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稻田土壤與稻米中的鎘含量關系初探

2013-09-24 07:53戴金鵬紀雄輝劉昭兵黃科延
湖南農(nóng)業(yè)科學 2013年7期
關鍵詞:稻米稻田閾值

彭 華,戴金鵬,紀雄輝,劉昭兵,黃科延

(1.湖南省土壤肥料研究所,湖南 長沙410125;2.農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室,湖南 長沙410125;3.長沙縣農(nóng)業(yè)局,湖南 長沙410100;4.長沙農(nóng)輝農(nóng)業(yè)科技有限公司,湖南 長沙410100)

鎘(Cd)是環(huán)境中最主要的重金屬污染物之一,在土壤中具有較強的化學活性,重金屬Cd可以通過礦區(qū)、冶煉、工業(yè)“三廢”等途徑進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,從而對農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生嚴重威脅[1-2]。近年來,重金屬污染日益受到公眾的廣泛關注。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國受Cd污染農(nóng)田已超過2萬hm2[3-4],每年生產(chǎn)的Cd含量超標農(nóng)產(chǎn)品達14.6億kg,且呈現(xiàn)遞增趨勢[5]。土壤-作物-農(nóng)產(chǎn)品間的遷移分配是土壤重金屬Cd影響人體健康的主要途徑之一[5-6]。相對于其他土地利用類型,稻田Cd污染更容易引起Cd的健康風險,因此稻田Cd污染尤其需要關注[7]。水稻是我國主要的糧食作物之一,水稻對Cd的耐受力強,但也是容易吸收和積累Cd的糧食作物,Cd對水稻的污染具有強烈的隱蔽性和危害性。在Cd污染稻田,如何有效阻斷其食物鏈傳遞途徑,一直是科學界致力研究的熱點。

阻斷稻田重金屬Cd污染食物鏈傳遞途徑,首先應該明確稻田土壤Cd與稻米Cd關系。有報道指出,水稻籽實中重金屬來源于土壤、灌溉水、大氣、收割、翻曬和加工設備等,其中主要來自土壤和灌溉水[8]。研究表明,影響稻米Cd含量的因子主要包括土壤全Cd[9-10],Cd的有效態(tài)[11-12]及土壤類型[13]等。文章基于風險評價的基本思想:若土壤Cd含量超過閾值,就會給人體帶來潛在健康危險,探索土壤Cd與稻米Cd含量的關系,可為控制稻米超標的土壤Cd閾值以及Cd污染稻田土壤修復提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 選點

試驗于2012年選擇某河流灌溉水稻種植區(qū)對稻田土壤和稻米Cd污染調(diào)查取樣。區(qū)域內(nèi)農(nóng)田灌溉水主要是貫穿境內(nèi)的河流水,隨著工業(yè)、城市污染的加劇和農(nóng)用化學物質(zhì)種類、數(shù)量的增加,該區(qū)域部分稻田土壤已存在Cd超標污染。

1.2 樣品采集

根據(jù)以往土壤重金屬調(diào)查結果,采用非均勻性布點方法,在研究區(qū)域?qū)赡艽嬖谕寥繡d污染田塊采集稻田土壤樣品107個,同時于晚稻收獲時在對應點采取稻谷樣品80個。土壤樣品:取自稻田耕層0~15 cm土壤深度,7點“S型”取樣,混合;稻谷樣品亦為7蔸“S型”取樣,混合。

1.3 檢測分析

土壤全Cd采用HNO3-HClO4-HF消煮,水稻糙米Cd采用HNO3-HClO4濕法消煮,并以楊樹葉(GBW07604)為內(nèi)標進行質(zhì)量控制,樣品消煮完全后趕酸至近干,加少量稀硝酸溶液溶解后轉(zhuǎn)移定容。分析所用試劑均為優(yōu)級純,分析器皿均以5%硝酸溶液浸泡過夜,以去離子水洗凈。Cd使用石墨爐原子吸收光譜法測定(ZEEnit600,德國耶拿公司)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤、稻米和灌溉水中Cd含量參考標準如下:《土壤環(huán)境質(zhì)量標準GB15618-1995》二級標準規(guī)定土壤中Cd≤0.3 mg/kg;國家標準《GB2762-2005食物中的污染物限量》規(guī)定糧食Cd≤0.2mg/kg;中華人民共和國《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準(GB5084-92)》中規(guī)定農(nóng)田灌溉水Cd≤0.01mg/L。

