貴州喀斯特山區水稻土與稻米重金屬含量的關聯性探究

張庭艷 何騰兵 田茂苑 王萍 付天嶺 高珍冉

摘 要：為了探究貴州喀斯特山區水稻土和稻米重金屬含量的相關關系，以貴州喀斯特山區某縣水稻土和稻米為研究對象，監測326對水稻土和稻米，檢測土壤和稻米樣品中鎘、汞、砷、鉛、鉻的含量，并進行相關性分析。研究結果表明：該縣水稻土pH以偏酸性為主，水稻土主要為酸性土壤。水稻土中鎘、汞、砷、鉛、鉻的平均含量分別為0.57、0.53、19.04、49.68、76.83 mg/kg，鎘是主要的污染元素，其次是砷和汞元素，鉛、鉻污染風險極低。稻米中鎘、汞、砷、鉛、鉻的平均含量分別為0.072、0.004、0.108、0.037、0.150 mg/kg，存在鎘元素超標的現象，其他4種元素基本不超標?？傮w看來，326對樣品中，土壤和稻米中鎘、汞、砷全量之間存在正相關關系，鉛、鉻全量之間存在負相關關系。不同pH環境下，土壤和稻米中鎘、汞、砷、鉻含量之間均為正相關關系;土壤和稻米中鉛含量在pH≤5.5時，呈正相關關系，在pH>5.5后，土壤和稻米中鉛之間呈現為負相關關系，土壤和稻米重金屬含量相關性均未達到顯著水平。本研究結果可為貴州喀斯特山區稻米安全生產提供科學依據。

關鍵詞：喀斯特;水稻土;稻米;重金屬;關聯性

中圖分類號：S19 文獻標識碼：A

文章編號：1008-0457（2021）02-0060-07

國際DOI編碼：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

土壤是人類賴以生存的基礎，是糧食生產的重要保障。近年來，我國土壤重金屬污染事件頻發，不僅對耕地和農產品質量構成嚴重威脅，還影響到人體健康[1]。我國耕地土壤重金屬的污染概率為16.67%，由重金屬造成的耕地污染面積約占總耕地面積的17%左右[2]。土壤是稻米中元素的主要來源，水稻對重金屬具有較強的生理耐受性機理和較強的吸附性，當水稻中重金屬含量超過限量標準之后，稻米就表現出污染特征。我國每年因重金屬污染造成糧食減產超過1000萬t，每年被重金屬污染的糧食也達1200萬t之多，重金屬污染造成的經濟損失合計至少為200億元以上[3]。牟力等[4-5]發現貴州山區河流階地稻田土壤重金屬單項生態風險指數最高的是鎘、最低的是鉻。稻米作為我國的主要糧食作物之一，全國有65%以上的人口以稻米為主食，稻米質量安全與否很大程度上反映了我國糧食安全的總體情況[6]。土壤是作物生長的主要基質，作物中成分與土壤成分密切相關，水稻對重金屬鎘具有較強的生理耐受性機理和較強的吸附性，當土壤鎘含量為2.21 mg/kg時，糙米中鎘含量可達2.64 mg/kg，稻田土壤鎘是導致稻米鎘污染的最大因子[7]。要降低水稻中重金屬含量，最主要的方法是摸清其主要來源途徑，摸清土壤和稻米之間重金屬的含量關系，據報道，就重金屬鎘而言，前期研究表明，土壤和水稻中鎘的含量關系主要有2種觀點，一是稻田土壤和稻米鎘含量呈顯著正相關關系，另一觀點是由于外界環境的復雜性，除了呈現正相關性外，還有其他相關關系。田茂苑等[8-9]發現貴州喀斯特區域稻田土壤和稻米鎘含量之間存在極顯著正相關關系，不同類型水稻土和稻米鎘含量之間相關關系不一致，王夢夢等[10]、彭華等[11]、趙雄等[12]、Schuhmacher等[13]發現土壤和稻米重金屬存在顯著正相關性。喻鳳蓮等[14]發現在不同環境下，土壤鎘與稻米鎘之間的關系響應不一，在酸性環境下，土壤鎘與稻米鎘呈現顯著性正相關關系，相關系數為0.971，堿性條件下，土壤鎘與稻米鎘呈弱正相關性，中性條件下，土壤鎘與稻米鎘相關性不顯著。張建輝等[15]、Suzuki等[16]土壤和稻米鎘含量相關性不顯著。

