上海市闵行区稻田土壤-水稻系统中重金属含量水平及富集特征

郝晓洁，金曹贞，孙 灿，刘树超，姚烨华，张 霆，蒋建平

(上海市闵行区动植物检测检验中心，上海 201109)

食品安全是人民群众最关心的问题之一，直接关系到人们的身体健康和生命安全。随着近期“镉麦”事件的深度曝光，农产品的重金属污染问题进一步引起人们的重视。作为生活中不可或缺的主食品，水稻也是重金属进入人体的主要途径之一。在农业生态环境中，土壤是连接有机界与无机界的重要枢纽，土壤中的重金属可以通过植物吸收经食物链进入人体，从而对人类健康构成威胁。因此，查明土壤-水稻系统中重金属的含量特征及不同重金属的富集差异，对农产品安全生产，特别是对我国南方以稻谷为主食的居民的健康风险问题有着广泛的现实意义，对保护生态环境和生产绿色食品有着积极的指导意义。

近年来，有关土壤-水稻系统重金属迁移累积特征的研究较多，但多数以盆栽试验(包括试验田)、人工添加重金属以及典型铅矿或其他重金属污染区等研究为主[1-9]。本试验拟以上海市闵行区稻田土壤和稻谷为研究对象，采样测定土壤-水稻系统中Cu、Zn、Cd、As、Hg 5种重金属的含量，分析其在土壤中的污染指数差异及在稻谷中的富集特征，以期了解并掌握该区地产水稻的安全状况，为闵行区建立地产农产品安全预警体系及闵行区地产农产品安全监测档案和数据库奠定基础，并提供科学依据和支撑。

1 材料与方法

1.1 样品来源及处理

抽样采集闵行区5个乡镇(浦江镇、颛桥镇、吴泾镇、马桥镇、梅陇镇)水稻种植合作社的土壤和稻谷样本各71个。样品集中区域位置分布如图1所示。

将采集好的土壤样品置于样品盘中自然风干，碾磨、过筛(依次过0.45mm、0.15mm筛)并存入样品袋中备用。稻谷样本自然风干后，经碾米机脱粒、去壳，再经不锈钢粉碎机粉碎，最后过0.30mm筛并存入样品袋中备用。

1.2 分析方法

土壤样品使用HCl-HNO3-HF-HClO5全消解法进行消解；稻谷样品采用HNO3-HClO5湿法进行消解。

Cu和Zn采用原子吸收分光光度计(PE 900T)火焰法进行测定；Cd采用原子吸收分光光度计(PE 900T)石墨炉法进行测定；As和Hg采用原子荧光光度计(AFS-9780)进行测定。

所用试剂均为相应国标规定的优级纯或分析纯。

1.3 评价方法及标准

土壤重金属评价临界值以我国《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)为参照。稻谷中重金属评价限量标准以我国《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)为参照(表1)。

表1 土壤重金属含量参照评价标准

Table 1 Reference evaluation standard for heavy metal content in soil

采用单因子污染指数法和内梅罗污染指数法对稻田土壤进行重金属单项评价及综合评价。

(1)单因子污染指数法计算公式：Pi=CiSi，式中，Pi为污染物i的单项污染指数，Ci为实测值，Si为污染物的评价标准。当Pi≤1.00 时，样品未受污染；当Pi>1.00 时，表明样品已被污染，Pi值越大，样品受污染越严重[10]。

表2 土壤环境质量综合评价指数等级划分

(3)重金属的富集水平利用植物富集因子(PUF)法进行分析，计算方程为：PUF=ViSi，式中，PUF为植物中污染物的富集因子，Vi和Si分别为大米和土壤中的污染物i的含量[11-12]。

2 结果与分析

2.1 稻田土壤中重金属含量水平及评价

2.1.1 稻田土壤中重金属含量

如表3所示，闵行区稻田土壤的重金属平均含量分别为Cu(35.1 mgkg)、Zn(112.2 mgkg)、Cd(0.19 mgkg)、As(7.58 mgkg)、Hg(0.160 mgkg)。参照《土壤环境质量标准》二级标准，闵行区稻田土壤重金属Cu、Zn、Cd、As、Hg的平均含量均在限量范围内，且接近《土壤环境质量标准》背景值，其中Cu和As的平均含量低于背景值。

表3 上海市闵行区稻田土壤重金属含量

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

注：pH仅作为土壤重金属含量评价的参照依据

同一元素在5个乡镇中的平均含量差别表现为：稻田土壤中Cu的平均含量梅陇镇(69.5 mgkg)和颛桥镇(42.9 mgkg)高于其他3个乡镇；稻田土壤中Zn的平均含量梅陇镇(173.5 mgkg)和颛桥镇(143.1 mgkg)也高于其他3个乡镇；梅陇镇稻田土壤中Cd(0.43 mgkg)和As(12.5 mgkg)的平均含量明显高于其他乡镇；5个乡镇Hg的平均含量接近。

2.1.2 稻田土壤重金属单项及综合评价

由表4可见，71个样本中，稻田土壤重金属的单因子污染指数平均值分别为：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的单因子污染水平明显高于其他重金属。同一乡镇，Cd的单因子污染水平高于其他重金属。同一重金属在5个乡镇的比较来看，梅陇镇稻田土壤中Cu、Zn、Cd和As的单因子污染水平高于其他乡镇；吴泾镇稻田土壤中Hg的单因子污染水平稍高。

