贵州部分水稻主产区土壤和大米Cd污染特征研究_宋江菊.pdf

年第 卷第 期，地 球 与 环 境 贵州部分水稻主产区土壤和大米 污染特征研究宋江菊，卢旺彪，张珍，蒋科，张奇，曾广能，黄承玲，杨成，张林，罗维均，王世杰，（贵州民族大学 生态环境工程学院，贵阳；贵州省工程地质灾害防治工程研究中心，贵阳；中国科学院 普定喀斯特生态系统观测研究站，贵州 普定；中国科学院地球化学研究所 环境地球化学国家重点实验室，贵阳）摘 要：为了解贵州水稻田土壤和大米 污染特征，对贵州部分水稻主产区开展水稻田土壤和对应水稻样品的采集，并测试土壤 和所有样品的 含量。结果显示：研究区土壤 为.，平均值为.；土壤 含量为.，平均值为.，点位超标（风险筛选值）率为.，喀斯特地区土壤 含量整体高于非喀斯特地区；大米中 含量为.，平均值为.，超大米安全限量值的样品比率为.。进一步分析发现，研究区土壤 除来自成土母质（母岩）贡献外，还受人为排放的影响；水稻在灌浆成熟期，由于水稻田水分条件不良，土壤出现氧化环境的频率高或者氧化环境持续的时间长，可能是导致大米 超标的主要原因之一。因此，在水稻种植过程中，人为保障灌浆成熟期水稻田供水充足是降低水稻 含量、避免大米 超标的有效途径。关键词：镉；大米；土壤；污染特征；氧化还原电位中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：.收稿日期：；改回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；黔科合基础；贵州民族大学校基金项目（）。第一作者简介：宋江菊（），女，硕士研究生，主要从事土壤污染防治研究。：通讯作者：曾广能（），男，副教授，博士，主要从事环境地球化学研究。：镉（）是人体非必需微量元素，在土壤中易累积且对环境变化敏感，易被一些农作物吸收，通过食物链进入人体，导致骨骼系统损害，并引发呼吸、消化及神经等系统的损伤。年发布的全国土壤污染状况调查公报显示，全国耕地土壤点位超标率为.，耕地土壤环境质量堪忧，而 是最主要的污染物之一。土壤 污染引发的环境问题和人体健康问题受到了广泛关注，。自然条件下，土壤 主要来源于成土母质（母岩），其含量随母质（母岩）不同而异。一般来说，发育于沉积岩的土壤 含量较火成岩和沉积岩显著偏高。贵州是中国西南喀斯特集中连片分布的核心区，碳酸盐岩分布面积占全省国土面积的.。由于土壤地球化学元素含量高度继承成土母岩化学组分，使贵州成为典型喀斯特高 地质背景区。尽管如此，不同岩性碳酸盐岩发育的土壤 含量也具有明显的异质性，具体为碳酸盐岩碳酸盐岩夹碎屑岩碳酸盐岩与碎屑岩互层。而在一些典型区域，如铅锌矿带（常与之伴生）对含矿岩系地层上覆土壤中重金属的叠加累积，导致土壤 出现异常高值。同时，不同地质时期岩石沉积环境存在显著差异，从而影响碳酸盐岩及由其风化形成的土壤 含量，具体为泥盆石炭二叠系三叠系寒武奥陶系。碳酸盐岩风化成土过程中巨大的体积缩减，易使 等重金属在土壤中相对富集，导致土壤 含量较岩石偏高。唐启琳等研究发现，贵州喀斯特地区土壤 含量为.，具有显著的空间异质性，平均值约为.，明显高于全国土壤平均值及区域非喀斯特地区土壤平均值，需引起重视。土壤中重金属元素的迁移转化特征、生物毒性、生态效应等，除与含量有关外，还受存在形态的控制。在所有形态中，可交换态、酸溶态重金属地 球 与 环 境 年可被植物直接利用，残渣态重金属由于赋存于矿物晶格中难以被利用，碳酸盐结合态、铁 锰氧化物结合态、有机质结合态、硫化物结合态的重金属虽不容易被植物直接利用，但会随着土壤理化性质的改变而发生形态变化。研究表明，贵州土壤中 主要以残渣态形式存在，部分区域占比超，整体表现为“高 含量，低 活性”的特点。然而，随着高强度人为活动的持续干扰，如污染物大气沉降、污水灌溉、金属矿采选和冶炼、肥料和农药施用以及工业生产等，在向土壤输入，使得在高 地质背景下叠加人为活动造成的土壤 超标情况普遍存在的同时，导致土壤物理化学性质发生显著变化，进而促使 活化为易于被植物吸收的形态，使高 地质背景区成为高 暴露风险区。