稻田土壤鎘造成的稻米鎘污染已成危害人類健康的制約因子，摸清稻田土壤和稻米鎘的含量關系，可以為稻米安全生產和維護人類健康作出重要貢獻。據貴陽市農業生產統計數據顯示，2018年某縣秋糧產量34.50萬 t，稻谷產量16.89萬 t，占當年秋糧產量的48.9%，稻米是某縣主要的農產品之一。通過對某縣水稻土壤和稻米重金屬含量的研究，以期摸清水稻土壤和稻米重金屬的含量關系，為某縣稻米安全生產增加重要基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為某縣水稻土和對應稻米。

1.2 研究區域概況

某縣位于貴州省貴陽市，地理坐標為東徑106°45′～107°17′，北緯26°48′～27°22′，地勢呈西南高、東北低，地質構造以山地為主，土壤富硒，由于風化強烈，流水侵蝕、溶蝕嚴重，巖溶較為發育。平均海拔在1000～1400 m，大部分地區屬北亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫介于10.6～15.30℃之間，年降雨量1419 mm。某縣水稻土面積為1.38萬hm2，占土壤面積的10.3%，2018年某縣秋糧產量34.50萬t，稻谷產量16.89萬t，占當年秋糧產量的48.9%，稻米是某縣主要的農產品之一。

1.3 點位布設

根據某縣2018年水稻種植情況，在全縣開展水稻土和稻米樣品協同點位布設工作。按照《農、畜、水產品污染監測技術規范》（TY/T 398-2000）[17]開展水稻土和稻米協同監測點位布設工作，當農作物監測和上壤監測同時進行時，農作物樣點數和采樣點位盡可能與土壤樣點數和采樣點位保持一致。為保證樣點代表性，在集中連片的水稻種植區域上，以鄉鎮為監測單元，每個單元至少布設3個協同監測點位。根據點位布設和實際踏勘，共布設326個協同監測點位。

1.4 樣品采集

根據水稻成熟期，同步采集水稻土和對應稻米樣品，根據田塊形狀，土壤樣品采用五點法或蛇行采集水稻土耕作土壤，土壤樣品混合后用四分法進行取舍，共計留樣總量不少于500 g。稻谷樣品與對應點位土壤樣品同步采集，選取10～20個分樣點，然后等量混勻組成一個混合樣品，混合樣質量達到300 g。

1.5 樣品分析測試

土壤pH采取水或1mol/L KCl溶液或0.01 mol/L CaCl2溶液為浸提劑，采用電位法測定;水稻土中Pb、Cd和Cr采用硝酸—氯酸—氫氟酸三酸消解，電感耦合等離子體質譜儀（ ICP-MS） 測定;As、Hg 采用王水消解，原子熒光光度計測定。稻谷中重金屬含量采用王水長管消解法處理，Pb、Cd 和 Cr 含量采用石墨爐原子吸收光譜法檢測;As、Hg原子熒光光度計測定。

樣品檢測過程中，為保證分析結果的準確性和測試過程的精度，每20個樣品設定一個重復樣品，并采用土壤標樣GBW07428（GSS-14）和大米國家標準樣品GBW10010（GSB-1）作為分析過程的主要質控樣品，保證平行樣和標準樣的測試結果在標準值范圍內。

1.6 數據處理

采用Excel2003和SPSS13.0軟件進行數據統計與分析。

1.7 評價方法

土壤重金屬風險評價方法：依據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中的篩選值 Si和管制值 Gi作為參數見表1，并利用單因子指數法，按照《土壤環境監測技術規范》將土壤污染指數分為5級，見表2。單因子指數法計算公式見公式（1）。

