基于稻谷中镉含量的单因素内梅罗指数法在耕地污染情况评价中的应用——以旌阳区为例*

冯 吉，黄 露，刘天鹏，李 琪

（德阳市食品药品安全检验检测中心、德阳市食品检验重点实验室，四川 德阳 618000)

随着人口的增长和城市化程度的不断加深，确保耕地红线和发展经济的矛盾日益突出。而工业化和矿产资源的开发，使土壤的安全进一步受到方方面面的挑战。一段时间以来，德阳市耕地污染的新闻时常见诸媒体，由此造成的“超标稻谷”问题时有发生，渐渐成为威胁川西平原地区粮食安全和食品安全的因素之一。因此，本研究着眼于耕地污染情况的调查，参考川西平原地区的实际，以最重要的种植水稻耕地作为调查评价对象。本研究以水稻作为耕地重金属镉（Cd）污染[1]程度的指标农作物，以稻谷作为研究对象，采用单因子内梅罗指数法确定耕地重金属镉污染程度。水稻作为本地区最重要的农作物之一，分布广泛、样品易得，是非常适宜的分析测试样本。

四川省德阳市旌阳区东西南北分别与中江县、绵竹市、广汉市、罗江区为界。全区地貌分为平原、浅丘、深丘三种类型，西部为绵远河、石亭江扇形平原，东北部属丘陵，海拔在480～550 m之间，为龙泉山北端山地，地势起伏。西部平坝区主要分布在石亭江与绵远河之间，面积达384.6 km2，占全区的59.35%，属成都平原部分，该区域土地肥沃，河流纵横，自流灌溉条件好，人口稠密，交通方便，是旌阳区工、农业相对发达的地区。东部丘陵区，面积263.4km2，占全区面积的40.65%。新中镇境内的马鞍山，海拔764 m，为全区最高点，与此相距不到10 km的通江金锣桥以下3 km处，海拔457 m，为全区最低点，悬殊达307 m。

旌阳区地处四川盆地成都平原东北部边缘，地层分布：东北部丘陵大面积出露中生代白垩纪及侏罗纪地层；西南部平原区全为新生代第四纪沉积。区域内地貌类型多样，以绵远河为界，可划分为构造—侵蚀地貌和构造—堆积地貌。其中构造—侵蚀丘陵地貌大致包括绵远河以东及东北，区境内所有丘陵区。地貌主要为各丘陵、丘间盆地等地貌形态。构造—堆积地貌主要在西部平原区，地貌特征较为简单，总的为龙门山山前冲积平原，地貌主要由各级阶地构成。地势东南高、西北低。

1 材料

1.1 采样

2021年下半年至2022年初，课题组通过从农户处购买等方式，在旌阳区收集到稻谷样品205份，基本覆盖区内所有的农业乡镇。样品构成见表1。

表1 稻谷样品情况

1.2 试剂与仪器

1.2.1试剂

68%硝酸（UP级），苏州晶瑞化学股份有限公司；GSB04-1721—2004单元素标准溶液（Cd），国家有色金属及电子材料研究院；GBW(E)100362大米粉成分分析标准物质（镉含量0.007 mg/kg），钢铁研究总院分析测试研究所；GBW(E)100360大米粉成分分析标准物质（镉含量0.22 mg/kg），钢铁研究总院分析测试研究所；所用水均为超纯水（电阻率不小于18.3 MΩ·cm）。

1.2.2仪器

JLG-Ⅲ实验砻谷机，中储粮成都粮食储藏科学研究所；MS205DU电子天平，METTLER TOLEDO公司；900Z石墨炉原子吸收分光光度计，PerkinElmer公司；可调移液器，eppendorf公司；UV-R超纯水机，Millipore公司；EH20A电热消解仪，北京东航科仪仪器有限公司；HGG-II不锈钢横格式分样器，浙江伯利恒仪器设备有限公司；MARS6微波消解仪，CEM公司。

2 分析方法

2.1 制样

采集自然风干的稻谷样品，用实验砻谷机调整合适的辊间距后去壳，得到糙米小样。将糙米小样用粉碎机磨碎成均匀的样品，颗粒度不大于0.425mm。储于洁净的塑料袋中，标明标记，室温下保存备用。

2.2 样品消解

称取干试样0.3 g左右（精确至0.1 mg）置于微波消解罐中，加5 mL硝酸。微波消解参数见表2。消解完毕，待消解罐冷却后打开，消化液呈无色或淡黄色，加热赶酸至近干，用少量硝酸溶液（1%）冲洗消解罐3次，将溶液转移至25 mL容量瓶中，并用硝酸溶液（1%）定容至刻度，混匀备用；同时做试剂空白试验。

