桂西北稻田重金属污染及健康风险评价

桂西北稻田重金属污染及健康风险评价郑富海;黎宁;张卫;陆覃昱;陈仕淼;顾明华;何冰【摘要】［目的］了解广西西北稻田土壤重金属污染情况及稻米的健康风险,为重金属污染治理提供理论依据.［方法］采集该区域98个稻田点位的土壤及稻米,分别测定Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As等6种重金属的含量•采用单因子指数法、内梅罗指数法和潜在生态危害指数法对稻田土壤的污染状况进行评价,以《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中口级标准作为参考值，采用高危商(HQ)和高危指数(HI)法对稻米健康风险评价•［结果］稻田土壤Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As的平均含量分别为18.21、64.97、0.98、4555、147.88和11.62mg・kg-1,各元素含量的变异系数均较大.土壤的内梅罗指数为1.416,表明土壤受到轻度污染注要污染元素为Cd,其次为Zn,极少部分区域存在Pb和As污染•根据潜在生态危害指数(RI),土壤总体处于轻微生态危害程度，其中Cd对RI的贡献率最大，其次为As稻米Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As的平均含量分别为5.6400、0.3668、0.1625、03879、26.7800和0.2974mg・kg-1.根据高危指数(HI)法，稻米可能存在健康风险，其中As对HI的贡献率最大•［结论］供试水稻土重金属污染属于轻度污染水平和轻微生态危害程度，主要污染物为Cd、Zn;稻米中的主要污染元素为Pb和Cd,但可能引起稻米健康风险的重金属元素为As.%［Objective］Thestudyaimstoprovideatheoreticalbasisfortheheavymetalpollutioncontrol,theheavymetalpollutionofpaddysoilanditshealthriskinNorthwesternGuangxihadbeenevaluated.［Method］98soilandricesampleswerecollectedfrompaddyfieldsinNorthwesternGuangxi,andeachcontentsofCu,Pb,Cd,Cr,ZnandAsweredeterminedrespectively,toevaluatethepollutionandhealthriskofheavymetal.Thesoilenvironmentalqualitywasevaluatedbythesinglefactorpollutionindexmethod,theNemerowindexmethodandpotentialecologicalhazardindexmethod,aswellasusingthegradeII]inEnvironmentalqualitystandardforsoils(GB15618-1995)asareferencevalue.Thehealthriskofthegraintoresidentswasevaluatedbythehighriskquotient(HQ)methodandHighriskindex(HI)method.[Result]TheaveragecontentsofCu,Pb,Cd,Cr,ZnandAsofsoilwere18.21,64.97,0.98,45.55,147.88and11.62rng•kg-1,respectively.Therewerelargevariationsofheavymetalcontentsin98soilsamples.TheNemerowindexofresearchareawas1.416,whichreachedtothegradeIstandardofsoilenvironmentalqualityassessmentclassification,meantthesoilwerelightlypollutedbyheavymetals.Accordingtothesinglefactorpollutionindex,themainpollutionelementinresearchareawasCd,followedbyZn,andtherewerePbandAspollutioninveryfewresearchareas.Accordingtothepotentialecologicalriskindex(RI),thesoilinthestudyareawasinaslightdegreeofecologicalharm,andthecontributionrateofCdtoRIwasthelargest,followedbyAs.TheaveragecontentsofCu,Pb,Cd,Cr,ZnandAsinricewere5.6400,0.3668,0.1625,0.3879,26.7800and0.2974mg・kg-1,respectively.Accordingtothehigh-riskindex(HI),theremightbeahealthrisksinricegrainscollectedinresearcharea.Amongthe6heavymetals,AsmadethehighestcontributiontoHI.[Conclusion]Theheavy-metalpollutionofresearchareawasattheslightpollutionlevel,andthemainpollutantswereCdandZn.Inrice,themainpollutantswerePbandCd,butthepotentialhealthrisksofriceweremostlikelyduetoAs.期刊名称】《西南农业学报》年(卷),期】2017(030)008【总页数】8页(P1886-1893)【关键词】稻田;重金属污染;生态评价;健康风险;桂西北地区【作者】郑富海;黎宁;张卫;陆覃昱;陈仕淼;顾明华;何冰【作者单位】广西大学农学院/“农业环境与农产品质量安全”广西高校重点实验室,广西南宁530004;广西壮族自治区环境监测中心站/“土壤环境污染与生态修复”广西人才小高地,广西南宁530028;广西大学农学院/“农业环境与农产品质量安全”广西高校重点实验室,广西南宁530004;广西大学农学院/“农业环境与农产品质量安全”广西高校重点实验室,广西南宁530004;广西大学农学院/“农业环境与农产品质量安全”广西高校重点实验室,广西南宁530004;广西大学农学院/“农业环境与农产品质量安全”广西高校重点实验室,广西南宁530004;广西大学农学院/“农业环境与农产品质量安全”广西高校重点实验室,广西南宁530004【正文语种】中文【中图分类】S511【研究意义】土壤中某些重金属如铜(Cu)、铅(Pb)、镉(Cd)、铬(Cr)、锌(Zn)和砷(As)不仅对植物的生长产生不良影响，还能通过食物链威胁人类健康［1］。水稻是广西主要的粮食作物，农田土壤的重金属水平关系到农业安全生产与人民生活健康，是影响农业生态环境和国家粮食安全的重要因素。广西壮族自治区素有“有色金属之乡”的美誉，特别是广西西北地区，分布着大量的铅锌矿、锰矿和有色金属矿［2］，利用潜在生态危害指数法［3］、高危指数法等对该区域的稻田土壤及稻米进行重金属评价，对了解该区域的污染情况及治理措施的制定具有重要意义。【前人研究进展】张丽娥等［4］对广西大厂矿区农田土壤污染进行调查发现，水田土壤中As的超标率94.4%，Pb、Cd和Hg的含量均出现超标现象，超标率分别为27.8%、100%和5.6%。黄玉溢等［5］采用单因子指数法和潜在风险指数法对广西水稻主产区50个土壤样品的Cd、Pb和As污染情况进行分析，结果表明稻田主要受Cd的污染。广西桂西北区域属于喀斯特地貌，土壤偏酸性，地下水丰富，土层非常薄，大量抽取地下水之后容易造成地面塌陷，污染物在底下的扩散速度快［6］。