產地環境中重金屬和有機污染物對農產品質量的影響綜述

陳秋會，席運官，王 磊，宗良綱，張懷志，徐愛國，肖興基

(1.環境保護部南京環境科學研究所，江蘇南京 210042；2.南京農業大學資源與環境學院，江蘇南京 210095；3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

在現代農業發展進程中，化肥、農藥及農膜等農用化學品的大量使用使得農產品的種類和產量不斷增加，基本滿足人們對量的需求，但也引起了農產品產地環境污染的問題，影響作物的營養品質和安全品質，威脅人體健康[1]。近年來，鎘大米、蔬菜重金屬超標、農殘超標等眾多農產品安全事件頻有發生[2]，農產品安全已成為時下最讓人擔憂的問題之一。隨著生活水平的提高和食品安全意識的增強，消費者越來越傾向于購買綠色、有機農產品，且市場需求呈加速增長的態勢。產地環境——土壤、水體和大氣是從事農業生產的本源所在，然而產地環境污染已成為制約我國綠色、有機農業發展的主要因素?！按髿馐畻l”“水十條”“土十條”的相繼發布，對改善我國農產品產地環境質量具有重要意義。本文對產地環境中重金屬和有機污染物對農產品產量及品質影響的研究現狀進行綜合分析，為保護和改良農產品產地環境質量，發展綠色、有機農業，保障農產品安全提供參考依據。

1 農產品產地污染物的來源

農產品產地環境系指影響農產品生長發育各種因素的總稱，是影響農產品質量安全的基礎因素，包括土壤、灌溉水、大氣等環境要素。人類活動產生的污染物進入土壤、水體和大氣并引起農產品賴以生長環境的惡化，對農產品質量和人體健康產生危害的現象即為農產品產地環境污染。目前，產地環境污染主要包括無機、有機及復合污染，其中無機污染物以重金屬為主，如鎘、砷、鉻、銅、鋅等；有機污染物種類繁多，既包括苯、甲苯、二甲苯等揮發性有機污染物，又包括多環芳烴、多氯聯苯等半揮發性有機污染物。

1.1 產地環境中重金屬的來源

據報道，我國受污染耕地已達0.1億hm2，占1.2億hm2耕地的8.3%，其中大部分為重金屬污染[3-4]?；?有機肥的施用是產地環境重金屬的最直接來源。我國耕地面積不足全世界的一成，卻使用了全世界近40%的化肥。據調查，我國近20個磷肥(過磷酸鈣)樣品中的鋅、鎳、銅、鉻、鈷平均含量分別為298.0、16.9、31.1、18.4、2.0 mg/kg[5]。我國每年通過施用有機肥進入農田的鎘、砷、鉻分別達778、1 412、6 113 t，三者分別占進入農田總量的54.9%、23.8%、35.8%。施用豬糞17年后稻田土壤的有效銅、鋅、鎘含量分別較施化肥處理增加335.9%、320.8%、421.4%[3]。因此，有機肥的安全性或許會成為化肥零增長的“攔路虎”。

工礦企業排放的煙塵和城市大氣中的重金屬等通過大氣運輸，經干濕沉降進入農田土壤[6]。研究表明，空氣中 80%～90%的鉛來源于使用含鉛汽油的機動車排放[7]。陳培飛等的研究顯示，天津市大氣中的Zn、Pb、Cu和Cr等重金屬在細顆粒物PM2.5中明顯富集[8]。煤和石油燃燒后10%～30%的含重金屬煙塵沉降在距排放源十幾千米的范圍內[9]。全國約有1.2萬座尾礦庫，礦山開采產生的尾礦、礦渣堆放嚴重污染周邊水體和土壤環境。我國西南和中南地區的有色金屬礦產資源豐富，鎘等重金屬元素背景值高，是農產品重金屬超標的主要原因之一。2013年國務院文件首次公開提出農業生產禁止使用污水，這有利于農田灌溉水質的控制和土壤污染的治理。

1.2 產地環境中有機污染物的來源

2 產地污染物對農產品的影響

2.1 重金屬對農產品的影響

全國首次土壤污染狀況調查結果顯示，19.4%的耕地土壤點位重金屬超標。土壤中的重金屬具有富集性、生物累積性、不可逆性等特點，不能或不易被分解轉化，可通過食物鏈逐級濃縮放大對生物產生毒性效應，重金屬的食物鏈污染直接威脅人體健康?？蓪χ参锂a生危害且毒性最強的重金屬有汞、鎘、銅、鉛、鉻和類金屬砷，在食物鏈上易對人體健康產生危害的元素主要有汞、鎘、砷、鉛等4種。作物受重金屬污染的程度主要反映在作物的產量、品質和重金屬含量等方面。

