不同功能區(qū)農(nóng)田土壤和冬小麥籽粒重金屬鎘富集特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

關(guān)鍵詞：冬小麥；不同功能區(qū)；農(nóng)田土壤；籽粒；重金屬鎘；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2025）02-0127-07

鎘（Cd）在環(huán)境中是一種生物毒性高、易積累、不易去除的重金屬污染元素，對(duì)植物、動(dòng)物和人體有較強(qiáng)的毒害作用。鎘在土壤中有很強(qiáng)的化學(xué)活性，生物富集因子高，易被植物根系吸收。土壤中的鎘被作物吸收積累到一定水平時(shí)，會(huì)影響作物的生理生化和生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，不僅會(huì)破壞植株體內(nèi)的氧化還原平衡，還會(huì)促進(jìn)抗壞血酸分解，并抑制各種功能酶活性，減少作物的營(yíng)養(yǎng)吸收，造成植株生長(zhǎng)遲緩、矮化，最終影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。重金屬鎘可通過(guò)呼吸、皮膚接觸和飲食攝入等途徑進(jìn)入人體，其中重要途徑之一就是經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體進(jìn)而危及健康。重金屬鎘主要沉積于人體的肝臟和腎臟，產(chǎn)生一定的免疫抑制，長(zhǎng)期攝入鎘污染食品會(huì)造成骨質(zhì)疏松軟化、腎損傷、器官衰竭等疾病，嚴(yán)重者會(huì)致癌。世界衛(wèi)生組織國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)在2012年將鎘及其化合物列為1類致癌物。

土壤作為生態(tài)環(huán)境的重要組成部分之一，是人類、動(dòng)物及植物賴以生存的基礎(chǔ)。然而近年來(lái)隨著工業(yè)化、城市化和農(nóng)業(yè)集約化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程各種農(nóng)藥和化肥的過(guò)量施用，造成土壤環(huán)境污染狀況日趨嚴(yán)重。含重金屬的污染物通過(guò)工業(yè)廢水、大氣沉降、污水灌溉、采礦冶煉等途徑進(jìn)入農(nóng)，由于其沉降性和不可逆性對(duì)土壤造成巨大的破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前我國(guó)僅鎘污染耕地大約有1.3萬(wàn)hm²。2014年環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀，19.4%的耕地土壤受到重金屬的污染，工礦業(yè)和農(nóng)業(yè)等人類活動(dòng)以及土壤環(huán)境背景值高是導(dǎo)致土壤重金屬含量超標(biāo)的主要因素。從污染物超標(biāo)情況看，重金屬鎘的污染點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%，在所有無(wú)機(jī)污染物中最高。一些學(xué)者甚至認(rèn)為鎘污染是中國(guó)典型和重要的污染源。

我國(guó)是全球最大的小麥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，小麥作為我國(guó)主要的糧食作物，其產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的30%左右。土壤重金屬含量關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，由重金屬污染引起的糧食和食品安全問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。研究表明，農(nóng)作物植株中重金屬主要來(lái)源是其生長(zhǎng)的農(nóng)田土壤。土壤中重金屬通過(guò)生物富集等作用在小麥籽粒等農(nóng)產(chǎn)品中積累，這些農(nóng)產(chǎn)品的安全問(wèn)題與人類健康密切相關(guān)。保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)和食品安全的基礎(chǔ)保證，因此，應(yīng)重視農(nóng)田土壤和作物系統(tǒng)中重金屬污染的研究，而評(píng)估農(nóng)田土壤和農(nóng)作物中的重金屬對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)有著極其重要的意義。本研究以《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》和國(guó)家食品安全限量為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)河南省北部小麥種植區(qū)域的工業(yè)區(qū)、旅游區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)及生活區(qū)農(nóng)田土壤和小麥籽粒的鎘含量進(jìn)行調(diào)查分析，并對(duì)其污染狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為當(dāng)?shù)匦←湴踩a(chǎn)和農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供一定科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1小麥籽粒及土壤樣品采集

2021年6月9—15日小麥?zhǔn)斋@季，在河南省北部小麥主要種植區(qū)域的工業(yè)區(qū)、旅游區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)和生活區(qū)采集樣品，小麥籽粒及對(duì)應(yīng)點(diǎn)土壤樣品各99個(gè)。

