東莞Cd輕度污染土壤種植水稻安全風險評估

倪衛東 朱凰榕 馮先翠 焦洪鵬 江海燕

摘要 [目的]更好地了解東莞重金屬污染農田種植糧食的安全風險。[方法]選擇在東莞典型的工業聚集區附近的一處輕度Cd污染農田，種植珠江三角洲地區常種的水稻品種天優390，試驗區面積共0.33 hm2，對產出的糙米進行重金屬含量安全風險評估。[結果]試驗區土壤Cd全量為0.46～0.71 mg/kg，pH為6.65～7.33，Cd有效態含量為0.12～0.24 mg/kg，且Cd有效態含量占全量的23.1%～33.8%。在試驗區的5個田塊中，只有1個田塊的水稻糙米Cd含量（0.13 mg/kg）低于《食品安全國家標準》（GB 2762—2017）的限量值（0.2 mg/kg）;其他4個田塊中水稻糙米Cd含量達到0.21～0.30 mg/kg，超過了食品安全國家標準限量值，超標率達到了80%。[結論]在東莞pH偏中性的Cd輕度污染土壤中種植水稻存在很高的安全風險，不適合直接種植水稻，需結合土壤重金屬修復技術才能實現安全利用。

關鍵詞 Cd輕度污染土壤;水稻;安全風險評估

中圖分類號 X825? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）10-0041-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.011

Safety Risk Assessment of Rice Planting on Cd Slightly Polluted Soil in Dongguan

NI Wei-dong， ZHU Huang-rong， FENG Xian-cui et al （Guangdong Province Research Center for Geoanalysis， Guangzhou，Guangdong 510080）

Abstract [Objective] To better understand the safety risks of planting food on farmland contaminated by heavy metals in Dongguan.[Method]Choose a neutral， mildly Cd-polluted farmland near a typical industrial cluster in Dongguan to plant Tianyou 390， a rice variety commonly grown in the Pearl River Delta.The test area was 0.33 hm2， and the safety risk assessment of the heavy metal content of the produced brown rice was carried out.[Result]The total amount of Cd in the soil in the test area was 0.46-0.71 mg/kg， the pH was 6.65-7.33， the content of Cd available state was 0.12-0.24 mg/kg， and the content of Cd available state accounted for 23.1%-33.8% of the total amount.Among the 5 plots in the experimental area， only one plot had rice brown rice Cd content （0.13 mg/kg） lower than the limit value （0.2 mg/kg） of the National Food Safety Standard （GB 2762-2017）;the Cd content of rice brown rice in the other four fields reached 0.21-0.30 mg/kg， exceeding the limit value of the national food safety standard， and the exceeding rate reached 80%.[Conclusion]Planting rice in the mildly polluted Cd soil with neutral pH in Dongguan poses a high safety risk.It is not suitable for direct planting of rice， and it needs to be combined with soil heavy metal remediation technology to achieve safe use.

Key words Cd slightly polluted soil;Rice;Safety risk assessment

基金項目 廣東省財政地勘事業發展經費項目（2016206）;國土資源部公益性行業科研專項（201511082）;廣東省省級環境保護專項項目（粵環〔2014〕126 號）。

作者簡介 倪衛東（1969—），男，江蘇靖江人，高級工程師，從事地質環境科學研究。通信作者，高級工程師，博士，從事生態環境治理與修復研究。

收稿日期 2021-08-13

由于重金屬不易被土壤微生物降解，在土壤中不斷積累，且可被植物富集，危害環境和人體健康[1]，因此土壤重金屬污染問題已引起高度重視[2-3]。東莞市鄉鎮工業數量多、密度大、行業覆蓋面廣，是一個國際性加工制造業基地，號稱“世界工廠”，由此而造成的環境污染十分嚴重，特別是電子、造紙、電鍍等行業工業廢水的排放，造成工業區周邊鎘、鉛等重金屬污染嚴重。據調查，東莞市土壤整體受到了輕度的重金屬污染，以西北部污染較為嚴重，東北部污染最輕。

