河北省張北地區土壤和莜麥重金屬含量及健康風險研究

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土壤和莜麥中重金屬元素含量及健康風險，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法、綜合污染指數法和富集系數分別對土壤質量和重金屬元素從土壤向莜麥遷移能力進行研究。結果表明：研究區土壤和莜麥中重金屬含量遠低于國家標準，品質安全健康；區內重金屬元素在土壤-莜麥系統中富集能力為Zn>Cu>Ni>Cd>As>Pb>Cr=Hg，Ni、Cu和Zn的富集系數遠高于Cr、As、Cd、Hg、Pb，Cd遷移能力很弱，As、Pb幾乎不發生遷移，Cr、Hg不發生遷移。

關鍵詞 重金屬元素；含量測定；土壤；莜麥；健康風險；河北省張北地區

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（資源服務）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

隨著人們對生態環境的日益重視，土壤、食物、水等與人體健康息息相關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注［1-5］。土壤是農業發展的關鍵資源，是關乎國計民生的大事，其元素含量和健康狀況等情況直接影響著作物品質［6-13］，如果土壤遭到破壞，那么就意味著農作物不能正常生長，這會直接影響作物的產量和農民的收益。許多學者探討了重金屬元素在土壤-川芎、土壤-芒萁系統的含量和遷移規律，并取得了一定的成果［12，14］。在土壤-植物系統的研究中，學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，總結出重金屬元素在土壤和植物中遷移與富集規律，進而對土壤質量和植物品質進行評價［5，15-16］。筆者選擇河北省張北地區為研究區，系統采集當地莜麥耕地表層土壤樣品（0～20 cm）及莜麥籽實樣品并進行測試分析，探討研究區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，以期為研究當地土壤狀況和莜麥品質提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處河北省西北部，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 ℃；該區年降水量為300 mm左右，主要集中在6—8月。研究區農業經濟占絕對主導地位，主要農作物種類為莜麥、馬鈴薯、胡麻等。

1.2 樣品采集

根據相關標準在研究區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。

1.3 樣品加工和測試

此次測試分析工作承擔單位為河北省地質實驗測試中心和國家地質實驗測試中心。在室內對土壤樣品進行風干、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法和內梅羅綜合污染指數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；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《土壤環境質量標準》（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）內梅羅綜合污染指數法。計算公式如下：

P=P2ibmax+P2ibave2（2）

式中：P為綜合污染指數；Pibmax為第b個點土壤重金屬元素單因子污染指數最大值；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（BCF）。計算公式如下：

BCF=CYM/CTY（3）

式中：BCF為富集系數；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。

富集系數可以判斷植物將重金屬元素吸收轉移到體內并在體內富集的能力大小，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 結果與分析

2.1 土壤重金屬元素含量特征與污染現狀評價 研究區莜麥種植土壤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《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）農用地土壤重金屬污染風險篩選值，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。

該研究采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數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，研究區莜麥耕地中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb單因子污染指數與綜合污染指數分別遠低于1.0和0.7，研究區土壤未產生重金屬污染，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的關鍵因素，關乎人和動物的身體健康［20］，因此，對研究區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（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判斷莜麥籽實將重金屬元素吸收轉移到體內并在體內累積的能力。由表4可知，研究區內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的富集系數分別為0.062～0.625、 0.105～0.456、0.261～0.934，富集系數遠高于Cr、As、Cd、Hg和Pb這5種元素，在土壤-莜麥系統中較易發生遷移，這可能與莜麥光合作用等過程需要Zn、Cu和Ni等元素有關［22-28］。Cd遷移能力很弱，富集系數為0.000～0.167；As、Pb幾乎不發生遷移，富集系數分別為0.000～0.007、0.000～0.003；Cr、Hg不發生遷移，富集系數為0。

3 結論

（1）研究區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《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）農用地土壤重金屬污染風險篩選值，屬于清潔未污染農業資源。

（2）研究區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，為高品質安全食品。

（3）研究區內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的富集系數遠高于Cr、As、Cd、Hg、Pb，Cd遷移能力很弱，As、Pb幾乎不發生遷移，Cr、Hg不發生遷移。

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