湖南新邵县土壤-水稻系统重金属富集特征

贺晨骋　孙立吉　林治家　宋江涛　胡航

摘 要：对新邵县水稻种植区土壤-稻米系统Cd，Hg，As，Cr和Pb这5种强毒性元素富集特征进行了系统研究，结果发现，该区土壤具有明显的Cd富集。土壤中的Cd向水稻籽实中的转移量十分有限，单从土壤的污染指数判断水稻种植的适宜性缺乏说服力和科学性，应充分结合水稻对重金属元素的吸收与分配机理进行综合评价。

关键词：富集特征;重金属;土壤;水稻;新邵地区

中图分类号：P618.76      文献标志码：A      文章编号：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

土壤重金属污染已成为当前世界性的环境问题，也是粮食安全的重要隐患。随着矿业经济发展，矿业选冶活动被认为是土壤重金属污染最主要的诱因和祸源[1-2]。重金属污染具有长期性、隐蔽性、难降解性的特点。同时，重金属通过土壤—作物进行迁移，经食物链直接威胁人体健康[3-4]。湖南省作为全国的产粮大省，其中，稻谷产粮稳居全国首位，用占全国3%的耕地面积产出约占全国6%的粮食。由于湖南多年来的“镉米”事件，使得粮食重金属污染问题一直备受学者重视[5-6]。新邵县作为湖南省重要的稻谷产区，金、锑、钨、铅和锌等金属矿产的重要矿产地，开展该区的土壤-水稻系统重金属研究对粮食安全及绿色矿业发展转型具有重要的现实意义。

重金属元素通常是指密度大于等于5g/cm3的金属元素，在土壤、水体和大气等环境类污染研究中，一般是指镉（Cd）、汞（Hg）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、钴（Co）、镍（Ni）以及砷（As）等生物毒性显著的重元素，其中Hg，As，Cd，Pb和Cr这5种强毒性元素对人体的危害程度最大，广受学者重视[7-8]。本文以湖南省新邵地区土壤-水稻系统为对象，通过对水稻种植区土壤、稻米5种强毒性元素富集特征研究，探讨了农田中重金属的可能来源，以期为该区粮食安全性提供参考和依据。

1 研究区概况

新邵县地处湖南省中部，位于邵阳盆地和新涟盆地之间，主要以山地丘陵地貌为主，具有南东高、北西低的特点，地表切割强烈，形成的山地、丘陵、平原、岗地和水面面积比例大致为4.7∶2.2∶1.5∶1.2∶0.4。该县屬于亚热带季风湿润气候区，雨季较长，降水充沛。研究区内地层出露较全，岩性多样，从新到老有：第四系、白垩系、二叠系、石炭系、泥盆系、奥陶系、震旦系。光照、降水等自然条件随地势变化垂直差异明显，为多土壤类型的形成奠定了基础。区域内土壤成土母质主要以花岗岩风化物、砂砾岩风化物、砂页岩风化物、石灰岩风化物、红岩风化物和第四纪松散堆积物为主。在所有土类中以红壤和水稻土分布面积最广。本次研究区为新邵县基本农田保护区，主要为水田和旱地，面积约为400 km2，其中水田占耕地比例超过90%，基本以种植水稻为主[9]。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

本次样品采集采取一对一的采样形式，采样时间为农作物收获盛期，分别采集水稻籽实及对应根系土样各43件（图1）。在采样点地块内视不同情况采用棋盘法、梅花点法、对角线法、蛇形法等进行多点取样，然后等量混匀组成一个混合样品。水稻籽实每一混合样由10～20个植株组成，采集量为待测试样量的3～5倍，单个干样质量为500～1 000 g;根系土样采集时需采集地表至20 cm深处的土柱，采集的各分样点样品用手掰碎，挑出根系、秸秆、石块、虫体等杂物，充分混合后，四分法留取1.5～2.0 kg 装入样品袋。采集规范遵照DZ/T0295—2016“土地质量地球化学评价规范”。

2.2 样品分析

样品测试工作由湖南省地质调查院实验测试中心承担。本次研究分析重金属元素为Cd，Hg，Pb，As和Cr这5种。水稻籽实及根系土分析方法及检出限详见表1、表2。gzslib202204021047