采樣點(diǎn)要求1個(gè)樣點(diǎn)控制在一個(gè)田塊，整個(gè)處理過(guò)程避免與含重金屬物品接觸，以保證樣品的代表性與真實(shí)性。采集小麥籽粒和土壤樣品按照一對(duì)一的方法，即土壤樣品采集小麥穗下根部土壤。樣品采集方法：小麥?zhǔn)斋@期在麥田中采用5點(diǎn)取樣法取0～20cm土層土壤樣品及小麥籽粒樣品，混勻后按照四分法留取土壤樣品200g、小麥籽粒樣品100g作為一個(gè)樣點(diǎn)的測(cè)試樣品。除去土壤中的秸稈、石塊和枯枝落葉等雜質(zhì)后，將采集的樣品放人聚乙烯樣品袋中，在標(biāo)簽中注明采集時(shí)間、地點(diǎn)、編號(hào)等信息。采集后盡快郵寄至農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所測(cè)定。

1.2小麥籽粒富集系數(shù)計(jì)算

根據(jù)所測(cè)小麥籽粒及土壤樣品的鎘含量計(jì)算籽粒富集系數(shù)（bio-accumulation factor，BAF），BAF=籽粒重金屬含量／土壤重金屬含量。小麥籽粒的富集系數(shù)基本可以反映出小麥籽粒從土壤中吸收重金屬的難易程度，富集系數(shù)越大，表示小麥籽粒的重金屬富集能力越強(qiáng)，反之，富集系數(shù)越小，則表示小麥籽粒對(duì)重金屬的抗污染能力越強(qiáng)。

1.3評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)定土壤重金屬含量的同時(shí)測(cè)定土壤pH值，結(jié)果表明本研究區(qū)域土壤pH值均大于7.5。采用《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值作為依據(jù)：小麥籽粒重金屬鎘污染評(píng)價(jià)以《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）為標(biāo)準(zhǔn)。采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)小麥進(jìn)行重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

2.2不同功能區(qū)農(nóng)田土壤重金屬鎘與小麥籽粒重金屬鎘之間的相關(guān)關(guān)系

將采集到的小麥籽粒重金屬鎘與土壤重金屬鎘含量進(jìn)行線性回歸分析。由圖1可以看出，采樣區(qū)域內(nèi)小麥籽粒重金屬鎘含量與土壤重金屬鎘含量呈正相關(guān)關(guān)系。工業(yè)區(qū)和生活區(qū)小麥籽粒鎘含量與土壤鎘含量的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平（Plt;0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.582**（n=35）和0.938**（n=13）；旅游區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)小麥籽粒鎘與土壤鎘含量的相關(guān)性不顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.346（n=31）和0.129（n=20）。

2.3不同功能區(qū)農(nóng)田采樣區(qū)小麥籽粒重金屬鎘污染指數(shù)

由表2看出，生活區(qū)小麥籽粒鎘污染指數(shù)均值和變異系數(shù)最高，工業(yè)區(qū)和旅游區(qū)次之，農(nóng)業(yè)區(qū)最低。各區(qū)域內(nèi)小麥籽粒單因子污染指數(shù)平均值均低于標(biāo)準(zhǔn)值，表明小麥籽粒均未受鎘污染。農(nóng)業(yè)區(qū)為鎘污染指數(shù)最低的區(qū)域，工業(yè)區(qū)和生活區(qū)個(gè)別地塊小麥籽粒鎘為輕度污染。綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，農(nóng)業(yè)區(qū)小麥籽粒未受鎘污染：旅游區(qū)小麥籽粒鎘綜合污染指數(shù)達(dá)警戒水平：工業(yè)區(qū)和生活區(qū)小麥籽粒鎘為輕度污染。

