湖北省某地區不同種植模式下土壤與稻米中重金屬含量和污染風險評價

姚晶晶，吳 旋，李 葳，王明銳，崔文文，張惠賢，易 甜

（1.湖北省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，武漢 430064；2.農產品營養品質與安全湖北省重點實驗室，武漢 430064；3.黃岡市農業技術促進中心，湖北 黃岡 438000）

隨著中國經濟的高速發展，農業生產面臨著巨大的挑戰。現代農業因長期不合理使用化肥農藥等化學物質、工業廢水和廢物的隨意排放以及大氣環境的惡化等原因，使得農用地土壤容易受到重金屬的污染。目前，重金屬對土壤環境的污染已經引起國際社會的廣泛關注，農田土壤中重金屬來源主要有2 個：一是成土母質，是土壤重金屬的自然來源，二是人類活動［1］。《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，中國農田土壤點位超標率為19.4%，其中以Cd、Ni、Cu 等重金屬污染最為突出，造成重金屬污染原因有很多，其中化肥使用是農田重金屬污染的主要原因之一［2］。重金屬不僅會對農業生產系統產生毒害作用，還對目標農作物及農產品的產量和質量安全帶來很大影響，同時重金屬還會通過食物鏈富集作用對人的身體健康造成隱形影響［3］。綜合運用不同物種間的協同作用有利于減少農業上相關化學物質的使用，保證生產系統生產力的同時可提高產品質量，其中漁稻種養模式就是最早利用這種關系的生產方式。

近年來漁稻、蟹稻和蝦稻等多種共作養殖方式興起。蝦稻共作生態養殖模式將水稻、水產2 個農業產業有機結合起來，是一種以發掘稻田生產潛力和效益的生態生產方式，高效地利用了中國農村有限的土地資源和人力資源，降低了稻田化肥和農藥的使用量，不僅不會使稻谷產量減少，還能生產出低殘留或無殘留的稻米，提高稻米質量，實現了蝦稻雙豐收，增加了農民的收入。蝦稻共作具有成本低、見效快、易操作、風險小的特點，該生態養殖模式受到人們的青睞。管勤壯等［4］對稻蝦共作模式中土壤有機碳研究發現，稻蝦共作種植模式相對于常規種植土壤中有機質含量顯著增加，并且土壤全磷、脲酶與有機碳呈顯著正相關。劉赫群等［5］研究表明，蝦稻共作生態系統中農田土壤養分循環較快，土壤呈養分富集。覃東立等［6］采用氣質和液質檢測了東北地區蟹稻共作模式出產的中華絨螯蟹體內42 種農藥的殘留水平，并采用食品安全指數法（IFS）評價了農藥的潛在健康風險，但鮮見對于蝦稻共作模式的重金屬污染的報道。本研究采用原子熒光儀（AFS）檢測土壤和稻米中汞元素含量，電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）檢測土壤和稻米中鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘和鉛7 種重金屬元素含量，并采用單因子指數法、內梅羅綜合累計指數法和潛在生態風險指數法對產地土壤中的重金屬進行污染風險評價，以此了解產地土壤環境重金屬含量及其污染狀況。運用THQ（Targt Hazard Quotients）來評估人在食用蝦稻產地水稻時重金屬進入人體體內的風險，已確定單項重金屬和多種重金屬綜合對人體健康危害等級。湖北省近年來利用自然優勢和產業優勢大力發展蝦稻種植模式，因此，本研究對湖北省蝦稻某產地的常規稻田、2年蝦稻田和5年蝦稻3 種稻田中的土壤和稻米中8 種重金屬含量進行檢測并分析其重金屬污染風險，以檢驗產地土壤環境和糧食是否符合國家相關標準，對保障產地農作物質量安全和產地環境安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 土壤與水稻樣品的采集

對湖北省某地的常規稻田、2年蝦稻共作稻田和5年蝦稻共作稻田3 塊稻田同時采集土壤和水稻樣品。所有樣品均采于2018年10月上旬，其中水稻樣品為成熟的晚稻。土壤樣品采集按照HJ/T166—2004《土壤環境監測技術規范》［7］的規定進行采樣，土壤和水稻的樣品采集同時進行，并且采樣點位一致。每個點位采集濕土壤質量400 g 和成熟水稻500 g。共采集土樣18 個和水稻樣品18 個，其中土壤和水稻樣品每塊稻田取6 個樣品。