評價方法:采用單因素污染指數(shù)法對稻田土壤Cd污染進行評價,單因素污染指數(shù):Pi=Ci/Si,Ci為土壤中Cd的實測值,Si為Cd評價標準,本研究采用含量限值pH<6.5,Cd≤0.3 mg/kg(土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準)。結合地區(qū)實際和相關標準,將土壤污染等級劃分為5個等級,P≤0.7為安全級、P在0.7~1.0之間為警戒級、P在1.0~2.0為輕污染、P在2.0~3.0為中污染、P≥3.0為重污染級[14]。

采用線性回歸方法分析稻米Cd含量與土壤全Cd、土壤pH等之間的相關性,數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2003和SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 稻田土壤的pH值和Cd含量統(tǒng)計分析

2.1.1 土壤pH值 區(qū)域稻田土壤pH值范圍在4.10~7.70之間,變異系數(shù)為9.8%,其中93.5%的樣品pH值小于6.5,69.2%的樣品pH值在5~6.5之間(如圖1),表明調(diào)查區(qū)域稻田土壤呈酸性或弱酸性,區(qū)域稻田土壤重金屬分級的pH值屬于《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》二級標準pH值范圍。

圖1 土壤pH值頻次分布

2.1.2 土壤全Cd 區(qū)域稻田土壤重金屬Cd含量范圍在0.02~2.45 mg/kg之間,變異系數(shù)達87.47%,區(qū)域內(nèi)稻田土壤重金屬Cd含量差異較大。因為大多數(shù)土壤pH小于6.5,區(qū)域內(nèi)46.73%超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準(0.3 mg/kg),其中,土壤Cd含量在0.3~0.6 mg/kg之間的占樣品總數(shù)的26.2%,土壤Cd含量在0.6~0.9mg/kg的占16.8%。進一步整體評價區(qū)域稻田Cd污染風險表明,污染指數(shù)P值在0.07~8.17之間,平均為1.36,表明區(qū)域稻田土壤中已存在Cd污染風險,但目前主要以輕度污染為主。

2.2 土壤Cd含量與水稻稻米Cd含量關系

2.2.1 區(qū)域土壤全Cd與稻米Cd的相關性分析由圖2可以看出,區(qū)域水稻稻米Cd含量與土壤Cd含量呈極顯著正相關,研究區(qū)域內(nèi)土壤中Cd含量與糙米Cd含量回歸方程為:

圖2 區(qū)域內(nèi)土壤全Cd與稻米中Cd含量的相關性

y=0.128+0.264 x,(R2=0.298,P=0.000)

而稻米Cd含量與土壤pH值和土壤Cd含量與土壤pH值相關系數(shù)分別為-0.003和0.049,均沒有較好的相關性。

2.2.2 土壤Cd超標引起稻米Cd超標的概率分析調(diào)查區(qū)域內(nèi)稻田土壤Cd及稻米Cd含量狀況(見表1)發(fā)現(xiàn),當區(qū)域內(nèi)土壤Cd含量大于0.6 mg/kg,即為土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準(Cd≤0.3mg/kg)2倍以上時,有73.7%個稻米樣品Cd超標,表明土壤Cd含量是決定稻米Cd是否超標的重要因素。一般而言,Cd污染稻田土壤引起稻米Cd超標的幾率增大。土壤Cd含量在土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準范圍內(nèi)其含量小于0.3 mg/kg時,稻米Cd含量超標率為43.3%。對土壤Cd含量引起稻米超標程度而言,土壤Cd含量大于1.0時,其稻米超過國標《GB2762-2005》(Cd<0.2 mg/kg)約3.7倍,土壤Cd含量在0.3~1.0 mg/kg之間,稻米超標約2倍,土壤Cd含量小于0.3時,稻米超標約1.4倍,可見土壤Cd含量越高,稻米超標越嚴重。

