河北省張北地區(qū)土壤和莜麥重金屬含量及健康風(fēng)險(xiǎn)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(qū)土壤和莜麥中重金屬元素含量及健康風(fēng)險(xiǎn)，選擇17個(gè)適宜采樣點(diǎn)進(jìn)行表層土壤和莜麥籽實(shí)樣品的采集，通過(guò)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(duì)土壤質(zhì)量和重金屬元素從土壤向莜麥遷移能力進(jìn)行研究。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤和莜麥中重金屬含量遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，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(yuǎn)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(cè)定；土壤；莜麥；健康風(fēng)險(xiǎn)；河北省張北地區(qū)

中圖分類號(hào) X53? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 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(biāo)識(shí)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(duì)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(lái)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(guó)計(jì)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(zhǎng)，這會(huì)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(guò)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(jìn)而對(duì)土壤質(zhì)量和植物品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)［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(dāng)?shù)剌湼乇韺油寥罉悠罚?～20 cm）及莜麥籽實(shí)樣品并進(jìn)行測(cè)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(dāng)?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?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(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(guò)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(jì)占絕對(duì)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(biāo)準(zhǔn)在研究區(qū)莜麥耕地中選取合適樣點(diǎn)17個(gè)進(jìn)行表層土壤樣品（TY-1，TY-2，…，TY-17）和莜麥籽實(shí)樣品（YM-1，YM-2，…，YM-17）采集（圖2）。

土壤樣品是在土層較厚、遠(yuǎn)離道路的莜麥耕地垂直深度20 cm進(jìn)行采集，采樣時(shí)會(huì)將土中雜物去除且上下均勻采集，最后將樣品編號(hào)并裝入干凈的布袋。莜麥?zhǔn)茄芯繀^(qū)主要作物，具有很高的研究?jī)r(jià)值，所以該研究選擇莜麥為植物樣品，在莜麥?zhǔn)斋@期（9月），采集健康、無(wú)病蟲害的代表性莜麥植株麥穗，編號(hào)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(cè)試

此次測(cè)試分析工作承擔(dān)單位為河北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心和國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心。在室內(nèi)對(duì)土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩、混勻處理，對(duì)莜麥樣品進(jìn)行脫粒、清洗、干燥、粉碎、研磨、過(guò)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(cè)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(cè)定；土壤pH使用pH計(jì)測(cè)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(duì)莜麥耕地表層土壤重金屬元素污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)［4-5，14，17-20］，利用富集系數(shù)判斷莜麥籽實(shí)對(duì)重金屬元素的富集能力［1-2，14］。

（1）單因子污染指數(shù)法。計(jì)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(shí)測(cè)值；Si為土壤中重金屬元素的評(píng)價(jià)背景值，此處背景值采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）中國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)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(gè)點(diǎn)土壤重金屬元素單因子污染指數(shù)最大值；Pibave為第b個(gè)點(diǎn)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(jì)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(shí)測(cè)值； CTY為土壤中某重金屬元素含量實(shí)測(cè)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(píng)價(jià) 研究區(qū)莜麥種植土壤pH實(shí)測(cè)值為7.51～9.11，其中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量見(jiàn)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(yuǎn)低于《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）農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，屬無(wú)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(diǎn)同種單元素中最高值，猜測(cè)可能與人為活動(dòng)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(duì)莜麥耕地表層土壤重金屬污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(yuǎn)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(dòng)物的身體健康［20］，因此，對(duì)研究區(qū)主要作物莜麥中重金屬含量進(jìn)行研究很有必要。 由表3可知，莜麥籽實(shí)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(yuǎn)低于《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品重污染限量》（GB 2762—2017）中谷物重金屬元素限量值標(biāo)準(zhǔn)，屬安全無(wú)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(shí)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(duì)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(yuǎn)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(guò)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(yuǎn)低于《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）農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(duì)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(yuǎn)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。

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