隆回縣農作物對As，Cd，Cr，Hg，Pb和Se元素的富集特征

尹戰銀 林治家 王珍英

摘 ?要 ?通過1：50000土地質量地球化學調查，獲得了湖南省隆回縣7種157組農產品—根系土對照樣的As，Cd，Cr，Hg，Pb和Se等元素的高精度分析數據，發現隆回縣的水稻和紅薯基本上屬于綠色富硒農產品。研究了不同農產品對不同元素的富集能力，發現各種農作物對Cd和Se元素的富集吸收能力最強。進一步通過對Cd和Se元素的來源研究，發現了Cd元素和Se元素具有高度的相關性，并且其分布特征與特定的地質背景密切相關。本項研究工作的發現將為類似地區土地質量評價、富硒農產品調查和農業種植結構調整等提供有益的參考。

關鍵詞 ? ?隆回;土地質量;黑色巖系;富硒土壤

中圖分類號：P63 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Enrichment Characteristics of As ， Cd ， Cr ， Hg ， Pb and Se in Crops ， Longhui County

Yin Zhanyin1， Lin Zhijia2， Wang Zhenying2

（1. Coal Geological Engineering Investigation Co.， Ltd of Hunan Province， Changsha Hunan 410014;

2. Hunan Institute of Geological Survey， Changsha Hunan 410016）

Abstract： Through 1：50000 geochemical survey of land quality， high-precision analysis data of As， Cd， Cr， Hg， Pb and Se of 157 groups of agricultural-root soil in Longhui County of Hunan Province were obtained. Its found that rice and sweet potato in Longhui County are green selenium rich agricultural products. All kind of crops have the strongest ability to absorb Cd and Se. Through further study on the sources of Cd and Se， it is found that Cd and Se are highly correlated， and their distribution characteristics are closely related to specific geological background. The findings of this study will provide useful reference for land quality evaluation， investigation of selenium-rich agricultural products and adjustment of agricultural planting structure in similar areas.

Keywords： Longhui; land quality; black rock series; selenium-rich soils

引言

農作物的生長主要依賴于水土條件，而水土條件受氣候、地形地貌、耕作方式等多種因素影響。但是，最根本性的影響則來自于成土母質，也就是農業地質背景。

我國的農業地質背景研究在20世紀90年代前后比較熱門，發表了不少的論文和專著。進入21世紀，隨著全國多目標地球化學調查和土地質量調查工程的實施，開始更多地關注特殊地質背景與生態安全和農產品安全及特色農業發展的關系研究[1-2]。湖南省在老一輩農業地質學家童潛明教授的帶領下，做了大量的研究，在名優特農產品的農業地質環境和農用巖礦資源研究等方面獲得了廣泛的成果[3-5]。

本研究所用土壤和農作物樣品數據均來自2015—2017年實施的湖南省土地質量調查示范工程——隆回縣土地質量調查項目獲得的隆回縣大量主糧作物與名優特農產品調查結果。調查發現，隆回農產品中的有益元素Se和有害重金屬元素As、Cr、Cd、Hg、Pb與成土母質背景密切相關，在高背景含量地層的殘坡積物地區尤為顯著。通過農產品—根系土對照樣的評價，以及根系土中各元素含量及作物富集系數（本文中富集系數指農產品中的元素含量與土壤中相應元素含量之比，下同）的綜合研究，探討了相關元素從土壤到農產品的遷移轉化和富集特征。本項研究工作的發現將為類似地區土地質量評價、富硒農產品調查、農業種植結構調整等提供有益的參考。

1 ?研究區概況

隆回縣位于湖南省中部稍偏西南，坐標東經110°38′～110°15′，北緯27°00′～27°40′，總面積2867.69 km2。地處漣邵盆地西緣向雪峰中段過渡地帶，以大東山、九龍山南麓為界，將全縣自然分為南、北兩部分。北部屬雪峰山地，地貌類型以山地類型為主，山勢高峻，氣候特征垂直差異大;山地之間夾有較大的剪刀形盆地。南部地勢較低，地貌以丘陵為主，崗地、丘陵呈垅狀相間，巖溶地貌發育。

