和生命安全。隨著近期“鎘麥”事件的深度曝光，農產品的重金屬污染問題進一步引起人們的重視。作為生活中不可或缺的主食品，水稻也是重金屬進入人體的主要途徑之一。在農業生態環境中，土壤是連接有機界與無機界的重要樞紐，土壤中的重金屬可以通過植物吸收經食物鏈進入人體，從而對人類健康構成威脅。因此，查明土壤-水稻系統中重金屬的含量特征及不同重金屬的富集差異，對農產品安全生產，特別是對我國南方以稻谷為主食的居民的健康風險問題有著廣泛的現實意義，對保護生態環境和生產綠色食品有著積極的指導意義。

近年來，有關土壤-水稻系統重金屬遷移累積特征的研究較多，但多數以盆栽試驗(包括試驗田)、人工添加重金屬以及典型鉛礦或其他重金屬污染區等研究為主[1-9]。本試驗擬以上海市閔行區稻田土壤和稻谷為研究對象，采樣測定土壤-水稻系統中Cu、Zn、Cd、As、Hg 5種重金屬的含量，分析其在土壤中的污染指數差異及在稻谷中的富集特征，以期了解并掌握該區地產水稻的安全狀況，為閔行區建立地產農產品安全預警體系及閔行區地產農產品安全監測檔案和數據庫奠定基礎，并提供科學依據和支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品來源及處理

抽樣采集閔行區5個鄉鎮(浦江鎮、顓橋鎮、吳涇鎮、馬橋鎮、梅隴鎮)水稻種植合作社的土壤和稻谷樣本各71個。樣品集中區域位置分布如圖1所示。

將采集好的土壤樣品置于樣品盤中自然風干，碾磨、過篩(依次過0.45mm、0.15mm篩)并存入樣品袋中備用。稻谷樣本自然風干后，經碾米機脫粒、去殼，再經不銹鋼粉碎機粉碎，最后過0.30mm篩并存入樣品袋中備用。

1.2 分析方法

土壤樣品使用HCl-HNO3-HF-HClO5全消解法進行消解；稻谷樣品采用HNO3-HClO5濕法進行消解。

Cu和Zn采用原子吸收分光光度計(PE 900T)火焰法進行測定；Cd采用原子吸收分光光度計(PE 900T)石墨爐法進行測定；As和Hg采用原子熒光光度計(AFS-9780)進行測定。

所用試劑均為相應國標規定的優級純或分析純。

1.3 評價方法及標準

土壤重金屬評價臨界值以我國《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)為參照。稻谷中重金屬評價限量標準以我國《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)為參照(表1)。

表1 土壤重金屬含量參照評價標準

Table 1 Reference evaluation standard for heavy metal content in soil

采用單因子污染指數法和內梅羅污染指數法對稻田土壤進行重金屬單項評價及綜合評價。

(1)單因子污染指數法計算公式：Pi=CiSi，式中，Pi為污染物i的單項污染指數，Ci為實測值，Si為污染物的評價標準。當Pi≤1.00 時，樣品未受污染；當Pi>1.00 時，表明樣品已被污染，Pi值越大，樣品受污染越嚴重[10]。

表2 土壤環境質量綜合評價指數等級劃分

(3)重金屬的富集水平利用植物富集因子(PUF)法進行分析，計算方程為：PUF=ViSi，式中，PUF為植物中污染物的富集因子，Vi和Si分別為大米和土壤中的污染物i的含量[11-12]。

2 結果與分析

2.1 稻田土壤中重金屬含量水平及評價

2.1.1 稻田土壤中重金屬含量

如表3所示，閔行區稻田土壤的重金屬平均含量分別為Cu(35.1 mgkg)、Zn(112.2 mgkg)、Cd(0.19 mgkg)、As(7.58 mgkg)、Hg(0.160 mgkg)。參照《土壤環境質量標準》二級標準，閔行區稻田土壤重金屬Cu、Zn、Cd、As、Hg的平均含量均在限量范圍內，且接近《土壤環境質量標準》背景值，其中Cu和As的平均含量低于背景值。