水稻是我国主要的粮食作物之一，全国 以上的人口以大米为主食。据统计，贵州省多年平均水稻种植面积为.。水稻对 具有较强的生理耐受性和累积性，是典型的 富集型粮食作物。等研究结果表明，大米贡献了中国一般人群膳食 总摄入量的.。因此，有必要密切关注我国，尤其是贵州等喀斯特高 地质背景区的大米 含量。针对贵州大米 污染问题，学者开展了大量研究。例如，研究发现产自矿区附近水稻田的大米由于长期经污水灌溉，导致 普遍超标。杨寒雯等对生长于罗甸县喀斯特峰丛谷地的糙米研究发现，平均含量为.，超标率高达。张庭艳等在贵州喀斯特山区某县的研究虽发现大米 含量超标，但超标率仅为.。洪涛等对贵州丹寨土壤水稻体系重金属研究发现，尽管土壤 超标，但大米 未存在超标现象。通过以上研究不难发现，产自贵州的大米存在区域性超标现象，但不同区域的研究结果差异显著。因此，有必要对全省水稻田土壤和大米 进行协同研究，进而系统分析影响大米 超标的因素，为下一步贵州省 污染水稻田修复利用提供科学依据。基于此，对贵州省 个市（州）的部分水稻主产区开展稻田土壤和对应水稻样品的采集，并测试土壤 和所有样品的 含量，分析影响土壤和大米 含量的主要因素；同时，通过地累积指数法和单因子污染指数法评价土壤和大米 污染状况。研究方法.研究区概况 贵州属亚热带季风性湿润气候区，多年平均气温为 ，多年平均降水量为 。年均日照时数为 ，属光能低值区，但在 月集中了全年 以上的日照和太阳辐射，能基本满足作物对光能的需求。全省国土面积为.，地势西高东低，平均海拔 。研究区地层组分复杂，但以碳酸盐岩（喀斯特）和碎屑岩（非喀斯特）为主，具体分布情况见图。发育的主要土壤类型有：黄壤、石灰土、红壤、黄棕壤、紫色土和水稻土等。贵州常年水稻播种面积为.左右，占全省耕地面积的.。水稻产量为.，是贵州主要的粮食作物之一。贵州水稻种植区以“黔北黔东北黔东南”为主，全省 个县（市、区）水稻播种面积分布情况见图。.样品采集方法 于 年 月，按照采样覆盖贵州省主要水稻产区和 个地级行政区的原则，选取 个县（市、区）的 个乡（镇），共采集 个土壤样品和 个水稻样品。在每个采样田块分别随机采集 个表层（）土壤和对应的水稻籽粒，混合均匀后各取 装入样品袋。采样点分布见图。.样品前处理及分析测试方法 土壤样品经室内自然风干、研磨、过.（目）尼龙筛，稻谷经低温烘干、去壳、粉碎、过.（目）尼龙筛后放入 烘箱中烘干至恒重，处理好的样品储存于自封袋中备用。土壤采用 （体积比）混合酸高温消解，大米采用 消解。消解完全后，在中国科学院地球化学研究所利用电感耦合等离子体质谱仪（，德国热电 ）测定土壤和大米中 的含量。分析过程中加入国家标准物质（、）进行质量控制。土壤 按照土水比 .，用天平称 过.（目）筛的土壤，倒入 的分离管中加入 去离子水，振荡 后静置，然后采用 计测定。.污染评价方法.地累积指数 地累积指数（）是用于验证土壤中单个元素 第 期宋江菊等：贵州部分水稻主产区土壤和大米 污染特征研究图 贵州喀斯特和非喀斯特区域分布、县域水稻播种面积和采样点分布图 ，污染程度的指数。由 于 年提出，计算公式如下：.|（）式中，为水稻田表层土壤 含量，；为 的地球化学背景值，贵州省土壤 背景值为.。地累积指数由 个等级（级）组成，分别对应不同的土壤质量（表）。表 地累积指数分类 等级值土壤质量 级无污染 级 无污染至中度污染 级 中度污染 级 中度污染至重度污染 级 重度污染 级 重度污染至极度污染 级极度污染.单因子污染指数 单因子污染指数（）计算公式（）如下：（）式中，为土壤和大米 的含量，；是土壤 的管理目标值和大米 的限量值。本文以土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）（）中 的风险筛选值和食品安全国家标准 食品中污染物限量（）中大米 的限量值作为 值。根据 值的高低，将污染状况分为 个等级，如表 所示。表 单因子污染指数等级划分 等级单因子污染指数值污染状况无轻度中度重度 结果.