严格管控类耕地特定农作物重金属安全性评估

张慧敏，鲍广灵，周晓天，高琳琳，胡宏祥，马友华

（安徽农业大学资源与环境学院，农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，合肥 230036）

0 引言

耕地土壤重金属污染对粮食安全及人类健康造成很大威胁，人体重金属危害主要是源于受污染的食品，而作为农产品产地，其质量状况与农业生产、生态环境健康及人类可持续发展息息相关。因此确保国家耕地土壤安全，是当前和今后一个时期的重要任务。

《中华人民共和国土壤污染防治法》明确指出，建立农用地分类管理制度，根据土壤污染程度和相关标准，将农用地划分为优先保护类、安全利用类和严格管控类。其中严格管控类耕地是指土壤重金属镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)含量大于《土壤环境质量农用地风险管控标准》(GB15618—2018)中风险管制值的耕地。对严格管控类耕地，主要采取种植结构调整、退耕还林还草等风险管控措施。其中农业种植结构调整，建议选择改种蚕桑、麻、花卉苗木，以及经过安全评估的油料作物、特色水果、玉米、糖料作物、饲用作物等农作物或生物质高粱等植物，确保舌尖上的安全。从农产品安全的角度，评估严格管控类耕地特定食用类农作物重金属安全性，非常重要和迫切。

1 油料作物重金属安全性评价

1.1 油菜

油菜Oilseed rape (Brassica napus)属于十字花科芸薹属植物，是中国重要的油料作物之一，具有明显的重金属耐受性[1]。油菜不同部位重金属Cd积累量由高到低依次为：根茎＞荚果＞籽粒，且籽粒中的Cd 主要分布在菜籽饼粕中，其含量是菜籽油中的2倍。Cd从油菜籽到菜籽油的转移率为2%～10%，即使是油菜重金属高积累品种，向籽粒中转移的Cd 含量也是有限的[2]。Yang 等[3]分析了重度污染耕地(pH 5.25±0.2，Pb 699±124 mg/kg，Cd 10.3±0.5 mg/kg)油菜中重金属累积特征，结果显示，油菜籽粒中Cd、Pb超过食品安全国家标准(Pb 0.2 mg/kg，Cd 0.5 mg/kg；GB2762—2017)，菜籽油中Cd、Pb含量分别为0.01、0.03 mg/kg，积累量低，与黎红亮等[4]先前的研究结果一致。其中，Pb 含量未超过食品安全国家标准(0.1 mg/kg；GB2716—2005)，目前虽尚无食用油Cd含量限量标准，但其含量低于同类研究的含量值(≤0.05 mg/kg)，健康风险评估显示，终生癌症风险指数(ILCRs)（儿童9.26×10-5；成人8.81×10-6）在国际安全标准范围内(10-6～10-4；U.S.EPA)[5-6]。

此外，油菜具有吸收积累重金属的特征[7]，不同品种油菜吸收重金属的能力不同。其中芥菜型油菜是超积累植物印度芥菜的同属同种植物，其对Cd污染土壤的修复能力有可能超过印度芥菜[8]。甘蓝型油菜在中国南北地区广泛种植，常年种植面积约达700万hm2[9]。甘蓝型油菜修复Cd、Pb 等污染土壤的效果显著，在典型的大面积Cd、Pb 重金属污染区进行替代种植修复，是一种绿色经济高效的重金属污染土壤修复技术[10]。在不停止农业活动的情况下，油菜在冬季对Cd、Pb 重金属污染的农业土壤具有植物提取的潜力[11]。严格管控类耕地可种植低重金属积累的品种，以减少菜籽油中重金属的累积，在安全生产的同时起到提取土壤重金属的效果。

1.2 花生

花生Peanut (Arachishypogaea)是中国产量丰富、用途广泛的一种农作物。重金属主要积累于花生根、茎、叶以及果皮中，其中Cd 在根、茎、叶中的富集系数都高于4，为土壤本底值的5～6 倍。对比之下，花生果肉中Cd 累积量较少。不同种类重金属在花生果肉的富集顺序由大到小依次为：Zn＞Cu＞Cd＞Pb＞As＞Hg。花生可食用部分中花生红皮对铜的富集能力较强，富集系数为3.30，富集浓度高达358.26 mg/kg[4]。

