贵州喀斯特山区水稻土与稻米重金属含量的关联性探究
2021-08-06张庭艳何腾兵田茂苑王萍付天岭高珍冉
张庭艳 何腾兵 田茂苑 王萍 付天岭 高珍冉
摘 要：为了探究贵州喀斯特山区水稻土和稻米重金属含量的相关关系，以贵州喀斯特山区某县水稻土和稻米为研究对象，监测326对水稻土和稻米，检测土壤和稻米样品中镉、汞、砷、铅、铬的含量，并进行相关性分析。研究结果表明：该县水稻土pH以偏酸性为主，水稻土主要为酸性土壤。水稻土中镉、汞、砷、铅、铬的平均含量分别为0.57、0.53、19.04、49.68、76.83 mg/kg，镉是主要的污染元素，其次是砷和汞元素，铅、铬污染风险极低。稻米中镉、汞、砷、铅、铬的平均含量分别为0.072、0.004、0.108、0.037、0.150 mg/kg，存在镉元素超标的现象，其他4种元素基本不超标。总体看来，326对样品中，土壤和稻米中镉、汞、砷全量之间存在正相关关系，铅、铬全量之间存在负相关关系。不同pH环境下，土壤和稻米中镉、汞、砷、铬含量之间均为正相关关系;土壤和稻米中铅含量在pH≤5.5时，呈正相关关系，在pH>5.5后，土壤和稻米中铅之间呈现为负相关关系，土壤和稻米重金属含量相关性均未达到显著水平。本研究结果可为贵州喀斯特山区稻米安全生产提供科学依据。
关键词：喀斯特;水稻土;稻米;重金属;关联性
中图分类号：S19 文献标识码：A
文章编号：1008-0457（2021）02-0060-07
国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2021.02.010
Abstract：In order to explore the relationship between the content of heavy metals in paddy soil and rice in County，the paddy soil and rice in the County were used as the research materials.In this study，326 pairs of paddy soil and rice were monitored，and the content of cadmium，mercury，arsenic，lead，and chromium in soil and rice samples was detected.The correlation analysis was conducted between soil and rice.The results showed that the paddy soil in this county was mainly acidic，and the average content of cadmium，mercury，arsenic，lead，and chromium in paddy soil were 0.57，0.53，19.04，49.68，and 76.83 mg/kg，respectively.Cadmium was the main pollutant element，followed by arsenic and mercury.The risk of lead and chromium pollution was extremely low.The average content of cadmium，mercury，arsenic，lead，and chromium in rice were 0.072，0.004，0.108，0.037，0.150 mg/kg，respectively.There was a phenomenon of cadmium exceeding the standard，and the other 4 elements were basically not exceeding or not exceeding the standard.Under different PH environments，there was a positive correlation between the total amount of cadmium，mercury and arsenic in paddy soil and rice.The content of lead in paddy soil and rice was positively correlated when pH≤5.5.There was a negative correlation in the content of lead in paddy soil and rice when pH>5.5，and the correlation in heavy metal content between paddy and rice had not reached a significant level.The results of this study can provide a scientific basis for safe rice production in Guizhou.