表2 微波消解仪工作参数

2.3 样品分析测试

2.3.1原子吸收分光光度计

原子吸收分光光度计（附石墨炉及镉空心阴极灯）测定参考条件见表3。

表3 原子吸收分光光度计工作参数

2.3.2标准曲线的制作

镉标准曲线工作液：使用自动进样器准确吸取镉标准使用液0 mL、0.4 mL、0.8 mL、1.2 mL、1.6mL、2.0 mL，即得到含镉量分别为0 ng/mL、0.4 ng/mL、0.8 ng/mL、1.0 ng/mL、1.2 ng/mL、1.6 ng/mL、2.0ng/mL的标准系列溶液。将标准曲线工作液按浓度由低到高的顺序各取20 μL注入石墨炉，测其吸光度值，以标准曲线工作液的浓度为横坐标，相应的吸光度值为纵坐标，绘制标准曲线并求出吸光度值与浓度关系的一元线性回归方程。标准系列溶液应不少于5个点的不同浓度的镉标准溶液，相关系数不小于0.995。试样溶液的测定于测定标准曲线工作液相同的实验条件下，吸取样品消化液20 μL，注入石墨炉，测其吸光度值。代入标准系列的一元线性回归方程中求样品消化液中镉的含量，平行测定次数不少于两次。若测定结果超出标准曲线范围，用硝酸溶液（1%）稀释后再行测定。糙米样品消解后，基本不存在干扰性成分，因此不必使用基体改进剂也能得到较好的测定结果。

2.3.3数据处理所得数据采用Excel、SPSS18.0等软件进行整理、分析。图片采用GS+、Excel等软件进行绘制。

3 结果

3.1 单因子内梅罗指数

我们发现，镉污染区耕地所产的稻谷除镉含量偏高外，参考GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》[2]规定，其它主要重金属元素污染物如铅（Pb）、铬（Cr）、汞（Hg）和砷（As）等在稻谷中的含量并无明显异常。内梅罗指数特别考虑了污染最严重的因子，内梅罗环境质量指数在加权过程中避免了权系数中主观因素的影响，是目前应用较多的一种环境质量指数。因此，即使考虑多因子内梅罗指数法，铅（Pb）、铬（Cr）、汞（Hg）和砷（As）等因子在最后的内梅罗指数计算上贡献较小，可以忽略。为使本研究更有针对性、突出和聚焦主要矛盾，本研究采用基于稻谷中镉含量的单因素内梅罗指数法[3]对耕地的污染情况进行评价亦无不妥。

单因子内梅罗指数法定义如下：

式中：Pi为污染指数；Ci为污染物实测值，即稻谷中重金属镉的含量；Si为污染物评价标准，参考GB2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》规定，稻谷（以糙米计）中重金属镉含量限量为0.2 mg/kg；i代表重金属镉。当Pi≤1时，表示土壤未受污染，Pi＞1时，表示土壤已受污染，且Pi值越大污染越严重。耕地重金属镉污染程度分级标准见表4。

表4 耕地重金属镉污染程度分级

3.2 耕地污染情况的大致分布

将得到的所有稻谷样品，根据其地理坐标，得到污染耕地的点位图（图1）。

图1 耕地轻度以上污染情况经纬度图

结合得到的稻谷中镉含量水平，我们得到旌阳区耕地轻度以上污染情况的地理分布图（图2）。

图2 耕地轻度以上污染情况示意图

从图上可以看出，几乎所有的超标稻谷都来自于平原、浅丘地貌地区。占比率的比较采用χ2检验，不同地貌地区污染情况有明显不同（p＜0.01）（显著性水平取α=0.05，β=0.10）。差异具有统计学意义。不同地貌耕地受污染情况见表5。

表5 不同地貌耕地重金属镉污染情况对比

3.3 与其它区县的比较

根据本项目组的有关本项目的研究情况，旌阳区耕地的镉污染情况具有典型性，占比率的比较采用χ2检验，与相邻的区县有明显不同（p＜0.01）（显著性水平取α=0.05，β=0.10），差异具有统计学意义。各地平均值和中位数详见表6。

表6 本市部分区县耕地重金属镉污染情况对比

4 讨论

耕地中镉的来源有来自土壤本身和来自水源。同为成都平原的中江县、旌阳区与什邡市有如此大的差异，很可能与地表水、地下水受到镉污染有着密切的联系。旌阳区内部平坝地区与丘陵区也有明显的差异，整个旌阳区与主要是丘陵区地貌的中江县差距也很明显，考虑到水很难从低处（平坝地区）自然流动到高处（丘区），更进一步解释了水源对耕地镉污染的影响。因此，更加重视耕地水源的污染问题刻不容缓。

根据采集到的稻谷信息，调查地区主要种植的稻谷品种为具有镉高积累性特点的杂交籼稻[4]，而常规粳稻或泸98A[5]等被实践证明认定的镉低积累性品种在调查地区几乎没有种植。在镉污染耕地的西南地区，推广镉低积累性的稻种还有很多技术工作需要做，如制种、田间应用、稻谷利用等方面。另外，如何确保耕地的经济收益不降低，选择适合当地种植的品种与水稻接续种植、最大化地利用耕地，还需要农业技术人员与农业从业者通盘考虑，找到最优的方案。

5 局限性

（1）受课题项目的限制，研究组人员样品收集的密度不高，有的乡镇收集到的样品较少，有的村组没有覆盖到。

（2）样品信息还不够全面，有的样品仅记录为“杂交稻”，但具体的品种名称不够明确，很多样品采集现场仅大致记录样品收集的地理位置，未精确记录周边的环境和地理坐标。

（3）本研究的周期较短，对于稻谷这种农业种植类的课题来说，对某一问题需要长期和持续关注。

（4）本研究以单因子内梅罗指数法评价耕地质量有可能没有全面把握问题实质，综合评估耕地质量不仅需要更多的研究侧面，还需要与其他相关研究者通力合作。