2.3 评价方法

2.3.1 地质累积指数法

本次污染评价采用地质累积指数法（Igeo），该方法不仅考虑到自然地质过程造成的背景值影响，而且也充分考虑了人为活动对重金属污染的影响，因此，Igeo不仅反映了重金属分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数[10]。其公式为：

式中，Igeo为地质累积指数，C_i为元素i在土壤中的实测质量分数，Bi为元素在该区的背景值，1.5为修正指数（表3）。

2.3.2 综合指数法

综合指数法是对内梅罗指数法的改进方法，是将单因子指数换成地质累积指数，得到新的综合指数P，其公式如下：

式中，为地质累积指数平均值，为地质累积指数最大值。

土壤综合污染程度分级标准如表3所示。

3 结果与讨论

新邵县根系土、水稻重金属质量分数分析结果显示，根系土Cd的质量分数变化范围为（0.28～1.55）×10^-6，平均為0.56×10^-6，其他元素平均质量分数如下：Cr为85.12×10^-6、Hg为 0.21×10^-6、Pb为 42.45×10^-6、As为 19.09×10^-6，根系土Cd质量分数明显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，具有明显的Cd富集特征。按照地质累积污染指数分级标准，43个土壤样品中，As和Cr最高污染指数为2级，污染程度均在中度污染以下 ;Pb除1个样品达到中—强度污染外，其余样品同样均在中度污染以下;Hg质量分数达到中—强度污染以上约占总样品数16.28%， Cd质量分数达到中—强度污染以上约占总样品数90.67%（图2）。同时，综合指数法计算结果显示，研究区的土壤综合污染指数达到4.41，均说明研究区土壤可能存在大面积重金属污染，尤其是Cd污染指数和污染等级较高，将会对该区的农作物种植产生一定的潜在风险。

水稻重金属质量分数结果显示，研究区水稻籽实Cd的质量分数变化范围为（0.002～0.770）×10^-6，平均0.08×10^-6，其他元素平均质量分数如下：Cr 为0.31×10^-6、Hg为 0.002×10^-6、Pb为0.08×10^-6、As为0.06×10^-6（表5）。食品安全国家标准食品中污染物限量（GB2762—2017）中稻谷（糙米）重金属限值如下：无机As为 0.2 mg/kg、Hg为 0.02 mg/kg、Cr为 1 mg/kg、Cd 为0.2 mg/kg以及Pb 为0.2 mg/kg[12]，通过对比发现，43件水稻样品中，有3件样品Cd质量分数超过限值，约占总样品量的7%，与国际食品法典（CAC）稻谷（糙米）Cd的限量标准

（0.4 mg/kg）相比较，本次分析中仅有 1件样品Cd质量分数超过限值，占总样品数量的2%（表4）。

富集系数（P）是生物体对重金属富集能力的重要量化指标，即水稻籽实重金属质量分数与对应根系土重金属质量分数的比。表达式为：

P=ω_rice/ω_soil

通过计算，研究区重金属元素富集系数大小顺序为：Cd，Hg，As，Cr，Pb，表明土壤Cd易向水稻籽实中转移，Pb转移能力相对较弱，这与前人的研究结果一致[13]。众所周知，重金属元素在水稻植株体内不同部位的富集量有所不同，总体为根、茎，叶和籽实呈现由多到少的分布特征[14]，富集系数最大的Cd也仅有不足3%进入可食用部位，即糙米中[15]。结合前文研究区土壤评价结果对比发现，土壤中的重金属向水稻籽实中的转移量十分有限，土壤的污染指数明显夸大了其对水稻籽实的影响。因此，单从土壤的污染指数判断水稻种植的适宜性显然缺乏说服力和科学性，应充分结合水稻对重金属元素的吸收与分配机理进行综合评价。

农田土壤理化性质是影响重金属在土壤中迁移性、可给性及活性等重要因素，本次研究对水稻根系土的酸碱度、土壤有机质、速效钾以及有效磷进行了对应分析，研究其与不同重金属元素的相关关系，以期追溯土壤中重金属元素的可能来源。结果表明，Pb与Cd、As与Hg之间相关系数均大于0.6，具有强正相关;Cd与Hg之间相关系数为0.498，具有中等正相关，表明上述重金属元素可能具有同源性（表5）。从土壤有关组分树状图中（图3），Cd，Hg，As和Pb为一大类，尤其是Cd与Hg处于同一亚类中，进一步显示出上述重金属元素具有同源的特点。但所有重金属元素与pH、有机质、速效钾、有效磷之间均无明显相关关系，说明重金属在土壤中累积并非受到单一因素影响，可能为复合因素影响所致。