1.2 樣品的制備

將土樣放置于風干盤中，攤成2～3 cm 的薄層風干，適時地壓碎、翻動，揀出碎石、砂礫、植物殘體。風干的樣品倒在有機玻璃板上，用木錘敲打和壓碎，揀出雜質，混勻，過孔徑0.25 mm（20 目）尼龍篩。過篩后的樣品全部置于無色聚乙烯薄膜上，并充分攪拌混勻。將樣品放入聚乙烯樣品袋中，寫好標簽備用。

采集成熟期的水稻，用自來水沖洗干凈后采用去離子沖洗3 遍以上，放入風干盤中自然風干。手工除去水稻外殼，制成糙米，用研磨工具把稻米研磨成粉，并通過40 目尼龍篩，將樣品放入聚乙烯樣品袋中，寫好標簽備用。

1.3 試驗試劑

鄰苯二甲酸氫鉀（分析純）、磷酸氫二鈉（分析純）、硼砂（分析純）、氯化鉀（分析純）、鹽酸、硝酸、硫酸、氫氧化鉀、硼氫化鉀、重鉻酸鉀、氯化汞、氬氣（≥99.995%）、氦氣（≥99.995%）、汞元素標準溶液；ICP分析用重金屬元素混合標準溶液（GNM-M29197—2013）、內標溶液為銠元素標準溶液（GSB 04-1746—2004）（國家有色金屬及電子材料分析測試中心）；試驗所用試劑未作說明則是符合國家標準的優級純。

1.4 儀器與設備

Icap Qc ICP-MS 型電感耦合等離子體質譜儀（美國賽默飛世爾公司）、AF-8230 型原子熒光光譜儀（北京吉天儀器有限公司）、pH 計。

1.5 測定項目和方法

土壤pH 檢測采用標準NY/T1121.2—2006《土壤檢測：土壤pH 的測定》［8］進行檢測。土壤中鉻、銅、鋅、砷、鎘、鉛元素采用標準HJ803—2016《土壤和沉積物12 種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質譜法》［9］進行測定。土壤中汞元素采用國標GB/T22105.1—2008《土壤質量 總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法第1 部分：土壤中總汞的測定》［10］進行測定。

水稻中鉻、銅、鋅、砷、鎘、鉛元素采用王水提取-電感耦合等離子體質譜法進行測定。汞元素采用國標GB 5009.17—2014《食品安全國家標準食品中總汞及有機汞的測定》［11］進行測定。

1.6 土壤污染評價方法

1.6.1 單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法 目前，土壤污染評價方法較多，應用最為廣泛的是單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法［2］。2 種方法計算公式如下。

式（1）中，Pi為土壤中重金屬i的單因子污染指數；Ci為土壤中重金屬i實際測定值，單位為mg/kg；Si為土壤中重金屬i的參比值，單位mg/kg。本研究采用國標GB15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》中規定的土壤污染篩選值［12］。

式（2）中，P為內梅羅綜合污染指數；(Ci/Si)Max為土壤中重金屬中最大單因子污染指數；為土壤中重金屬單因子污染指數平均值。單因子污染指數和內梅羅污染指數評價標準見表1。

表1 內美羅污染指數評價標準

1.6.2 土壤重金屬潛在生態風險評價方法 采用HaKanson 潛在生態危害指數法對土壤重金屬風險程度進行評價，其計算公式如下。

式（3）中，Cij為土壤中重金屬i的污染富集系數；Ci為土壤重金屬i的實測值；Cin為重金屬的參比值，參比值采用國標GB15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》中規定的土壤污染篩選值［12］。

式（4）中，Eir重金屬i的單項潛在生態風險指數；為重金屬i的毒性系數，采用徐爭啟等［13］、張鑫楠［14］、吳迪等［15］計算的重金屬毒性系數Zn=1＜Cr=2＜Cu=Ni=Pb=5＜As=10＜Cd=30＜Hg=40。

式（5）中，RI是多種重金屬元素的綜合潛在生態風險指數，其分級評價標準見表2。

表2 單項潛在生態風險指數（E）和綜合潛在生態風險指數（RI）分級

1.7 水稻對人體健康的風險評價

THQ（Targt hazard quotients）是USEPA 提出的專門評估人在食用食物時重金屬進入人體體內風險的一種評價，THQ 方法前提假設是人體吸收重金屬的量等于人體直接食入量。如果THQ小于1，則尚未對人體造成健康風險；如果THQ大于1，則表明存在一定的健康威脅，且THQ越大，對人體健康的風險也就越大［16］，目標風險指數THQ具體計算方法如下。

