贵阳市南明河中下游水东段沿岸菜地农作物重金属污染评价

2019-09-10张桂玲罗绪强廖艳梅高琴赵娜梁红花陈颖

山地农业生物学报 2019年3期

张桂玲罗绪强廖艳梅高琴赵娜梁红花陈颖

摘要：为了解贵阳市南明河水东段沿岸菜地农作物的重金属污染情况，在该区域内选取了较为常见的5种农作物为研究对象，分别对其Cd、Pb、Zn、Ni含量进行了测定分析。结果表明：（1）贵阳市南明河中下游东段沿岸菜地土壤中的Cd、Pb、Zn、Ni平均含量分别为2.61 mg/kg、51.03 mg/kg、1491.46 mg/kg和42.04 mg/kg，其中，Zn污染非常严重，Cd污染较为严重，而Pb、Ni为轻度污染。土壤重金属Cd、Pb、Ni可能有相同的来源;（2）不同重金属在5种农作物及其不同器官中的含量均为Zn>Pb>Ni>Cd，其中，Pb、Ni、Cd含量均超过了食品中污染物限量的国家食品安全标准，Zn含量高于食品中Zn限量的卫生标准。农作物重金属复合污染中，Cd 与 Pb、Cd 与 Zn、Pb与 Zn之间具有协同作用;（3）研究区各农作物及其根、茎、叶器官均受到Cd、Pb、Zn、Ni污染，除辣椒茎中的Zn处于轻度污染外，Cd、Pb、Zn、Ni全部为重度污染;（4）叶菜类蔬菜大白菜叶器官抗土壤Cd、Pb污染能力较弱，应尽量避免在Cd、Pb污染土壤上种植大白菜。

关键词：城市流域;农作物;重金属;污染评价;南明河水东段

中图分类号：X53;X820.4

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2019）03-0056-07 国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.03.010

Abstract：In order to understand the situation of heavy metal contamination along the Shuidong section of the middle and lower reaches of Nanming River in Guiyang City，five common crops were selected as the research objects，and the contents of Cd，Pb，Zn and Ni were measured and analyzed. The results showed that，（1） the average contents of Cd，Pb，Zn and Ni in the soil of vegetable field along the Shuidong section of the middle and lower reaches of the Nanming River in Guiyang City were 2.61 mg/kg，51.03 mg/kg，1491.46 mg/kg and 42.04 mg/kg，among which the pollution of Zn and Cd were serious，and Pb and Ni were mild. Cd，Pb and Ni in soil might have the same source. （2） The contents of heavy metals，in five crops including their different organs，were Zn > Pb > Ni > Cd. Among them，Pb，Ni and Cd exceeded the national food safety standards of contaminant limits，and Zn was higher than the hygienic standards of zinc limits in food. Among combined pollution of heavy metals in the crops，there is a synergistic effect between Cd and Pb，Cd and Zn，Pb and Zn. （3） All crops and their roots，stems and leaf organs in the study area were polluted by Cd，Pb，Zn and Ni. Except for Zn in the pepper stem，the Cd，Pb，Zn and Ni were all heavily polluted. （4） The leaf organs of leafy vegetables，such as Chinese cabbage，were vulnerable to soil Cd and Pb pollution，and should avoid planting Chinese cabbage on Cd and Pb contaminated soils.

Key words：urban watershed; crops; heavy metal;contamination assessment; Shuidong section of Nanming river

貴阳市南明河是喀斯特地貌下的流域[1]，发源于贵州省安顺市平坝区马场镇林卡境内的白泥田，为长江流域乌江水系清水河的源头河流，自贵阳市花溪区进入城区西南段，东北向流经南明、云岩两城区，主体自西向东至开阳、龙里两县和福泉市交界的两岔河与独木河汇合注入清水河[2]，河长148 km，流域面积 2182 km2，其中在贵阳市境内约 100 km，流域面积 1433 km2，是流经贵阳市区最大的一条河流[3]。

城市中的流域是人为活动的优势区域，随着城市化进程的加快和城市扩张以及人民生活水平的提高，人类社会与生态环境之间的物质交换活动愈加频繁，废水的排放量不断增加[1]。贵阳市南明河多数河段均已遭受到不同程度的污染[3]，其中，重金属污染情况尤其突出，且受重金属污染的地带同时伴随着有机污染物的综合污染，底泥中重金属和有机质含量的高峰值均出现在南明河中下游，污染物主要来自水体[2]。