2.1.1 重金屬對農產品生物學特性的影響 重金屬對同一種植物的作用效果多呈現“低促高抑”現象。重金屬超標會擾亂作物體內的各種生理生化過程，可與植物中的蛋白質結合，妨礙作物對氮、磷、鉀等礦質元素的正常吸收，導致作物生長緩慢，從而影響作物的產量[15]。重金屬鎘主要累積在0～20 cm的表層土壤中，鎘脅迫抑制韭菜等種子萌發，且可使韭菜的發芽指數和活力指數隨鎘濃度的增加而下降[16]；在重金屬鎘的脅迫下，水稻、小米、小麥的根長、根系干物質量、根系總數、根系表面積和體積、根系活力明顯受到抑制[17-20]，葉片葉綠素、蛋白質含量下降，丙二醛含量和細胞膜透性增加[21]，水稻、花生的株高、穗長、有效穗數、結實率、千粒質量和產量有所下降[17-18]，嚴重者可導致根系發黑，地上莖葉枯萎，作物死亡。鎘脅迫可使常規水稻黃華占和武運粳27的減產量分別高達 62.1% 和39.9%[17]。當鉻的濃度為10 μmol/L時可明顯抑制玉米根部生長，為100 μmol/L時幼苗停止生長，含水量明顯下降，冠根比增大，受到嚴重的氧化脅迫[22]。當鉛濃度為125 mg/kg、鋅濃度為80 mg/kg時，可對玉米葉片葉綠素、芽、根、株高和干鮮質量產生影響[23]。

2.1.2 重金屬對農產品營養品質的影響 研究表明，重金屬對作物粗蛋白、還原糖、淀粉、脂肪、氨基酸等營養指標有較大影響[24]，可降低作物品質。高砷水灌溉抑制作物對硒、鎳和鋅等有益元素的攝入，會降低作物的營養價值[25]。銅過量使得甘蔗的出汁率、還原糖含量增加，纖維含量降低，產糖量下降[26]。隨土壤中鋅、鉻濃度的增加，稻米堊白米率、粗蛋白含量呈增加趨勢，而直鏈淀粉含量則呈降低趨勢，土壤中的鋅、鉻對水稻籽粒中鉻含量產生協同效應[27]。鎘可使糙米中粗蛋白、粗淀粉、賴氨酸、直鏈淀粉等的含量顯著減少，降低糙米的營養價值[28]，也可使小麥籽粒中的支鏈淀粉含量下降[29]。鎘脅迫降低了花生籽仁中的脂肪含量，增加其亞油酸含量，降低硬脂酸和油酸含量以及油酸與亞油酸的比值，導致花生制品貨架壽命變短[18]。

2.1.3 重金屬對農產品安全品質的影響 產地環境中的重金屬含量關系到農產品中的重金屬含量。研究發現，土壤中的重金屬含量和植物地上部、稻米、小麥籽粒、蔬菜中的重金屬含量具有顯著的線性相關關系[30-31]。有研究指出，蔬菜、小麥各器官中的鉛主要來自于根從土壤中吸收的有效鉛，表明經根系從土壤中吸收鉛是作物鉛積累的主要方式[32-33]。與其他重金屬相比，土壤鎘很容易遷移到蔬菜可食用部分和谷物籽粒中[34]，這主要是由于土壤中的鎘活性高、移動性強，尤其當土壤pH值低于5.5時，土壤中鎘的植物有效性提高，并且土壤鎘濃度在達到毒害植物之前就可以使植物的可食用部分鎘含量超過食用標準而危害人類健康[35]，此時應嚴格限制外源鎘進入土壤。在大氣污染較重的地區，葉片對重金屬的吸收不可忽視。據不完全估計，大氣重金屬污染對城郊蔬菜的重金屬污染百分率可高達10%[36]。利用盆栽對比試驗和鉛同位素研究高速公路路邊水稻中的重金屬來源，結果表明，稻米中41%的鎘和46%的鉛來自葉片對大氣的吸收，表明高速公路兩旁的作物生產布局須要考慮農產品的安全[37]。

