江西省稻漁系統中土壤和稻谷重金屬污染特征及健康風險評價

田威，李娜，倪才英,*，簡敏菲，孟草

1. 江西師范大學地理與環境學院，南昌 330022 2. 江西師范大學生命科學學院，南昌 330022

隨著工農業的發展，大量污水和固體廢棄物排入環境，化肥、農藥的施用不合理，導致農用土壤受到嚴重污染。重金屬污染物進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人體健康產生威脅。2015年，我國土壤重金屬中-重度污染或超標的點位達到2.5%，覆蓋面積達23萬hm2，輕微-輕度污染或超標的點位達到5.7%，覆蓋面積526萬hm2[1]。

稻漁綜合種養是指通過優化物質能量循環，利用稻漁一體化養殖，以提升稻田生態系統功能的一種模式。趙敏[2]對全國稻漁綜合種養體系中大米的重金屬及營養水平進行了評價，發現使用水稻水產作物共培方式，可以減少化學肥料和農藥的使用，從而減少水稻中的重金屬污染，并且采用稻漁綜合種養模式生產的時間越長，稻米中重金屬含量越低。

江西省擁有豐富的礦產資源，種類多樣，其中，稀有金屬、有色金屬和貴金屬在全國占有重要地位，但由于過去粗放式的開采，導致大量含重金屬的污染物進入農用土壤，嚴重污染了農業用地。呂貴芬等[3]根據江西省糧食主產區監測數據研究發現，江西省優勢水稻區1 000個土壤樣本中，農田土壤的主要污染物為Cd、Cu、As、Hg和Pb，土壤Cd超標率最大，為4.7%，超標最大倍數為64，其次是Cu的超標率，為4.2%，最大超標倍數為10.1，As超標率為2.3%，最大超標倍數為3.8。趙杰等[4]研究發現，環鄱陽湖地區農田土壤中Cu的超標率最高，為12.24%，且超標率排序為Cu>Cd>As>Hg>Pb。Chang等[5]考察了江西省典型水稻土對Pb的吸附解吸特性，發現在等配比條件下，潴育型水稻土和潛育型水稻土對Pb的吸附能力均高于Cd。因此，筆者選擇超標率和超標倍數較高的Cu和Cd以及易被土壤吸附的Pb這3種重金屬進行研究。

江西省作為全國13個稻漁綜合種養示范區之一，種養面積在全國有稻漁綜合種養的省份中排名第8位，水產品的總產量在全國有稻漁綜合種養的省份中排名第7位[6]。筆者以江西省為研究區域，系統采集該區域內稻漁綜合種養田塊中的土壤和稻谷樣品，對研究區內土壤和稻谷的重金屬污染進行風險評價，以期為江西省及其他地區農業的健康發展提供參考。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區概況

江西省位于長江中下游南岸，是典型的農業省份，全省擁有土地面積16.69 萬km2，東西南三面環山，中部丘陵起伏，氣候屬于中亞熱帶溫暖濕潤季風氣候，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%，是我國的13個糧食主產區之一。近年來，江西省根據各地獨特資源，因地制宜發展稻漁產業，截至目前全省有近40個縣在發展稻漁綜合種養，總面積達8萬hm2[7]。

1.2 樣品采集

2019年10月，選擇江西省大規模綜合種養的基地作為采樣目標，共采取29個土壤樣品，由于時間因素的限制，共采取14個稻谷樣品，用GPS定位軟件ArcGIS10.2生成的采樣點示意圖如圖1所示。土壤樣品采用五點取樣法，選擇較平整的稻田，將5個點的土壤樣品混合，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，組成一個樣品，用聚乙烯自封袋保存，帶回實驗室分析。

圖1 研究區域和采樣點示意圖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，于實驗室自然風干，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備用。

用于配制土壤樣品消解液的硝酸(分析純，質量分數為65%～68%)、鹽酸(優級純，質量分數為36%～38%)和過氧化氫(分析純，體積分數為30%)均購自西隴科學股份有限公司。采用725-ES型電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)(美國Varian公司)測定土壤樣品中的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Varian公司)測定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(上海力辰儀器科技有限公司)測定土壤pH。每個樣品做3組重復。

