湘江長沙段沿岸常見農(nóng)作物重金屬污染研究
——Zn、Cu、Pb和Cd的富集規(guī)律及污染評價

楊夢昕，楊東璇，李萌立，李忠海，袁烈江，薛敏敏，梁 軍，李葉欣

(1.中南林業(yè)科技大學 食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，北京100083；3.湖南省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，湖南 長沙 410007)

湘江長沙段沿岸常見農(nóng)作物重金屬污染研究
——Zn、Cu、Pb和Cd的富集規(guī)律及污染評價

楊夢昕1，楊東璇2，李萌立1，李忠海1，袁烈江3，薛敏敏3，梁 軍3，李葉欣3

(1.中南林業(yè)科技大學 食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，北京100083；3.湖南省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，湖南 長沙 410007)

由于受污水的長期影響，湘江流域土壤和農(nóng)作物中重金屬的富集已成為重要的環(huán)境問題之一。為此對湘江流域長沙段沿岸的10種常見農(nóng)作物(芝麻、辣椒、甘藍、空心菜、大蒜、紅菜苔、胡蘿卜、白蘿卜、萵筍、豌豆)中的Zn、Cu、Pb和Cd含量進行了分析，采用單項污染指數(shù)法和尼梅羅綜合污染指數(shù)法對農(nóng)作物污染情況進行了評價。結(jié)果表明：10種農(nóng)作物中重金屬含量依次為Zn＞Cu＞Pb＞Cd；除胡蘿卜、白蘿卜外，其他試驗農(nóng)作物以根部積蓄重金屬能力最強；非食用性組織富集重金屬的能力比可食用性組織強；湘江流域長沙段沿岸農(nóng)作物中重金屬以Pb、Cd污染較為嚴重。

農(nóng)作物；重金屬；富集規(guī)律；污染評價；湘江長沙段

農(nóng)作物對人們的健康和日常飲食非常重要，其中重金屬含量是衡量其質(zhì)量的重要指標之一[1]，國內(nèi)外學者對農(nóng)作物中重金屬含量以及其健康風險問題做了大量的研究[2-3]，長期食用受重金屬污染的農(nóng)作物會對人體健康有極大影響。

湘江是湖南省最大的河流，湘江流域也是該省工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要區(qū)域。隨著城市圈的不斷擴大以及人民生活水平的提高，廢水的排放量在不斷增加，湘江干流多數(shù)河段均已遭受到不同程度的污染[4]，其中重金屬污染情況尤其突出，對該流域的農(nóng)作物產(chǎn)品質(zhì)量造成了嚴重的影響，并且通過食物鏈對人體健康造成危害[5-8]。雖然湖南省對于湘江重金屬污染問題已采取一定的有效措施，但重金屬在土壤和農(nóng)作物中的積累富集依然是現(xiàn)今不可忽視的環(huán)境問題之一，尤其是在居民自主種植區(qū)域，缺乏對其作物安全性的統(tǒng)一監(jiān)測，土壤及作物的安全性值得考究。本研究對地處湘江中下游的長沙段流域沿岸居民種植區(qū)的10種農(nóng)作物展開了采集和調(diào)查，分析了不同種類農(nóng)作物中不同重金屬的富集情況。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

以長沙市猴子石大橋為起點，橘子洲大橋為終點，選取瀟湘中路沿岸的兩個較大的農(nóng)作物種植區(qū)為研究區(qū)域(南面區(qū)域為A，北面區(qū)域為B)，整體面積約占江岸的40％；選取了該地較為常見的芝麻、辣椒、甘藍、空心菜、大蒜、紅菜苔、胡蘿卜、白蘿卜、萵筍和豌豆等10種農(nóng)作物作為采樣對象。采集農(nóng)作物整株樣品共60個(每種作物6個)，所有農(nóng)作物采取手工整株采集；在農(nóng)作物種植地采集相應的土壤樣品30個，采集深度為表層(耕作層)0～20cm。農(nóng)作物與土壤均采用多點混合進行采集。

