基于稻谷中鎘含量的單因素內(nèi)梅羅指數(shù)法在耕地污染情況評價中的應(yīng)用
——以旌陽區(qū)為例*

馮 吉，黃 露，劉天鵬，李 琪

（德陽市食品藥品安全檢驗檢測中心、德陽市食品檢驗重點實驗室，四川 德陽 618000)

隨著人口的增長和城市化程度的不斷加深，確保耕地紅線和發(fā)展經(jīng)濟的矛盾日益突出。而工業(yè)化和礦產(chǎn)資源的開發(fā)，使土壤的安全進一步受到方方面面的挑戰(zhàn)。一段時間以來，德陽市耕地污染的新聞時常見諸媒體，由此造成的“超標(biāo)稻谷”問題時有發(fā)生，漸漸成為威脅川西平原地區(qū)糧食安全和食品安全的因素之一。因此，本研究著眼于耕地污染情況的調(diào)查，參考川西平原地區(qū)的實際，以最重要的種植水稻耕地作為調(diào)查評價對象。本研究以水稻作為耕地重金屬鎘（Cd）污染[1]程度的指標(biāo)農(nóng)作物，以稻谷作為研究對象，采用單因子內(nèi)梅羅指數(shù)法確定耕地重金屬鎘污染程度。水稻作為本地區(qū)最重要的農(nóng)作物之一，分布廣泛、樣品易得，是非常適宜的分析測試樣本。

四川省德陽市旌陽區(qū)東西南北分別與中江縣、綿竹市、廣漢市、羅江區(qū)為界。全區(qū)地貌分為平原、淺丘、深丘三種類型，西部為綿遠河、石亭江扇形平原，東北部屬丘陵，海拔在480～550 m之間，為龍泉山北端山地，地勢起伏。西部平壩區(qū)主要分布在石亭江與綿遠河之間，面積達384.6 km2，占全區(qū)的59.35%，屬成都平原部分，該區(qū)域土地肥沃，河流縱橫，自流灌溉條件好，人口稠密，交通方便，是旌陽區(qū)工、農(nóng)業(yè)相對發(fā)達的地區(qū)。東部丘陵區(qū)，面積263.4km2，占全區(qū)面積的40.65%。新中鎮(zhèn)境內(nèi)的馬鞍山，海拔764 m，為全區(qū)最高點，與此相距不到10 km的通江金鑼橋以下3 km處，海拔457 m，為全區(qū)最低點，懸殊達307 m。

旌陽區(qū)地處四川盆地成都平原東北部邊緣，地層分布：東北部丘陵大面積出露中生代白堊紀及侏羅紀地層；西南部平原區(qū)全為新生代第四紀沉積。區(qū)域內(nèi)地貌類型多樣，以綿遠河為界，可劃分為構(gòu)造—侵蝕地貌和構(gòu)造—堆積地貌。其中構(gòu)造—侵蝕丘陵地貌大致包括綿遠河以東及東北，區(qū)境內(nèi)所有丘陵區(qū)。地貌主要為各丘陵、丘間盆地等地貌形態(tài)。構(gòu)造—堆積地貌主要在西部平原區(qū)，地貌特征較為簡單，總的為龍門山山前沖積平原，地貌主要由各級階地構(gòu)成。地勢東南高、西北低。

1 材料

1.1 采樣

2021年下半年至2022年初，課題組通過從農(nóng)戶處購買等方式，在旌陽區(qū)收集到稻谷樣品205份，基本覆蓋區(qū)內(nèi)所有的農(nóng)業(yè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。樣品構(gòu)成見表1。

表1 稻谷樣品情況

1.2 試劑與儀器

1.2.1試劑

68%硝酸（UP級），蘇州晶瑞化學(xué)股份有限公司；GSB04-1721—2004單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（Cd），國家有色金屬及電子材料研究院；GBW(E)100362大米粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（鎘含量0.007 mg/kg），鋼鐵研究總院分析測試研究所；GBW(E)100360大米粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（鎘含量0.22 mg/kg），鋼鐵研究總院分析測試研究所；所用水均為超純水（電阻率不小于18.3 MΩ·cm）。