萬凱等[4]通過對東莞農田土壤重金屬污染調查分析發現，東莞農田土壤整體質量情況不容樂觀，超過半數土壤受不同程度重金屬污染，鎘污染情況較為嚴重，汞污染次之。吳鵬舉等[5]對東莞市6個鎮區46個菜地土壤重金屬進行了調查，結果發現，Zn、Cu、Cd和Pb檢測值大都超過廣東省背景值，而Cd污染最重，67.14%的菜地綜合污染已經超過了警戒水平。Cd是農田土壤重金屬中主要的污染物質，在所有重金屬中Cd是對人類健康威脅最大的有害元素之一[6]，因此Cd在土壤—植物（作物）—食品—人中的遷移是環境Cd污染及其人類健康風險研究的重點和熱點問題之一。不同種類的作物對土壤中Cd的吸收及其在可食部分的積累存在較大差異，水稻被認為是Cd吸收最強的大宗谷類作物[7]。有研究表明，土壤-品種交互作用可以使常規水稻對Cd的吸收積累達到嚴重安全風險程度[8]，而雜交稻、超級稻具有更高的Cd累積風險[9]。同時土壤pH變化對稻米Cd吸收有顯著影響，劉佳鳳等[10]研究表明，稻米Cd含量受pH及土壤Cd含量的影響，pH升高，稻米Cd含量下降;土壤Cd含量升高，稻米Cd含量隨之升高。

稻米作為我國居民的主要糧食作物之一，全國有65%以上的人口以稻米為主食，Cd在南方稻區土壤-水稻系統中的遷移與我國人群健康關系密切。水稻是珠三角地區最主要的糧食作物，東莞作為重要的魚米之鄉，重金屬Cd在土壤-水稻系統中的遷移會影響水稻的安全，威脅到人類健康。因此，該研究針對東莞偏中性輕度Cd污染土壤，種植珠江三角洲地區常種水稻品種天優390，對產出的糙米進行安全風險評估，為后續重金屬Cd污染土壤修復及安全利用工作提供指導作用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種天優390購于廣東省農業科學院。該研究試驗區具體位置為東莞沙田鎮西太隆村，面積共0.33 hm2，由5塊獨立的農田組成。土壤基本理化性質見表1。

1.2 樣品的采集與處理

1.2.1 土壤樣品。試驗區每塊農田采用網格法進行布點，每塊農田布點20個，采集表層（0～20 cm）土壤，共計采樣100個。采集的土壤樣品自然風干，去除樣品中的雜質，研磨后分別過20目、60目、100目尼龍篩，裝袋備用。

1.2.2 水稻樣品。對應每個土壤采樣點采集水稻樣品。稻谷曬干后脫殼，將糙米、谷殼分別用攪拌機粉碎;水稻莖葉用自來水洗凈，再用蒸餾水漂洗 3遍，晾干表面水分，切碎烘干后用攪拌機粉碎，貯存于封口袋中待測。

1.3 樣品的分析測試

1.3.1 土壤樣品中指標的測定。土壤樣品的測定主要參考《土壤農化分析》[11]。采用HF、HCl、HNO3和HClO4體積比為10∶4∶4∶2的混合酸于250 ℃進行消解待測土壤，以Rh作為內標，采用NexION 300X型電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）測定Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni全量;采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）浸提法測定土壤重金屬有效態Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni含量，儀器為ICP-MS;采用玻璃電極法測定土壤pH，儀器為Sartorius PB-10型pH計;采用氯化鋇法測定陽離子交換量，所用儀器為Optima 8000型電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）;采用重鉻酸鉀-外加熱法測定有機質濃度;采用堿解擴散法測定堿解氮濃度;采用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/L H2SO4浸提法測定有效磷濃度，儀器為Spectrumlab S22PC可見分光光度計;采用醋酸銨浸提法測定速效鉀濃度，儀器為Optima 8000型ICP-OES。

1.3.2 植物樣重金屬含量測定。樣品經過微波消解后，采用NexION 300X型ICP-MS測定。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量

根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）中農用地土壤污染風險篩選值（基本項），對于水旱輪作地，采用其中較嚴格的風險篩選值[12]。該農用地屬于水旱輪作地，農田土壤pH平均值為6.93，因而Cd、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni對應選擇篩選值分別為0.3、250、120、100、200、100 mg/kg。數據結果表明（表2），采集的100個土壤樣品中，只有Cd含量高于對應的農用地土壤污染風險篩選值但低于風險管控值，且超過風險篩選值達到了100%，對農產品質量安全、農作物生長或土壤生態環境可能存在風險。

2.2 表層土壤重金屬有效態分析

已有研究表明，土壤重金屬的水溶態、離子交換態、碳酸鹽結合態與土壤結合較弱，是土壤-水和土壤-植物體系中容易遷移的活性形態，而且容易被植物吸收[13]。根據土壤重金屬全量測定分析結果，分析土壤中6項重金屬有效態含量，明確土壤中各重金屬在土壤中的活性程度。一般來說，土壤中重金屬有效態為生物可利用。因此，重金屬有效態含量的高低可反映植物對其吸收的難易。由表3可知，土壤中重金屬Cd的有效態含量為0.12～0.24 mg/kg，占全量的23.1%～33.8%;土壤中重金屬Cu的有效態含量為5.04～6.15 mg/kg，占全量的14.4%～17.1%;土壤中重金屬Pb的有效態含量為5.47～6.56 mg/kg，占全量的8.39%～10.90%;土壤中重金屬Zn的有效態含量為4.77～7.54 mg/kg，占全量的3.85%～5.63%;土壤中重金屬Ni的有效態含量為0.38～0.53 mg/kg，占全量的1.38%～1.78%;土壤中重金屬Cr的有效態含量為0.010～0.020 mg/kg，占全量的0.012%～0.024%。