式（6）中，EF是暴露頻率（365 d/年）；ED是暴露持續時間（30年）；FIR是食物攝入量（每人每天0.42 kg）；C是樣品中重金屬實際測量值（mg/kg）；RFD是日參考計量（mg/kg）取值為Cr=1.50、Ni=0.02、Cu=0.04、Zn=0.30、As=0.000 3、Cd=0.001、Pb=0.003 5、Hg=0.000 1［17］；WAB是平均體重（62 kg）；TA為平均暴露時間（70年）。

式（7）中，THQs為整體的THQ，表示多種重金屬復合污染導致的潛在健康風險。

1.8 數據處理

采用WPS Excel和SPSS 22.0 軟件對土壤和水稻中重金屬含量數據進行整理，各評價指數均采用WPS Excel軟件進行計算。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬含量及污染評價

常規稻田、2年蝦稻共作稻田和5年蝦稻共作稻田土壤中Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg 7 種重金屬含量和pH 如表3 所示，對于重金屬污染評價采用《土壤環境質量農用地污染風險管控標準（實行）》中農用地土壤污染風險篩選值作為重金屬參比值，測得常規稻田土壤pH 平均值為7.64、范圍為7.41～7.95，2年稻蝦共作的稻田土壤pH 平均值為7.84、范圍為7.78～7.99，5年稻蝦共作的稻田土壤pH 平均值為7.28、范圍為7.05～7.50，因此，常規稻田和2年蝦稻田標準采用農用地土壤污染風險篩選值中土壤pH＞7.5 的限量值，而5年蝦稻田采用農用地土壤污染風險篩選值中6.5＜土壤pH≤7.5 的限量值，7 種金屬元素均為未超過《土壤環境質量農用地污染風險管控標準（實行）》中農用地土壤污染風險篩選值。

表3 土壤中重金屬含量和參比值 （單位：mg/kg）

由表4 可知，在常規稻田和2年蝦稻稻田中重金屬單因子污染指數Pi大小順序為As＞Cd＞Zn＞Cu＞Cr＞Ni＞Pb＞Hg，各金屬單因子污染指數均小于1.00、內羅美綜合指數小于0.70，即常規稻田和2年蝦稻稻田土壤均未受到單一重金屬污染和7 種重金屬綜合污染，處于安全等級。在5年蝦稻共作的稻田土壤各重金屬單因子污染指數Pi大小順序為Cd＞As＞Zn＞Ni＞Cr＞Cu＞Hg＞Pb，各重金屬單因子污染指數小于1.00、內美羅綜合指數小于0.70，即5年蝦稻共作稻田也未受到單一重金屬污染和重金屬綜合污染，處于安全等級。3 種稻田土壤中重金屬As 和Cd 的污染指數高于其他元素，說明相比于其他元素3 種稻田容易受到As和Cd 污染。

表4 單因子污染指數和內羅美綜合指數

2.2 土壤重金屬生態風險評價

3 種稻田中單項潛在生態風險系數（E）和多種金屬綜合潛在生態風險指數（RI）數值如表5 所示，其對應的等級如表6 所示。3 種稻田重金屬單項潛在生態風險系數（E）大小順序為Cd＞As＞Hg＞Cu＞Ni＞Cr＞Zn＞Pb，即3 種稻田中單項重金屬潛在生態污染等級均為輕微風險。就重金屬單項潛在生態風險來說，重金屬As 和Cd 風險相比其他元素高，容易引起生態污染，與單因子污染指數結果一致。3 種稻田中多種重金屬元素的綜合潛在生態風險指數RI均小于150，等級均為輕微風險，總的來說，研究區域土壤重金屬潛在生態風險處于輕微等級，可能發生不利于生態的影響。

表5 不同稻田中潛在生態風險系數（E）和潛在生態風險指數（RI）

表6 不同稻田中潛在生態污染等級

2.3 水稻中重金屬含量及污染評價

3 種稻田水稻樣品中重金屬含量如表7 所示，其中重金屬Pb 在常規稻田和2年蝦稻稻田中有部分樣品超出國家限量標準，除此之外，其他重金屬在3種稻田中均未超出國家限量標準。該研究區域土壤中重金屬Pb 平均含量均低于《土壤環境質量農用地污染風險管控標準（實行）》中的限量值，符合農用地土壤標準，并且常規稻田和2年蝦稻稻田土壤重金屬Pb 污染等級處于安全等級，處于輕微潛在生態污染等級，土壤中重金屬Pb 并不會對稻米產生重金屬污染。造成農產品重金屬超標因素除了土壤環境外，還有灌溉水質量、大氣環境和人為因素等。該研究區域2 種稻田中稻米重金屬Pb 超標除土壤因素外，其他污染因素還需要進一步探究。