4 结论

研究区土壤 Cd质量分数达到中—强度污染以上比例较大，说明研究区土壤可能存在大面积重金属污染，Cd污染指数较高应引起重视。

土壤中的重金属向水稻籽实中的转移量十分有限，土壤的污染指数明显夸大了其对水稻籽实的影响，单从土壤的污染指数判断水稻种植的适宜性缺乏说服力， 应充分结合水稻对重金属元素的吸收与分配机理进行综合评价。

根系土中Cd，Hg，As和Pb可能具有同源性，尤其是Cd与Hg同源特点明显。同时，重金属在土壤中累积并非受到单一因素影响，可能为复合因素影响所致。

参考文献/References

[1] 胡国成， 张丽娟， 齐剑英， 等. 贵州万山汞矿周边土壤重金属污染特征及风险评价[J]. 生态环境学报， 2015， 24（5）： 879-885.gzslib202204021047

[2] 张云霞， 宋波， 杨子杰， 等. 广西某铅锌矿影响区农田土壤重金属污染特征及修复策略[J]. 农业环境科学学报， 2018， 37（2）： 239-249.

[3] 张红振， 骆永明， 章海波， 等. 水稻、小麦籽粒砷、镉、铅富集系数分布特征及规律[J]. 环境科学， 2010， 31（2）： 488-495.

[4] 高智群， 张美剑， 赵科理， 等. 土壤—水稻系统重金属空间异质性研究：以浙江省嵊州市为例[J]. 中国环境科学， 2016， 36（1）： 215-224.

[5] 刘瑞雪， 乔冬云， 王萍， 等. 湘潭縣农田土壤重金属污染及生态风险评价[J]. 农业环境科学学报， 2019， 38（7）： 1523-1530.

[6] 陈基旺， 屠乃美， 易镇邪， 等. 湖南镉污染稻区再生稻发展需解决的重点问题[J]. 农学学报， 2020， 10（1）： 32-36.

[7] 章海波， 骆永明， 李远， 等. 中国土壤环境质量标准中重金属指标的筛选研究[J]. 土壤学报， 2014， 51（3）： 429-438.

[8] 徐争启， 倪师军， 庹先国， 等. 潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算[J]. 环境科学与技术， 2008， 31（2）： 112-115.

[9] 廖振环， 林治家， 陈新跃， 等. 湖南省新邵县基于土地质量评价的水稻种植适宜性评价[J]. 农业科学， 2019， 9（10）： 815-827.

[10] 赵庆令， 李清彩， 谢江坤， 等. 应用富集系数法和地累积指数法研究济宁南部区域土壤重金属污染特征及生态风险评价[J]. 岩矿测试， 2015， 34（1）： 129-137.

[11] 国家环境保护局科技标准司.土壤环境质量标准：GB 15618—1995 [S/OL].北京：中国标准出版社，（1995-05-01）[2021-10-22].http：//wenku.baidu.com/view/b950a34b767f5acfa1c7cd49.html.

[12]食品安全国家标准评委会.食品中污染物限量： GB 2762—2012[S/OL].北京：中国标准出版社，（2018-12-13）[2021-09-27].https：//max.book118.com/html/2018/1213/5042321110001340.shtm.

[13] 王琳， 杜瑞英， 王旭， 等. 不同品种稻米重金属富集差异研究[J]. 热带农业科学， 2015， 35（6）： 56-61， 81.

[14] 胡潇潇， 李建龙， 杨红飞， 等. 张家港市土壤-水稻系统重金属积累与转移特征分析[J]. 天津农业科学， 2012， 18（4）： 40-46.

[15] 解怀生， 陈美君， 许兴苗， 等. 土壤Cd、As、Pb在水稻植株中的吸收分布特征[J]. 浙江农业科学， 2010， 51（5）： 1056-1058.