东莞Cd轻度污染土壤种植水稻安全风险评估

倪卫东 朱凰榕 冯先翠 焦洪鹏 江海燕

摘要 [目的]更好地了解东莞重金属污染农田种植粮食的安全风险。[方法]选择在东莞典型的工业聚集区附近的一处轻度Cd污染农田，种植珠江三角洲地区常种的水稻品种天优390，试验区面积共0.33 hm2，对产出的糙米进行重金属含量安全风险评估。[结果]试验区土壤Cd全量为0.46～0.71 mg/kg，pH为6.65～7.33，Cd有效态含量为0.12～0.24 mg/kg，且Cd有效态含量占全量的23.1%～33.8%。在试验区的5个田块中，只有1个田块的水稻糙米Cd含量（0.13 mg/kg）低于《食品安全国家标准》（GB 2762—2017）的限量值（0.2 mg/kg）;其他4个田块中水稻糙米Cd含量达到0.21～0.30 mg/kg，超过了食品安全国家标准限量值，超标率达到了80%。[结论]在东莞pH偏中性的Cd轻度污染土壤中种植水稻存在很高的安全风险，不适合直接种植水稻，需结合土壤重金属修复技术才能实现安全利用。

关键词 Cd轻度污染土壤;水稻;安全风险评估

中图分类号 X825  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）10-0041-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.011

Safety Risk Assessment of Rice Planting on Cd Slightly Polluted Soil in Dongguan

NI Wei-dong， ZHU Huang-rong， FENG Xian-cui et al （Guangdong Province Research Center for Geoanalysis， Guangzhou，Guangdong 510080）

Abstract [Objective] To better understand the safety risks of planting food on farmland contaminated by heavy metals in Dongguan.[Method]Choose a neutral， mildly Cd-polluted farmland near a typical industrial cluster in Dongguan to plant Tianyou 390， a rice variety commonly grown in the Pearl River Delta.The test area was 0.33 hm2， and the safety risk assessment of the heavy metal content of the produced brown rice was carried out.[Result]The total amount of Cd in the soil in the test area was 0.46-0.71 mg/kg， the pH was 6.65-7.33， the content of Cd available state was 0.12-0.24 mg/kg， and the content of Cd available state accounted for 23.1%-33.8% of the total amount.Among the 5 plots in the experimental area， only one plot had rice brown rice Cd content （0.13 mg/kg） lower than the limit value （0.2 mg/kg） of the National Food Safety Standard （GB 2762-2017）;the Cd content of rice brown rice in the other four fields reached 0.21-0.30 mg/kg， exceeding the limit value of the national food safety standard， and the exceeding rate reached 80%.[Conclusion]Planting rice in the mildly polluted Cd soil with neutral pH in Dongguan poses a high safety risk.It is not suitable for direct planting of rice， and it needs to be combined with soil heavy metal remediation technology to achieve safe use.

Key words Cd slightly polluted soil;Rice;Safety risk assessment

基金項目 广东省财政地勘事业发展经费项目（2016206）;国土资源部公益性行业科研专项（201511082）;广东省省级环境保护专项项目（粤环〔2014〕126 号）。

作者简介 倪卫东（1969—），男，江苏靖江人，高级工程师，从事地质环境科学研究。通信作者，高级工程师，博士，从事生态环境治理与修复研究。

收稿日期 2021-08-13

由于重金属不易被土壤微生物降解，在土壤中不断积累，且可被植物富集，危害环境和人体健康[1]，因此土壤重金属污染问题已引起高度重视[2-3]。东莞市乡镇工业数量多、密度大、行业覆盖面广，是一个国际性加工制造业基地，号称“世界工厂”，由此而造成的环境污染十分严重，特别是电子、造纸、电镀等行业工业废水的排放，造成工业区周边镉、铅等重金属污染严重。据调查，东莞市土壤整体受到了轻度的重金属污染，以西北部污染较为严重，东北部污染最轻。