式中，Pi為土壤重金屬i的單項污染指數，Ci為土壤重金屬i在土壤中的實測含量（mg/kg），Si為土壤重金屬i在土壤中的環境標準值（mg/kg）。

稻米重金屬風險評價方法：水稻中5項重金屬限值見表3，基于水稻中鎘、汞、砷、鉛、鉻的含量Ci，將水稻樣品超標程度（Ei，稻米重金屬含量與對應限值的比值）按表4分為未超標、輕度超標和重度超標。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值

貴州喀斯特山區水稻土pH值見表5。土壤pH值范圍在4.64～8.62之間，變異系數為15.58%，根據Wilding[18]對變異系數的分類，變異系數小于15%為弱等級變異，15%～35%為中等級變異，大于35%為強等級變異，得到水稻土pH為中等級變異。根據pH對重金屬有效性影響程度，對pH進行分段（pH≤5.5、5.57.5）統計，4段數量統計和占比分別為56個（17.18%）、 112 個（34.36%）、65 個（19.94%）、93 個（28.53%），土壤pH≤6.5的占比為51.6%，中性土壤占比為 19.9%，堿性土壤占28.5%，表明調查樣本的水稻土以酸性為主。

2.2 水稻土重金屬含量狀況

水稻土重金屬含量見表6。結果表明：土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻平均值分別為0.57、0.53、19.04、49.68、76.83 mg/kg，平均值含量均低于農用地土壤污染風險篩選值。變異系數表現為Hg>Pb>As>Cd>Cr，范圍為35.82%～200.30%;偏度系數表現為Hg>Pb>Cd>Cr>As，范圍為1.64～5.26;峰度系數表現為Hg>Pb>Cr>Cd>As，范圍為3.83～34.64。5種重金屬含量整體低于算術平均值的樣本占比較大，且多分布集中。

2.3 水稻土重金屬環境質量評價結果

根據土壤重金屬篩選值和管控值，將水稻土重金屬含量水平劃分為3類：Ⅰ類（總量≤篩選值）、Ⅱ類（篩選值<總量≤管制值）、Ⅲ類（總量>管制值），綜合評價土壤鎘總量水平下水稻重金屬超標情況。水稻土5項重金屬環境質量評價結果見表7，土壤中鎘含量為Ⅰ類（Ci≤篩選值）的比例最低，為45.4%;其他4個元素含量為Ⅰ類的比例均高于72%，尤其是鉻、鉛元素含量為Ⅰ類的比例高達96%以上;重金屬含量為Ⅰ類的比例從大到小依次為：鉻>鉛>汞>砷>鎘。重金屬含量為Ⅱ類（篩選值

水稻土和對應稻米樣品中，土壤鎘、汞、砷、鉛、鉻全量對稻米重金屬含量超標的影響作用不明顯，土壤中5種重金屬全量未超篩選值時，稻米中重金屬含量絕大多數不超標，即土壤重金屬不超標，稻米基本不超標。土壤重金屬全量大于篩選值時，僅有少量稻米樣品重金屬含量超標，即土壤重金屬超標，稻米超標率低。水稻土中鎘、汞、砷全量與對應稻米鎘、汞、砷含量之間存在正相關關系，水稻土中鉛、鉻全量與對應稻米鉛、鉻含量之間存在負相關關系，相關性均未達到顯著水平。

2.4 水稻土重金屬污染風險評價結果

水稻土重金屬污染風險評價結果見表8，可知，5種重金屬元素主要是無超標風險，除鎘外，其他4種重金屬元素無超標風險比例均在70%以上，5種元素無超標數量大小為鉻>鉛>汞>砷>鎘。輕微超標風險數量大小為鎘>砷>汞>鉛>鉻，輕度超標風險數量大小為鎘>砷>汞>鉛>鉻，砷元素不存在中度超標風險，鎘和汞元素存在重度超標風險，但重度超標風險低。以上表明：開陽縣水稻土中鎘元素超標風險最高，其次是砷，鉛、鉻超標率極低。