尽管贵阳市对南明河污染治理已采取有力措施并取得一定成效[4]，但重金属在土壤和农作物中的积累富集仍然是现今不可忽视的环境问题之一，尤其是在居民自主种植区域，长期使用污染河水灌溉极易造成土壤重金属污染，土壤及作物的安全性值得考究[5]。本文以贵阳市南明河中下游水东段沿岸菜地农作物为研究对象，分析了不同种类农作物中不同重金属的富集情况，以期为该河段沿岸居民自主种植农作物的质量及其健康风险评价提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与制备

以贵阳市水口寺大桥为起点，新东桥为终点，选取南明河中下游水东段沿岸菜地为研究区域，在该区域内选取了较为常见的叶菜类蔬菜大白菜（Brassica pekinensis）、空心菜（Ipomoea aquatica）和茄果类蔬菜茄子（Solanum melongena L.）、辣椒（Capsicum annuum L.）、南瓜（Cucurbita moschata）等共5种农作物为研究对象。所有农作物样品均采用多点混合法且整株手工采集，共采集农作物样品42个（大白菜、茄子、南瓜各6个，空心菜9个，辣椒15个）;在农作物种植地用木铲采集相应的土壤，各点所取土样质量尽量相同，多点混合成一个样品，共采集土壤样品6个，采集深度为表层（耕作层）0～20 cm。

样品带回实验室后，农作物样品尽快用自来水冲洗其表面附着的泥土灰尘，再用超纯水漂洗，晾干，于70℃下烘干至恒重，取出后将农作物分别分根、茎、叶等部分进行粉碎，过0.149 mm尼龙筛，塑料袋封装干燥保存，备用。土壤样品在实验室内平铺在牛皮纸上自然风干，除去石砾及动植物残体等异物，粉碎，过0.149 mm尼龙筛，塑料袋封装干燥保存，备用。

1.2 样品处理

称取农作物样品0.5000 g（土壤样品，0.2500 g），置于10 mL聚四氟乙烯坩埚底部。加4 mL硝酸和1 mL氢氟酸（土壤样品，加4 mL硝酸和2 mL氢氟酸），轻轻晃动坩埚，使样品混合均匀，盖上坩埚盖子。将坩埚放入不锈钢水热反应釜中，拧紧反应釜盖子。将反应釜在200℃鼓风干燥箱中持续加热8 h，自然冷却至室温后取出坩埚。将坩埚置于220℃电热板上敞开加热至样品呈粘稠状，自然冷却后加入2 mL上述硝酸，再次置于220℃电热板上敞开加热至样品呈粘稠状，如此反复3次，样品被完全消解，氢氟酸被完全除尽，消煮液呈清澈透明状。用超纯水将冷却后的消煮液全部转移到50 mL容量瓶中（土壤样品，全部转移到25 mL容量瓶中），定容，摇匀，同时做试剂空白。

1.3 试剂与仪器

硝酸、氢氟酸等：优级纯，国药集团化学试剂有限公司;Cd、Pb、Zn、Ni标准储备液：均为 1000μg/mL，国家标准物质中心;水：超纯水，电阻率≥18.2 MΩ·cm（25℃），本实验自制。

原子吸收分光光谱仪：PE-5100-PC型，珀金埃尔默仪器有限公司;超纯水机：TST-UPWB-20型，石家庄泰斯特仪器设备有限公司;电热板：DB-3型，北京市永光明医疗仪器有限公司;分析天平：BSA224S-CW型，赛多利斯（上海）贸易有限公司;水热反应釜：THC-F4型，济宁市兖州区天合化学科技有限公司。

1.4 测定条件及方法

采用原子吸收分光光谱仪测定样品中的Cd、Pb、Zn、Ni共4种元素的含量。本试验所使用的容器均用10%的稀硝酸溶液浸泡过夜，再用超纯水清洗烘干后使用。

1.5 数据处理与统计分析

采用 Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 19 软件对实验数据进行处理和统计分析。

1.6 评价方法

1.6.1 土壤重金属污染程度

采用土壤污染因子（CF）评价土壤重金属的污染程度。计算公式如下：

CF重金属=C重金属/C背景值（1）

式中，CF重金屬为土壤中某重金属的污染因子;C重金属为土壤中某重金属含量的实测值（mg/kg）;C背景值为当地土壤中该重金属的背景含量（mg/kg）。根据CF值大小，土壤污染程度可分为7个水平：CF值<1，无污染;CF值1～2，轻度污染;CF值2～3，中度污染;CF值3～4，污染较为严重;CF值4～5，严重污染;CF值5～6，严重污染到非常严重污染;CF值>6，非常严重污染[6]。