2.3 水稻天優390重金屬含量分析

2.3.1 Cd含量。在該試驗區污染土壤中種植的水稻天優390植株中Cd含量測試結果顯示（圖1），水稻糙米Cd含量只有田塊4（0.13 mg/kg）低于食品安全國家標準GB 2762—2017（0.2 mg/kg）[14]，其他田塊中水稻糙米Cd含量達到0.21～0.30 mg/kg，超過了食品安全國家標準。因此，該地生產的該品種水稻糙米存在健康風險，需要對土壤進行重金屬修復。同時，谷殼Cd含量低于國家飼料衛生標準GB 13078—2017（1.0 mg/kg），且遠低于糙米和莖葉的含量，因此谷殼作為飼料Cd含量安全。而且，水稻莖葉Cd含量低于生物有機肥限量標準NY 884—2012（3.0 mg/kg），因此水稻莖葉作為有機肥還田Cd含量安全。

從試驗結果（圖1）還可得知，田塊1、田塊2、田塊3種植的水稻植株Cd含量均高于田塊4和田塊5，尤其是水稻莖葉Cd含量，存在顯著性差異;而且田塊3種植的水稻植株Cd含量最高。這可能是與不同田塊土壤pH以及土壤Cd含量的差異性（表2）有關，田塊1、田塊2、田塊3土壤pH均小于7，而田塊4和田塊5土壤pH均大于7;而且田塊3土壤Cd全量及有效態含量最高，平均全量為0.71 mg/kg，平均有效態含量為0.24 mg/kg。說明水稻對Cd的吸收累積不僅與土壤Cd含量有關，還與土壤pH存在很大的關系。

2.3.2 Cr含量。水稻植株中Cr含量結果顯示（圖2），糙米Cr含量為0.25～0.38 mg/kg，均低于食品安全國家標準（1.0 mg/kg）。但是，谷殼Cr含量達15.48～26.06 mg/kg，均高于國家飼料衛生標準（5.0 mg/kg），因此谷殼作為飼料Cr含量存在安全風險，不能直接用于飼料。另外，水稻莖葉Cr含量為1.34～2.86 mg/kg，低于生物有機肥限量標準對Cr的限定值（150 mg/kg），因此水稻莖葉作為有機肥還田Cr含量安全。

2.3.3 Ni含量。水稻植株中Ni含量結果顯示（圖3），糙米Ni含量為0.29～0.41 mg/kg，但是食品安全國家標準并沒有對Ni含量的限量值，因此無法評價其安全性。同時，谷殼Ni含量達7.21～12.10 mg/kg，遠遠高于糙米與莖葉，而國家飼料衛生標準中也并沒有對飼料原料Ni含量的限量值，因此，針對水稻谷殼極易吸收土壤Ni的問題應該予以重視。此外，水稻莖葉Ni含量為1.22～3.71 mg/kg，可作為有機肥還田。

2.3.4 Pb含量。水稻植株中Pb含量結果顯示（圖4），糙米Pb含量為0.06～0.12 mg/kg，低于食品安全國家標準（0.2 mg/kg），因此，該地生產的該品種水稻糙米Pb含量安全。谷殼Pb含量為0.11～0.31 mg/kg，低于國家飼料衛生標準（5 mg/kg），因此谷殼可作為飼料且安全。水稻莖葉Pb含量為0.94～1.77 mg/kg，低于生物有機肥限量標準（50 mg/kg），因此水稻莖葉可作為有機肥還田且安全。此外，水稻莖葉Pb含量遠遠高于糙米與谷殼。

2.3.5 Cu含量。水稻植株中Cu含量結果顯示（圖5），水稻糙米Cu含量為5.03～7.59 mg/kg，谷殼Cu含量為2.01～4.76 mg/kg，水稻莖葉Cu含量為11.23～15.38 mg/kg，而且水稻莖葉Cu含量遠遠高于糙米與谷殼。在國家食品安全、飼料衛生標準和生物有機肥標準中均沒有Cu含量的限量值，因此，鑒于土壤Cu含量安全（表2），水稻植株中Cu含量不存在安全風險。