郑武［7］研究表明广西土壤（表层土）的重金属元素Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As的背景值分别为22.7、24.0、0.267、82.1、75.6和20.5mg・kg-1,与全国土壤（表层土）各重金属元素背景值相比普遍偏高。同时近年来学者对农田灌溉水对农田重金属的影响取得一定研究成果，表明土壤及农作物中重金属含量与污水灌溉有比较大的相关性［8］。【本研究切入点】人体吸收重金属主要是通过食物吸收［9］，作物吸收和积累重金属，是土壤重金属向人体迁移的重要环节，是决定重金属危害性的重要影响因素之一。现有关土壤重金属研究更多在于研究区域的污染评价方面，但同时对植株特别是稻米的污染以及对人体的健康风险进行评价的研究较少见报道。【拟解决的问题】对研究区域98个点位的稻田土壤及稻米中Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As6种重金属元素进行调查，并采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、潜在危害指数法和高危指数的方法对稻田土壤和稻米的重金属污染及健康风险进行评估。拟得出研究区域土壤及稻米的主要污染元素，并分析研究区域的污染等级为类似矿产地区丰富和喀斯特地貌的地区提供参考，并为稻田土壤污染的有效防控和水稻安全生产提供科学依据。研究区域位于广西西北部，地处云贵高原东南部，地势北高南低，周边绵延山岭，中部为丘陵，最高海拔为1693m，最低海拔为149m，土壤以红壤、黄壤、黄红壤、棕色石灰土和黑色石灰土为主，呈微酸性，有机质含量为44.91g・kg-1;气候属亚热带季风气候，年降雨量北部为1750.0mm，南部为1389.1mm，年均日照时数145.1h。2014年7-8月，根据研究区域各乡镇的水稻种植面积占全县总面积的比例布置98个点位，用GPS记录点位的地理信息。运用五点采样法采集每个点位土壤以及相应的稻米样，土样采样深度为20cm。样品盛于聚乙烯薄膜袋带回实验室，自然风干，磨碎，分别过18目和100目孔径筛，贮于聚乙烯薄膜袋内以备分析。同时采集3~5株稻米样品，混匀，45工烘干，脱壳，粉碎，过筛（100目），贮于聚乙烯薄膜袋内以备分析。土壤pH的测定:按1:2.5的比例分别称取10g土壤（18目）和25g无碳水（25mL），震荡摇匀，用酸度计（S220,瑞士梅特勒-托利多公司）测定pH。土壤重金属含量测定:称取土壤样品（100目）0.2500g,按5:1:1的比例分别加入5mLHNO3、1mLHC1O4和1mLHF,采用高温密闭罐消解，使用火焰原子吸收分光光度计（PinAAcle900T，美国珀金-埃尔默公司）测定Pb、Cr、Cu和Zn含量，使用石墨炉原子吸收分光光度计（PinAAcle900T，美国珀金-埃尔默公司）测定Cd含量，使用原子荧光分光光度计（SA-20,北京吉天公司）测定As含量。稻米重金属测定称取稻米样品0.3000g，加入5mLHNO3，采用微波消解仪（MARS6，美国CEM公司）进行消解。重金属含量测定方法与土样测定一致。土壤重金属污染评价土壤中重金属含量的标准值以我国《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）二级标准作为参考值，采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法［10］对土壤中重金属进行污染评价:（1）单因子污染指数法:式中:Pi为污染指数;Ci为土壤中重金属的实测值;Si为土壤重金属的评价标准;i代表某种重金属°Pi«1.00,样品未受到污染;1.00<Pi<2.00,样品受到轻度污染;2.00<Pi<3.00,样品受到中度污染;Pi>3.00,样品属于重度污染。(2)内梅罗综合污染指数法:式中:P为土壤中各种重金属的内梅罗综合污染指数;Pi表示重金属中最大污染指数;Pu为各重金属污染指数的平均值°PS1.00,土壤为非污染地区;1.00<P<2.00,土壤受到轻度污染;2.00<P<3.00,土壤受到中度污染;P>3.00,土壤受到重度污染。