在土壤pH 6.23，土壤中重金属Pb、Cd、As和Hg的含量分别为767.85、6.42、292.92、1.46 mg/kg 的重金属污染土壤上种植花生，果肉中重金属Pb、Cd、As 和Hg的含量分别为3.45、3.53、2.45、0.14 mg/kg，其中Pb、Cd含量超过食品安全国家标准限量值(Pb 0.2 mg/kg，Cd 0.5 mg/kg；GB2762—2017)[4]，因此在Pb、Cd 污染严格管控类耕地上种植的花生，其籽粒不建议作为食品直接食用。

除直接食用外，花生主要作为油料作物榨油食用，用正己烷和石油醚分别对花生果实进行萃取，结果显示，花生毛油中重金属As、Hg 的含量未检测出，Cd 和Pb 的含量都低于0.1 mg/kg，在国家食用油卫生标准(0.1 mg/kg；GB2716—2005)[3]范围内，因此重度污染耕地上花生及其成品油的安全性值得进一步开展研究。

从重金属修复的角度，花生具有一定的重金属修复效果。王帅等[12]的研究结果也表明花生对Cr、Pb的耐受力和富集能力较强，建议可将花生作为修复Cr、Pb污染环境的油料作物。

1.3 芝麻

芝麻Sesame(Sesamum)被列为重要的油料作物之一，在世界食用油生产方面排名第8[13]。有关芝麻中重金属的研究较少，现有的研究表明芝麻对重金属的耐受能力较强，重金属离子Cd2+、Ni2+、Cr6+、Hg2+、Pb2+对芝麻种子萌发毒害的致死浓度分别为20、20、20、50、100 mg/L[14]。且重金属Cd、Pb在芝麻中的积累量由高到低依次为根＞叶＞茎＞壳＞籽粒。Yang 等[3]在土壤pH 5.25±0.2，Pb、Cd 含量分别为699±124、10.3±0.5 mg/kg的重金属污染土壤上种植芝麻，其籽粒Pb、Cd 含量分别为6.9、0.3 mg/kg，Pb 含量超标，但Cd 含量未超过国家标准。索氏提取法提取后，芝麻油中的Pb含量未超过食用植物油卫生标准(0.1 mg/kg；GB2716—2005)，Cd含量在安全水平范围内，对环境和人类健康没有影响。

芝麻对Cd 的总吸附量为(1.55±0.093) kg/hm2，对Pb 的总吸附量为(4.03±0.234)kg/hm2[3,5]。芝麻秸秆等可用作生物质燃料，制作肥料、生物炭等。也可用作吸附材料，去除水溶液中的Cd(II)离子[15]。

1.4 向日葵

向日葵Sunflower (Helianthus annuusL.)，是一种生物量高、适应性强、经济价值高的油料作物，具有生长迅速、种植简便，易于收割的特点，在世界油料作物生产中占有举足轻重的地位。已被证实向日葵对重金属有较强的耐受性和富集能力，能有效去除土壤中的重金属[16]，利用向日葵来开展重金属污染土壤的治理修复具有广阔的应用价值和潜力。

但葵花籽重金属含量存在超标的情况。在土壤pH 4.97，Cd、Pb 含量分别为0.80、93.10 mg/kg 的中度污染土壤上种植向日葵，籽粒Cd、Pb含量分别为3.18、2.50 mg/kg，超过国家标准限量值(Cd 0.5、Pb 0.2 mg/kg；GB2762—2017)限量值[17]。在重度污染耕地(pH 5.25±0.2，Pb 699±124 mg/kg，Cd 10.3±0.5 mg/kg)种植向日葵其籽粒Cd、Pb 也超过国家标准限量值，但葵花籽油中Cd未检出，Pb含量为0.07 mg/kg[3]，符合国家标准。

向日葵品种筛选试验发现，在中度Cd 污染土壤(pH 5.55，Cd 0.85 mg/kg)中种植的向日葵存在籽粒和油中Cd含量均超标的情况，且不同向日葵品种对重金属的吸收积累差异显著：不同品种籽粒Cd 含量范围0.59～5.27 mg/kg，不同品种间最大相差6倍；籽粒油中Cd 浓度范围为0.09～1.96 μg/g，品种间有23 倍的差异[18]，因此选种低积累品种对于确保严格管控类耕地种植向日葵的安全性尤为重要。

1.5 大豆

大豆(Glycine maxL.)是植物性食用蛋白质的主要来源，如豆腐、豆浆、蔬菜和酱油，这些大豆制品被亚洲居民和世界各地的素食者广泛食用。正因为如此，大豆食品中的重金属污染引起了人们极大的关注[19-20]。