Keywords：Paddy soil;rice;heavy metals;correlation
土壤是人類赖以生存的基础，是粮食生产的重要保障。近年来，我国土壤重金属污染事件频发，不仅对耕地和农产品质量构成严重威胁，还影响到人体健康[1]。我国耕地土壤重金属的污染概率为16.67%，由重金属造成的耕地污染面积约占总耕地面积的17%左右[2]。土壤是稻米中元素的主要来源，水稻对重金属具有较强的生理耐受性机理和较强的吸附性，当水稻中重金属含量超过限量标准之后，稻米就表现出污染特征。我国每年因重金属污染造成粮食减产超过1000万t，每年被重金属污染的粮食也达1200万t之多，重金属污染造成的经济损失合计至少为200亿元以上[3]。牟力等[4-5]发现贵州山区河流阶地稻田土壤重金属单项生态风险指数最高的是镉、最低的是铬。稻米作为我国的主要粮食作物之一，全国有65%以上的人口以稻米为主食，稻米质量安全与否很大程度上反映了我国粮食安全的总体情况[6]。土壤是作物生长的主要基质，作物中成分与土壤成分密切相关，水稻对重金属镉具有较强的生理耐受性机理和较强的吸附性，当土壤镉含量为2.21 mg/kg时，糙米中镉含量可达2.64 mg/kg，稻田土壤镉是导致稻米镉污染的最大因子[7]。要降低水稻中重金属含量，最主要的方法是摸清其主要来源途径，摸清土壤和稻米之间重金属的含量关系，据报道，就重金属镉而言，前期研究表明，土壤和水稻中镉的含量关系主要有2种观点，一是稻田土壤和稻米镉含量呈显著正相关关系，另一观点是由于外界环境的复杂性，除了呈现正相关性外，还有其他相关关系。田茂苑等[8-9]发现贵州喀斯特区域稻田土壤和稻米镉含量之间存在极显著正相关关系，不同类型水稻土和稻米镉含量之间相关关系不一致，王梦梦等[10]、彭华等[11]、赵雄等[12]、Schuhmacher等[13]发现土壤和稻米重金属存在显著正相关性。喻凤莲等[14]发现在不同环境下，土壤镉与稻米镉之间的关系响应不一，在酸性环境下，土壤镉与稻米镉呈现显著性正相关关系，相关系数为0.971，碱性条件下，土壤镉与稻米镉呈弱正相关性，中性条件下，土壤镉与稻米镉相关性不显著。张建辉等[15]、Suzuki等[16]土壤和稻米镉含量相关性不显著。
稻田土壤镉造成的稻米镉污染已成危害人类健康的制约因子，摸清稻田土壤和稻米镉的含量关系，可以为稻米安全生产和维护人类健康作出重要贡献。据贵阳市农业生产统计数据显示，2018年某县秋粮产量34.50万 t，稻谷产量16.89万 t，占当年秋粮产量的48.9%，稻米是某县主要的农产品之一。通过对某县水稻土壤和稻米重金属含量的研究，以期摸清水稻土壤和稻米重金属的含量关系，为某县稻米安全生产增加重要基础。
1 材料与方法
1.1 材料
供试材料为某县水稻土和对应稻米。
1.2 研究区域概况
某县位于贵州省贵阳市，地理坐标为东径106°45′～107°17′，北纬26°48′～27°22′，地势呈西南高、东北低，地质构造以山地为主，土壤富硒，由于风化强烈，流水侵蚀、溶蚀严重，岩溶较为发育。平均海拔在1000～1400 m，大部分地区属北亚热带季风湿润气候，年平均气温介于10.6～15.30℃之间，年降雨量1419 mm。某县水稻土面积为1.38万hm2，占土壤面积的10.3%，2018年某县秋粮产量34.50万t，稻谷产量16.89万t，占当年秋粮产量的48.9%，稻米是某县主要的农产品之一。
1.3 点位布设
根据某县2018年水稻种植情况，在全县开展水稻土和稻米样品协同点位布设工作。按照《农、畜、水产品污染监测技术规范》（TY/T 398-2000）[17]开展水稻土和稻米协同监测点位布设工作，当农作物监测和上壤监测同时进行时，农作物样点数和采样点位尽可能与土壤样点数和采样点位保持一致。为保证样点代表性，在集中连片的水稻种植区域上，以乡镇为监测单元，每个单元至少布设3个协同监测点位。根据点位布设和实际踏勘，共布设326个协同监测点位。
1.4 样品采集