隆回縣在地質構造上位于揚子陸塊的雪峰構造帶與桂湘早古生代陸緣沉降帶結合部（圖1，據湖南省地質志[6]修改）?？h內地層發育較全，自上元古界至新生界第四系都有出露。前泥盆系地層主要出露在西部偏北白馬山，少數出露在東部，以板溪群、震旦系、寒武系為主，其次為奧陶系、志留系，巖性主要為板巖、淺變質巖。泥盆系和石炭系分布在南部，二疊系及三疊系出露面積少，分布于東南部，巖性以碳酸鹽巖為主夾少量碎屑巖及煤層。侏羅系、白堊系境內出露小。第四系沖積物多零星分布于河流兩岸，巖性上部為砂質黏土，下部為砂礫層、粗砂層;第四系殘坡積物主要是分布于中部以南的廣大地區，巖性為棕紅色網紋狀黏土和西北部地區的黃褐色含砂亞黏土。北部地區主要為白馬山巖體和望云山巖體，時代有加里東期、印支期、燕山早期，以加里東期分布最廣，其次為燕山早期，主要為中酸性侵入體。

2 ?樣品采集與測試

2.1 ?樣品采集加工

農作物樣品采集水稻籽實、玉米籽實和蔬菜可食部分。共采集了水稻、玉米、油菜、黃豆、紅薯、柿子和辣椒等7種產品。水稻、黃豆、油菜樣品以1 m×1 m的樣方采集新鮮籽實5000g，玉米在每個樣點選取代表性植株10～10株，紅薯和辣椒樣品采集15個以上，多個植株混成一個樣本。柿子在柿子樹的東南西北四個方向、高低層次各采集3個，混合成一個樣品。在采集農作物樣品的對應樣點采集了根系土樣，根系土樣在作物樣品采集的地塊里多點采集表層0—20 cm土壤柱，其中柿子采集表層0—40 cm土壤柱。

水稻烘干、脫粒成符合《大米》（GB/T 1354-2018）質量要求，再用四分法縮分。玉米烘干、脫粒成符合《玉米》（GB 1353—2018）質量要求，再用四分法縮分。黃豆曬干、脫殼成符合《大豆》（GB 1352—2009）質量要求，再用四分法縮分。油菜籽曬干、脫殼成符合《油菜籽》（GB/T 11762—2006）質量要求，再用四分法縮分。紅薯、柿子先用清水將樣品洗凈晾至無水后，垂直放置，中間部分橫切，然后上下兩部分分別進行對角線切割，除去非可食部分，取所需量的樣品。辣椒樣品采用隨機取樣法縮分，先用清水將樣品洗凈晾至無水后，將整株植株粗切后混合均勻，隨機取所需量的樣品。

2.2 ?測試方法

樣品初加工后，大米、玉米粒、黃豆直接磨碎，再用瑪瑙研缽進行研磨，使樣品全部通過40～60目尼龍塑料篩，混合均勻成待測試樣。辣椒、紅薯、柿子等新鮮樣品直接用組織搗碎機搗碎，混合均勻成待測試樣。油菜籽直接磨碎，再用瑪瑙研缽進行研磨，混勻取樣待測。

農作物樣品測試了6項元素指標，其中Cr、Pb和Cd采用ICP-MS方法測試，As、Hg和Se采用AFS方法測試。

根系土樣品土壤樣品測試了12項元素指標，其中Cr、Cd、Cu、Mo、Mn、Ni、Pb、V和Zn等元素采用ICP-MS方法測試，As、Se和Hg元素采用AFS方法測試。

以上測試均在湖南省地質測試研究院完成。

3 ?結果與討論

3.1 ?農產品安全總體評價

根據《食品安全國家標準 食品中污染物限量（GB 2762—2017）》對農產品中的As、Cr、Cd、Hg和Pb五種重金屬元素進行了質量評價，見表1、圖2。

從表1和圖2可以看出，不論是從作物種類還是從重金屬元素角度看，7種調查農產品在As、Cd、Cr、Hg和Pb等五項強制性國標的質量合格率方面總體較好。

3.2 ?農產品的富硒情況

目前，國內缺乏統一的農產品硒元素含量標準。因此，本文中水稻采用《富硒稻谷》（GB/T 22499—2008）標準，黃豆、玉米采用《食品安全國家標準 預包裝食品營養標簽通則》（GB 28050—2011）。其他新鮮農產品采用與湖南地理條件相似的江西省地方標準《富硒食品硒含量分類標準》（DB36/T 566—2017）。

表2展示了各類農產品的富硒情況。其中，水稻全部富硒，并且有2個樣品硒含量分別高達0.40 mg/kg和0.65mg/kg，超過標準上限;黃豆硒平均含量達到富硒標準，有75%的個體樣品富硒;玉米硒平均含量遠低于富硒標準，只有1個樣品達到了富硒標準。紅薯、辣椒、柿子的富硒情況較好，結果供參考。