2.5 稻米重金屬含量狀況

稻米重金屬含量見表9，鎘、汞、砷、鉛、鉻5種重金屬的平均含量分別為0.072、0.004、0.108、0.037、0.150 mg/kg，均低于其對應的中位值，5種重金屬的平均含量明顯低于食品安全國家標準中的標準限值（鎘≤0.2 mg/kg、汞≤0.02 mg/kg、砷≤0.5 mg/kg、鉛≤0.2 mg/kg、鉻≤1 mg/kg），這表明，稻米水稻受鎘、汞、砷、鉛、鉻污染風險低。稻米中鎘的變異系數最大為208.97%，5種重金屬的變異系數由大到小依次為變異系數表現為Cd>Pb>Hg>Cr>As，范圍為40.06%～208.97%;偏度系數表現為Pb>Cd>Hg>Cr>As，范圍為0.64～8.46;峰度系數表現為Pb>Cd>Hg>Cr>As，范圍為1.38～106.45。

2.6 稻米重金屬污染風險評價

稻米重金屬安全評價結果見表10。鎘、汞、砷、鉛、鉻5種重金屬大部分未超標，除鎘外，其他4種重金屬未超標比例均高于99%，比例由大到小依次為：鉻>砷>鉛=汞>鎘;屬于輕度超標類的比例由大到小為：鎘>汞>砷=鉛，鎘元素超標比例最大，僅為7.06%，鉻元素未超標;屬于重度超標類的比例由大到小依次為：鎘>鉛，鎘元素重度超標比例最大，但也僅為2.76%，鉛元素僅有1個樣品屬于重度超標，鉻、砷、汞3種元素未重度超標。以上結果顯示，稻米中鎘元素存在污染超標的現象，而汞、砷和鉛基本不存在污染超標，鉻元素不存在污染超標，基本可忽略汞、砷、鉛和鉻引起的污染風險。

2.7 水稻土與稻米重金屬含量的相關關系

水稻土重金屬含量與稻米重金屬含量見圖1。土壤鎘、汞、砷、鉛、鉻全量與對應稻米重金屬含量的線性擬合方程分別為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。擬合R2分別為0.0441、0.0456、0.076、0.0307、0.0045。水稻土與對應稻米鎘、汞、砷含量之間存在正相關關系，相關系數很弱，水稻土中鉛、鉻全量與對應稻米鉛、鉻含量之間存在負相關關系，相關系數很弱。

根據土壤pH進行分段（pH≤5.5、5.57.5）探究土壤和稻米重金屬的相關關系，得到不同pH環境下土壤和稻米重金屬的相關關系，見表11?？芍?，不同pH環境下，土壤和稻米中鎘、汞、砷、鉻含量之間均為正相關關系，相關系數很弱;土壤和稻米中鉛含量在pH≤5.5的環境下，呈正相關關系，相關系數很弱，在pH>5.5后，土壤和稻米中鉛之間呈現為負相關關系，相關系數很弱。

3 結論與討論

水稻土重金屬含量狀況及污染風險評價結果。水稻土pH以偏酸性為主，水稻土主要為酸性土壤。水稻土中鎘、汞、砷、鉛、鉻的平均含量分別為0.57、0.53、19.04、49.68、76.83 mg/kg?？傮w而言，調查的水稻土樣品鎘、砷、鉻含量較低，汞和鉛含量較高。水稻土5種重金屬元素主要是無超標風險，除鎘外，其他4種重金屬元素無超標風險比例均在70%以上，5元素超標風險為鎘>砷>汞>鉛>鉻。水稻土中鎘污染風險最高，是主要的重金屬污染元素，其次是砷和汞元素，鉛、鉻污染風險極低。

稻米重金屬含量狀況及風險評價結果。稻米中鎘、汞、砷、鉛、鉻的平均含量分別為0.072、0.004、0.108、0.037、0.150 mg/kg，5種重金屬的平均含量明顯低于食品安全國家標準中的標準限值，超過食品安全國家標準中的標準限值分別為樣品量的9.8%、0、0、0.6%、0?？傮w而言，稻米中鎘含量較低，其他4種重金屬元素含量極低。稻米中存在鎘元素超標的現象，而汞、砷和鉛基本不存在污染超標，鉻元素不存在污染超標，基本可忽略汞、砷、鉛和鉻引起的污染風險。