土壤潜在生态风险评价土壤潜在风险评价采用潜在生态危害指数法[3]，是目前应用比较广的评价重金属污染程度的方法之一。计算公式如下:式中:Cif为第i种重金属的污染系数;Ci为样品中第i种重金属的实测值，mg・kg-1;Cin为土壤的重金属背景值，mg・kg-1;E为重金属的潜在生态危害系数;T为重金属的毒性系数，Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As的毒性系数分别为5、5、30、2、1和10mg・kg-1[3];RI为多种重金属的潜在生态危害指数。1.4.3水稻摄入的健康风险评价运用高危商(HQ)对成年人食用研究区域大米的健康风险进行评价，其计算公式[10]为:式中:ADD是重金属谷物摄入提取剂量，单位是mg・kg-1・d-1;RfD为口服参考剂量，单位是kg-1・d-1[11];IR为成年人每日的平均饭量，我国人均每年消费谷物类粮食206kg[11]，设谷物类全为大米，则成人每天消费0.564kg;ED为暴露时间，取30a;EF为暴露频率，取值365d・a-1;BW为平均体重，取60kg;AT为生命周期，取值70a;360为转化系数。一般重金属对人体健康的影响是多种重金属复合作用的结果，因此采用高危指数(HI)对人体的健康风险进行全面评价，计算公式为：运用SPSS21.0和Excel2016对研究区域的数据进行统计分析。2.1.1土壤pH土壤pH影响重金属在土壤中的存在形态和生物有效性，是土壤环境质量标准的重要参数。研究区域98个位点中pH4.30~8.15，变异系数0.16。其中53个采样位点的pH小于6.5，占总采样位点数的54%;23个采样位点的pH为6.5~7.5;22个采样位点的pH大于7.5。结果表明，研究区域大部分属于中性偏酸性。土壤重金属含量统计特征分析研究区域水稻土98个点位6种重金属含量的描述性统计结果如表1。土壤样本中Cu含量范围为7.25-39.96mg・kg-1,平均值为18.21mg・kg-1;Pb含量范围为1.68-447.32mg^kg-1,平均值为64.97mg・kg-1;Cd含量范围为0.12-7.37mg・kg-1,平均值为0.98mg・kg-1;Cr含量范围为14.54-143.82mg・kg-1,平均值为45.55mg・kg-1;Zn含量范围为28.84-688.95mg・kg-1,平均值为147.88mg・kg-1;As含量范围为0.4644.23mg・kg-1,平均值为11.62mg・kg-1。重金属含量变异系数反映元素在该区域分布和污染程度的差异大小。由表3可知，研究区域6种重金属元素变异系数由大到小依次为Cd>Pb>Zn>As>Cr>Cu。Cd和Pb的变异系数达1.0以上，Zn和As的变异系数在0.6以上，说明研究区域内土壤Cd、Pb、Zn和As的含量差异均较大，存在空间分布不均匀的现象。土壤环境质量评价从表4可以看出，研究区域Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As的单因子污染指数平均值分别为0.270、0.236、1.859、0.160、0.632和0.454;内梅罗综合指数为1.416。根据单因子污染指数法评价标准，在98点位中，共有50个点位超过《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中的二级标准，超标率为51%。Cd的轻度、中度和重度污染点位占总点位比例分别为16%、9%和21%,其重度污染比例高于轻度污染比例;Zn轻度和中度污染点位占总点位比例分别为13%和3%;Pb和As分别有3%和7%的点位为轻度污染水平;Cu和Cr达100%清洁水平。内梅罗综合指数分析，结果为1<P<2,说明研究区域土壤重金属整体处于轻度污染水平，其中主要污染元素为Cd，其次为Zn，极少部分区域存在Pb和As污染。土壤重金属生态风险评价研究区域土壤重金属污染的潜在生态危害指数如表5。结果表明，研究区域Cu、Pb、Cr、Zn和As的潜在生态危害程度均为轻微生态危害；Cd有60%的点位属于轻微生态危害，16%的点位属于中等生态危害，15%属于强生态危害，8%属于极强生态危害。