樣品采集后現(xiàn)場分袋包裝，貼好標簽，以減少污染。所有農(nóng)作物樣品先經(jīng)自來水沖洗掉表面附著的泥土灰塵，再經(jīng)超純水洗凈，晾干水跡后稱質(zhì)量，然后置于托盤內(nèi)并放入烘箱中于70℃下烘干至恒質(zhì)量。取出后將農(nóng)作物分別分根、莖、葉、果實等部分進行粉碎、研磨，備用。

1.2 樣品處理

稱取農(nóng)作物樣品3.0g置于瓷坩堝中，先小火在可調(diào)式電熱板上炭化至無煙，稍冷后移入馬弗爐于500～550℃下灰化6～8h，冷卻后加入0.5mol/L硝酸5mL將灰分溶解，小火加熱至微沸，放冷后過濾，定容至25mL容量瓶內(nèi)，同時做試劑空白。

將采集的土壤樣品經(jīng)自然風干后，除去土樣中石塊和動植物殘體等異物，通過2mm尼龍篩，混勻。用研缽將通過 2mm尼龍篩的土樣研磨至全部通過100目尼龍篩，混勻后，參考GB/T 17141-1997，用硝酸、氫氟酸和高氯酸進行濕法消解。

1.3 測定條件及方法

采用原子吸收分光光度計(美國熱電公司)測定樣品中Pb、Cd、Cu和Zn4種元素的含量。本試驗所使用的容器均用稀硝酸浸泡過夜，試劑均為優(yōu)級純，用水均為超純水(電阻率＞18.2MΩ)。

1.4 試劑與儀器

實驗所用硝酸、高氯酸，氫氟酸等均為優(yōu)級純，購自國藥集團化學試劑有限公司；Zn、Cu、Cd、Pb標準儲備液均為1 000μg/mL，購自國家標準物質(zhì)中心。

主要儀器有SOLAAR-M6 AA Series Spetrometer原子吸收分光光度計(帶有GF95型石墨爐和FS95型石墨爐自動進樣器，美國熱電公司)、P20-W型超純水儀器(國之源水專家廠)、電熱板(北京光明醫(yī)療儀器廠)等。

1.5 農(nóng)作物中重金屬富集情況及污染評價方法

農(nóng)作物在土壤中富集重金屬的難易程度及污染評價分別用富集系數(shù)和綜合污染指數(shù)表示。

富集系數(shù)是指作物中某一元素的含量與土壤中同一元素含量的比值，由此可直觀看出某種元素在土壤—農(nóng)作物系統(tǒng)中富集的難易程度[9-10]。

富集系數(shù)TC計算公式如下：

式中：TC為農(nóng)作物中重金屬富集系數(shù)；ML為農(nóng)作物根莖葉中重金屬含量(mg/kg)；MR為土壤中重金屬含量(mg/kg)。

綜合污染指數(shù)：采用綜合污染指數(shù)法[11](尼梅羅綜合污染指數(shù)法)對多因子進行綜合評價，計算公式如下：

式中：Pi為農(nóng)作物污染指數(shù)；Ci為農(nóng)作物污染物i的實測含量(mg/kg)；Si為農(nóng)作物污染物i的評價標準(mg/kg)；P為綜合污染指數(shù)；Pimax為最大單項污染指數(shù)；Pavg為評價單項污染指數(shù)。

根據(jù)P值的變化劃分為4個污染等級：非污染，P≤1；輕度污染，1≤P≤2；中度污染，2≤P≤3；重污染，P≥3。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)作物中重金屬含量

2.1.1 不同農(nóng)作物中重金屬含量分析

表1是采樣區(qū)土壤中重金屬含量及湖南省土壤環(huán)境背景值對比，采樣點中土壤重金屬含量均高于湖南省背景值，可見該地土壤受到Zn、Cu、Pb和Cd不同程度的污染。