水稻土和稻米重金屬的含量關系。調查總樣品量顯示，水稻土中鎘、汞、砷全量與對應稻米鎘、汞、砷含量之間存在正相關關系，相關系數很弱，水稻土中鉛、鉻全量與對應稻米鉛、鉻含量之間存在負相關關系，相關系數很弱。根據土壤pH分段來看，不同pH（pH≤5.5、5.57.5）環境下，土壤和稻米中鎘、汞、砷、鉻含量之間均為正相關關系，相關系數很弱;土壤和稻米中鉛含量在pH≤5.5時，呈正相關關系，相關系數很弱，在pH>5.5后，土壤和稻米中鉛之間呈現為負相關關系，相關系數很弱。

參 考 文 獻：

[1] 中國工程院，環境保護部.中國環境宏觀戰略研究：環境要素保護戰略卷[M].北京：中國環境科學出版社，2011.

[2] 宋偉，陳百明，劉琳.中國耕地土壤重金屬污染概況[J].水土保持研究，2013，20（2）：293-298.

[3] WU G，KANG H B，ZHANG X Y，et al.A critical review on the bio-removal of hazardous heavy metals from contaminated soils：issues，progress，eco-environmental concerns and opportunities[J].Journal of Hazardous Materials，2010，174（1-3）：1-8.

[4] 牟力，張弛，滕浪，等.山區河流階地稻田土壤重金屬的來源與污染評價[J].西南農業學報，2018，31（7）：1491-1497.

[5] 牟力，張弛，滕浪，等.山區谷地鉛鋅礦區稻田土壤重金屬污染特征及風險評價[J].山地農業生物學報，2018，37（2）：20-26.

[6] 陳鳳霞，呂杰，史元，等.我國稻米質量安全生態環境的現狀及發展對策[J].生態經濟，2015，31（2）：109-112.

[7] 湯春芳.鎘脅迫和植物抗氧化系統、營養元素相互關系的研究以及多胺的調控作用[D].長沙：湖南大學，2005.

[8] 田茂苑，何騰兵，付天嶺，等.稻田土壤和稻米鎘含量關系的研究進展[J].江蘇農業科學，2019，47（8）：25-28.

[9] 田茂苑.貴州喀斯特地區不同水稻土鎘污染風險格局劃分[D].貴陽：貴州大學，2019.

[10] 王夢夢，何夢媛，蘇德純.稻田土壤性質與稻米鎘含量的定量關系[J].環境科學，2018，39（4）：1918-1925.

[11] 彭華，戴金鵬，紀雄輝，等.稻田土壤與稻米中的鎘含量關系初探[J].湖南農業科學，2013（7）：68-72.

[12] 趙雄，李福燕，張冬明，等.水稻土鎘污染與水稻鎘含量相關性研究[J].農業環境科學學報，2009，28（11）：2236-2240.

[13] SCHUHMACHER M，DOMINGO J L， LLOBET J M，et al.Cadmium，chromium，copper，and zinc in rice and rice field soil from southern Catalonia，Spain[J].Bulletin of Environmental Contamination & Toxicology，1994，53：1-54.

[14] 喻鳳蓮，周成明，鄧銳.水稻籽實及其根系土壤中鎘含量的相關性研究——以幾個金土地工程土地整理區為例[J].四川地質學報，2012，32（4）：468-471.

[15] 張建輝，王芳斌，汪霞麗，等.湖南稻米鎘和土壤鎘鋅的關系分析[J].食品科學，2015，36（22）：156-160.

[16] SUZUKI S，IWAO S.Cadmium，copper，and zinc levels in the rice and rice field soil of Houston，Texas[J].Biological Trace Element Research，1982，4（1）：21-28.

[17] NY/T 398-2000，農、畜、水產品污染監測技術規范[S].北京：中國標準出版社，2000.

[18] WILDING L P.Spatial variability：Its documentation，accommodation and implication to soil surveys[A].In：D.R.Nielsen and J.Bouma （eds）Soil Spatial Variability[M].Wageningen：Pudoc Publishers，1985：166-194.