万凯等[4]通过对东莞农田土壤重金属污染调查分析发现，东莞农田土壤整体质量情况不容乐观，超过半数土壤受不同程度重金属污染，镉污染情况较为严重，汞污染次之。吴鹏举等[5]对东莞市6个镇区46个菜地土壤重金属进行了调查，结果发现，Zn、Cu、Cd和Pb检测值大都超过广东省背景值，而Cd污染最重，67.14%的菜地综合污染已经超过了警戒水平。Cd是农田土壤重金属中主要的污染物质，在所有重金属中Cd是对人类健康威胁最大的有害元素之一[6]，因此Cd在土壤—植物（作物）—食品—人中的迁移是环境Cd污染及其人类健康风险研究的重点和热点问题之一。不同种类的作物对土壤中Cd的吸收及其在可食部分的积累存在较大差异，水稻被认为是Cd吸收最强的大宗谷类作物[7]。有研究表明，土壤-品种交互作用可以使常规水稻对Cd的吸收积累达到严重安全风险程度[8]，而杂交稻、超级稻具有更高的Cd累积风险[9]。同时土壤pH变化对稻米Cd吸收有显著影响，刘佳凤等[10]研究表明，稻米Cd含量受pH及土壤Cd含量的影響，pH升高，稻米Cd含量下降;土壤Cd含量升高，稻米Cd含量随之升高。

稻米作为我国居民的主要粮食作物之一，全国有65%以上的人口以稻米为主食，Cd在南方稻区土壤-水稻系统中的迁移与我国人群健康关系密切。水稻是珠三角地区最主要的粮食作物，东莞作为重要的鱼米之乡，重金属Cd在土壤-水稻系统中的迁移会影响水稻的安全，威胁到人类健康。因此，该研究针对东莞偏中性轻度Cd污染土壤，种植珠江三角洲地区常种水稻品种天优390，对产出的糙米进行安全风险评估，为后续重金属Cd污染土壤修复及安全利用工作提供指导作用。

1 材料与方法

1.1 供试材料

水稻品种天优390购于广东省农业科学院。该研究试验区具体位置为东莞沙田镇西太隆村，面积共0.33 hm2，由5块独立的农田组成。土壤基本理化性质见表1。

1.2 样品的采集与处理

1.2.1 土壤样品。试验区每块农田采用网格法进行布点，每块农田布点20个，采集表层（0～20 cm）土壤，共计采样100个。采集的土壤样品自然风干，去除样品中的杂质，研磨后分别过20目、60目、100目尼龙筛，装袋备用。

1.2.2 水稻样品。对应每个土壤采样点采集水稻样品。稻谷晒干后脱壳，将糙米、谷壳分别用搅拌机粉碎;水稻茎叶用自来水洗净，再用蒸馏水漂洗 3遍，晾干表面水分，切碎烘干后用搅拌机粉碎，贮存于封口袋中待测。

1.3 样品的分析测试

1.3.1 土壤样品中指标的测定。土壤样品的测定主要参考《土壤农化分析》[11]。采用HF、HCl、HNO3和HClO4体积比为10∶4∶4∶2的混合酸于250 ℃进行消解待测土壤，以Rh作为内标，采用NexION 300X型电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni全量;采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）浸提法测定土壤重金属有效态Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni含量，仪器为ICP-MS;采用玻璃电极法测定土壤pH，仪器为Sartorius PB-10型pH计;采用氯化钡法测定阳离子交换量，所用仪器为Optima 8000型电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）;采用重铬酸钾-外加热法测定有机质浓度;采用碱解扩散法测定碱解氮浓度;采用0.05 mol/L HCl-0.025 mol/L H2SO4浸提法测定有效磷浓度，仪器为Spectrumlab S22PC可见分光光度计;采用醋酸铵浸提法测定速效钾浓度，仪器为Optima 8000型ICP-OES。

1.3.2 植物样重金属含量测定。样品经过微波消解后，采用NexION 300X型ICP-MS测定。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属含量

根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）中农用地土壤污染风险筛选值（基本项），对于水旱轮作地，采用其中较严格的风险筛选值[12]。该农用地属于水旱轮作地，农田土壤pH平均值为6.93，因而Cd、Zn、Pb、Cu、Cr、Ni对应选择筛选值分别为0.3、250、120、100、200、100 mg/kg。数据结果表明（表2），采集的100个土壤样品中，只有Cd含量高于对应的农用地土壤污染风险筛选值但低于风险管控值，且超过风险筛选值达到了100%，对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险。

2.2 表层土壤重金属有效态分析

已有研究表明，土壤重金属的水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态与土壤结合较弱，是土壤-水和土壤-植物体系中容易迁移的活性形态，而且容易被植物吸收[13]。根据土壤重金属全量测定分析结果，分析土壤中6项重金属有效态含量，明确土壤中各重金属在土壤中的活性程度。一般来说，土壤中重金属有效态为生物可利用。因此，重金属有效态含量的高低可反映植物对其吸收的难易。由表3可知，土壤中重金属Cd的有效态含量为0.12～0.24 mg/kg，占全量的23.1%～33.8%;土壤中重金属Cu的有效态含量为5.04～6.15 mg/kg，占全量的14.4%～17.1%;土壤中重金属Pb的有效态含量为5.47～6.56 mg/kg，占全量的8.39%～10.90%;土壤中重金属Zn的有效态含量为4.77～7.54 mg/kg，占全量的3.85%～5.63%;土壤中重金属Ni的有效态含量为0.38～0.53 mg/kg，占全量的1.38%～1.78%;土壤中重金属Cr的有效态含量为0.010～0.020 mg/kg，占全量的0.012%～0.024%。