表4 上海市闵行区稻田土壤重金属单项及综合评价

闵行区稻田土壤内梅罗综合污染指数为0.53，根据内梅罗指数土壤污染评价标准，土壤污染水平属“清洁”，综合污染等级为“安全”[12]。5个乡镇稻田土壤内梅罗综合污染指数排序为：浦江镇(0.50)<马桥镇(0.57)<颛桥镇(0.59)<吴泾镇(0.64)<梅陇镇(0.65)，土壤污染水平均属“清洁”，综合污染等级均为“安全”[12]。

2.2 稻谷中重金属含量及富集特征

2.2.1 稻谷中重金属含量

由表5可见，5种重金属的平均含量分别为：Cu(5.1 mgkg)、Zn(20.0 mgkg)、Cd(0.031 mgkg)、As(0.107 mgkg)、Hg(0.0046 mgkg)，5种重金属的平均含量均在标准限量值内。

表5 上海市闵行区稻谷样本重金属含量

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

5个乡镇比较来看，颛桥镇稻谷中Cu的平均含量为17.7 mgkg，梅陇镇为10.8 mgkg，明显高于其他乡镇。梅陇镇稻谷中Zn的平均含量最高(26.2 mgkg)，颛桥镇次之(24.0 mgkg)，其余乡镇间差异不大。稻谷中Cd的平均含量依次为：梅陇镇(0.082 mgkg)>颛桥镇(0.057 mgkg)>吴泾镇(0.035 mgkg)>浦江镇(0.031 mgkg)>马桥镇(0.019 mgkg)，除吴泾镇和浦江镇Cd的平均含量较为接近外，Cd在各乡镇稻谷中平均含量有一定的差别。吴泾镇稻谷中As平均含量为0.156 mgkg，略高于其他乡镇。5个乡镇稻谷中Hg的平均含量接近。

2.2.2 稻谷对土壤重金属的富集水平

相关性分析表明，土壤和稻谷中5种重金属元素的简单相关系数|r|分别为：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属含量微弱相关(表6)；而两者之间不相关的显著性(双侧)分别为：0.161(Cu)、0.375(Zn)、0.323(Cd)、0.867(As)、0.682(Hg)，均>0.05。因此，土壤和稻谷中重金属之间存在一定的相关性，除As和Hg显著性(双侧)较高外，其他3个元素相关性并不明显。

表6 土壤与稻谷中重金属含量相关性

鉴于此，为进一步探讨土壤和稻谷中重金属的相互影响，评价了稻谷对土壤中重金属的富集水平(表7)。整体来看，稻谷对土壤中5种重金属的富集水平表现为：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的能力较强，As次之，Hg最弱。

综合来看：同一乡镇，稻谷对5种重金属的富集能力稍有差异，Cu、Zn、Cd在5个乡镇均表现出富集能力较强的特征，但富集水平有所差异;Hg和As的富集能力较弱。

表7 上海市闵行区稻谷对土壤中重金属的富集水平

3 结论与讨论

本试验通过对闵行区稻田土壤-水稻系统中重金属Cu、Zn、Cd、As和Hg的含量及富集特征进行初步研究，得出以下结论。

1)闵行区稻田土壤5种重金属平均含量均在标准限量值内，且大部分接近甚至低于土壤质量标准背景值，个别区域土壤(N31°04′24.3″，E121°26′01.7″)中Cd含量接近标准限量临界值。

2)稻田土壤中Cd的单因子污染水平较其他4种重金属高；梅陇镇稻田土壤的重金属单因子污染水平(除Hg外)及内梅罗综合污染指数均高于其他乡镇，吴泾镇Hg的单因子污染水平略高于其他乡镇。

3)稻谷中5种重金属在5个乡镇中的平均含量差异不大，且均未超出标准限量值；个别重金属在个别乡镇出现含量相对较高的现象：颛桥镇稻谷中Cu的平均含量高于其他乡镇，梅陇镇稻谷中Cd的平均含量高于其他乡镇，吴泾镇稻谷中As的平均含量高于其他乡镇。5个乡镇的稻谷中重金属含量水平规律与稻田土壤中重金属含量水平较为一致。研究结果显示，土壤和稻谷中重金属含量有一定的关联性,但土壤和稻谷中重金属之间的相关性，除As和Hg显著性(双侧)较高外，其他3个元素相关性并不明显。

4)闵行区稻谷样本富集重金属Cu、Zn、Cd的能力较强，As次之，Hg最弱。同一元素，在不同乡镇稻谷中的富集水平也有所差异，吴泾镇Cu的富集水平为0.46，明显高于其他乡镇；颛桥镇Cd的富集水平为0.33，高于其他乡镇，这种差异可能跟区域环境因子差异有关[11,13-16]。不同乡镇对同种重金属的富集水平因区域环境因子略有差异，但整体差异不大。

综合来看，重金属Cd在稻田土壤中的累积程度高于其他4种重金属，且稻谷富集土壤中Cd的水平也相对较强[17]。虽然梅陇镇和吴泾镇稻田土壤中重金属均无明显累积特征，但其重金属单因子污染指数及综合污染指数均高于其他乡镇，可能是受周边化工厂等环境因素的影响[18]；其他乡镇稻田土壤及稻谷中重金属累积程度较低，稻谷中重金属污染风险也较小。但是，从农产品安全生产角度考虑，建议对稻田土壤中重金属出现轻度累积的区域加强土壤和农产品中重金属含量监测频次，确保农产品种植环境和产品质量安全。与此同时，稻谷中重金属的富集也可能与灌溉水及施肥带入相关，尤其是重金属As[11]。因此，在灌溉水及肥料的选择及质量上也应严格把关，防止污染带入。