有研究表明大豆对重金属Cd、Hg、As、Pb 均具有一定的耐受性，主要由于其对以上重金属有独特的重金属避性机制，生物转移能力较小[21]。杨燕媛等[22]小区试验结果表明，对于单Pb 污染土壤，种植大豆的超标风险较玉米和蔬菜类低。但也有研究表明在0.5 μmol/L Cd 处理下，‘Enrei’大豆品种籽粒Cd 含量为4.89 mg/kg[23]，超过食品安全国家标准中对Cd 的限量值。对不同土壤种植大豆重金属超标情况的研究结果显示，在20 个Cd、Pb 重度污染土壤（Cd、Pb 均值分别为21 mg/kg，1500 mg/kg）中，19 个土壤种植出的大豆籽粒Cd 超标，Pb 的积累量较低[24]。在100 mg/L Cr处理下，大豆对Cr 的迁移率为54.2%，地上部Cr 铬积累量可达1533.7 μg/株，表现出较高的富集能力[12]，这与大豆对Pb的积累量（184.2 μg/株）对比悬殊。

大豆各部位对Cd、Pb 的吸收能力表现为：根＞秸秆＞叶＞籽粒[25]，其中籽粒对Cd、Pb 的积累量最低。大豆籽粒中重金属分布的同步辐射X射线荧光微光谱(SR-μXRF)图像显示，Cu、Zn、Cr、Ni、Pb 和Hg 主要聚集在大豆胚芽中，Cd和As在胚芽中没有特异性富集，而是在籽粒周围表现出均匀的浓缩[26]。因此，在食品加工过程中可以取出胚芽，以减少重金属的富集。大豆籽粒中Cd主要富集于蛋白质和淀粉中，脂肪中积累较少。己烷抽提法提取的豆油中含Cd 量为全籽粒中的0.3%左右，即使当籽粒Cd4.89 mg/kg严重超标的情况下，大豆油分中Cd含量仅为0.015 mg/kg[23]。但是由于Cd 主要存在于蛋白质及淀粉中，要重视豆制品（豆腐类、豆粉类等）的重金属安全性。Cr 污染严格管控类耕地需进一步检测豆油中重金属Cr的含量，评估其食用安全性。

1.6 油茶

油茶(Camellia oleiferaAbel.)是中国重要的木本食用油料树种，其主要产物——茶油是一种优质食用油，被誉为“东方橄榄油”。茶油也可用作工业润滑油、防锈油；茶饼既是肥料，又是农药，可提高农田蓄水能力并起到防治稻田害虫的作用；果皮是提制栲胶的原料。

油茶地上部分重金属Pb、Zn、Cd 含量显著大于根，转移系数均大于1，吸收重金属后表现出较强的向地上部分转移的能力[27]。而油茶果肉对重金属Cr、Pb的富集系数显著大于根、叶的富集系数[28]，尤其对Pb表现出较强的富集能力。

在浙江省油茶主产区随机抽取12个样品，分别对油茶籽果肉、外壳及通过压榨（热榨、冷榨）和浸提两种方式获得的油茶籽油、残渣等进行检测，分析了6种重金属元素(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Se)的含量及其相关性。结果表明，浸提油中重金属含量平均值的大小顺序依次为Pb＞Cr＞Se＞As＞Cd＞Hg，压榨油中重金属含量平均值的大小顺序依次为Cr＞Pb＞Se＞As＞Cd＞Hg；浸提油和浸提残渣中Pb 含量均有样品超过国家食用油卫生标准(GB2716—2005)中0.1 mg/kg 的限量值，其中浸提油Pb 超标率为33.3%，浸提残渣Pb 超标率为35.7%[29]。油茶籽油存在重金属超标风险，在严格管控类耕地种植需进一步评估品种的积累特性以及籽粒油的安全性。

综合以上对油菜、花生、芝麻、向日葵、大豆、油茶等油料作物的研究，除油茶以外，籽粒中重金属主要与蛋白质络合，富集在粕饼中，而植物油中的重金属含量在安全范围内（表1）。从降低农产品超标风险来看，Pb污染耕地适宜种植向日葵，Cd污染适宜种植芝麻。在植物油萃取剂的选择上，正己烷是菜籽油和芝麻油的最佳萃取剂，石油醚是花生油的最佳萃取剂。