表3 上海市閔行區稻田土壤重金屬含量

Table 3 The heavy metals content of paddy soil in Minhang District，Shanghai

注：pH僅作為土壤重金屬含量評價的參照依據

同一元素在5個鄉鎮中的平均含量差別表現為：稻田土壤中Cu的平均含量梅隴鎮(69.5 mgkg)和顓橋鎮(42.9 mgkg)高于其他3個鄉鎮；稻田土壤中Zn的平均含量梅隴鎮(173.5 mgkg)和顓橋鎮(143.1 mgkg)也高于其他3個鄉鎮；梅隴鎮稻田土壤中Cd(0.43 mgkg)和As(12.5 mgkg)的平均含量明顯高于其他鄉鎮；5個鄉鎮Hg的平均含量接近。

2.1.2 稻田土壤重金屬單項及綜合評價

由表4可見，71個樣本中，稻田土壤重金屬的單因子污染指數平均值分別為：Cu(0.34)、Zn(0.45)、Cd(0.64)、As(0.30)、Hg(0.31)，均小于1，未受到污染；其中，Cd的單因子污染水平明顯高于其他重金屬。同一鄉鎮，Cd的單因子污染水平高于其他重金屬。同一重金屬在5個鄉鎮的比較來看，梅隴鎮稻田土壤中Cu、Zn、Cd和As的單因子污染水平高于其他鄉鎮；吳涇鎮稻田土壤中Hg的單因子污染水平稍高。

表4 上海市閔行區稻田土壤重金屬單項及綜合評價

閔行區稻田土壤內梅羅綜合污染指數為0.53，根據內梅羅指數土壤污染評價標準，土壤污染水平屬“清潔”，綜合污染等級為“安全”[12]。5個鄉鎮稻田土壤內梅羅綜合污染指數排序為：浦江鎮(0.50)<馬橋鎮(0.57)<顓橋鎮(0.59)<吳涇鎮(0.64)<梅隴鎮(0.65)，土壤污染水平均屬“清潔”，綜合污染等級均為“安全”[12]。

2.2 稻谷中重金屬含量及富集特征

2.2.1 稻谷中重金屬含量

由表5可見，5種重金屬的平均含量分別為：Cu(5.1 mgkg)、Zn(20.0 mgkg)、Cd(0.031 mgkg)、As(0.107 mgkg)、Hg(0.0046 mgkg)，5種重金屬的平均含量均在標準限量值內。

表5 上海市閔行區稻谷樣本重金屬含量

Table 5 The content of heavy metals in rice in Minhang District，Shanghai

5個鄉鎮比較來看，顓橋鎮稻谷中Cu的平均含量為17.7 mgkg，梅隴鎮為10.8 mgkg，明顯高于其他鄉鎮。梅隴鎮稻谷中Zn的平均含量最高(26.2 mgkg)，顓橋鎮次之(24.0 mgkg)，其余鄉鎮間差異不大。稻谷中Cd的平均含量依次為：梅隴鎮(0.082 mgkg)>顓橋鎮(0.057 mgkg)>吳涇鎮(0.035 mgkg)>浦江鎮(0.031 mgkg)>馬橋鎮(0.019 mgkg)，除吳涇鎮和浦江鎮Cd的平均含量較為接近外，Cd在各鄉鎮稻谷中平均含量有一定的差別。吳涇鎮稻谷中As平均含量為0.156 mgkg，略高于其他鄉鎮。5個鄉鎮稻谷中Hg的平均含量接近。

2.2.2 稻谷對土壤重金屬的富集水平

相關性分析表明，土壤和稻谷中5種重金屬元素的簡單相關系數|r|分別為：0.171(Cu)、0.109(Zn)、0.121(Cd)、0.021(As)、0.050(Hg)，表明土壤和稻谷中重金屬含量微弱相關(表6)；而兩者之間不相關的顯著性(雙側)分別為：0.161(Cu)、0.375(Zn)、0.323(Cd)、0.867(As)、0.682(Hg)，均>0.05。因此，土壤和稻谷中重金屬之間存在一定的相關性，除As和Hg顯著性(雙側)較高外，其他3個元素相關性并不明顯。