1.4 重金屬污染風險評價方法

(1)單因子污染指數

pi=ci/Si

式中：pi為單因子污染指數；ci為重金屬元素的實測濃度；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的評價標準如表1所示。

表1 單因子污染指數評價標準Table 1 Single factor pollution index evaluation standards

(2)內梅羅綜合指數法

內梅羅指數法是目前國內外進行綜合污染指數計算的常用方法，其兼顧了單因子污染指數平均值和最高值，可以突出污染較重的重金屬元素的作用[9]。計算公式為：

式中：P綜為綜合污染指數；Pimax為污染指數的最大值；Piavg為污染指數的算術平均值，P綜的評價標準如表2所示。

表2 綜合污染指數評價標準Table 2 Comprehensive pollution index evaluation standards

(3)潛在生態危害指數評價

1980年，瑞典學者Hakanson提出了潛在生態危害綜合指數法，不僅考慮了重金屬的含量，而且綜合考慮了多元素協同作用、毒性水平以及環境對重金屬污染的敏感性等因素，因此在環境風險評價中得到廣泛應用[10]。計算公式為：

表3 Hakanson潛在生態風險指數評價標準Table 3 Hakanson potential ecological risk index evaluation standards

(4)地累積指數法

地累積指數(Igeo)是1969年德國科學家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，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對環境的影響[12]。計算公式為:

式中：ci為重金屬元素實測濃度，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而取的系數，一般為1.5[13]；Igeo的等級劃分標準如表4所示。

表4 地累積指數及等級劃分Table 4 The geo-accumulation index evaluation standards

(5)膳食暴露及風險評估方法

通過膳食途徑攝入的重金屬暴露風險評估采用美國環境保護局(US EPA)推薦的暴露模型，計算公式為：

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為暴露持續時間(a)，成人、青年和兒童的暴露持續時間為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為平均時間(d)，致癌70 a×365 d·a-1，非致癌ED×365 d·a-1，其中Cd被國際癌癥研究機構(IARC)歸類于第一類致癌物，Pb被歸類于可能致癌物[14-15]。

采用風險商值(HQ)表示由大米攝入引起的重金屬暴露風險，計算公式為：

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

2 結果與分析(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，說明研究區內3種重金屬元素中Cd和Pb存在人為污染。根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準 (試行)》(GB15618—2018)[17]，研究區稻田土壤中僅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，說明研究區內3種重金屬元素僅Cb存在污染。變異系數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為Cd(54.55%)>Cu(44.98%)>Pb(37.1%)，變異系數均超過36%，為強變異，表明江西省稻田土壤中重金屬受人為活動影響較大[18]。

表5 研究區土壤和稻谷重金屬含量統計分析Table 5 Statistical analysis of heavy metal contents in soil and rice of study area

研究區稻谷中，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《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含量未超過標準限值10 mg·kg-1；根據《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB2762—2017)[20]，Cd含量的平均值超過了標準限值0.2 mg·kg-1，Pb含量的平均值低于標準限值0.2 mg·kg-1，說明稻谷中Cd元素有超標。稻谷中3種重金屬元素的變異系數差異較大，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性分析

相關分析是研究變量之間密切度的一種常用的統計方法，通過相關性分析，可以明確看出變量間的相互關系，重金屬元素之間的相關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]。

對研究區內土壤和稻谷重金屬含量進行相關性分析發現，稻田土壤與稻谷中的Pb含量呈顯著性正相關，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性分析Table 6 Correlation analysis for heavy metals in soil and rice of study area

2.3 土壤環境質量評價

對研究區內稻田土壤重金屬的單項和綜合污染評價結果如表7所示。Cd、Cu和Pb的單項污染指數為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位達44.83%，輕度污染的點位達34.48%，清潔及尚清潔的點位為20.69%；Pb中度污染的點位達17.24%，輕度污染的點位達51.72%，清潔及尚清潔的點位為31.03%；Cu元素清潔及尚清潔的點位為100%，說明研究區內稻田土壤主要存在Cd和Pb污染。內梅羅污染指數反映了研究區3種重金屬元素的綜合污染狀況(圖2)，其中，重度污染的點位達31.03%，中度污染的點位為31.03%，輕度污染點位為37.93%，說明研究區內土壤受重金屬綜合污染較為嚴重。