2.3 水稻天优390重金属含量分析

2.3.1 Cd含量。在该试验区污染土壤中种植的水稻天优390植株中Cd含量测试结果显示（图1），水稻糙米Cd含量只有田块4（0.13 mg/kg）低于食品安全国家标准GB 2762—2017（0.2 mg/kg）[14]，其他田块中水稻糙米Cd含量达到0.21～0.30 mg/kg，超过了食品安全国家标准。因此，该地生产的该品种水稻糙米存在健康风险，需要对土壤进行重金属修复。同时，谷壳Cd含量低于国家饲料卫生标准GB 13078—2017（1.0 mg/kg），且远低于糙米和茎叶的含量，因此谷壳作为饲料Cd含量安全。而且，水稻茎叶Cd含量低于生物有机肥限量标准NY 884—2012（3.0 mg/kg），因此水稻茎叶作为有机肥还田Cd含量安全。

从试验结果（图1）还可得知，田块1、田块2、田块3种植的水稻植株Cd含量均高于田块4和田块5，尤其是水稻茎叶Cd含量，存在显著性差异;而且田块3种植的水稻植株Cd含量最高。这可能是与不同田块土壤pH以及土壤Cd含量的差异性（表2）有关，田块1、田块2、田块3土壤pH均小于7，而田块4和田块5土壤pH均大于7;而且田块3土壤Cd全量及有效态含量最高，平均全量为0.71 mg/kg，平均有效态含量为0.24 mg/kg。说明水稻对Cd的吸收累积不仅与土壤Cd含量有关，还与土壤pH存在很大的关系。

2.3.2 Cr含量。水稻植株中Cr含量结果显示（图2），糙米Cr含量为0.25～0.38 mg/kg，均低于食品安全国家标准（1.0 mg/kg）。但是，谷壳Cr含量达15.48～26.06 mg/kg，均高于国家饲料卫生标准（5.0 mg/kg），因此谷壳作为饲料Cr含量存在安全风险，不能直接用于饲料。另外，水稻茎叶Cr含量为1.34～2.86 mg/kg，低于生物有机肥限量标准对Cr的限定值（150 mg/kg），因此水稻茎叶作为有机肥还田Cr含量安全。

2.3.3 Ni含量。水稻植株中Ni含量结果显示（图3），糙米Ni含量为0.29～0.41 mg/kg，但是食品安全国家标准并没有对Ni含量的限量值，因此无法评价其安全性。同时，谷壳Ni含量达7.21～12.10 mg/kg，远远高于糙米与茎叶，而国家饲料卫生标准中也并没有对饲料原料Ni含量的限量值，因此，针对水稻谷壳极易吸收土壤Ni的问题应该予以重视。此外，水稻茎叶Ni含量为1.22～3.71 mg/kg，可作为有机肥还田。

2.3.4 Pb含量。水稻植株中Pb含量结果显示（图4），糙米Pb含量为0.06～0.12 mg/kg，低于食品安全国家标准（0.2 mg/kg），因此，该地生产的该品种水稻糙米Pb含量安全。谷壳Pb含量为0.11～0.31 mg/kg，低于国家饲料卫生标准（5 mg/kg），因此谷壳可作为饲料且安全。水稻茎叶Pb含量为0.94～1.77 mg/kg，低于生物有机肥限量标准（50 mg/kg），因此水稻茎叶可作为有机肥还田且安全。此外，水稻茎叶Pb含量远远高于糙米与谷壳。

2.3.5 Cu含量。水稻植株中Cu含量结果显示（图5），水稻糙米Cu含量为5.03～7.59 mg/kg，谷壳Cu含量为2.01～4.76 mg/kg，水稻茎叶Cu含量为11.23～15.38 mg/kg，而且水稻茎叶Cu含量远远高于糙米与谷壳。在国家食品安全、饲料卫生标准和生物有机肥标准中均没有Cu含量的限量值，因此，鉴于土壤Cu含量安全（表2），水稻植株中Cu含量不存在安全风险。