根据水稻成熟期，同步采集水稻土和对应稻米样品，根据田块形状，土壤样品采用五点法或蛇行采集水稻土耕作土壤，土壤样品混合后用四分法进行取舍，共计留样总量不少于500 g。稻谷样品与对应点位土壤样品同步采集，选取10～20个分样点，然后等量混匀组成一个混合样品，混合样质量达到300 g。
1.5 样品分析测试
土壤pH采取水或1mol/L KCl溶液或0.01 mol/L CaCl2溶液为浸提剂，采用电位法测定;水稻土中Pb、Cd和Cr采用硝酸—氯酸—氢氟酸三酸消解，电感耦合等离子体质谱仪（ ICP-MS） 测定;As、Hg 采用王水消解，原子荧光光度计测定。稻谷中重金属含量采用王水长管消解法处理，Pb、Cd 和 Cr 含量采用石墨炉原子吸收光谱法检测;As、Hg原子荧光光度计测定。
样品检测过程中，为保证分析结果的准确性和测试过程的精度，每20个样品设定一个重复样品，并采用土壤标样GBW07428（GSS-14）和大米国家标准样品GBW10010（GSB-1）作为分析过程的主要质控样品，保证平行样和标准样的测试结果在标准值范围内。
1.6 数据处理
采用Excel2003和SPSS13.0软件进行数据统计与分析。
1.7 评价方法
土壤重金属风险评价方法：依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的筛选值 Si和管制值 Gi作为参数见表1，并利用单因子指数法，按照《土壤环境监测技术规范》将土壤污染指数分为5级，见表2。单因子指数法计算公式见公式（1）。
式中，Pi为土壤重金属i的单项污染指数，Ci为土壤重金属i在土壤中的实测含量（mg/kg），Si为土壤重金属i在土壤中的环境标准值（mg/kg）。
稻米重金属风险评价方法：水稻中5项重金属限值见表3，基于水稻中镉、汞、砷、铅、铬的含量Ci，将水稻样品超标程度（Ei，稻米重金属含量与对应限值的比值）按表4分为未超标、轻度超标和重度超标。
2 结果与分析
2.1 土壤pH值
贵州喀斯特山区水稻土pH值见表5。土壤pH值范围在4.64～8.62之间，变异系数为15.58%，根据Wilding[18]对变异系数的分类，变异系数小于15%为弱等级变异，15%～35%为中等级变异，大于35%为强等级变异，得到水稻土pH为中等级变异。根据pH对重金属有效性影响程度，对pH进行分段（pH≤5.5、5.5
2.2 水稻土重金属含量状况
水稻土重金属含量见表6。结果表明：土壤中镉、汞、砷、铅、铬平均值分别为0.57、0.53、19.04、49.68、76.83 mg/kg，平均值含量均低于农用地土壤污染风险筛选值。变异系数表现为Hg>Pb>As>Cd>Cr，范围为35.82%～200.30%;偏度系数表现为Hg>Pb>Cd>Cr>As，范围为1.64～5.26;峰度系数表现为Hg>Pb>Cr>Cd>As，范围为3.83～34.64。5种重金属含量整体低于算术平均值的样本占比较大，且多分布集中。
2.3 水稻土重金属环境质量评价结果
根据土壤重金属筛选值和管控值，将水稻土重金属含量水平划分为3類：Ⅰ类（总量≤筛选值）、Ⅱ类（筛选值<总量≤管制值）、Ⅲ类（总量>管制值），综合评价土壤镉总量水平下水稻重金属超标情况。水稻土5项重金属环境质量评价结果见表7，土壤中镉含量为Ⅰ类（Ci≤筛选值）的比例最低，为45.4%;其他4个元素含量为Ⅰ类的比例均高于72%，尤其是铬、铅元素含量为Ⅰ类的比例高达96%以上;重金属含量为Ⅰ类的比例从大到小依次为：铬>铅>汞>砷>镉。重金属含量为Ⅱ类（筛选值
水稻土和对应稻米样品中，土壤镉、汞、砷、铅、铬全量对稻米重金属含量超标的影响作用不明显，土壤中5种重金属全量未超筛选值时，稻米中重金属含量绝大多数不超标，即土壤重金属不超标，稻米基本不超标。土壤重金属全量大于筛选值时，仅有少量稻米样品重金属含量超标，即土壤重金属超标，稻米超标率低。水稻土中镉、汞、砷全量与对应稻米镉、汞、砷含量之间存在正相关关系，水稻土中铅、铬全量与对应稻米铅、铬含量之间存在负相关关系，相关性均未达到显著水平。
2.4 水稻土重金属污染风险评价结果
