易 甜，李寶琦，彭立軍，姚晶晶

（1.湖北省農業(yè)科學院農業(yè)質量標準與檢測技術研究所，武漢 430064；2.農產品營養(yǎng)品質與安全湖北省重點實驗室，武漢 430064；3.湖北省地質調查院，武漢 430034）

硒（Se）元素在地球上的分布稀少且分散，其在地殼中的豐度僅為0.05~0.09 μg/g。硒在工業(yè)上用途廣泛，是人體和動物所必需的微量元素，對重金屬毒性有拮抗作用［1，2］。膳食中硒攝入不足，將嚴重影響人體健康，缺硒會引起許多疾病，如克山病與消化道癌癥等。人類主要通過食品攝入硒，而植物性食品中的硒大部分來自土壤，土壤中硒濃度的高低直接影響食品中硒的含量［3］。中國是缺硒大國，全國約有72%的地區(qū)處于缺硒、低硒狀態(tài)，僅有少部分地區(qū)為硒含量較高或高硒區(qū)域。湖北省恩施州和陜西省紫陽縣是2 個大面積的天然富硒區(qū)。國內又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多個富硒地帶，如江西省龍南地區(qū)、重慶市江津縣、貴州省開陽縣，貴州開陽縣表層土壤硒含量均值為0.6 mg/kg［4，5］。研究表明，硒能改善動物機體的免疫力，提高人體抗癌能力，抑制鎘（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、銀（Ag）等重金屬毒性［6，7］。尋找富硒土壤，合理利用土地資源，開發(fā)富硒農產品，可為城鎮(zhèn)居民，尤其是缺硒地區(qū)的居民提供補硒途徑，增強居民飲食營養(yǎng)，提高身體健康水平。

富硒土壤的環(huán)境質量受到多種因素影響，既有自然因素也有人為因素。但由于土壤中的Se 通常與As、Hg、Cd、鉛（Pb）、鉻（Cr）等重金屬處于同一系統(tǒng)中，這些重金屬含量高于土壤安全標準，不僅危害到Se 的生物有效性，還可能對農產品的安全造成不利影響［8，9］。合理地利用富硒土壤資源，防止土壤環(huán)境的污染和破壞，是堅持環(huán)境保護可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求。隨著經貿全球化的迅速發(fā)展，農產品貿易日趨成熟，農產品質量安全問題尤為重要，耕地土壤環(huán)境是農產品的生產源頭和重要環(huán)境要素。重金屬作為土壤一個基本的生態(tài)安全指標，是評判區(qū)域性生態(tài)環(huán)境的必要參數(shù)［10，11］。分析耕地土壤重金屬的基本狀態(tài)是判斷該地區(qū)農產品質量安全最有效的手段。

湖北省天門市耕地土壤富硒調查及重金屬污染現(xiàn)狀的研究和評價較少。以天門市農作物主產區(qū)耕作層土壤為研究對象，分析、評價土壤中硒的含量及分布，通過評價土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的污染狀況，明確周邊耕地土壤的重金屬富集及伴生情況，分析天門市富硒耕地土壤的污染程度，以期為該市含硒耕地土壤資源的合理開發(fā)和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天門市位于湖北省中南部，江漢平原北部，總面積2 622 km2，東經112°33′45″—113°26′15″，北緯30°22′30″—30°52′30″。市境北緣與大洪山余脈的低丘相連，西、南面有漢水環(huán)繞，依山帶水。整個地勢自西北向東南傾斜，形成低丘、崗狀平原和河湖平原3種地貎。府河、漢北河橫貫腹地，皂市改道河、東河、西河等20 多條河流縱橫交錯，有張家湖、華嚴湖等多個湖泊。東與漢川市、應城市接壤，北與京山縣、鐘祥市毗鄰，南面和西面隔漢江與仙桃市、潛江市、荊門市相望。

1.2 樣品采集與測定

1.2.1 樣品采集 采樣點布設于農田、園地、林地、草地及山地丘陵土層較厚地帶，采樣時避開新近搬運的堆積土、垃圾堆和局部污染明顯的地區(qū)；老城區(qū)在歷史較長的公園、林地及其他空曠地帶采樣；新城區(qū)（或開發(fā)區(qū)）在尚未開發(fā)利用的農用地中采樣。采集湖北省天門市農作物主產區(qū)耕作層土壤（0~20 cm）樣品641 個。土壤樣品在風干室風干磨碎，并過100目標準尼龍篩，裝棕色瓶備用［12，13］。

1.2.2 重金屬含量測定 樣品經硝酸-高氯酸混合酸加熱消化后，在鹽酸介質中，將樣品中的六價硒還原成四價硒，用硼氫化鈉（NaBH4）或硼氫化鉀（KBH4）作還原劑，將四價硒在鹽酸介質中還原成硒化氫（SeH2），由載氣（氬氣）帶入原子化器中進行原子化，在硒特制空心陰極燈照射下，基態(tài)硒原子被激發(fā)至高能態(tài)，在去活化回到基態(tài)時，發(fā)射出特征波長的熒光，其熒光強度和硒含量成正比［14］。