表1 區(qū)域內(nèi)不同Cd含量土壤與相應稻米Cd超標的關系

分析還發(fā)現(xiàn),稻米Cd含量超過國標《GB2762-2005》(Cd<0.2 mg/kg)1~2倍的樣品數(shù)占總Cd超標樣品數(shù)的60%,其土壤Cd含量超過《GB15618-1995》二級標準的土壤樣品數(shù)占超標樣品總數(shù)的70%(見表2),有30%土壤Cd含量未超出二級標準;而稻米Cd超過國標2~3倍或3倍以上時,土壤Cd含量幾乎全部超標。綜上,區(qū)域內(nèi)重金屬Cd未超標的土壤也會導致稻米Cd超標,可能是由水稻生長期間污水灌溉、肥料投入、大氣沉降等外界因素引入了大量的外源Cd所致。

表2 區(qū)域內(nèi)稻米Cd超標情況與土壤樣品Cd超標的關系

2.3 稻田土壤Cd閾值分析

土壤Cd閾值是根據(jù)土壤Cd含量和稻米Cd含量對應關系:y=0.128+0.264 x,然后以國家標準《GB2762-2005食物中的污染物限量》規(guī)定的糧食Cd限量0.2 mg/kg作為標準反推,得出土壤Cd含量閾值(臨界值)為0.27mg/kg。說明在該區(qū)域土壤pH(平均5.43)范圍內(nèi),要保證水稻稻米中Cd含量小于0.2 mg/kg,土壤Cd含量必須控制在0.27 mg/kg之下。

3 討論

3.1 土壤Cd與稻米Cd關系

與其他重金屬不同,Cd在土壤中具有較高的植物有效性,并且土壤Cd的濃度在達到毒害植物之前就可以使可食部分Cd含量超過食用標準而危害人類健康[15]。有研究報道,在Cd污染地區(qū)進行糧食生產(chǎn)普遍存在Cd超標風險,如沈陽張士灌區(qū)的部分Cd污染稻田生產(chǎn)的稻米已經(jīng)達到被稱為“鎘米”的程度[16],湖南的重污染地區(qū)也曾出現(xiàn)“鎘米”。土壤重金屬元素的遷移、轉(zhuǎn)化及其對植物的影響程度,除了與重金屬的總量相關外,還與重金屬元素在土壤中的化學形態(tài)有很大關系[17]。土壤Cd有效態(tài)是可浸提態(tài),可浸提態(tài)重金屬含量與土壤中重金屬總量關系密切[18]。研究表明,稻米富集Cd與土壤有效態(tài)Cd顯著正相關[19],水稻土栽培的水稻各器官的Cd含量顯著高于潮土,籽粒富集重金屬與土壤重金屬有效態(tài)含量達顯著相關關系[5]。由于受灌溉水、養(yǎng)殖廢水、施肥、大氣沉降等因子作用,稻田土壤受到不同程度的Cd污染。研究區(qū)域的灌溉水源、種植制度、栽培模式以及土壤pH值(變異系數(shù)為9.8%)差異均不明顯,使得稻田土壤Cd生物有效性及有效態(tài)含量相差不大,結果表現(xiàn)出土壤Cd含量與稻米Cd呈顯著正相關關系是合理的。

3.2 pH值與稻米Cd關系

土壤中Cd的活性和形態(tài)與土壤pH值密切相關[20]。弱酸性土壤促進碳酸鹽的水解,導致重金屬有效態(tài)含量增多,土壤pH值升高將使大量易溶性Cd向難溶態(tài)轉(zhuǎn)化,提高污染土壤的pH值可有效降低土壤中Cd的生物有效性[21]。范美蓉等[22]研究表明,土壤pH值增加,土壤交換態(tài)Cd含量減少,碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)和殘渣態(tài)Cd含量逐漸增加,影響了水稻對Cd的吸收和累積,劉昭兵等[13]研究發(fā)現(xiàn),提高土壤pH值能夠顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量及水稻的Cd累積。本研究表明區(qū)域內(nèi)稻田土壤pH值與糙米Cd相關關系較差,主要是由于該區(qū)域內(nèi)土壤pH值變化幅度較小,變異系數(shù)僅為9.8%。