表7 稻田土壤重金屬單因子評價結果Table 7 Single factor evaluation results of heavy metal contamination in paddy soils

圖2 研究區內土壤重金屬污染內梅羅指數評價結果Fig. 2 The evaluation results of paddy soil heavy metal pollution by Nemerow method in the study area

2.4 土壤潛在生態風險評價

土壤重金屬潛在生態風險評價結果如表8所示，Cd的單項潛在生態風險指數最高，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，無風險點位為100%，而Cd元素屬于高風險的點位達20.69%，一般風險及中等風險的點位為75.86%，說明Cd元素的潛在生態風險等級最高。綜合潛在生態風險指數的變化范圍為46.32～240.49，平均值為113.55。總體上風險等級較低，其中，一般風險和無風險點位所占比例分別為31.03%和68.97%。從各元素對綜合潛在生態風險指數的貢獻率來看，Cu、Pb和Cd的貢獻率分別為2.8%、9.4%和87.8%，說明Cd元素是研究區內土壤生態風險的主要來源。

表8 稻田土壤重金屬潛在生態風險指數Table 8 Index of potential ecological risk for heavy metals in paddy soils

2.5 地累積指數評價

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

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

2.6 膳食風險評價

關于食品中Cu元素的限量問題，衛生部和國家標準化管理委員會于2011年發布公告，決定廢止《食品中銅限量衛生標準》(GB 15199—1994)[22]，引起了較大爭議。雖然Cu是人體必需微量元素，但攝入過量的Cu同樣會危害人體健康，因此，本研究將Cu也納入膳食風險評估中[23]。

根據稻谷中平均重金屬含量(表1)和重金屬膳食風險評價模型，計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平均值的排序為成人>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。由不同人群的風險商值(表11)可知，Cu和Pb的風險商均<1，無攝入風險，而成人、青年和兒童的Cd風險商分別是1.79、0.71和0.21，其中，成人的風險商>1，說明Cd元素對成人的健康存在風險。

表10 不同暴露人群對水稻籽實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 不同暴露人群對水稻籽實中重金屬的攝入風險商(HQ)Table 11 The hazard quotient (HQ) of heavy metals in rice grain for different populations

3 討論(Discussion)

研究結果表明，研究區中采用稻漁綜合種養模式的土壤中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，Pb和Cd的最大含量的超標倍數為1.37倍和2.57倍，Cd超標最嚴重。劉婭菲[24]對7個優勢水稻縣(市)的水稻土重金屬含量進行監測，其中，Cd和Pb的平均含量均低于本研究結果，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倍數均高于本研究結果。其原因可能是在稻漁綜合種養過程中通過控制化肥和農藥的施用，減少了重金屬的輸入。

魏林根等[25]對江西省49個縣的部分農田及山地土壤重金屬含量進行監測，發現江西省土壤重金屬污染范圍非常廣，幾乎每個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。本研究區內大部分地區均有重金屬累積現象，但僅Cd平均含量超標，Cu和Pb的平均含量未超標，其他元素還有待進一步研究。

近年來，食品安全一直備受關注，對研究區內稻谷重金屬進行膳食風險評估，結果得出Cd元素對成人健康存在風險，但由于稻谷樣品未脫殼且現代人群的膳食結構多樣化，所以研究區內稻谷的實際膳食風險值可能比估計值小。

本研究采用不同方法對土壤重金屬含量進行評價，地累積指數結果表明，研究區內Cd和Pb含量受到人為污染的影響，并且潛在生態風險評估結果表明，研究區3種重金屬元素中Cd元素是主要的風險來源，應該加強對Cd污染土壤的環境監管以及污染農田的修復工作。由于本研究采集樣品數量有限，尤其是稻谷樣品數量較少，因此研究結果只適用于本論文采樣區，對江西省的代表性有一定的局限性，還有待進一步的研究。