基于各元素平均含量计算的综合潜在危害指数(RI)为105.9(RIv150)，表明研究区域土壤总体处于轻微生态危害程度，其中Cd对RI的贡献率最大，占87.4%;其次为As，占7.12%。不同土壤重金属之间的相关性分析同一污染源的不同重金属元素的分布和污染程度存在一定的相关性。通过分析各重金属元素的超标位点重叠率以及各点位的重金属元素含量间的相关性，可分析点位的复合污染情况。从表6可看出，研究区域多种重金属元素含量之间存在相关性。在超过土壤环境质量二级标准的4种重金属元素中，Pb、Cd、As含量之间的相关关系达到极显著水平(Pv0.01)，但相关系数均小于0.5，而Zn与Pb、Cd、As含量的相关系数大于0.5，说明研究区域Pb、Cd或As污染往往伴随着Zn污染。对各重金属元素超标点位的重叠性进行分析见表7，结果发现，Cd和Zn同时超标的点位数最多，达15个，占Cd超标点位数的33.33%，占Zn超标点位数的93.75%;Cd与As同时超标的点位数为5个，占Cd超标点位数的11.11%，占As超标点位数的71.42%，说明研究区域Zn污染的同时伴随着Cd污染的可能性最大，而As污染的同时伴随着Cd污染的可能性最大。2.2.1稻米重金属含量统计分析从表8可知，稻米重金属Cu含量范围为2.4360-18.0520mg・kg-1,平均值为5.6400mg・kg-1;Pb含量范围0.0240~2.0390mg・kg-1,平均值为0.3668mg・kg-1;Cd含量范围为0.0040~1.7420mg・kg-1,平均值为0.1625mg・kg-1;Cr含量范围为0.0110-1.3170mg・kg-1,平均值为0.3879mg・kg-1;Zn含量范围为16.1600-43.5200mg・kg-1,平均值为26.7800mg・kg-1;As含量范围为0.1080-0.6830mg・kg-1,平均值为0.2974mg・kg-1。从变异系数上看，稻米Cd的变异系数最大，为1.3930;其次为Pb和Cr,分别为0.8804和0.6582;而Cu、As和Zn的变异系数均低于0.40,结合相关评价标准，得出稻米中6种重金属含量超标率由高到低依次为：Pb>CdCu=Cr>Zn=Aso2.2.2稻米重金属摄入风险评价研究区域稻米各重金属元素的HQ和HI值如表9。Cr和Zn的HQ平均值均小于1.0,Cr的HQ平均值仅为0.01,说明研究区域采集的稻米中所含的Cr和Zn对人体无健康风险。Cu的HQ为0.2454~1.818;Pb的HQ为0.0419~2.346;Cd的HQ为0.0176~7.019;3种元素的HQ平均值均小于1.0,但Cu、Pb和Cd分别有2%、6%和14%点位的HQ大于1.0,说明少部分点位的稻米Cu、Pb和Cd可能存在健康风险。稻米As的HQ值为1.452-9.173,HQ平均值大于1.0,表明所有点位的稻米As可能存在健康风险。结果表明，研究区域稻米6种重金属的健康风险由大到小依次为:As>Cd>Cu>Pb>ZnCr。研究区域高危指数HI值为5.773(1<HI<10)，说明研究区域可能存在健康风险。根据表10可知，研究区域土壤重金属超标率由高到低分别为Cd>Zn>As>Pb,Cu和Cr均不超标;稻米中重金属超标率由高到低分别Pb>Cd>Cu=Cr,Zn和As均不超标，说明土壤重金属含量与稻米重金属含量之间并无明显的对应关系，本研究中稻米Pb超标率最高，明显高于土壤Pb超标率;Cd在土壤和稻米中的超标率分别达到47.0%和17.0%。研究区域土壤重金属的点位超标率为51.0%,高于全国耕地土壤点位超标率(19.4%);并且中度和重度污染所占比例分别为9.0%和14.0%,也远远大于全国耕地的1.8%和1.1%[12]。研究区域稻田除Cu与Cr不存在超标情况以外，其他4种重金属都存在超标情况，Pb、Cd、Zn和As的超标点位占总点位的比例分别为3.0%、47.0%、16.0%和7.0%。根据2014年环保部全国土壤环境质量普查结果,全国耕地Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As的点位超标率分别为:2.1%、1.5%、7.0%、1.1%、0.9%和2.7%。