湖南新邵縣土壤-水稻系統重金屬富集特征

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土壤-稻米系統Cd，Hg，As，Cr和Pb這5種強毒性元素富集特征進行了系統研究，結果發現，該區土壤具有明顯的Cd富集。土壤中的Cd向水稻籽實中的轉移量十分有限，單從土壤的污染指數判斷水稻種植的適宜性缺乏說服力和科學性，應充分結合水稻對重金屬元素的吸收與分配機理進行綜合評價。

關鍵詞：富集特征;重金屬;土壤;水稻;新邵地區

中圖分類號：P618.76? ? ? 文獻標志碼：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前世界性的環境問題，也是糧食安全的重要隱患。隨著礦業經濟發展，礦業選冶活動被認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。同時，重金屬通過土壤—作物進行遷移，經食物鏈直接威脅人體健康[3-4]。湖南省作為全國的產糧大省，其中，稻谷產糧穩居全國首位，用占全國3%的耕地面積產出約占全國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者重視[5-6]。新邵縣作為湖南省重要的稻谷產區，金、銻、鎢、鉛和鋅等金屬礦產的重要礦產地，開展該區的土壤-水稻系統重金屬研究對糧食安全及綠色礦業發展轉型具有重要的現實意義。

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種強毒性元素對人體的危害程度最大，廣受學者重視[7-8]。本文以湖南省新邵地區土壤-水稻系統為對象，通過對水稻種植區土壤、稻米5種強毒性元素富集特征研究，探討了農田中重金屬的可能來源，以期為該區糧食安全性提供參考和依據。

1 研究區概況

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，地表切割強烈，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濕潤氣候區，雨季較長，降水充沛。研究區內地層出露較全，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。區域內土壤成土母質主要以花崗巖風化物、砂礫巖風化物、砂頁巖風化物、石灰巖風化物、紅巖風化物和第四紀松散堆積物為主。在所有土類中以紅壤和水稻土分布面積最廣。本次研究區為新邵縣基本農田保護區，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，采樣時間為農作物收獲盛期，分別采集水稻籽實及對應根系土樣各43件（圖1）。在采樣點地塊內視不同情況采用棋盤法、梅花點法、對角線法、蛇形法等進行多點取樣，然后等量混勻組成一個混合樣品。水稻籽實每一混合樣由10～20個植株組成，采集量為待測試樣量的3～5倍，單個干樣質量為500～1 000 g;根系土樣采集時需采集地表至20 cm深處的土柱，采集的各分樣點樣品用手掰碎，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。采集規范遵照DZ/T0295—2016“土地質量地球化學評價規范”。

2.2 樣品分析

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

2.3 評價方法

2.3.1 地質累積指數法

本次污染評價采用地質累積指數法（Igeo），該方法不僅考慮到自然地質過程造成的背景值影響，而且也充分考慮了人為活動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對環境的影響，是區分人為活動影響的重要參數[10]。其公式為：

式中，Igeo為地質累積指數，C_i為元素i在土壤中的實測質量分數，Bi為元素在該區的背景值，1.5為修正指數（表3）。

2.3.2 綜合指數法

綜合指數法是對內梅羅指數法的改進方法，是將單因子指數換成地質累積指數，得到新的綜合指數P，其公式如下：

式中，為地質累積指數平均值，為地質累積指數最大值。

土壤綜合污染程度分級標準如表3所示。

3 結果與討論

新邵縣根系土、水稻重金屬質量分數分析結果顯示，根系土Cd的質量分數變化范圍為（0.28～1.55）×10^-6，平均為0.56×10^-6，其他元素平均質量分數如下：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質量分數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。按照地質累積污染指數分級標準，43個土壤樣品中，As和Cr最高污染指數為2級，污染程度均在中度污染以下 ;Pb除1個樣品達到中—強度污染外，其余樣品同樣均在中度污染以下;Hg質量分數達到中—強度污染以上約占總樣品數16.28%， Cd質量分數達到中—強度污染以上約占總樣品數90.67%（圖2）。同時，綜合指數法計算結果顯示，研究區的土壤綜合污染指數達到4.41，均說明研究區土壤可能存在大面積重金屬污染，尤其是Cd污染指數和污染等級較高，將會對該區的農作物種植產生一定的潛在風險。

水稻重金屬質量分數結果顯示，研究區水稻籽實Cd的質量分數變化范圍為（0.002～0.770）×10^-6，平均0.08×10^-6，其他元素平均質量分數如下：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）。食品安全國家標準食品中污染物限量（GB2762—2017）中稻谷（糙米）重金屬限值如下：無機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]，通過對比發現，43件水稻樣品中，有3件樣品Cd質量分數超過限值，約占總樣品量的7%，與國際食品法典（CAC）稻谷（糙米）Cd的限量標準

（0.4 mg/kg）相比較，本次分析中僅有 1件樣品Cd質量分數超過限值，占總樣品數量的2%（表4）。

富集系數（P）是生物體對重金屬富集能力的重要量化指標，即水稻籽實重金屬質量分數與對應根系土重金屬質量分數的比。表達式為：

P=ω_rice/ω_soil

通過計算，研究區重金屬元素富集系數大小順序為：Cd，Hg，As，Cr，Pb，表明土壤Cd易向水稻籽實中轉移，Pb轉移能力相對較弱，這與前人的研究結果一致[13]。眾所周知，重金屬元素在水稻植株體內不同部位的富集量有所不同，總體為根、莖，葉和籽實呈現由多到少的分布特征[14]，富集系數最大的Cd也僅有不足3%進入可食用部位，即糙米中[15]。結合前文研究區土壤評價結果對比發現，土壤中的重金屬向水稻籽實中的轉移量十分有限，土壤的污染指數明顯夸大了其對水稻籽實的影響。因此，單從土壤的污染指數判斷水稻種植的適宜性顯然缺乏說服力和科學性，應充分結合水稻對重金屬元素的吸收與分配機理進行綜合評價。

農田土壤理化性質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、土壤有機質、速效鉀以及有效磷進行了對應分析，研究其與不同重金屬元素的相關關系，以期追溯土壤中重金屬元素的可能來源。結果表明，Pb與Cd、As與Hg之間相關系數均大于0.6，具有強正相關;Cd與Hg之間相關系數為0.498，具有中等正相關，表明上述重金屬元素可能具有同源性（表5）。從土壤有關組分樹狀圖中（圖3），Cd，Hg，As和Pb為一大類，尤其是Cd與Hg處于同一亞類中，進一步顯示出上述重金屬元素具有同源的特點。但所有重金屬元素與pH、有機質、速效鉀、有效磷之間均無明顯相關關系，說明重金屬在土壤中累積并非受到單一因素影響，可能為復合因素影響所致。

4 結論

研究區土壤 Cd質量分數達到中—強度污染以上比例較大，說明研究區土壤可能存在大面積重金屬污染，Cd污染指數較高應引起重視。

土壤中的重金屬向水稻籽實中的轉移量十分有限，土壤的污染指數明顯夸大了其對水稻籽實的影響，單從土壤的污染指數判斷水稻種植的適宜性缺乏說服力， 應充分結合水稻對重金屬元素的吸收與分配機理進行綜合評價。

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

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