表6 土壤與稻谷中重金屬含量相關性

鑒于此，為進一步探討土壤和稻谷中重金屬的相互影響，評價了稻谷對土壤中重金屬的富集水平(表7)。整體來看，稻谷對土壤中5種重金屬的富集水平表現為：Zn(0.19)>Cd(0.18)>Cu(0.16)>Hg(0.04)>As(0.01)，表明稻谷富集Zn、Cd和Cu的能力較強，As次之，Hg最弱。

綜合來看：同一鄉鎮，稻谷對5種重金屬的富集能力稍有差異，Cu、Zn、Cd在5個鄉鎮均表現出富集能力較強的特征，但富集水平有所差異;Hg和As的富集能力較弱。

表7 上海市閔行區稻谷對土壤中重金屬的富集水平

3 結論與討論

本試驗通過對閔行區稻田土壤-水稻系統中重金屬Cu、Zn、Cd、As和Hg的含量及富集特征進行初步研究，得出以下結論。

1)閔行區稻田土壤5種重金屬平均含量均在標準限量值內，且大部分接近甚至低于土壤質量標準背景值，個別區域土壤(N31°04′24.3″，E121°26′01.7″)中Cd含量接近標準限量臨界值。

2)稻田土壤中Cd的單因子污染水平較其他4種重金屬高；梅隴鎮稻田土壤的重金屬單因子污染水平(除Hg外)及內梅羅綜合污染指數均高于其他鄉鎮，吳涇鎮Hg的單因子污染水平略高于其他鄉鎮。

3)稻谷中5種重金屬在5個鄉鎮中的平均含量差異不大，且均未超出標準限量值；個別重金屬在個別鄉鎮出現含量相對較高的現象：顓橋鎮稻谷中Cu的平均含量高于其他鄉鎮，梅隴鎮稻谷中Cd的平均含量高于其他鄉鎮，吳涇鎮稻谷中As的平均含量高于其他鄉鎮。5個鄉鎮的稻谷中重金屬含量水平規律與稻田土壤中重金屬含量水平較為一致。研究結果顯示，土壤和稻谷中重金屬含量有一定的關聯性,但土壤和稻谷中重金屬之間的相關性，除As和Hg顯著性(雙側)較高外，其他3個元素相關性并不明顯。

4)閔行區稻谷樣本富集重金屬Cu、Zn、Cd的能力較強，As次之，Hg最弱。同一元素，在不同鄉鎮稻谷中的富集水平也有所差異，吳涇鎮Cu的富集水平為0.46，明顯高于其他鄉鎮；顓橋鎮Cd的富集水平為0.33，高于其他鄉鎮，這種差異可能跟區域環境因子差異有關[11,13-16]。不同鄉鎮對同種重金屬的富集水平因區域環境因子略有差異，但整體差異不大。

綜合來看，重金屬Cd在稻田土壤中的累積程度高于其他4種重金屬，且稻谷富集土壤中Cd的水平也相對較強[17]。雖然梅隴鎮和吳涇鎮稻田土壤中重金屬均無明顯累積特征，但其重金屬單因子污染指數及綜合污染指數均高于其他鄉鎮，可能是受周邊化工廠等環境因素的影響[18]；其他鄉鎮稻田土壤及稻谷中重金屬累積程度較低，稻谷中重金屬污染風險也較小。但是，從農產品安全生產角度考慮，建議對稻田土壤中重金屬出現輕度累積的區域加強土壤和農產品中重金屬含量監測頻次，確保農產品種植環境和產品質量安全。與此同時，稻谷中重金屬的富集也可能與灌溉水及施肥帶入相關，尤其是重金屬As[11]。因此，在灌溉水及肥料的選擇及質量上也應嚴格把關，防止污染帶入。