表1 几种油料作物重金属积累情况汇总 mg/kg

饼粕经过重金属去除后，可以作为优良的动物饲料和有机肥，能将资源利用最大化[30]。且油料作物对重金属具有很好的耐性和积累特性，尤其是地上部分生物量大，从重金属提取量来看，油菜、花生、芝麻、向日葵中，提取重金属Pb 效果最好的是向日葵，其次是油菜；提取重金属Cd 效果最好的也是向日葵，其次是花生。因此，油菜、花生、芝麻、向日葵、大豆等油料作物在严格管控类耕地重金属污染修复中具有良好的应用前景[12]。

2 玉米重金属安全性评价

2.1 玉米重金属含量

玉米Maize(Zea maysL.)是重要的谷类作物，中国是世界第二大玉米生产和消费国[31]。按收获物和用途可分为籽粒用玉米、鲜食玉米、青贮玉米等，其中籽粒用玉米是中国主要玉米产品。近年来，中国籽粒用玉米大约总产量的10%作为食用玉米，68%作为饲料，20%以上作为工业加工原料[32]。

对于食用玉米，其重金属安全性是首先要考量内容。玉米对重金属如Cd 和Pb 有一定的耐受性[33-34]，不少文献报导了玉米与不同作物重金属安全性的对比。焦位雄等[35]对在甘肃省Cd、Hg、Pb重度污染的土壤上种植当地10 种主要栽培作物的安全性进行评价，结果表明玉米对重金属的敏感性最弱，吸收和富集能力较小，玉米污染指数最小，并推荐玉米作为甘肃省农产品产地土壤重金属污染防治中低风险区域种植业结构调整的首选作物。在马铃薯、玉米、啤酒大麦、谷子等粮食作物中，玉米籽粒对重金属的富集能力最低，且玉米生物量大，是典型的重金属富集作物[36]。也有研究表明，对于单Cd 污染以及Cd、Pb 复合污染土壤，玉米的超标风险较大豆以及蔬菜低[22]。对广西省玉米、花生Cd、Hg、Pb、Cu、Zn 5 种重金属的预测和风险评估表明玉米根际土壤重金属含量高于花生根际土壤，而玉米籽粒无重金属污染，Cd 和Pb对花生籽粒有潜在的危害，且相对于花生和小麦，玉米籽粒吸收和积累重金属的能力较弱[38-39]。王娟等[37]分析了铜陵Cd 重度污染耕地玉米不同组织重金属含量，结果显示玉米籽粒Cd 含量为(0.07±0.08) mg/kg，未超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB2762—2017) 中Cd 的 限 量 值(Cd 0.2 mg/kg)。Beri[40]体外消化和细胞吸收研究结果显示，大部分玉米籽粒Cd 是生物不可利用的，不会对人体产生负面影响。

作为饲料玉米，则不仅要考虑籽粒重金属安全性，还要考核秸秆重金属积累情况。玉米秸秆对重金属富集 量 与 籽 粒 不 同，在Cd 含 量1.58 mg/kg，Pb 含 量256.75 mg/kg，As 含量90.82 mg/kg，pH 6.98 的重金属中度污染农田种植玉米，玉米不同品种茎叶Cd、Pb、As平均值分别为1.73、21.80、5.10 mg/kg[41]，其中Cd、As含量已超过了国家饲料卫生标准(Cd 1.0 mg/kg，Pb 30.0 mg/kg，As 4.0 mg/kg；GB13078—2017)。

因此，严格管控类耕地种植玉米，若全株作青贮玉米饲料，存在重金属超标风险。而籽粒重金属超标风险相对较低，可进一步种植低积累玉米品种以达到籽粒安全生产的目的。

2.2 玉米大豆间作模式对严格管控类耕地玉米重金属影响

玉米间作种植是获得可安全食用农产品的可行方法。其中，玉米/大豆间作还具有互补优势，提高单位面积土地产出量，减少氮肥投入和土壤碳排放等特点[42]。

李涵等[43]在Cd 污染严格管控类耕地(pH 5.51，Cd 1.98 mg/kg)分别开展Cd低积累、高积累玉米和大豆间作试验，结果表明间作模式下Cd高积累和低积累玉米品种籽粒Cd含量平均分别为0.139、0.003 mg/kg，分别较单作降低了14.88%和88.46%；大豆秸秆和籽粒的富集系数分别为2.567～3.329和0.667～0.764，玉米秸秆和籽粒的富集系数分别为0.729～3.339和0.001～0.079，间作玉米秸秆富集系数较单作增加0.15%～46.22%，低Cd 积累玉米籽粒富集系数较单作降低84.62%～92.31%。间作大豆可以保证低Cd积累玉米籽粒在Cd污染土壤的安全生产，为土地合理利用提供有效的参考途径。