1.2.2儀器

JLG-Ⅲ實驗礱谷機，中儲糧成都糧食儲藏科學(xué)研究所；MS205DU電子天平，METTLER TOLEDO公司；900Z石墨爐原子吸收分光光度計，PerkinElmer公司；可調(diào)移液器，eppendorf公司；UV-R超純水機，Millipore公司；EH20A電熱消解儀，北京東航科儀儀器有限公司；HGG-II不銹鋼橫格式分樣器，浙江伯利恒儀器設(shè)備有限公司；MARS6微波消解儀，CEM公司。

2 分析方法

2.1 制樣

采集自然風(fēng)干的稻谷樣品，用實驗礱谷機調(diào)整合適的輥間距后去殼，得到糙米小樣。將糙米小樣用粉碎機磨碎成均勻的樣品，顆粒度不大于0.425mm。儲于潔凈的塑料袋中，標(biāo)明標(biāo)記，室溫下保存?zhèn)溆谩?/p>

2.2 樣品消解

稱取干試樣0.3 g左右（精確至0.1 mg）置于微波消解罐中，加5 mL硝酸。微波消解參數(shù)見表2。消解完畢，待消解罐冷卻后打開，消化液呈無色或淡黃色，加熱趕酸至近干，用少量硝酸溶液（1%）沖洗消解罐3次，將溶液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，并用硝酸溶液（1%）定容至刻度，混勻備用；同時做試劑空白試驗。

表2 微波消解儀工作參數(shù)

2.3 樣品分析測試

2.3.1原子吸收分光光度計

原子吸收分光光度計（附石墨爐及鎘空心陰極燈）測定參考條件見表3。

表3 原子吸收分光光度計工作參數(shù)

2.3.2標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

鎘標(biāo)準(zhǔn)曲線工作液：使用自動進樣器準(zhǔn)確吸取鎘標(biāo)準(zhǔn)使用液0 mL、0.4 mL、0.8 mL、1.2 mL、1.6mL、2.0 mL，即得到含鎘量分別為0 ng/mL、0.4 ng/mL、0.8 ng/mL、1.0 ng/mL、1.2 ng/mL、1.6 ng/mL、2.0ng/mL的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。將標(biāo)準(zhǔn)曲線工作液按濃度由低到高的順序各取20 μL注入石墨爐，測其吸光度值，以標(biāo)準(zhǔn)曲線工作液的濃度為橫坐標(biāo)，相應(yīng)的吸光度值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并求出吸光度值與濃度關(guān)系的一元線性回歸方程。標(biāo)準(zhǔn)系列溶液應(yīng)不少于5個點的不同濃度的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液，相關(guān)系數(shù)不小于0.995。試樣溶液的測定于測定標(biāo)準(zhǔn)曲線工作液相同的實驗條件下，吸取樣品消化液20 μL，注入石墨爐，測其吸光度值。代入標(biāo)準(zhǔn)系列的一元線性回歸方程中求樣品消化液中鎘的含量，平行測定次數(shù)不少于兩次。若測定結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍，用硝酸溶液（1%）稀釋后再行測定。糙米樣品消解后，基本不存在干擾性成分，因此不必使用基體改進劑也能得到較好的測定結(jié)果。

2.3.3數(shù)據(jù)處理所得數(shù)據(jù)采用Excel、SPSS18.0等軟件進行整理、分析。圖片采用GS+、Excel等軟件進行繪制。

3 結(jié)果

3.1 單因子內(nèi)梅羅指數(shù)

我們發(fā)現(xiàn)，鎘污染區(qū)耕地所產(chǎn)的稻谷除鎘含量偏高外，參考GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》[2]規(guī)定，其它主要重金屬元素污染物如鉛（Pb）、鉻（Cr）、汞（Hg）和砷（As）等在稻谷中的含量并無明顯異常。內(nèi)梅羅指數(shù)特別考慮了污染最嚴重的因子，內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，是目前應(yīng)用較多的一種環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。因此，即使考慮多因子內(nèi)梅羅指數(shù)法，鉛（Pb）、鉻（Cr）、汞（Hg）和砷（As）等因子在最后的內(nèi)梅羅指數(shù)計算上貢獻較小，可以忽略。為使本研究更有針對性、突出和聚焦主要矛盾，本研究采用基于稻谷中鎘含量的單因素內(nèi)梅羅指數(shù)法[3]對耕地的污染情況進行評價亦無不妥。