3.3 土壤Cd污染閾值

土壤重金屬臨界值(閾值)是指土壤重金屬既不影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和生物學質(zhì)量,又不導致地表水和地下水污染的最大含量[23]。范中亮等[5]根據(jù)土壤Cd含量與糙米Cd含量關系,推算出水稻產(chǎn)地Cd安全臨界值為1.63 mg/kg,Cd臨界值顯著高于食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬標準(HJ332-2006)。李志博、駱永明等[24]根據(jù)稻米Cd的預測模型的研究發(fā)現(xiàn),在土壤pH值為6和7時的土壤Cd臨界值分別為0.79mg/kg和1.49mg/kg。試驗定義的稻田土壤Cd閾值是基于土壤全Cd含量不引起稻米Cd超過《GB2762-2005食物中的污染物限量》的區(qū)域調(diào)查分析結果,在特定的pH值范圍內(nèi)(pH值<6.5),所推算出稻田土壤Cd閾值為0.27 mg/kg,基本與國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準相吻合,這也是基于該區(qū)域稻田土壤Cd污染特征、土壤特性和水稻栽培、施肥管理現(xiàn)狀得出的結果。文章對稻田土壤Cd閾值的推斷僅考慮單純的土壤Cd含量對稻米Cd含量的決定作用,而對稻田生態(tài)系統(tǒng)外源Cd投入狀況,即排除Cd污染源類型及對稻米影響程度的效應因子,所以研究結果在一定的適宜區(qū)域內(nèi)能夠起到較好的指導作用,但是外源Cd引入稻田生態(tài)系統(tǒng)對土壤以及稻米Cd超標的影響不容忽視。通過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),該區(qū)域外源Cd引入稻田主要途徑為:(1)河流灌溉區(qū)長期灌溉Cd含量較高的河水,導致土壤Cd超標;(2)人口密集和工業(yè)較為發(fā)達的小城鎮(zhèn),因生活和工業(yè)的廢水、廢渣及廢氣影響,導致周邊稻田Cd污染;(3)畜禽養(yǎng)殖密集區(qū),養(yǎng)殖廢水的不合理排放造成稻田Cd超標。目前,中華人民共和國農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準(GB5084-92)中規(guī)定農(nóng)田灌溉水Cd≤0.01 mg/L,假設稻田灌溉水蓄水深約5 cm,可推算出灌溉水引入Cd含量為5 g/hm2,以早稻灌溉水3次,晚稻灌溉水5次,估算出早、晚稻灌溉水引起Cd量分別為15 g/hm2和25 g/hm2,表明稻田灌溉水對稻田土壤Cd含量及稻米Cd超標存在較大安全風險。由此看來,農(nóng)田灌溉水水質(zhì)標準的設定還需進一步研究核實,應嚴格控制農(nóng)田灌溉水水質(zhì)以保障水稻生產(chǎn)安全。另外,施磷肥也是稻田中引入外源Cd的方式,有研究表明,我國磷肥含Cd量為0.1~2.9 mg/kg[25],我國過磷酸鈣中Cd含量為0.61 mg/kg[26]或0.189 mg/kg[27],根據(jù)雙季稻生產(chǎn)所需磷肥量估算,結果估算出稻田土壤因施磷肥引入Cd總量較灌溉水小。綜上所述,研究稻田Cd閾值控制稻田土壤Cd污染不僅需要考慮土壤背景值、土壤性質(zhì)等因素,還需要考慮外源Cd的影響程度。

4 結論

對某河流灌溉水稻種植區(qū)域進行土壤和稻米Cd污染狀況的調(diào)查表明,該區(qū)域稻田土壤重金屬Cd含量范圍在0.02~2.45 mg/kg之間,存在一定的Cd污染風險,但目前主要以輕度污染為主;稻米Cd含量與土壤Cd含量呈顯著正相關關系(P<0.01),進一步推算出基于稻米Cd超標風險的稻田土壤Cd閾值為0.27mg/kg,此結果可為該區(qū)稻田Cd污染土壤的修復及水稻安全生產(chǎn)提供科學參考。

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