表2是農(nóng)作物樣品可食部分中Zn、Cu、Pb和Cd的含量。由此看出，檢測的10種農(nóng)作物中，Zn、Cu元素的含量遠高于Pb、Cd的含量；樣品中重金屬含量依次為Zn＞Cu＞Pb＞Cd。這可能是由于Zn、Cu是植物葉綠體組成成分，屬于農(nóng)作物中常見微量元素[12-13]。不同種類的農(nóng)作物中Zn、Cu的含量存在差異；4種元素中，Zn含量最高，這可能是種植過程中施用Zn肥所致[14]，且農(nóng)作物中Zn、Cu、Pb和Cd含量與土壤中相應重金屬含量呈不同程度的相關(guān)性，其中Cu和Pb的相關(guān)性較為顯著。

表1 采樣區(qū)土壤中Zn、Cu、Pb和Cd中的含量Table 1 Contents of Zn,Cu,Pb and Cd in soil of sampling areas

表2 農(nóng)作物可食部分中重金屬含量及其與土壤中重金屬相關(guān)性分析?Table 2 Relevance analyses on heavy metals contents in edible parts of crops and theirs relations to soil

2.1.2 同一農(nóng)作物中鉛、鎘含量分析

圖1表示的是農(nóng)作物各組織中Pb、Cd的含量變化。由圖1可看出，其中7種農(nóng)作物各組織中Pb、Cd含量呈現(xiàn)了相似的分布規(guī)律，含量高低次序為根＞葉＞莖。這一結(jié)論與紀玉琨等人[9]研究的小麥、玉米中Pb、Cd含量有相似的規(guī)律。這是由于大部分谷物、蔬菜作物中不同組織吸收積累重金屬能力有所差異，其規(guī)律為吸收器官＞輸導器官和同化器官＞繁殖器官[15]，農(nóng)作物根系部分屬吸收器官，且根系分泌物會使得重金屬Cd在根際環(huán)境中沉淀[16]，故Pb、Cd積累能力比莖葉組織強。

對于根莖類蔬菜作物(如胡蘿卜、白蘿卜和萵筍)，其各個組織中積累的Pb、Cd含量變化規(guī)律與葉菜類蔬菜作物并不相同。如圖2所示，胡蘿卜、白蘿卜的根系屬可食部分，其根系中所積累的Pb和Cd含量較非食用部分(如莖、葉)少；而萵筍的莖部屬主要可食部分，其莖部所積累的Pb、Cd含量則較根、葉部分中的少。有試驗表明：作物非食用部分積累重金屬能力大于可食用部分[1]，本研究結(jié)果與這些研究相符。農(nóng)作物不同組織中積累重金屬的能力有所差異，一般是在新陳代謝較為旺盛的器官重金屬積累量較大，而營養(yǎng)儲存器官積累重金屬的量較少。

2.1.3 農(nóng)作物中重金屬含量的相關(guān)性

農(nóng)作物中各重金屬元素間相關(guān)性為顯著或為極顯著，則說明它們之間一般是復合污染或具有同源關(guān)系。表4為10種農(nóng)作物的分析結(jié)果統(tǒng)計的相關(guān)系數(shù)，從中可以看出，只有Cd與Cu呈顯著的相關(guān)性，其它元素間的相關(guān)性均不顯著，說明湘江流域長沙段沿岸的農(nóng)作物中或存在Cu與Cd的復合污染。Cu與Cd的復合污染屬于2種無機污染物同時作用而形成的環(huán)境污染現(xiàn)象[17]。土壤中Cu含量達一定濃度時，會使得農(nóng)作物根系與地上部分吸收Cd的機能有促進作用，兩元素間有協(xié)同作用[18](見表4)。

圖1 農(nóng)作物各組織中Pb、Cd的含量Fig.1 Contents of Pb and Cd in different parts of crops

圖2 根莖類農(nóng)作物各組織中Pb、Cd含量Fig.2 Contents of Pb and Cd in different parts of rhizomatic crops

表4 農(nóng)作物各重金屬間相關(guān)系數(shù)?Table 4 Related coefficients of Zn,Cu,Pb and Cd contents in crops

2.2 農(nóng)作物中重金屬富集系數(shù)