表7 不同稻田水稻中的重金屬含量 （單位：mg/kg）

如表8 所示，在常規稻田中稻米重金屬單因子污染指數（Pi）的大小順序為1.0＞Pb＞As=Cd＞Zn＞Cu＞Cr＞Hg，2年蝦稻田和5年蝦稻田的稻米為Pb＞As＞Zn＞Cu＞Cd＞Cr＞Hg，即 常規稻 田、2年蝦稻稻田以及5年蝦稻田的稻米中7 種單重金屬污染評價均為安全等級，但7 種重金屬元素中Pb 的Pi在3 種稻田中均為最大，因此Pb 是最容易污染稻米的重金屬。

表8 3 種稻田稻米的P 和各重金屬元素的Pi

2.4 水稻重金屬污染風險評價

從表9 水稻中各重金屬危險系數可以發現，不同稻田稻米中各重金屬危險系數不同，常規稻田稻米中各金屬危害系數大小順序為As＞Cd＞Pb＞Ni＞Cu＞Zn＞Hg＞Cr，2年蝦稻田稻米中各重金屬危害系數大小順序為As＞Ni＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd＞Hg＞Cr，5年蝦稻田稻米中各重金屬危害系數大小順序 為As＞Ni＞Cu＞Zn＞Cd＞Pb＞Hg＞Cr，不 同 稻田稻米中各重金屬危害系數大小順序也不盡相同。從表9 中可以看到，3 種稻田稻米中各重金屬THQ均小于1.000，說明該區域3 種稻田所生產的水稻目前未對人體健康造成危害。在3 種稻田稻米中重金屬As 危害系數均是最大，該地域所生產的水稻中重金屬As 可能對人體存在潛在的健康風險危害，需要引起關注。前面探究的3 種稻田土壤中單項重金屬污染指數和潛在生態風險系數中，重金屬As 和Cd的值大于其他元素，與稻米重金屬危害系數結果基本一致，說明土壤中重金屬污染風險會影響稻米的重金屬含量超標風險。

表9 3 種稻田中各重金屬危險系數（THQ）

通過3 種不同稻田中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Hg 單個重金屬THQ相加得到多種重金屬復合污染的潛在健康風險系數THQS，3 種稻田中THQS均大于1.000，說明3 種稻田雖未受到單個重金屬造成的健康危害，但受到這幾種重金屬復合污染的威脅。

3 小結與討論

通過單因子污染指數法、內梅羅污染綜合指數法和潛在生態風險評價法對研究區域3 種稻田土壤進行評價發現，研究區域3 種稻田土壤重金屬含量小于《土壤環境質量農用地污染風險管控標準（實行）》中的限量值，且土壤生態環境良好，未出現重金屬污染現象。3 種稻田土壤中單項重金屬污染指數和潛在生態風險系數中重金屬As 和Cd 的值大于其他元素，說明3 種稻田中重金屬As 和Cd 最容易污染研究區域的土壤。在研究區域3 種稻田中，水稻質量良好，總體未受到重金屬污染。但在所采集的樣品中，出現2 個水稻樣品中檢出重金屬Pb 超標，其他樣品中均未檢出重金屬超標，有可能是灌溉水等其他因素受到重金屬污染導致，具體原因需要進一步探究。7 種重金屬元素中Pb 的Pi在3 種稻田中均為最大，說明Pb 是最容易污染稻米的重金屬。該地域所生產的水稻中重金屬As 可能存在潛在的健康風險危害，需要引起關注。3 種稻田所生產的水稻單項重金屬未對人體健康造成危害，但可能存在多種重金屬復合污染對健康造成威脅，需要加強監測。

結果表明，研究區域稻蝦共作模式總體來說是安全的，建議針對產地環境重金屬污染風險和產品重金屬超標問題，加強管理和監測。同時也建議蝦稻種植模式的主要種植區編制相關的標準和技術規程，如：蝦稻共作地方標準，規范農藥、抗生素、有機肥的使用等，以保證蝦稻的質量。

本研究的評價方法存在相應的缺陷：①蝦稻種植模式中不僅土壤受到重金屬污染會對水稻和小龍蝦的質量安全產生影響，而且灌溉水也會對蝦稻種植模式產物的質量安全產生影響，本研究只對土壤環境做出了相關的風險評價，但未對灌溉水的質量做出相應的重金屬風險評價。②蝦稻種植模式產物有水稻和小龍蝦，對蝦稻種植模式產物的健康風險評價不僅需要對水稻進行評價，也需要對小龍蝦進行健康風險評價。