1.6.2 农作物对重金属的富集

采用富集系数（BCF）评价农作物对土壤中某种重金属富集的难易程度[7-8]。计算公式如下：

BCF=CV/CS（2）

式中，BCF为农作物某组织或器官的重金属富集系数;CV为农作物某组织或器官中的重金属含量（mg/kg）;CS为土壤中的重金属含量（mg/kg）。BCF数值越小，表明农作物某组织或器官吸收重金属的能力越差，抗土壤重金属污染的能力则越强[9]。

1.6.3 农作物重金属污染程度

采用单因子污染指数和综合污染指数法（内梅罗综合污染指数法）[10-12]对农作物做重金属污染评价。其中，单因子污染指数法按下式计算：

Pi=Ci/Si（3）

式中，Pi为重金属i的污染指数;Ci为农作物中重金属i的实测值（mg/kg）;Si为农作物中重金属i的评价标准（mg/kg）。当Pi≤1 时，表示农作物未受污染;当Pi>1时，表示农作物受到污染。综合污染指数计算方法如下：

Pi综合=[（ P2iavg+ P2imax）/2]0.5（4）

式中，Pi综合为重金属i的综合污染指数;Piavg为重金属i的单因子污染指数的平均值（mg/kg）;Pimax为重金属i的单因子污染指数的最大值（mg/kg）。通常，设定综合污染指数Pi综合≤0.7为安全等级，Pi综合≤1.0为警戒限，Pi综合≤2.0为轻污染，Pi综合≤3.0为中污染，Pi综合>3.0为重污染。

2 结果与分析

2.1 土壤中的重金属含量及污染评价

由表1可以看出，贵阳市南明河中下游水东段沿岸菜地土壤中的Cd、Pb、Zn、Ni含量全部高于贵州省土壤元素背景值[13-14]和中国土壤环境背景值[15]。土壤中Cd、Pb、Zn、Ni平均含量分别为2.61、51.03、1491.46和42.04 mg/kg，其中，Pb、Ni含量均低于农用地土壤污染风险筛选值（pH 6.5～7.5）[16]，但Cd、Zn含量均已远远超过此值。土壤中4种重金属的土壤污染因子（CF）大小为：Zn>Cd>Pb>Ni。其中，Zn的CF值>6，说明土壤中重金属Zn污染非常严重;Cd的 CF 值在3～4区间，污染较为严重;而Pb、Ni的CF值均在1～2区间，为轻度污染。

土壤中的4种重金属含量数据均属于正偏态分布（偏度>0），变异系数均较小，属于弱变异，表明不同采样点之间土壤重金属含量的变化性较弱，均匀性较好。总体上，4 种重金属含量在空间上的变异性大小顺序为：Zn>Cd>Pb>Ni。

一般来说，元素含量之间显著正相关，表明它们可能有相同的来源，而元素含量之间显著负相关，则表明它们可能有不同的来源[10，17]。为了解贵阳市南明河中下游水东段沿岸菜地土壤重金属的来源，对土壤中4种重金属含量进行了相关分析（见表2）。相关分析结果表明：土壤Cd含量与Pb含量和Ni含量均显著正相关（P<0.05），表明Cd与Pb和Ni可能有相同的来源。

2.2 农作物中的重金属含量

由表3可知，不同重金属在 5 种农作物及其不同器官中的含量均为 Zn>Pb>Ni>Cd，其中，Pb、Ni、Cd含量均超过了食品中污染物限量的国家食品安全标准[18]，Zn含量全部高于食品中锌限量的卫生标准[19]。Cd、Pb、Zn、Ni在不同农作物根中的含量均为空心菜>大白菜>辣椒;Cd在茎中的含量为南瓜>空心菜>茄子>辣椒，在叶中为茄子>大白菜>空心菜>辣椒>南瓜;Pb在茎中的含量为茄子>南瓜>空心菜>辣椒，在叶中为大白菜>辣椒>茄子>空心

