豫北農(nóng)田土壤和小麥籽粒鎘含量及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

摘要：冬小麥?zhǔn)呛幽鲜≈匾募Z食作物，了解豫北農(nóng)田土壤和小麥籽粒鎘含量，可以為小麥的合理種植及籽粒質(zhì)量安全提供參考依據(jù)。于2019年和2020年小麥?zhǔn)斋@季節(jié)，在豫北小麥種植區(qū)農(nóng)田采集土壤和籽粒樣品共計(jì)314份，分析小麥籽粒中鎘元素的含量變化特征，評(píng)價(jià)其鎘污染狀況。結(jié)果表明，豫北農(nóng)田土壤平均鎘含量0.500mg/kg，超標(biāo)率28.662%；小麥籽粒平均鎘含量0.049mg/kg，超標(biāo)率5.732%；對(duì)小麥籽粒和土壤鎘含量進(jìn)行相關(guān)性和富集系數(shù)分析表明，兩者相關(guān)性達(dá)到極顯著（r=0.417），小麥籽粒鎘含量對(duì)土壤鎘含量的富集范圍在0.050～0.200的占比最大（85.987%）；小麥籽粒鎘單污染指數(shù)范圍為0.150～1.710，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值為0.494；收集的農(nóng)田土壤和小麥籽粒存在部分鎘含量超標(biāo)現(xiàn)象，綜合評(píng)價(jià)籽粒鎘為輕度污染水平，因此在豫北小麥生產(chǎn)中應(yīng)特別注意農(nóng)田管理和風(fēng)險(xiǎn)防控。

關(guān)鍵詞：小麥；土壤；籽粒；鎘；富集特征；污染評(píng)價(jià)

Cadmium Content and Risk Assessment of Farmland Soil and

Wheat Grain in Northern Henan

XUE Zhiwei，GAO Feng，YANG Chunling

（Anyang Academy of Agricultural Sciences，Anyang 455000，Henan）

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，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)田，目前已成為我國(guó)土壤污染的主要形態(tài)[1-3]。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)82.8%的土壤正在遭受嚴(yán)重的重金屬污染，鎘污染以7.0%的超標(biāo)率位居無(wú)機(jī)污染物之首[4]。人體長(zhǎng)期攝入過(guò)量的鎘污染食品后，身體各器官會(huì)發(fā)生一系列的病變，造成骨質(zhì)疏松軟化、腎損傷、器官衰竭等疾病，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)癌癥[5-7]。鎘對(duì)于植物來(lái)講為非必要元素，具有生物毒性高、易積累、不易去除的特點(diǎn)[8-11]。小麥?zhǔn)侵袊?guó)重要的糧食作物之一，其種植面積和產(chǎn)量對(duì)于保障國(guó)家糧食安全具有重要意義[12-13]。根據(jù)2024年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的公告，全國(guó)小麥播種面積為2309.1萬(wàn)hm2，單位面積產(chǎn)量5985.8kg/hm2，小麥總產(chǎn)量13822萬(wàn)t。宋偉等[14]對(duì)我國(guó)138個(gè)典型區(qū)域的耕地重金屬污染情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)耕地的土壤重金屬污染概率為16.67%左右，鎘污染嚴(yán)重程度遠(yuǎn)超其他重金屬。基于我國(guó)人均耕地占有量少（僅為0.15hm2）且后備耕地資源十分有限的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)部分受鎘污染的土壤區(qū)域仍從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[15-16]。因此研究土壤和小麥籽粒中鎘的含量特征，對(duì)于農(nóng)田土壤管理具有重要意義。

作為鎘中積累型作物，小麥具有一定的潛在鎘污染風(fēng)險(xiǎn)[17-18]。前人針對(duì)小麥鎘的吸收和積累特點(diǎn)也進(jìn)行了大量的研究[19-21]。王世玉等[22]選取國(guó)內(nèi)外9個(gè)典型污灌區(qū)作為研究對(duì)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在同一灌區(qū)小麥中鎘的富集濃度高于玉米，其通過(guò)口食對(duì)于人體健康造成的風(fēng)險(xiǎn)較高。秦普豐等[23]調(diào)查了工業(yè)型城市不同功能區(qū)的土壤和蔬菜中的污染情況，發(fā)現(xiàn)其均受到不同程度的污染，其中鎘和汞污染最為嚴(yán)重。張浩等[24]調(diào)查了河南洛陽(yáng)鉛鋅尾礦庫(kù)土壤和蔬菜的污染特征，發(fā)現(xiàn)土壤中鎘含量均高于土壤風(fēng)險(xiǎn)篩選值，蔬菜中鎘含量超過(guò)食品污染限值。目前對(duì)鎘污染研究多集中在污灌區(qū)、礦區(qū)以及工業(yè)區(qū)等，不同地區(qū)的土壤性質(zhì)和環(huán)境條件均存在較大差異。