用原子熒光光度計法測定As 和Hg［15］。用微波消解-電感耦合等離子體質譜法測定Pb、Cd 和Cr［12］。在樣品進行消化、測定過程中，均有2~3 個空白樣品、平行樣品和標準物質（GSS-2、GSS-15）同步分析，控制分析結果。

1.3 硒含量調查與分析

硒含量調查與分析以現(xiàn)場調查與統(tǒng)計相結合的方式，對天門市農作物主產區(qū)耕作層土壤富硒程度和分布進行研究。土壤中硒的含量達到0.4 mg/kg以上可以判斷為富硒耕地土壤。

1.4 耕地土壤重金屬評價方法

在統(tǒng)計學的基礎上，采用單因子指數(shù)法和潛在危害指數(shù)法，對天門市耕地土壤重金屬污染程度和潛在生態(tài)危害進行評價。

1.4.1 統(tǒng)計學方法 依據(jù)《中華人民共和國土壤環(huán)境質量標準》（GB 15618—2018）對土壤重金屬污染情況進行統(tǒng)計分析［16］。根據(jù)國家土壤環(huán)境質量標準對土壤環(huán)境質量分類，Ⅱ類主要適用于一般農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤，土壤質量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染。Ⅱ類土壤環(huán)境質量執(zhí)行二級標準，二級標準為保障農業(yè)生產，維護人體健康的土壤限制值。

1.4.2 單因子污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)法常用于評價土壤被某一重金屬的污染程度［17，18］，其計算公式為：

式（1）中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質量指數(shù)；Ci為污染物i的實測濃度；Si為污染物i的評價標準值。具體分級標準見表1。

表1 土壤環(huán)境質量單因子污染指數(shù)分級標準

1.4.3 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法，根據(jù)重金屬性質及環(huán)境中遷移轉化沉積等行為特點，從沉積學的角度，對土壤或沉積物中的重金屬做出評價［10，19］。其計算公式如下。

式（2）中，Eir為單項潛在生態(tài)危害系數(shù)，T ri為重金屬i的毒性系數(shù)，Pi為單因子污染指數(shù)。Eir反映了該種重金屬的毒性水平及水體對其污染的敏感性。

通過對單一重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù)加權，得到該區(qū)域耕地中多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)RI，其計算公式如下。

式（3）中，RI為綜合潛在生態(tài)危害系數(shù)。重金屬的生物毒性系數(shù)、參比值和評價標準見表2 和表3［9］。

表2 重金屬的參比值Si和生物毒性系數(shù)Tri

表3 生態(tài)危害系數(shù)、指數(shù)與危害程度分級

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2017、SPSS 20.0和Matlab 7.0 分析軟件進行整理與分析。

2 結果與分析

2.1 硒含量分布狀況

對天門市耕地土壤硒含量進行分析。結果表明，該地區(qū)土壤pH 為4.86~8.91，土壤略偏堿性；硒含量為0.05~0.65 mg/kg，平均值為0.33 mg/kg。在所有土壤樣品中，有145 個樣品達到土壤富硒的標準，占總數(shù)量的22.6%；有480 個樣品硒含量集中在0.2~0.4 mg/kg，16 個土壤樣品硒含量低于0.2 mg/kg。天門市硒含量分布圖見圖1。由圖1 可知，該地區(qū)硒含量分布較為均勻，含量適中，適合發(fā)展富硒產業(yè)。

圖1 天門市硒含量分布

2.2 耕地重金屬含量

利用分析軟件對研究區(qū)耕地重金屬含量進行描述性分析，各項統(tǒng)計指標見表4。由表4 可知，該區(qū)土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的含量分別為4.40~26.10 mg/kg、0.09~1.91 mg/kg、48.80~127.30 mg/kg、0.00~0.46 mg/kg 和10.50~39.90 mg/kg。該區(qū)土壤重金屬As、Cr、Hg 和Pb 含量平均值均未超過湖北省土壤背景值，說明重金屬在該地區(qū)的積累效應不明顯。與國家土壤質量標準相比，天門市耕地土壤重金屬As、Cd、Cr、Hg 和Pb 含量均低于國家二級標準，說明該區(qū)域耕地土壤并未受到較大污染。變異系數(shù)最大的重金屬是Hg，與其他4 種重金屬相比，Hg 分布最不均勻，受到嚴重的人為干擾。

表4 耕地重金屬含量的描述性統(tǒng)計分析

2.3 單因子污染指數(shù)法

根據(jù)單因子污染指數(shù)法分析天門市各種重金屬污染程度，計算結果見表5。將土壤環(huán)境質量標準GB 15618—2018 中的二級標準限值設定為評價標準，研究區(qū)耕地重金屬As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的污染指數(shù)平均值分別為0.57、0.53、0.27、0.38 和0.12，均小于0.70，說明污染情況較輕，與統(tǒng)計結果一致。

