魯倩 王雪飛 車健 馬程 余明 邊朋沙 張碩

摘要 為探討河北省張北地區(qū)土壤和莜麥中重金屬元素含量及健康風(fēng)險，選擇17個適宜采樣點進行表層土壤和莜麥籽實樣品的采集，通過單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和富集系數(shù)分別對土壤質(zhì)量和重金屬元素從土壤向莜麥遷移能力進行研究。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤和莜麥中重金屬含量遠低于國家標準，品質(zhì)安全健康；區(qū)內(nèi)重金屬元素在土壤-莜麥系統(tǒng)中富集能力為Zn>Cu>Ni>Cd>As>Pb>Cr=Hg，Ni、Cu和Zn的富集系數(shù)遠高于Cr、As、Cd、Hg、Pb，Cd遷移能力很弱，As、Pb幾乎不發(fā)生遷移，Cr、Hg不發(fā)生遷移。

關(guān)鍵詞 重金屬元素；含量測定；土壤；莜麥；健康風(fēng)險；河北省張北地區(qū)

中圖分類號 X53? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）06-0081-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.018

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Study on Heavy Metal Content and Health Risk in Soil and Naked Oats in Zhangbei Area，Hebei Province

LU Qian1，WANG Xue-fei1，2，CHE Jian1 et al

（1.Hebei Research Center for Geoanalysis，Baoding，Hebei 071051;2.Key Laboratory of Mineral Resources and Ecological Environment Monitoring，Baoding，Hebei 071051）

Abstract To explore the content and health risks of heavy metal elements in soil and naked oats in Zhangbei area of Hebei Province， 17 suitable sampling points were selected to collect surface soil and naked oats seed samples，and the single pollution index method，comprehensive pollution index and bioconcentration factors were used to study soil quality and migration ability of heavy metals from soil to naked oats in Zhangbei area of Hebei Province.The results showed that the content of heavy metals in the soil and naked oats in the study area was far lower than the national standard， the quality was safe and healthy.The enrichment ability of heavy metal elements in the soil-naked oats system in the area was Zn>Cu>Ni>Cd>As>Pb>Cr=Hg.The enrichment coefficients of Ni， Cu and Zn were much higher than those of Cr， As， Cd， Hg and Pb， and the migration ability of Cd was very weak.As and Pb hardly migrate， Cr and Hg do not migrate.

Key words Heavy metal element;Content determination; Soil;Naked oats;Health risk;Zhangbei area of Hebei Province

隨著人們對生態(tài)環(huán)境的日益重視，土壤、食物、水等與人體健康息息相關(guān)的生命資源中重金屬元素的含量和污染狀況也越來越受到大家的關(guān)注［1-5］。土壤是農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵資源，是關(guān)乎國計民生的大事，其元素含量和健康狀況等情況直接影響著作物品質(zhì)［6-13］，如果土壤遭到破壞，那么就意味著農(nóng)作物不能正常生長，這會直接影響作物的產(chǎn)量和農(nóng)民的收益。許多學(xué)者探討了重金屬元素在土壤-川芎、土壤-芒萁系統(tǒng)的含量和遷移規(guī)律，并取得了一定的成果［12，14］。在土壤-植物系統(tǒng)的研究中，學(xué)者們主要通過探討重金屬元素在土壤和植物中的富集遷移等特征，總結(jié)出重金屬元素在土壤和植物中遷移與富集規(guī)律，進而對土壤質(zhì)量和植物品質(zhì)進行評價［5，15-16］。筆者選擇河北省張北地區(qū)為研究區(qū)，系統(tǒng)采集當?shù)剌湼乇韺油寥罉悠罚?～20 cm）及莜麥籽實樣品并進行測試分析，探討研究區(qū)土壤和莜麥中重金屬元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb的遷移富集特征，以期為研究當?shù)赝寥罓顩r和莜麥品質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處河北省西北部，隸屬于河北省張家口市張北縣，地處41°16′14.42″～41°29′29.92″N、114°42′0.97″～115°04′50.35″E（圖1）。