本文以河南北部農(nóng)田小麥種植區(qū)為研究對(duì)象，在小麥種植區(qū)采集土壤和小麥籽粒樣品，采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)，旨在為小麥的安全生產(chǎn)和鎘污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控提供科學(xué)指導(dǎo)和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料 2019年于小麥?zhǔn)斋@季節(jié)在河南北部安陽(yáng)市湯陰縣、內(nèi)黃縣等，鶴壁市淇濱區(qū)等、濮陽(yáng)市高新區(qū)等小麥主要種植區(qū)域采集99份根際土壤及相應(yīng)的小麥籽粒樣品，2020年繼續(xù)采集58份根際土壤及相應(yīng)的小麥籽粒樣品。在小麥籽粒成熟期通過(guò)5點(diǎn)取樣法采集樣品，混勻后按照4分法留取土壤樣品200g和小麥籽粒樣品100g作為1個(gè)樣品點(diǎn)，將采集的樣品放入樣品袋中，注明采集時(shí)間、地點(diǎn)、編號(hào)等信息，郵寄至農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所進(jìn)行鎘元素含量測(cè)定。

1.2 鎘污染評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn) 小麥籽粒鎘污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，鎘限量值為0.1mg/kg。采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法[25]對(duì)小麥進(jìn)行污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

單因子污染指數(shù)法：，式中，Pi為單項(xiàng)重金屬i的污染指數(shù)，ci為作物中重金屬i的實(shí)測(cè)濃度（mg/kg）；si為重金屬i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)臨界值（mg/kg）。依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Pi≤1表示未受污染，1lt;Pi≤2表示輕度污染，2lt;Pi≤3表示中度污染，Pigt;3表示重度污染。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法：，式中，P為農(nóng)作物籽粒中重金屬的綜合污染指數(shù)，Pi為重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)平均值，Pimax為重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)最大值。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：P≤0.7為未受到污染，0.7lt;P≤1.0為警戒水平，1.0lt;P≤2.0為輕度污染，2.0lt;P≤3.0為中度污染，Pgt;3.0為重度污染。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理 采用Excel 2019和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤鎘含量分析 由表1可知，年度之間農(nóng)田土壤中鎘含量平均值有一定差異，2019年農(nóng)田土壤中平均鎘含量為0.390mg/kg，2020年為0.687mg/kg。2019年取樣農(nóng)田土壤鎘含量變化幅度為0.130～1.230mg/kg，2020年為0.470～1.830mg/kg。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—2018《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）》，農(nóng)田土壤中鎘含量風(fēng)險(xiǎn)篩選值為0.600mg/kg（pH值gt;7.5）。2019年有7個(gè)小麥土壤樣品超標(biāo)，2020年有38個(gè)土壤樣品超標(biāo)，超標(biāo)率分別為7.071%和65.517%。本研究2019-2020年兩年共收集157個(gè)農(nóng)田土壤樣品，農(nóng)田土壤平均鎘含量0.500mg/kg，超標(biāo)率28.662%。2019年和2020年農(nóng)田土壤鎘含量變異系數(shù)分別為42.671%和30.842%，均屬于中等變異程度。

2.2 小麥籽粒鎘含量分析 由表2可知，小麥籽粒鎘含量年度之間平均值差異較小，2019年小麥籽粒平均鎘含量0.050mg/kg，2020年0.048mg/kg。2019年取樣小麥籽粒鎘含量變化幅度0.010～0.170mg/kg，

2020年0.020～0.140mg/kg。按照GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》，籽粒中鎘含量上限為0.100mg/kg。2019年有6個(gè)小麥籽粒樣品超標(biāo)，2020年有3個(gè)小麥籽粒樣品超標(biāo)，超標(biāo)率分別為6.061%和5.172%。本研究2019-2020年兩年共收集157個(gè)小麥籽粒樣品，平均鎘含量0.049mg/kg，超標(biāo)率5.732%。2019年和2020年小麥籽粒鎘含量變異系數(shù)分別為56.339%和47.054%，均屬于中等變異程度。

糧食作物中重金屬含量受產(chǎn)地環(huán)境污染水平、土壤性質(zhì)、氣候、作物品種和種植管理水平等諸多因素影響。研究發(fā)現(xiàn)，通常在外界環(huán)境存在鎘污染的情況下，作物中的鎘基本來(lái)自于土壤中鎘的遷移，因此糧食作物最容易鎘含量超標(biāo)，這一研究結(jié)果與王成塵等[26]、陳京都等[27]的研究結(jié)果相似。