不同的重金屬在農(nóng)作物與土壤間富集系數(shù)會有差異。數(shù)據(jù)顯示，研究的4種重金屬中Pb的富集系數(shù)最低，即這10種農(nóng)作物對Pb的吸收富集能力較弱，說明Pb在土壤中移動性較差。這是因為Pb在進入土壤后易與土壤中的有機物和礦物質(zhì)相結(jié)合，形成難溶性物質(zhì)，使得Pb積累在土壤表層(見表5)。在進入植物組織后，又會大部分集中于農(nóng)作物根部，難以向莖、葉遷移[19]。此外，土壤的有機質(zhì)含有能大量吸附土壤中Pb+的腐殖質(zhì)，使得Pb在土壤中大量沉積富集[20-21]。農(nóng)作物對Zn、Cu和Cd有較強的遷移富集能力(見表5)。甘藍對這4種重金屬的吸收富集能力與其他農(nóng)作物相比較弱；且Zn和Cu在豌豆中的富集系數(shù)、Zn在紅菜苔中的富集系數(shù)以及Cu在空心菜中的富集系數(shù)與其他根莖類蔬菜相應的富集系數(shù)相比，明顯較大。造成該現(xiàn)象可能是由于Zn、Cu是農(nóng)作物的營養(yǎng)元素，農(nóng)作物對其有一定的需求量，故Zn、Cu在農(nóng)作物中吸收能力較強；再者Zn、Cu為葉綠體組成元素，故其在光合營養(yǎng)體的瓜果類、豆類和光合作用強的葉菜類中積累會高于光合作用較弱的甘藍類和根莖類蔬菜[22]；Cd在土壤中有較強的可移動性，且作物對Cd有較強的吸收能力，原因是Cd在偏酸性土壤中溶解度增大，從而增強其遷移富集能力[19]；另外，Cd在農(nóng)作物中的富集能力也與農(nóng)作物本身的生理特性和形態(tài)有關(guān)，富集系數(shù)較高的農(nóng)作物以塊根、莖類蔬菜為主，而可食部分離土壤相對較遠的農(nóng)作物，其Cd富集系數(shù)相對較低[23]。

表5 重金屬在農(nóng)作物中富集系數(shù)?Table 5 Enrichment coefficients of heavy metals in crops

2.3 農(nóng)作物中重金屬污染評價

重金屬在農(nóng)作物中積累超過一定限量時，會抑制植物細胞的分裂和生長，也會抑制或刺激某些酶的活性，影響其組織蛋白質(zhì)的合成，使其呼吸和光合作用降低，傷害細胞膜系統(tǒng)，導致農(nóng)作物生長發(fā)育受阻，使其營養(yǎng)和衛(wèi)生品質(zhì)受到影響，并且能通過食物鏈對人體健康造成威脅。因此農(nóng)作物中重金屬含量有相關(guān)衛(wèi)生標準，農(nóng)作物單污染指數(shù)則是參照國家相關(guān)標準對農(nóng)作物安全性所做的評價指數(shù)[24-26]，結(jié)合尼梅羅綜合污染指數(shù)法對農(nóng)作物可食部分進行污染評價。

由表6可知，除豌豆的Pb、Cd和紅菜苔、部分白蘿卜的Cd外，在10種農(nóng)作物樣品中，Pb、Cd元素含量均超出國家限量標準(CB 2762-2012),超標最多的是芝麻中的Pb和Cd，分別超出標準限量7～9倍和5～7倍；所采集的農(nóng)作物中，Zn、Cu含量基本符合國家限量標準，合格率分別為88.9％、100％；Pb、Cd超標率分別為90％、75％，綜合污染指數(shù)屬于重污染的農(nóng)作物占試驗樣品的30％，且該重污染農(nóng)作物均采自A地。結(jié)合該地土壤數(shù)據(jù)分析，該地受重金屬污染情況較B地嚴重，這或與距A地農(nóng)作物種植區(qū)不足400m分別有一處污水排放口及生活垃圾堆放點有關(guān)，建議相關(guān)部門對湘江長沙段沿岸農(nóng)作物種植區(qū)的環(huán)境采取進一步保護措施。