3 茶树重金属安全性评估

中国茶树(Camellia sinensis)种植面积和产量分别占全球茶叶种植面积和产量的54%和41%[44]。近年来，茶叶中重金属的安全性也逐渐被重视，《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB2762—2017)和《茶叶中铬镉汞砷及氟化物限量》(NY659—2003)分别规定了茶叶中Pb、Cr、Cd、Hg、As 5种重金属元素的限量分别为5.0、5.0、1.0、0.3、2.0 mg/kg。

已有不少针对不同地区茶园土壤及茶叶重金属含量的调查及研究，显示了不同程度重金属污染土壤茶叶超标情况。吴爱美等[45]对池州市茶叶上市期间4个县区的10批次茶叶样品中Pb、Cr、Cd、As、Hg 5种重金属含量进行抽样检测，结果显示茶叶Pb 含量为0.07～4.90 mg/kg，Cr 含 量 为0.71～2.49 mg/kg，Cd 含 量 为0.03～0.36 mg/kg、总As 含量为0.02～0.92 mg/kg、总Hg含量为0.0018～0.095 mg/kg，均未超国家标准，但有2个样品Pb 含量已处于临界值。刘春林等[46]对贵州雷山茶区土壤-茶叶体系重金属含量特征的研究表明，研究区土壤重金属除Hg以外均低于国家限定标准，茶叶重金属含量未超标，且符合富锌要求。也有研究显示，在Cd、Se地质高背景区（土壤Cd含量均值1.35 mg/kg，所有样点均远高于风险筛选值，其中8 个样点高于风险管制值；53.33%的土壤样品Se 含量达到高硒水平，46.67%的土壤样品Se 超标）富硒茶中Se、As、Hg、Cd的EDI均低于TDI值，THQ 远小于1，无明显健康风险[47]。Ning 等[48]对产自中国的30 种茶叶重金属含量分析发现，Pb含量为0.26～3.2 mg/kg，As含量为0.035～0.24 mg/kg，Cd 含量为0.0059～0.085 mg/kg，全部在国家标准范围内。

自然背景下的土壤类型对茶叶重金属的积累有一定影响。一般来讲源自二叠系石灰石和寒武纪弱矿化白云岩的土壤中的重金属含量明显高于志留系碎屑岩，而茶叶中Cd、Hg、As、Pb、Cr 的积累与土壤中重金属的含量正相关，因此从重金属安全角度考虑，源自志留系碎屑岩的土壤更适宜种植茶树[49]。

茶叶一般不直接食用而是用热水浸泡后饮用茶汤。因此，在分析茶叶中重金属元素含量的同时，需分析茶叶重金属浸出特征，并进行重金属风险评价。茶叶重金属浸出率实验显示，同一冲水量条件下，As、Hg、Pb、Cd 的浸出率在30 min 时最高（分别为52.2%、51.2%、27.1%、11.2%），且浸出量随着浸泡时间的延长而增长[50]。茶叶健康风险评价研究显示，茶叶老叶中重金属含量以及累积危害指数(HI)显著高于嫩叶[49]。嫩叶对Cu、Zn、Ni、Co的富集能力强于老叶，而老叶对Mn、Pb、Hg、Cd、Cr、As 的富集能力强于嫩叶[46]。

但目前针对严格管控类耕地的茶叶重金属安全性的研究较少，在严格管控类耕地开辟茶园，茶叶的重金属安全性有待进一步研究。

4 展望

面对中国人多地少的实际情况以及耕地重金属污染的现状，在严格管控类耕地上种植经过安全性评估的特定可食用农产品，以保障农产品安全，具有良好的应用价值，但目前尚出于起步阶段，需进一步研究、完善。

食用类作物重金属安全阈值体系尚需进一步完善，如补充中药、油料等重金属安全限量值，构建以重金属有效态为评价标准的生态安全阈值等。在此基础上筛选出可在严格管控类耕地安全生产、可推广的作物品种，确保舌尖上的安全，并探究降低作物食用部分重金属积累、提高作物产量和品质的方法，研发相应作物秸秆资源化利用同时，防止二次污染。

针对严格管控类耕地进行种植结构调整或种植经过安全评估的特定食用农产品的，建议政府给予生态补偿。同时针对广大农户可能存在的资金投入、技术知识、销售渠道等方面的问题，给予相应的政策支持。完善全产业链，推动产业融合发展、因地制宜开展特色农产品品牌建设，推动产业可持续发展。