3.3 ?不同作物對As、Cd、Cr、Hg、Pb和Se元素的富集能力

本次采集測試了每一件農產品對應的根系土樣品。圖3展示了不同作物對重金屬元素富集系數（農產品中的含量/根系土中的含量）的統計結果。

Cd是最容易被各種農作物吸收富集的元素，各類農產品對Cd的富集系數排序是辣椒>水稻>黃豆>油菜>玉米>紅薯>柿子。其中辣椒對Cd的平均富集系數達到81.56%，水稻對Cd的平均富集系數達到45.34%，黃豆和油菜對Cd的平均富集系數也超過20%。Se也容易被各類農產品吸收，其富集系數排序是水稻>黃豆>油菜>紅薯>玉米>辣椒>柿子。其他各種農作物對As、Cr、Hg和Pb等元素的富集系數均小于5%。

根系土中的As、Cd、Cr、Hg、Pb和Se元素含量對農作物的吸收量具有直接影響，因此本文研究了農產品富集系數與對應根系土中各元素含量的相關性，見表3。

從表3可以看出，幾乎所有類型的農產品對每一種元素的富集系數都與土壤中對應元素的含量呈負相關。以最易被作物富集的Cd元素為例，用excel軟件中的回歸分析方法研究了每種作物的這種相關性，見圖4。

在回歸分析之前，根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018），剔除了Cd含量大于1 mg/kg的重度污染根系土樣品?；赗2值最大原則對不同農作物選用不同的回歸方法。從圖4可以看出，幾乎所有的農作物在根系土中Cd含量較低的時候具有最高的富集系數。此外油菜、柿子和紅薯具有明顯的富集系數低閾值，油菜、柿子和紅薯根系土Cd含量0.5 mg/kg左右的富集系數最低。籽實類作物的Cd富集系數水稻>黃豆>油菜>玉米;木本植物柿子的Cd富集系數比其他草本類植物低了至少一個數量級;紅薯對Cd的吸收富集水平最低。

3.4 ?地質背景對表層土壤、農作物中Se、Cd元素的影響

從前文結果中可以看到，不同農作物都對土壤中Cd和Se元素的吸收能力最強，這兩個元素也是我們重點關注的有害和有益元素。因此下文將重點探討有害元素Cd和有益元素Se。

統計了不同時代地層分布區表層土壤樣品Cd和Se元素的平均值（未發表數據，見圖5）。從圖5中可以看出，寒武系和二疊系在整個地質歷史時期具有最高的Cd和Se元素含量，并且Cd和Se具有高度的相關性。這一點與林治家等的研究結果相吻合[7]，即湖南省晚震旦世-早寒武紀的留茶坡組、牛蹄塘組、污泥塘組與二疊紀小江邊組、茅口組、龍潭組、吳家坪組和大隆組等地層屬于Se、Cd的高背景區，土壤中的Se、Cd含量較高。

農作物樣品主要分布在晚古生代-中生代地層區，重點統計了這些地層區農作物中的Se、Cd元素含量分布情況（圖6）。從圖6中可以看出兩點，一是作物中Cd元素含量與表層土壤中Cd元素含量具有高度相關性，二疊系分布區的農作物具有最高的平均Cd含量，說明本地區表層土壤中Cd元素的活性較強，利于農作物吸收;二是農作物中Se元素含量分布相對均勻，與表層土壤中背景Se含量沒有明顯的正相關性，說明本地區表層土壤中Se元素的活性較弱，不利于農作物吸收。

4 ?結論

（1）本次研究所采農作物主要分布在花崗巖區、前寒武紀地層區和晚古生代—中生代地層區，總體來看，水稻、玉米和紅薯等糧食作物的質量合格率較高，且水稻和紅薯均達到富硒標準。

（2）Cd是最容易被各種農作物吸收富集的有害元素，其富集系數排序是辣椒>水稻>黃豆>油菜>玉米>紅薯>柿子。其中辣椒對Cd的平均富集系數高達81.56%，水稻對Cd的平均富集系數達到45.34%。

（3）Se相對As、Cr、Hg和Pb等有害元素更容易被各種農作物吸收富集，其富集系數排序是水稻>黃豆>油菜>紅薯>玉米>辣椒>柿子。其中水稻對Se的平均富集系數高達30.72%，黃豆、油菜和紅薯對Se的平均富集系數均超過20%。

（4）農作物中Cd元素含量與表層土壤中Cd元素含量具有較為明顯的正相關性，與地質背景密切相關;表層土壤中Se元素含量高低對農作物的影響不大。

參考文獻/References

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