不同區(qū)域土壤重金屬背景值的差異會(huì)影響作物從土壤中吸收富集重金屬的能力。調(diào)查結(jié)果顯示，生活區(qū)農(nóng)田土壤鎘富集系數(shù)均值最高，工業(yè)區(qū)和旅游區(qū)次之，農(nóng)業(yè)區(qū)最低。將取樣點(diǎn)小麥籽粒鎘含量和對(duì)應(yīng)點(diǎn)土壤鎘含量進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果顯示工業(yè)區(qū)（n=35）和生活區(qū)（n=13）均達(dá)到極顯著相關(guān)，旅游區(qū)（n=31）和農(nóng)業(yè)區(qū)（n=20）相關(guān)性均不顯著。分析各區(qū)域小麥籽粒鎘單因子和綜合污染指數(shù)發(fā)現(xiàn)，生活區(qū)取樣小麥籽粒鎘含量變異系數(shù)（74.20%）最大，重金屬鎘單因子污染指數(shù)最大值為1.71，綜合污染指數(shù)為輕度污染。工業(yè)區(qū)（0.517）和旅游區(qū)（0.510）小麥籽粒鎘單因子污染指數(shù)均值接近，工業(yè)區(qū)綜合污染指數(shù)為輕度污染，旅游區(qū)綜合污染評(píng)價(jià)為警戒水平。農(nóng)業(yè)區(qū)取樣小麥籽粒鎘含量變異系數(shù)（23.93%）最低，單因子污染和綜合污染評(píng)價(jià)均為未受重金屬鎘污染。綜合比較，農(nóng)業(yè)區(qū)的小麥生態(tài)種植環(huán)境最好，生活區(qū)的小麥種植生態(tài)環(huán)境最差。分析其原因，主要是小麥吸收重金屬會(huì)受到多種因素的影響，田間環(huán)境比較復(fù)雜，如土壤性質(zhì)、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、灌溉、施肥等多種因素均會(huì)影響植株對(duì)重金屬的吸收，但是也有可能是取樣點(diǎn)小麥土壤中鎘背景值本身就存在差異。

小麥?zhǔn)呛幽鲜≈饕Z食作物之一，本研究主要針對(duì)河南省北部不同功能區(qū)農(nóng)田小麥籽粒鎘含量總體污染狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境適合小麥種植生長(zhǎng)，其中農(nóng)業(yè)區(qū)的農(nóng)田土壤環(huán)境最好，小麥籽粒重金屬鎘含量均在食品中污染物限量值標(biāo)準(zhǔn)以下。有研究發(fā)現(xiàn)，小麥屬于耐鎘能力較強(qiáng)的作物，但品種之間鎘積累具有較大的差異。陳亞茹等采用重金屬污染田原位篩選方式研究發(fā)現(xiàn)，261份小麥微核心種質(zhì)的籽粒中重金屬鎘含量具有一定的差異性。作物對(duì)重金屬吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)差異的原因，一方面可能是品種的遺傳特性造成的基因型差異，另一方面可能是栽培措施的影響。高巍等采用盆栽試驗(yàn)對(duì)不同品種小麥?zhǔn)┘右欢舛忍荻鹊逆k，發(fā)現(xiàn)在重金屬鎘輕度污染的土壤中種植小麥時(shí)不必過(guò)分區(qū)別品種，在重金屬鎘中重度污染的土壤種植鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)低的小麥品種可以有效抑制土壤中鎘向植株的轉(zhuǎn)移。有研究表明，選擇合適的重金屬低積累小麥品種，重金屬污染的農(nóng)田也能產(chǎn)出安全的產(chǎn)品，因而在重金屬污染農(nóng)田篩選種植適宜的低積累小麥品種具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。重金屬低積累的特性將元素阻止在體外或者將其轉(zhuǎn)移積累至非可食用的部分，這種方式不僅成本低且容易推廣。

綜上所述，依據(jù)重金屬鎘土壤污染狀況，利用不同小麥品種對(duì)重金屬鎘的吸收特性，調(diào)整種植品種結(jié)構(gòu)，制定適宜的耕地治理方案，強(qiáng)化環(huán)境管理，減少污染物通過(guò)食物鏈對(duì)人體健康的危害，保證小麥的質(zhì)量和食用安全性是未來(lái)我們工作的重點(diǎn)。

4結(jié)論

本研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤鎘含量范圍為0.13～1.23mg·kg^-1，其對(duì)應(yīng)小麥籽粒鎘含量范圍為0.01～0.17mg·kg^-1。對(duì)樣品進(jìn)行重金屬鎘吸收和富集相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒重金屬鎘含量與土壤重金屬鎘含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，富集系數(shù)范圍為0.05～0.33。對(duì)不同功能區(qū)小麥籽粒進(jìn)行污染指數(shù)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明農(nóng)業(yè)區(qū)小麥籽粒未受鎘污染，旅游區(qū)達(dá)到警戒水平，工業(yè)區(qū)和生活區(qū)小麥籽粒鎘綜合污染評(píng)價(jià)結(jié)果為輕度污染。