研究區(qū)土壤類型多為栗鈣土，其中尤以典型栗鈣土為主要土壤類型；氣候為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，日照充足，年平均氣溫4 ℃，全年最高氣溫不超過24 ℃；該區(qū)年降水量為300 mm左右，主要集中在6—8月。研究區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟占絕對主導(dǎo)地位，主要農(nóng)作物種類為莜麥、馬鈴薯、胡麻等。

1.2 樣品采集

根據(jù)相關(guān)標準在研究區(qū)莜麥耕地中選取合適樣點17個進行表層土壤樣品（TY-1，TY-2，…，TY-17）和莜麥籽實樣品（YM-1，YM-2，…，YM-17）采集（圖2）。

土壤樣品是在土層較厚、遠離道路的莜麥耕地垂直深度20 cm進行采集，采樣時會將土中雜物去除且上下均勻采集，最后將樣品編號并裝入干凈的布袋。莜麥是研究區(qū)主要作物，具有很高的研究價值，所以該研究選擇莜麥為植物樣品，在莜麥收獲期（9月），采集健康、無病蟲害的代表性莜麥植株麥穗，編號后將樣品放入聚乙烯塑料袋中，扎緊袋口以防止水分蒸發(fā)。

1.3 樣品加工和測試

此次測試分析工作承擔(dān)單位為河北省地質(zhì)實驗測試中心和國家地質(zhì)實驗測試中心。在室內(nèi)對土壤樣品進行風(fēng)干、磨細、過篩、混勻處理，對莜麥樣品進行脫粒、清洗、干燥、粉碎、研磨、過篩、混合處理。土壤和莜麥樣品中As和Hg的含量采用氫化物-原子熒光光譜法（HG-AFS）測定，Pb、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni的含量利用電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）測定；土壤pH使用pH計測定。

1.4 研究方法

該研究擬采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對莜麥耕地表層土壤重金屬元素污染狀況進行評價［4-5，14，17-20］，利用富集系數(shù)判斷莜麥籽實對重金屬元素的富集能力［1-2，14］。

（1）單因子污染指數(shù)法。計算公式如下：

Pi=Ci/Si（1）

式中：Pi為土壤中重金屬元素的單因子污染指數(shù)；Ci為土壤中重金屬元素的實測值；Si為土壤中重金屬元素的評價背景值，此處背景值采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）中國家二級標準。Pi≤1.0為清潔，1.0＜Pi≤2.0 為輕度污染，2.0＜Pi≤3.0 為中度污染，Pi＞3.0為重度污染［17］。

（2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。計算公式如下：

P=P2ibmax+P2ibave2（2）

式中：P為綜合污染指數(shù)；Pibmax為第b個點土壤重金屬元素單因子污染指數(shù)最大值；Pibave為第b個點土壤所有重金屬元素單因子污染指數(shù)平均值。P≤0.7為安全、清潔，0.73.0為重度污染［5，17］。

（3）富集系數(shù)（BCF）。計算公式如下：

BCF=CYM/CTY（3）

式中：BCF為富集系數(shù)；CYM為莜麥中某重金屬元素含量實測值； CTY為土壤中某重金屬元素含量實測值。

富集系數(shù)可以判斷植物將重金屬元素吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)并在體內(nèi)富集的能力大小，反映了重金屬元素在土壤-植物體系中遷移的難易程度［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬元素含量特征與污染現(xiàn)狀評價 研究區(qū)莜麥種植土壤pH實測值為7.51～9.11，其中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量見表1。從表1可以看出，研究區(qū)土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量分別為21.46～61.70、8.88～30.23、7.31～31.64、22.75～79.20、4.89～11.17、0.06～0.15、0.01～0.03、13.66～25.24 mg/kg，均遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險篩選值，屬無重金屬污染清潔土壤。其中TY-8較為特殊，其Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb含量均為各采樣點同種單元素中最高值，猜測可能與人為活動有關(guān)。