水稻土重金属污染风险评价结果见表8，可知，5种重金属元素主要是无超标风险，除镉外，其他4种重金属元素无超标风险比例均在70%以上，5种元素无超标数量大小为铬>铅>汞>砷>镉。轻微超标风险数量大小为镉>砷>汞>铅>铬，轻度超标风险数量大小为镉>砷>汞>铅>铬，砷元素不存在中度超标风险，镉和汞元素存在重度超标风险，但重度超标风险低。以上表明：开阳县水稻土中镉元素超标风险最高，其次是砷，铅、铬超标率极低。
2.5 稻米重金属含量状况
稻米重金属含量见表9，镉、汞、砷、铅、铬5种重金属的平均含量分别为0.072、0.004、0.108、0.037、0.150 mg/kg，均低于其对应的中位值，5种重金属的平均含量明显低于食品安全国家标准中的标准限值（镉≤0.2 mg/kg、汞≤0.02 mg/kg、砷≤0.5 mg/kg、铅≤0.2 mg/kg、铬≤1 mg/kg），这表明，稻米水稻受镉、汞、砷、铅、铬污染风险低。稻米中镉的变异系数最大为208.97%，5种重金属的变异系数由大到小依次为变异系数表现为Cd>Pb>Hg>Cr>As，范围为40.06%～208.97%;偏度系数表现为Pb>Cd>Hg>Cr>As，范围为0.64～8.46;峰度系数表现为Pb>Cd>Hg>Cr>As，范围为1.38～106.45。
2.6 稻米重金属污染风险评价
稻米重金属安全评价结果见表10。镉、汞、砷、铅、铬5种重金属大部分未超标，除镉外，其他4种重金属未超标比例均高于99%，比例由大到小依次为：铬>砷>铅=汞>镉;属于轻度超标类的比例由大到小为：镉>汞>砷=铅，镉元素超标比例最大，仅为7.06%，铬元素未超标;属于重度超标类的比例由大到小依次为：镉>铅，镉元素重度超标比例最大，但也仅为2.76%，铅元素仅有1个样品属于重度超标，铬、砷、汞3种元素未重度超标。以上结果显示，稻米中镉元素存在污染超标的现象，而汞、砷和铅基本不存在污染超标，铬元素不存在污染超标，基本可忽略汞、砷、铅和铬引起的污染风险。
2.7 水稻土与稻米重金属含量的相关关系
水稻土重金属含量與稻米重金属含量见图1。土壤镉、汞、砷、铅、铬全量与对应稻米重金属含量的线性拟合方程分别为y=0.0717x+0.1421、y=0.0007x+0.005、y=0.0489x+0.0335、y=-0.0004x+0.0778、y=-0.0007x+0.2527。拟合R2分别为0.0441、0.0456、0.076、0.0307、0.0045。水稻土与对应稻米镉、汞、砷含量之间存在正相关关系，相关系数很弱，水稻土中铅、铬全量与对应稻米铅、铬含量之间存在负相关关系，相关系数很弱。
根据土壤pH进行分段（pH≤5.5、5.5
3 结论与讨论
水稻土重金属含量状况及污染风险评价结果。水稻土pH以偏酸性为主，水稻土主要为酸性土壤。水稻土中镉、汞、砷、铅、铬的平均含量分别为0.57、0.53、19.04、49.68、76.83 mg/kg。总体而言，调查的水稻土样品镉、砷、铬含量较低，汞和铅含量较高。水稻土5种重金属元素主要是无超标风险，除镉外，其他4种重金属元素无超标风险比例均在70%以上，5元素超标风险为镉>砷>汞>铅>铬。水稻土中镉污染风险最高，是主要的重金属污染元素，其次是砷和汞元素，铅、铬污染风险极低。
稻米重金属含量状况及风险评价结果。稻米中镉、汞、砷、铅、铬的平均含量分别为0.072、0.004、0.108、0.037、0.150 mg/kg，5种重金属的平均含量明显低于食品安全国家标准中的标准限值，超过食品安全国家标准中的标准限值分别为样品量的9.8%、0、0、0.6%、0。总体而言，稻米中镉含量较低，其他4种重金属元素含量极低。稻米中存在镉元素超标的现象，而汞、砷和铅基本不存在污染超标，铬元素不存在污染超标，基本可忽略汞、砷、铅和铬引起的污染风险。
水稻土和稻米重金属的含量关系。调查总样品量显示，水稻土中镉、汞、砷全量与对应稻米镉、汞、砷含量之间存在正相关关系，相关系数很弱，水稻土中铅、铬全量与对应稻米铅、铬含量之间存在负相关关系，相关系数很弱。根据土壤pH分段来看，不同pH（pH≤5.5、5.5
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