表5 天門市耕地土壤重金屬含量污染指數(shù)及超標樣本數(shù)

As 和Pb 的污染指數(shù)最大值分別為1.42 和1.22，超標樣數(shù)分別為5 和4 個，說明部分地區(qū)耕地已經達到輕度污染級別，需提高警惕。Cr 的污染指數(shù)最大值為0.54，小于0.70，表明Cr 屬于清潔等級。Cd 和Hg 污染指數(shù)最大值分別為2.01 和3.21，超標樣數(shù)分別為12 和7 個，已達到重度污染級別，從數(shù)量和廣度上都遠超過其他重金屬，對污染嚴重區(qū)域耕地進行綜合治理，避免污染日趨嚴重。

2.4 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

根據(jù)單因子污染指數(shù)法結果，針對重金屬超標的28 個樣本點進行重金屬潛在生態(tài)危害評價。天門市耕地中5 種金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（Eir）和潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)（RI）見表6。由表6 可知，重金屬As、Cr 和Pb 危害程度相對較低（Eir< 40）；重金屬Cd 有2 個樣本點屬中等生態(tài)危害（40 ≤Eir< 80）；重金屬Hg 有4 個樣本點屬中等生態(tài)危害（40 ≤Eir<80），1 個采樣點出現(xiàn)了很強的生態(tài)危害信號（160 ≤<320）。

表6 天門市耕地重金屬生態(tài)危害評價指數(shù)

潛在生態(tài)危害綜合指數(shù)RI結果表明，在研究區(qū)重金屬超標的28 個采樣點中，23 個屬于輕微生態(tài)危害（RI<150）；1個屬于中等生態(tài)危害（150 ≤RI<300）。

該研究區(qū)耕地重金屬污染最嚴重的是Cd，其次是Hg。

3 硒資源開發(fā)建議

富硒土地作為獨特的地質資源，開發(fā)利用好天門市的富硒土地資源對于天門市實現(xiàn)由資源優(yōu)勢地位向經濟優(yōu)勢地位的轉化，打造地方特色農業(yè)，提高農民收入等都具有重要的現(xiàn)實意義。富硒耕地的直接開發(fā)利用相對比較簡單，將本地資源狀況和實際自然環(huán)境相結合，根據(jù)市場需求和農業(yè)種植結構調整要求，通過比較經濟效益，選擇既易富硒又具有國內外市場前景且經濟效益更高的農產品種類，直接在已知的富硒耕地上種植和栽培富硒農作物。但由于富硒土壤在成因上比較獨特，農作物中的硒不僅與土壤的總硒含量有關，還與腐植酸態(tài)硒濃度密切相關。因此，建議在土地利用過程中，以天然種植為主，確立以發(fā)展富硒蔬菜和富硒水稻種植為基礎，以全力提升品質為目標。

鑒于該地區(qū)傳統(tǒng)以種植水稻和蔬菜為主，要依據(jù)富硒土壤的分布特點和自然特性，合理地、有針對性地打造富硒農產品，建議在棚外以種植水稻和蔬菜為主，首選毛豆、長豇豆、豆角、蠶豆、雪菜、青菜、大白菜、卷心菜、菠菜、生菜、莧菜、薹菜、芹菜、香菜、蔥、蒜、花菜、茼蒿、空心菜、西藍花、絲瓜、白蘿卜、胡蘿卜、玉米等，以此打造“菜籃子”工程，讓富硒蔬菜成為湖北人補硒的美味佳肴。同時建議棚栽區(qū)應種植栽培富硒程度相對而言較難的作物，如黃瓜、小南瓜、番茄、甘藍、瓠子、茄子、辣椒、青椒、甜椒、西瓜、冬瓜、甜瓜、葡萄等。

4 小結

天門市耕地土壤調查數(shù)據(jù)顯示，耕地土壤呈堿化趨勢，耕地土壤硒最高濃度為0.65 mg/kg，平均值為0.33 mg/kg。土壤樣品中的硒含量主要集中在0.2~0.4 mg/kg，土壤硒含量總體達到足硒水平，局部達到富硒水平，整體分布均勻。天門市可以大力發(fā)展富硒產品種植。該地區(qū)局部區(qū)域的耕地土壤中存在部分重金屬元素輕微污染的情況，總體情況較為安全。與國家土壤質量標準相比，重金屬As、Cd、Cr、Hg 和Pb 的含量均低于國家二級標準，其單因子污染指數(shù)平均值都小于0.7，研究區(qū)耕地整體并未受到較大污染，保護較為完善。在明確富硒土壤分布范圍的基礎上，選擇易富硒又具有國內外市場前景且經濟效益更高的農作物品種，因地制宜，規(guī)劃種植栽培區(qū)域，以打造規(guī)模化、產業(yè)化、高效益的富硒農作物生產基地。