該研究采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對莜麥耕地表層土壤重金屬污染狀況進行評價。由表2可知，研究區(qū)莜麥耕地中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)分別遠低于1.0和0.7，研究區(qū)土壤未產(chǎn)生重金屬污染，屬于清潔未污染土地［5，17］。

2.2 莜麥中重金屬元素含量

重金屬元素是決定作物品質(zhì)的關(guān)鍵因素，關(guān)乎人和動物的身體健康［20］，因此，對研究區(qū)主要作物莜麥中重金屬含量進行研究很有必要。 由表3可知，莜麥籽實中Cr和Hg含量為0，Ni含量為0.92～6.80 mg/kg，Cu含量為2.23～4.97 mg/kg，Zn含量為11.85～23.10 mg/kg，As含量為0.00～0.04 mg/kg，Cd含量為0.00～0.01 mg/kg，Pb含量為0.00～0.05 mg/kg，遠低于《食品安全國家標準食品重污染限量》（GB 2762—2017）中谷物重金屬元素限量值標準，屬安全無害食品。

2.3 重金屬元素從土壤向莜麥中遷移特征

富集系數(shù)（BCF）能反映重金屬元素在土壤-植物體系中遷移的難易程度［14，21］。該研究采用富集系數(shù)判斷莜麥籽實將重金屬元素吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)并在體內(nèi)累積的能力。由表4可知，研究區(qū)內(nèi)莜麥對重金屬元素富集能力為Zn>Cu>Ni>Cd>As>Pb>Cr=Hg，其中，Ni、Cu和Zn的富集系數(shù)分別為0.062～0.625、 0.105～0.456、0.261～0.934，富集系數(shù)遠高于Cr、As、Cd、Hg和Pb這5種元素，在土壤-莜麥系統(tǒng)中較易發(fā)生遷移，這可能與莜麥光合作用等過程需要Zn、Cu和Ni等元素有關(guān)［22-28］。Cd遷移能力很弱，富集系數(shù)為0.000～0.167；As、Pb幾乎不發(fā)生遷移，富集系數(shù)分別為0.000～0.007、0.000～0.003；Cr、Hg不發(fā)生遷移，富集系數(shù)為0。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)莜麥耕地土壤中重金屬污染元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險篩選值，屬于清潔未污染農(nóng)業(yè)資源。

（2）研究區(qū)莜麥籽實中危害人體健康的重金屬元素Cd、Cr、Hg、Pb、As含量極低，為高品質(zhì)安全食品。

（3）研究區(qū)內(nèi)莜麥對重金屬元素富集能力為Zn>Cu>Ni>Cd>As>Pb>Cr=Hg，Ni、Cu和Zn的富集系數(shù)遠高于Cr、As、Cd、Hg、Pb，Cd遷移能力很弱，As、Pb幾乎不發(fā)生遷移，Cr、Hg不發(fā)生遷移。

參考文獻

［1］ 任云，關(guān)欣，李巧云.農(nóng)業(yè)地質(zhì)因素對農(nóng)用地分等定級的影響：以湖南省為例［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（5）：266-270.

［2］? FACCHINELLI A，SACCHI E，MALLEN L.Multivariate statistical and GIS-based approach to identify heavy metal sources in soils［J］.Environmental pollution，2001，114（3）：313-324.

［3］ 姜偉.北部灣周邊地區(qū)農(nóng)田土壤潛在有害元素生態(tài)地球化學(xué)評價［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2015：17-22.

［4］ XIA X Q，YANG Z F，CUI Y J，et al.Soil heavy metal concentrations and their typical input and output fluxes on the southern Song-nen Plain，Heilongjiang Province，China［J］.Journal of geochemical exploration，2014，139：85-96.

［5］ 周斯建.川芎巖石-土壤-植物元素遷移與富集研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2014：2-109.

［6］ 李正積.開拓農(nóng)業(yè)地質(zhì)面向農(nóng)業(yè)發(fā)展［J］.中國地質(zhì)，1988，15（8）：15-18.