不同重金屬在作物體內富集的部位有所差異。在重金屬脅迫條件下，玉米、水稻、油菜、花生、小麥體內鉛、鎘、鉻含量的分布表現為根>莖(秸稈)>葉>籽粒[18，23，38-41]，玉米根系的鉻含量是莖部的4～20倍[42]。玉米各器官中鋅的富集量高低順序為葉>籽粒>根>秸稈[23]。甘蔗中銅的積累能力表現為根>莖>葉>梢頭，且隨外源銅濃度的增加而增加，呈顯著的正相關關系[26]。作物的品種差異使得其對重金屬的積累能力和轉運能力存在顯著差異。在鎘脅迫下雜交稻的籽粒部位表現出優于常規稻的鎘低累積特性[17]。植株體內較低的鎘遷移系數是引起小麥洛優9909籽粒中鎘含量低于新麥9817的主要原因[20]。孫洪欣等指出，由于玉米先玉335體內的重金屬遷移能力較弱，籽實中鎘、鉛含量顯著低于其他品種，適宜在華北地區鎘、鉛輕度污染區推廣種植[42]。因此，篩選和培育重金屬低積累農作物品種是保證農產品安全生產的有效途徑之一。

2.2 有機污染物對農產品的影響

有機污染物主要通過根部吸收或通過大氣沉降到植物葉表面擴散進入植物體內，其中分子量大、疏水性較強的有機污染物通過根部被吸收，幾乎所有的非離子型有機污染物都是在蒸騰拉力的作用下被動吸收進入植物體內的，只有極少數有機污染物如苯氧基酸型除草劑可被植株主動吸收[43]。

有機污染物可抑制農作物的生長發育及其對礦質營養的吸收利用，降低農產品產量和品質，通過生物富集和放大作用，最終危及人體健康。研究表明，有機污染物(鄰苯二甲酸酯、表面活性劑等)可導致菠菜出苗率低，植株矮小；花椰菜葉片卷曲，結球遲，成球少；蘿卜、黃瓜根系老化，蘿卜減產12.8%～60.0%[44-45]。另外，鄰苯二甲酸酯可通過干擾類胡蘿卜素合成而致使葉綠素功能發生障礙，最終導致青花菜和菠菜可食用部位的維生素C含量有所下降[46]；表面活性劑可明顯降低小麥體內的氨基酸含量[45]，促進植物對重金屬和農藥的吸收富集[47-48]，降低作物的營養品質和安全品質。石油烴濃度較高時會在植物根系上形成1層黏膜，阻礙根系對營養元素的吸收及其呼吸功能，甚至引起根系腐爛，且有毒物質進入植物體內可產生一定的毒害作用，抑制植物生長[49]。研究表明，土壤中的高石油烴含量導致大豆生長受到明顯抑制，出苗率、產量、籽粒品質明顯下降[50]。揮發性有機污染物苯系物可導致植物葉片光合系統受到損害，葉綠素、可溶性糖含量降低[51]，抑制小麥根和芽的伸長[52]。由于苯并(a)芘的疏水性，根部只限于接觸吸收(或吸附)而難以通過根部組織向地上部運輸[53]，水稻、小麥籽實中的苯并(a)芘主要來自大氣污染，土壤和水是次要的[54-55]，因此應重點關注大氣中的苯并(a)芘。

農藥的大量使用引發越來越多食品安全問題的最直接原因是農產品的農藥殘留嚴重超標。農藥會直接附著或滲入作物內部，海南毒豇豆中甲胺磷、水胺硫磷等農藥殘留量嚴重超標。據報道，我國農藥的有效利用率約為30%～40%，而真正作用于靶標生物的不到1%，大部分農藥擴散到周圍土壤、空氣或水體中，污染農產品產地環境[1]。土壤中的殘留農藥不僅可導致下茬作物種子根尖、芽梢等部位變褐或腐爛，降低出苗率[56]，且可通過作物根系吸收在農產品內富集[57-58]，導致作物農殘污染，引發食品安全事件。

3 結語

土壤、水體和大氣等環境因素是農作物賴以生存/生長的基礎，產地環境中的重金屬、有機污染物等的存在可抑制作物的生長，降低農產品的產量、營養品質和安全品質，從而威脅人體健康。因此，須加強對大氣、水體、土壤污染物(重金屬、農藥等)與作物相互關系的研究，以及污染物在土壤—作物—人體中的遷移、轉化和積累規律，構建農產品產地環境安全評價指標體系，進一步提高農產品產地環境質量標準的科學性和實用性，為優化和控制產地環境質量、提高我國農產品質量提供技術支撐。同時，對于綠色、有機農產品的生產，既要制定完善和嚴格的綠色、有機農產品產地環境質量標準，又要重視對產地環境的監測和評估，開展區域適宜性劃分，選擇符合產地環境質量標準的區域進行生產，這不僅可從源頭確保農產品生產規范和產品安全優質，使消費者放心消費認證的綠色、有機產品，促進我國農業產業的可持續發展，而且有利于綠色、有機農產品生產示范基地的創建和發展規劃，保障我國綠色、有機農業的合理發展。

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