土壤 研究区土壤 平均值为.，变化范围为.（表），与孔祥宇等的研究结果基本一致。六盘水、黔南、黔西南、遵义、贵阳、铜仁、安顺、黔东南、毕节的土壤 平均值分别为.、.、.、.、.、.、.、.、.（表）。采自黔东南（非喀斯特地区）和毕节的土壤样品 明显低于其他地区（喀斯特地区）。由于土壤 因成土母质类型不同而异，石灰土发育而来的水稻土较黄壤的 高，因此，喀斯特地区土壤样品的 通常较非喀斯特地区（黔东南）高。毕节土地 球 与 环 境 年 表 水稻田土壤 含量、和大米 含量统计表 ，地区大米 含量土壤 含量土壤 平均值变化范围变异系数平均值变化范围变异系数平均值变化范围变异系数贵阳.遵义.安顺.铜仁.毕节.黔西南.六盘水.黔南.喀斯特地区.黔东南（非喀斯特地区）.总.注：（）含量计量单位均为 ，无量纲；（）喀斯特地区包括贵阳、遵义、安顺、铜仁、毕节、黔西南、六盘水、黔南。壤较低的 可能与采样点所在区域广泛分布的煤矿活动有关。土壤样品.、.、.、.的个数分别为、个。.土壤 含量及污染评价 研究区土壤 含量范围为.，平均值为.（表）。黔西南、毕节、贵阳、黔南、安顺、六盘水、铜仁、遵义、黔东南土壤 平均含 量 分 别 为.、.、.、.、.、.、.、.、.。研究区最大土壤 含量值是土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）（）中水田 风险筛选值（.，.）的.倍。如图 所示，.的土壤样品 含量超过风险筛选值，其中，高于风险管制值的比率仅为.，表明土壤普遍存在 超标，但大多在安全利用范围内。研究区土壤 的 值为.，平均值为.。无污染、无污染至中度污染、中度污染分别为.、.、.。无污染（）的农田土壤主要分布在黔东南、遵义和铜仁，无污染至中度污染（）的农田土壤主要分布在毕节、安顺和贵阳，中度污染（）的农田土壤主要分布在黔西南，黔东南的农田土壤均无污染。贵阳、遵义、铜仁、毕节、安顺、六盘水、黔西南、黔南出现了无污染至中度污染的农田土壤，毕节、安顺、黔西南、黔南出现了中度污染的农田土壤。研究区土壤 的平均 值为.，变化范围为.。按照 污染程度分级标准，个农田土壤样品达到重度污染，个农田土壤样品达到中度污染，个农田土壤样品达到轻度污染，所占比例分别为.、.和.。重度污染土壤样品分布在毕节、安顺、黔西南、贵阳、黔南，中度污染土壤样品分布黔东南、遵义、毕节、安顺、六盘水、黔西南、贵阳、黔南，轻度污染土壤样品分布在黔东南、遵义、铜仁、毕节、安顺、六盘水、黔西南、贵阳、黔南。.大米 含量及污染评价 研究区大米 含量范围为.，平均值为.，安顺、贵阳、黔南、毕节、铜仁、遵义、黔西南、黔东南、六盘水大米 平均含量分别为.、.、.、.、.、.、.、.、.。.的大米样品 含量超过食品安全国家标准 食品中污染物限量（）大米的安全限量值（.），分布在黔东南、安顺、贵阳，分别为 个、个和 个。研究区大米 的平均 值为.，变化范围为.。按照 污染程度分级标准，达到中度污染、轻度污染的大米样品数分别有 个和 个，占比为.和.。中度污染大米样品分布在安顺，轻度污染大米样品分布在黔东南、安顺、贵阳。讨论.影响土壤 含量的因素 喀斯特地区水稻田土壤 平均值为.第 期宋江菊等：贵州部分水稻主产区土壤和大米 污染特征研究（表），明显高于非喀斯特地区的.（表），说明土壤 对成土母质（母岩）具有良好的继承性。同时，土壤 含量的变异系数（）为.，属于中等变异水平（.），接近高变异水平（.），说明研究区土壤 除来自成土母质（母岩）贡献外，还可能受其他因素，诸如区域性的生产、生活以及工业活动等人为排放的影响，。.影响大米 含量的因素 研究区大米 含量的 为.，属于高变异水平，其中，贵阳、黔东南和安顺大米 含量的 最大，分别为.、.和.。大米中的 主要来自于土壤，土壤 含量和形态均对生长于其上的大米 含量有影响。然而研究区大米 含量的 显著高于土壤（.），且大米和土壤 含量之间没有显著的正相关性（图），说明 在土壤水稻系统中的迁移转化是一个复杂的动态生物地球化学过程，不是由土壤总 含量主导，；