根据凌乃规［13］的调查结果，广西全区水田(1574个样品)的Cu、Pb、Cd、Cr、Zn和As的样品超标率分别为1.21%、0.25%、24.71%、0.25%、2.48%和3.68%。与全国和全区的调查结果相比，研究区域Pb、Cd、Zn和As的超标率要高于全国耕地和全区水田的超标率。根据内梅罗指数和潜在生态危害指数，研究区域稻田土壤属于轻度污染水平和轻微生态危害程度，主要污染物为Cd和Zn，超标率分别为47.0%和16.0%。黄玉溢等［14］调查了桂西地区(河池市和崇左市)的稻田土壤重金属污染情况，结果表明土壤样品中的Cd、As含量超标率分别为54.0%和2.0%，其中Cd为高生态风险。研究结果表明，本研究区域稻田土壤的污染程度和潜在生态危害程度均低于桂西整体水平。吴洋等［15］调查发现，都安瑶族自治县耕地土壤处于重度污染水平和中等生态危害程度，主要污染元素为Cd和As，超标率分别为74.6%和42.9%。本研究区域稻田土壤的污染程度和潜在生态危害程度均低于都安瑶族自治县，Cd和As的超标率远远低于都安瑶族自治县。在本研究中，研究区域Zn污染的同时伴随着Cd污染的可能性最大，这与甘国娟［16］对湘中某工矿区的研究结果相似，样点土壤Zn污染的同时也伴随着Cd的污染，这可能的原因是因为它们之间可能存在同源关系，这也为了解土壤重金属复合污染提供理论依据。通过对研究区域进行高危商(HQ)分析可知，Cr和Zn无健康风险的比例均为100%;Cu、Pb、Cd和As可能存在健康风险的比例分别为2.0%、6.0%、14.0%和100%(表7)。对研究区域进行高危指数(HI)分析可知，研究区域有96%的点位属于可能存在健康风险，有4%的点位属于存在慢性毒性风险，其中As对高危指数的贡献率最大，占66.7%。根据张丽娥［17］在广西南丹县大厂矿区的研究发现，As和Cd通过水稻摄入的高危商(HQ)分别为2.70和2.21。本研究区域稻米As和Cd的高危商(HQ)分别为3.848和0.5829（表9），比较分析认为两个研究区域的重金属污染健康风险均表现为As>Cd;本研究区域稻米As的健康风险高于大厂矿区，而Cd的健康风险低于大厂矿区。在本研究中，结果表明土壤重金属含量与稻米重金属含量之间并无明显的对应关系，与张永春［18］的研究结果类似。本研究中稻米Pb超标率最高，明显高于土壤Pb超标率;Cd在土壤和稻米中的超标率分别达到47.0%和17.0%（表10）。一方面，稻米比较容易富集Pb和Cd［19］;另一方面，农作物中重金属含量与土壤中生物有效性呈正相关［20］。随着土壤pH的降低，土壤重金属的生物有效性升高［21］。试验结果表明，在土壤Pb含量未超标、稻米Pb含量超标的点位中，土壤pH小于6.5的点位比例为72.0%，并且Cd在相同情况下的点位比例为60.0%，由此推测，土壤偏酸性使土壤重金属生物有效性增加是Pb和Cd在土壤中超标率较低而在稻米中超标率较高的可能原因之一。本研究属于调查性研究，主要根据已有数据进行分析，对研究区域的污染原因以及污染情况没有全面了解，在下一步研究中将要对不同重金属的形态以及土壤的阳离子交换量、有机质等土壤性质进行测定分析，进一步研究土壤的重金属污染情况，同时研究区域的污染情况也需要政府和环保部门的重视与治理。本研究调查了桂西北某区域98个点位稻田和稻米的重金属污染状况并且对其潜在危害和健康风险进行评价，结果表明研究区域的稻田重金属污染属于轻度污染水平，主要污染为Cd、Zn污染;对土壤进行潜在风险评价得出研究区域土壤处于轻微生态危害程度;稻米可能存在以As为主的健康风险。【相关文献】［1］程旺大，姚海根，吴伟，等•土壤-水稻体系中的重金属污染及其控制［几中国农业科技导报，2005，7（4）:51-54.中国自然资源丛书编撰委员会•中国自然资源丛书•广西卷[M]:北京:中国环境科学出版社，1995.徐争启，倪师军，度先国，等•潜在生态危害指数法评价中重金属毒性系数计算J].环境科学与技术，2008，31(2):112-115.张丽娥，莫招育，覃健，等•广西大厂矿区下游农村土壤重金属污染及儿童健康风险评估[J].环境与健康杂志，2014，31(6):512-516.黄玉溢，陈桂芬，熊