［7］ 胡國俊，陳德興.農(nóng)業(yè)地質(zhì)學(xué)［J］.地質(zhì)科技情報，1990，9（1）：39-43.

［8］ 王恒旭，王志坤，胡永華，等.農(nóng)業(yè)地質(zhì)概述及應(yīng)用前景［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（5）：958-959.

［9］ 熊順貴.基礎(chǔ)土壤學(xué)［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2001：1-10.

［10］ 楊啟良，武振中，陳金陵，等.植物修復(fù)重金屬污染土壤的研究現(xiàn)狀及其水肥調(diào)控技術(shù)展望［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2015，24（6）：1075-1084.

［11］ 胡文.土壤-植物系統(tǒng)中重金屬的生物有效性及其影響因素的研究［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2008：1-3.

［12］ 曾其國，任迎紅，羅凡，等.川南“烏蒙早”茶葉品質(zhì)及農(nóng)業(yè)地質(zhì)性狀比較［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（8）：186-188.

［13］ 李濤，蒲韻婷，王全華，等.Mn、Cu和Zn在植物生長發(fā)育中的生理作用［J］.河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，12（6）：12-15.

［14］ 孫現(xiàn)領(lǐng)，賈黎黎.深圳楊梅坑地區(qū)巖石-土壤-植物系統(tǒng)中重金屬元素的遷移特征［J］.華南地質(zhì)，2020，36（3）：270-279.

［15］ LI J X，YANG X E，HE Z L，et al.Fractionation of lead in paddy soils and its bioavailability to rice plants［J］.Geoderma，2007，141（3/4）：174-180.

［16］ ANTONIADIS V，ROBINSON J S，ALLOWAY B J.Effects of short-term pH fluctuations on cadmium，nickel，lead，and zinc availability to ryegrass in a sewage sludge-amended field［J］.Chemosphere，2008，71（4）：759-764.

［17］ 唐功政，劉國棟，高潤青，等.利用單因子污染指數(shù)與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)進行土壤重金屬污染程度評級［J］.科技風(fēng)，2019（13）：125-126.

［18］ 李宏薇，尚二萍，張紅旗，等.耕地土壤重金屬污染時空變異對比：以黃淮海平原和長江中游及江淮地區(qū)為例［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2018，38（9）：3464-3473.

［19］ 韓巧紅，楊勇，黃霞，等.老鷹茶對重金屬元素的遷移與富集特征［J］.核農(nóng)學(xué)報，2016，30（11）：2224-2231.

［20］ 李志濤，王夏暉，趙玉杰，等.南方典型區(qū)域水稻鎘富集系數(shù)差異影響因素探析［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2017，40（10）：1-7.

［21］ 吳兆明.植物營養(yǎng)中新的必要、有益和毒害元素［J］.生物學(xué)通報，1997，32（10）：7-10.

［22］ 王海青.鉛鋅汞三種重金屬對莜麥生理毒性的研究［D］.太原：山西大學(xué)，2014：3-5.

［23］ 劉國棟.植物營養(yǎng)元素——Ni［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2001，7（1）：103-108.

［24］ 張玉秀，張凱，李金梅，等.鎳在植物體中的吸收轉(zhuǎn)運機制［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008，16（3）：778-782.

［25］ 成杭新，李括，李敏，等.中國城市土壤化學(xué)元素的背景值與基準值［J］.地學(xué)前緣，2014，21（3）：265-306.

［26］ 荊旭慧.蘇南某市不同環(huán)境下土壤-作物系統(tǒng)中重金屬元素分布及其食品安全風(fēng)險探討［D］.南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007：5-10.

［27］ 齊冰潔，王敏，張智勇，等.燕麥種質(zhì)資源礦質(zhì)元素的多樣性分析［J］.作物雜志，2020（4）：72-78.

［28］ 姚馴.鎘在施用城市污泥的改良土壤和蠶豆中遷移轉(zhuǎn)化及生物有效性研究［D］.蘭州：蘭州大學(xué)，2016：24-29.