2.3 小麥籽粒鎘和土壤鎘含量之間的相關(guān)關(guān)系分析 農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中鎘積累與糧食作物吸收之間的關(guān)系復(fù)雜多樣。有學(xué)者對(duì)二者進(jìn)行線性回歸方程分析，發(fā)現(xiàn)土壤中鎘含量可用于預(yù)測(cè)小麥籽粒鎘含量，因而土壤鎘安全閾值是保障農(nóng)產(chǎn)品安全的重要指標(biāo)[28]。本文將采集到的157份土壤—小麥籽粒鎘含量進(jìn)行線性回歸分析，由圖1可以看出，在田間條件下采樣區(qū)域內(nèi)小麥籽粒鎘含量與土壤鎘含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01），相關(guān)系數(shù)為r=0.417**（n=157）。

2.4 小麥籽粒鎘和土壤鎘含量之間的富集關(guān)系分析 富集系數(shù)反映了植株對(duì)鎘的富集程度的高低或者攝取能力的強(qiáng)弱。小麥籽粒鎘富集系數(shù)是籽粒鎘含量與土壤中鎘含量之比，可說(shuō)明鎘在小麥籽粒中的富集情況。從圖2可知，小麥籽粒鎘含量對(duì)土壤鎘含量的富集范圍在0.050～0.200，占比最大（85.987%）。其中富集系數(shù)為0.050～0.100占比43.312%，富集系數(shù)為0.100～0.150占比29.299%，富集系數(shù)為0.150～0.200占比13.376%。富集系數(shù)0.250～0.300、0.350～0.400占比為0。富集系數(shù)0～0.050、0.200～0.250、0.300～0.350的占比分別為7.006%、5.732%、1.274%。這從側(cè)面說(shuō)明，小麥籽粒的鎘富集能力存在差異，因此，我們可以通過(guò)有效措施，篩選降低小麥籽粒中的鎘含量[29]。

2.5 小麥籽粒鎘污染情況分析 由表3可知，2019年和2020年取樣小麥籽粒鎘污染指數(shù)平均值分別為0.503和0.479，均為未受污染水平。2019年和2020年小麥籽粒鎘污染指數(shù)差異變化幅度分別為0.150～1.710、0.217～1.381，有個(gè)別地塊小麥籽粒鎘為輕度污染水平。本研究2019-2020年兩年共收集157個(gè)小麥籽粒樣品，鎘單污染指數(shù)范圍為0.150～1.710，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值為0.494，綜合評(píng)價(jià)小麥籽粒鎘為輕度污染水平。

3 討論與結(jié)論

河南北部土壤鎘含量變幅0.130～1.830mg/kg，小麥籽粒鎘含量變幅0.010～0.170mg/kg。研究結(jié)果表明，小麥籽粒鎘含量與土壤鎘含量相關(guān)性達(dá)到極顯著正相關(guān)，其中85.987%的小麥籽粒鎘含量對(duì)土壤鎘含量的富集范圍集中在0.050～0.200。這表明，盡管農(nóng)田土壤和小麥籽粒鎘含量在不同年份表現(xiàn)存在差異，但整體來(lái)看，河南北部麥區(qū)土壤存在一定程度的鎘污染，小麥籽粒內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)平均值為0.494，達(dá)到輕度污染水平。土壤污染具有隱蔽性、積累性等特點(diǎn)，決定了其防治工作的艱巨性和復(fù)雜性[30]。鎘是一種具有積累性和毒性的重金屬，長(zhǎng)期攝入鎘污染的糧食作物會(huì)對(duì)人體健康造成潛在危害，尤其是肝臟和腎臟。農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量在一定程度上決定著農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，小麥作為主要糧食作物，其安全性直接關(guān)系到糧食安全和公共健康。因此，河南北部麥區(qū)鎘污染的防治工作刻不容緩，需要政府、企業(yè)和公眾的共同努力，采取有效措施控制污染情況，保障糧食安全和人類健康。

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)重金屬鎘的治理主要有以下手段：（1）加強(qiáng)對(duì)工業(yè)排放、礦山開采等鎘污染源的監(jiān)管，從源頭控制減少鎘污染物的排放；（2）采用物理、化學(xué)、生物手段調(diào)理土壤性質(zhì)，降低重金屬的生物有效性，如使用鈍化劑改變重金屬形態(tài)和降低重金屬活性[31]；（3）改善種植模式，選擇低鎘富集的小麥品種，合理施肥，降低小麥籽粒鎘含量；（4）建立農(nóng)田土壤和小麥籽粒鎘含量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警鎘污染風(fēng)險(xiǎn)，確保農(nóng)產(chǎn)品安全。農(nóng)田環(huán)境污染問(wèn)題不容忽視，未來(lái)應(yīng)著重加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，積極構(gòu)建人與自然和諧共生的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)體系。

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