2.3.6 Zn含量。水稻植株中Zn含量結果顯示（圖6），水稻糙米Zn含量為21.64～23.20 mg/kg，谷殼Zn含量為9.80～18.62 mg/kg，水稻莖葉Zn含量為64.06～76.24 mg/kg，而且水稻莖葉Zn含量遠遠高于糙米和谷殼。在國家食品安全、飼料衛生標準和生物有機肥標準中均沒有Zn含量的限量值，因此，鑒于土壤Zn含量安全（表2），水稻植株Zn含量不存在安全風險。

2.4 水稻糙米對重金屬的生物富集情況分析 水稻糙米富集系數（BCF）可以反映糙米從土壤中吸收富集重金屬的能力，用糙米中重金屬含量與對應土壤中重金屬含量的比值表示。該研究中種植的是水稻天優390，產出的糙米各重金屬富集系數情況見表4。結果顯示，在試驗區內，水稻糙米對Cd的富集能力最強，富集系數平均值為0.348，其次是Zn和Cu，富集系數平均值分別為0.179、0.165。已有研究表明，稻米容易積累Zn和Cd[15-16]。由于Zn、Cu本身就是水稻生長所必需的元素，本身就對其會有一定的富集能力，而Cd作為非必需元素，在該試驗區內水稻對其的吸收能力遠高于其他元素，這還與試驗田塊土壤Cd含量超標且有效態含量占比較大有關。

3 討論

在我國，大米的食用是人體Cd暴露的主要來源之一。鎘是一種有毒的人體非必需元素，對人類健康構成嚴重威脅。該研究的試驗區土壤只有Cd超標，且Cd含量為0.46～0.71 mg/kg，屬于Cd單一輕度污染土壤，對種植的農作物存在一定的安全風險。水稻是Cd敏感的農作物之一，研究者們對土壤-水稻系統中鎘的運移規律進行了大量研究[17-21]。許多研究表明，土壤中重金屬有效性與水稻植株中重金屬含量存在顯著的正相關[22-23]。該研究中，土壤Cd有效態含量為0.12～0.24 mg/kg，其中田塊3土壤Cd全量及有效態含量最高，平均全量為0.71 mg/kg，平均有效態含量為0.24 mg/kg。因此田塊3種植的水稻植株Cd含量最高。

土壤pH是影響土壤中Cd生物有效性的重要因素之一[24-26]。Kitagishi等[27]研究表明，水稻幼苗對Cd的相對吸收率在土壤pH為4.5～5.5達到最大值。還有研究也發現，稻米Cd含量是與土壤的pH緊密相關的，且在pH為5.5時稻米Cd含量達到最高[28]。同樣，潘楊等[29]研究表明，土壤pH變化對稻米Cd吸收有顯著影響，土壤pH在5～6時，稻米對土壤Cd吸收能力最強，6～7時吸收系數下降明顯，兩者差異在1.4～7.4倍。在該研究中，田塊1、田塊2、田塊3種植的水稻植株Cd含量均高于田塊4和田塊5，尤其是水稻莖葉Cd含量，存在顯著性差異，這可能是由于田塊1、田塊2、田塊3土壤pH均小于7，而田塊4和田塊5土壤pH均大于7。同樣說明水稻對Cd的吸收累積不僅與土壤Cd含量有關，還與土壤pH存在很大的關系。另外，該試驗區土壤pH為6.65～7.33，平均為6.93，屬于偏中性土壤，但是研究結果表明，產出的水稻天優390糙米Cd含量為0.13～0.30 mg/kg，且超標率達到了80%。因此，說明東莞偏中性的Cd單一輕度污染土壤存在著很高的水稻安全風險，需要進行修復后才能實現種植水稻的安全利用。

4 結論

（1）根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）中農用地土壤污染風險篩選值（基本項），對于水旱輪作地，采用其中較嚴格的風險篩選值。該農用地屬于水旱輪作地，農田土壤pH平均值為6.93，采集的100個土壤樣品中，除了Cd含量高于對應的農用地土壤污染風險篩選值，且超過風險篩選值達到了100%，對農產品質量安全、農作物生長或土壤生態環境可能存在風險。

（2）試驗區水稻天優390安全風險評估試驗研究表明，水稻糙米Cd含量只有田塊4（0.13 mg/kg）低于食品安全國家標準（0.2 mg/kg）;其他4個田塊中水稻糙米Cd含量達0.21～0.30 mg/kg，超過了食品安全國家標準，超標率達到了80%。

（3）水稻糙米Cr含量為0.25～0.38 mg/kg，低于食品安全國家標準（1.0 mg/kg），但是谷殼Cr含量達15.48～26.06 mg/kg，高于國家飼料衛生標準（5.0 mg/kg）。

（4）在試驗區內，水稻糙米對Cd的富集能力最強，富集系數平均值為0.348，其次是Zn和Cu，富集系數平均值分別為0.179、0.165。

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