單因子內(nèi)梅羅指數(shù)法定義如下：

式中：Pi為污染指數(shù)；Ci為污染物實測值，即稻谷中重金屬鎘的含量；Si為污染物評價標(biāo)準(zhǔn)，參考GB2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》規(guī)定，稻谷（以糙米計）中重金屬鎘含量限量為0.2 mg/kg；i代表重金屬鎘。當(dāng)Pi≤1時，表示土壤未受污染，Pi＞1時，表示土壤已受污染，且Pi值越大污染越嚴重。耕地重金屬鎘污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 耕地重金屬鎘污染程度分級

3.2 耕地污染情況的大致分布

將得到的所有稻谷樣品，根據(jù)其地理坐標(biāo)，得到污染耕地的點位圖（圖1）。

圖1 耕地輕度以上污染情況經(jīng)緯度圖

結(jié)合得到的稻谷中鎘含量水平，我們得到旌陽區(qū)耕地輕度以上污染情況的地理分布圖（圖2）。

圖2 耕地輕度以上污染情況示意圖

從圖上可以看出，幾乎所有的超標(biāo)稻谷都來自于平原、淺丘地貌地區(qū)。占比率的比較采用χ2檢驗，不同地貌地區(qū)污染情況有明顯不同（p＜0.01）（顯著性水平取α=0.05，β=0.10）。差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。不同地貌耕地受污染情況見表5。

表5 不同地貌耕地重金屬鎘污染情況對比

3.3 與其它區(qū)縣的比較

根據(jù)本項目組的有關(guān)本項目的研究情況，旌陽區(qū)耕地的鎘污染情況具有典型性，占比率的比較采用χ2檢驗，與相鄰的區(qū)縣有明顯不同（p＜0.01）（顯著性水平取α=0.05，β=0.10），差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。各地平均值和中位數(shù)詳見表6。

表6 本市部分區(qū)縣耕地重金屬鎘污染情況對比

4 討論

耕地中鎘的來源有來自土壤本身和來自水源。同為成都平原的中江縣、旌陽區(qū)與什邡市有如此大的差異，很可能與地表水、地下水受到鎘污染有著密切的聯(lián)系。旌陽區(qū)內(nèi)部平壩地區(qū)與丘陵區(qū)也有明顯的差異，整個旌陽區(qū)與主要是丘陵區(qū)地貌的中江縣差距也很明顯，考慮到水很難從低處（平壩地區(qū)）自然流動到高處（丘區(qū)），更進一步解釋了水源對耕地鎘污染的影響。因此，更加重視耕地水源的污染問題刻不容緩。

根據(jù)采集到的稻谷信息，調(diào)查地區(qū)主要種植的稻谷品種為具有鎘高積累性特點的雜交秈稻[4]，而常規(guī)粳稻或瀘98A[5]等被實踐證明認定的鎘低積累性品種在調(diào)查地區(qū)幾乎沒有種植。在鎘污染耕地的西南地區(qū)，推廣鎘低積累性的稻種還有很多技術(shù)工作需要做，如制種、田間應(yīng)用、稻谷利用等方面。另外，如何確保耕地的經(jīng)濟收益不降低，選擇適合當(dāng)?shù)胤N植的品種與水稻接續(xù)種植、最大化地利用耕地，還需要農(nóng)業(yè)技術(shù)人員與農(nóng)業(yè)從業(yè)者通盤考慮，找到最優(yōu)的方案。

5 局限性

（1）受課題項目的限制，研究組人員樣品收集的密度不高，有的鄉(xiāng)鎮(zhèn)收集到的樣品較少，有的村組沒有覆蓋到。

（2）樣品信息還不夠全面，有的樣品僅記錄為“雜交稻”，但具體的品種名稱不夠明確，很多樣品采集現(xiàn)場僅大致記錄樣品收集的地理位置，未精確記錄周邊的環(huán)境和地理坐標(biāo)。

（3）本研究的周期較短，對于稻谷這種農(nóng)業(yè)種植類的課題來說，對某一問題需要長期和持續(xù)關(guān)注。

（4）本研究以單因子內(nèi)梅羅指數(shù)法評價耕地質(zhì)量有可能沒有全面把握問題實質(zhì)，綜合評估耕地質(zhì)量不僅需要更多的研究側(cè)面，還需要與其他相關(guān)研究者通力合作。