2.3.6 Zn含量。水稻植株中Zn含量结果显示（图6），水稻糙米Zn含量为21.64～23.20 mg/kg，谷壳Zn含量为9.80～18.62 mg/kg，水稻茎叶Zn含量为64.06～76.24 mg/kg，而且水稻茎叶Zn含量远远高于糙米和谷壳。在国家食品安全、饲料卫生标准和生物有机肥标准中均没有Zn含量的限量值，因此，鉴于土壤Zn含量安全（表2），水稻植株Zn含量不存在安全风险。

2.4 水稻糙米对重金属的生物富集情况分析 水稻糙米富集系数（BCF）可以反映糙米从土壤中吸收富集重金属的能力，用糙米中重金属含量与对应土壤中重金属含量的比值表示。该研究中种植的是水稻天优390，产出的糙米各重金属富集系数情况见表4。结果显示，在试验区内，水稻糙米对Cd的富集能力最强，富集系数平均值为0.348，其次是Zn和Cu，富集系數平均值分别为0.179、0.165。已有研究表明，稻米容易积累Zn和Cd[15-16]。由于Zn、Cu本身就是水稻生长所必需的元素，本身就对其会有一定的富集能力，而Cd作为非必需元素，在该试验区内水稻对其的吸收能力远高于其他元素，这还与试验田块土壤Cd含量超标且有效态含量占比较大有关。

3 讨论

在我国，大米的食用是人体Cd暴露的主要来源之一。镉是一种有毒的人体非必需元素，对人类健康构成严重威胁。该研究的试验区土壤只有Cd超标，且Cd含量为0.46～0.71 mg/kg，属于Cd单一轻度污染土壤，对种植的农作物存在一定的安全风险。水稻是Cd敏感的农作物之一，研究者们对土壤-水稻系统中镉的运移规律进行了大量研究[17-21]。许多研究表明，土壤中重金属有效性与水稻植株中重金属含量存在显著的正相关[22-23]。该研究中，土壤Cd有效态含量为0.12～0.24 mg/kg，其中田块3土壤Cd全量及有效态含量最高，平均全量为0.71 mg/kg，平均有效态含量为0.24 mg/kg。因此田块3种植的水稻植株Cd含量最高。

土壤pH是影响土壤中Cd生物有效性的重要因素之一[24-26]。Kitagishi等[27]研究表明，水稻幼苗对Cd的相对吸收率在土壤pH为4.5～5.5达到最大值。还有研究也发现，稻米Cd含量是与土壤的pH紧密相关的，且在pH为5.5时稻米Cd含量达到最高[28]。同样，潘杨等[29]研究表明，土壤pH变化对稻米Cd吸收有显著影响，土壤pH在5～6时，稻米对土壤Cd吸收能力最强，6～7时吸收系数下降明显，两者差异在1.4～7.4倍。在该研究中，田块1、田块2、田块3种植的水稻植株Cd含量均高于田块4和田块5，尤其是水稻茎叶Cd含量，存在显著性差异，这可能是由于田块1、田块2、田块3土壤pH均小于7，而田块4和田块5土壤pH均大于7。同样说明水稻对Cd的吸收累积不仅与土壤Cd含量有关，还与土壤pH存在很大的关系。另外，该试验区土壤pH为6.65～7.33，平均为6.93，属于偏中性土壤，但是研究结果表明，产出的水稻天优390糙米Cd含量为0.13～0.30 mg/kg，且超标率达到了80%。因此，说明东莞偏中性的Cd单一轻度污染土壤存在着很高的水稻安全风险，需要进行修复后才能实现种植水稻的安全利用。

4 结论

（1）根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）中农用地土壤污染风险筛选值（基本项），对于水旱轮作地，采用其中较严格的风险筛选值。该农用地属于水旱轮作地，农田土壤pH平均值为6.93，采集的100个土壤样品中，除了Cd含量高于对应的农用地土壤污染风险筛选值，且超过风险筛选值达到了100%，对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险。

（2）试验区水稻天优390安全风险评估试验研究表明，水稻糙米Cd含量只有田块4（0.13 mg/kg）低于食品安全国家标准（0.2 mg/kg）;其他4个田块中水稻糙米Cd含量达0.21～0.30 mg/kg，超过了食品安全国家标准，超标率达到了80%。

（3）水稻糙米Cr含量为0.25～0.38 mg/kg，低于食品安全国家标准（1.0 mg/kg），但是谷壳Cr含量达15.48～26.06 mg/kg，高于国家饲料卫生标准（5.0 mg/kg）。

（4）在试验区内，水稻糙米对Cd的富集能力最强，富集系数平均值为0.348，其次是Zn和Cu，富集系数平均值分别为0.179、0.165。

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