表6 農(nóng)作物可食部分污染系數(shù)Table 6 Contamination coefficients of edible parts in crops

Pb、Cd在長沙湘江段農(nóng)作物重金屬污染問題仍存在威脅。該結(jié)論與文獻資料顯示的我國蔬菜重金屬污染最嚴重的3種金屬為Pb、Cd和Hg相吻合[27]，與郭朝暉等[28]、劉揚林等人[29]研究得出湖南重金屬污染問題突出元素為Pb、Cd相符。

3 結(jié) 論

(1)對湘江長沙段河岸邊種植的10種農(nóng)作物中的4種重金屬積累分析表明，農(nóng)作物中重金屬含量依次為Zn＞Cu＞Pb＞Cd，Zn和Cu含量遠高于Pb和Cd。農(nóng)作物(胡蘿卜、白蘿卜除外)不同組織積累的Pb和Cd含量呈現(xiàn)相似的規(guī)律，分布次序為根＞葉＞莖；非食用部分積累重金屬能力大于可食用部分。

(2)農(nóng)作物中重金屬污染來源較為復雜，除Cu和Cd間相關(guān)性顯著外，各元素間均無顯著相關(guān)性，表明Zn、Pb污染具有獨特性。

(3)總體而言，10種農(nóng)作物對Zn、Cu和Cd有較強的吸收能力，而對Pb的吸收能力較弱；根莖類蔬菜對Zn、Cu的吸收能力較其他類蔬菜弱，而對Cd吸收能力較強。

(4)污染指標評價數(shù)據(jù)表明：農(nóng)作物可食用部分中Pb、Cd超標率分別為90％、75％。最高為芝麻中的Pb，超出標準限量7～9倍，Cd超出限量5～7倍?？梢娫谙娼L沙段河岸種植的農(nóng)作物已受Pb和Cd污染，需對居民自主種植區(qū)域土壤環(huán)境及污染情況給予重視。

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Studies of heavy metal pollution in 10 crops planted by Changsha section of Xiangjiang River:Enrichment and pollution evaluation of Zn,Cu,Pb and Cd

YANG Meng-xin1,YANG Dong-xuan2,LI Meng-li1,LI Zhong-hai1,YUAN Lie-jiang3,XUE Min-min3,LIANG Jun3,LI Ye-xin3
(1.School of Food Science and Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,Hunan,China;2.School of Civil and Environmental Engineering,Beijing University of Science and Technology,Beijing 100083,China; 3.Institute of Product Quality Supervision and Inspection of Hunan Province,Changsha 410007,Hunan,China)

The heavy metal enrichment in soil and crops in Xiangjiang River Basin is still one of today’s environmental problems which can not be ignored.Ten kinds of crops were colleted from both sides area of Changsha section of Xiangjiang River in 2013.Zn,Cu,Pb and Cd contents in the ten crops were measured.The pollution degree of ten crops by heavy metals were evaluated with single factor index method and Nemerow Synthetical Pollution Index.The results show that the contents of these four heavy-metal elements in 10 crops samples ranked from big to small as follows:Zn＞Cu＞Pb＞Cd; The roots of eight crops,except carrot and radish,accumulated the most heavy metal elements than other parts; The un-edible parts of the crops had more accumulation than that in the edible parts; Pb and Cd pollutions in the crops in Changsha section of Xiangjiang River Basin were more serious and should be given attention.

agronomic crop; heavy-metal; accumulation law; pollution assessment; Changsha section of Xiangjiang River

S714.5；X820.4

A

1673-923X(2015)01-0126-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.01.023

2014-01-10

國家科技支撐計劃課題(2012BAD29B05)

楊夢昕，碩士研究生

李忠海，教授，博導；E-mail：lizh11@163.com

楊夢昕,楊東璇,李萌立,等. 湘江長沙段沿岸常見農(nóng)作物重金屬污染研究——Zn、Cu、Pb和Cd的富集規(guī)律及污染評價[J].中南林業(yè)科技大學學報，2015,35(1):126-131.

[本文編校：謝榮秀]