2.3 农作物中重金属含量的相关性

农作物中各重金属元素间相关性为显著或极显著，说明它们之间一般是复合污染或具有同源关系[5]。从表4可以看出，贵阳市南明河中下游水东段沿岸菜地农作物中，重金属Cd 与 Pb、Cd 与 Zn、Pb与 Zn的含量间均呈极显著正相关关系（P<0.01），其它元素间的相关性均不显著（P>0.05），说明贵阳市南明河中下游水东段沿岸菜地中的Cd、 Pb、 Zn污染可能具有同源关系，农作物重金属复合污染中，Cd 与 Pb、Cd 与 Zn、Pb与 Zn之间具有协同作用[5，12，20-21]。

2.4 农作物对重金属的富集

农作物某组织或器官的重金属富集系数（BCF）能表征重金属从土壤向农作物组织或器官迁移的能力，也是评价农作物组织或器官吸收重金属能力和抗土壤重金属污染能力的重要指标[9-10，14，22]。由表5可以看出，大白菜根中重金属的BCF大小为Pb>Zn>Cd>Ni，叶中为Cd>Zn>Pb>Ni，且Cd、Pb、Zn的BCF均为叶部大于根部;空心菜根、茎、叶中的重金属BCF大小均为Cd>Pb>Zn>Ni，且Cd、Pb的BCF均为根>茎>叶，Zn、Ni的BCF均为根>叶>茎;茄子茎、叶中的重金属BCF大小均为Cd>Pb>Zn>Ni，且Cd、Pb、Zn的BCF均为茎>叶;辣椒根、茎中的重金属BCF大小均为Pb>Cd>Ni>Zn，叶中为Pb>Cd>Zn>Ni，Cd、Pb、Zn、Ni的BCF均为叶>根>茎;南瓜茎中的重金属BCF大小为Cd>Pb>Zn>Ni，叶中为Pb>Cd>Ni>Zn，Cd、Pb、Zn的BCF均为茎>叶。

农作物组织或器官内重金属的含量一方面与土壤重金属的污染程度和污染元素的性质有关，另一方面还与农作物组织或器官本身对重金属的选择吸收性能有关[23-26]。农作物对 Cd 的富集能力相对其他重金属元素较强，主要是因为 Cd 的地球化学活性较强，相同條件下容易被农作物吸收[27-29]。大白菜是叶菜类蔬菜，可食用部分叶中Cd、Pb的富集能力均高于根部，表明其叶部抗土壤Cd、Pb污染的能力均较弱[9]，应予以重点关注，尽量避免在Cd、Pb污染土壤上种植大白菜。

2.5 农作物中重金属污染评价

由表6可以看出，研究区大白菜根和叶、空心菜叶中4种重金属单因子污染指数大小排序均为Pb>Zn>Ni>Cd，空心菜根和茎中均为Pb>Zn>Cd>Ni，茄子茎和叶、辣椒叶、南瓜茎中均为Pb>Cd>Zn>Ni，辣椒根和茎、南瓜叶中均为Pb>Cd>Ni>Zn。各农作物及其根、茎、叶器官中Cd、Pb、Zn、Ni污染指数值均大于1，表示它们均受到Cd、Pb、Zn、Ni污染。除茄子茎和叶、辣椒叶外，各农作物及其器官中Cd、Pb、Zn、Ni的综合污染指数大小顺序与单因子污染指数大小顺序均相同。综合污染指数以辣椒茎中的Zn最小，为2.0，其余各农作物及其器官中Cd、Pb、Zn、Ni的综合污染指数均大于3.0，表明除辣椒茎中的Zn处于轻度污染外，各农作物及其器官中Cd、Pb、Zn、Ni全部为重度污染[10-12]。

Pb、Cd是具有致畸、致癌和致突变效应的有害元素，在人群中的低剂量暴露就可造成多系统、多器官的损伤[29-30]。Ni、Zn虽为人体必需或可能必需的元素，但过度摄入同样会对人体造成危害，并且会抑制体内其他元素的利用[8-12]。研究区农作物中的Cd、Pb、Zn、Ni含量均较高，长期食用该地区种植的农作物可能对人体具有一定的健康风险，应予以关注。

3 结论与讨论

贵阳市南明河中下游水东段沿岸菜地土壤受到重金属Cd、Pb、Zn、Ni污染，Cd、Zn污染较为严重，Cd、Pb、Ni可能有相同的来源。种植区种植的农作物总体上存在一定的安全隐患，大白菜和空心菜等农作物及其根、茎、叶器官均受到Cd、Pb、Zn、Ni污染，且几乎全部为重度污染。研究区农作物重金属复合污染中，Cd 与 Pb、Cd 与 Zn、Pb与 Zn之间具有一定的协同作用。

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