河北省张北地区土壤和莜麦重金属含量及健康风险研究
2024-04-03鲁倩王雪飞车健马程余明边朋沙张硕
鲁倩 王雪飞 车健 马程 余明 边朋沙 张硕
摘要 为探讨河北省张北地区土壤和莜麦中重金属元素含量及健康风险，选择17个适宜采样点进行表层土壤和莜麦籽实样品的采集，通过单因子污染指数法、综合污染指数法和富集系数分别对土壤质量和重金属元素从土壤向莜麦迁移能力进行研究。结果表明：研究区土壤和莜麦中重金属含量远低于国家标准，品质安全健康；区内重金属元素在土壤-莜麦系统中富集能力为Zn>Cu>Ni>Cd>As>Pb>Cr=Hg，Ni、Cu和Zn的富集系数远高于Cr、As、Cd、Hg、Pb，Cd迁移能力很弱，As、Pb几乎不发生迁移，Cr、Hg不发生迁移。
关键词 重金属元素；含量测定；土壤；莜麦；健康风险；河北省张北地区
中图分类号 X53 文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2024）06-0081-05
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.018
开放科学（资源服务）标识码（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
隨着人们对生态环境的日益重视，土壤、食物、水等与人体健康息息相关的生命资源中重金属元素的含量和污染状况也越来越受到大家的关注［1-5］。土壤是农业发展的关键资源，是关乎国计民生的大事，其元素含量和健康状况等情况直接影响着作物品质［6-13］，如果土壤遭到破坏，那么就意味着农作物不能正常生长，这会直接影响作物的产量和农民的收益。许多学者探讨了重金属元素在土壤-川芎、土壤-芒萁系统的含量和迁移规律，并取得了一定的成果［12，14］。在土壤-植物系统的研究中，学者们主要通过探讨重金属元素在土壤和植物中的富集迁移等特征，总结出重金属元素在土壤和植物中迁移与富集规律，进而对土壤质量和植物品质进行评价［5，15-16］。笔者选择河北省张北地区为研究区，系统采集当地莜麦耕地表层土壤样品（0～20 cm）及莜麦籽实样品并进行测试分析，探讨研究区土壤和莜麦中重金属元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb的迁移富集特征，以期为研究当地土壤状况和莜麦品质提供科学依据。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
研究区地处河北省西北部，隶属于河北省张家口市张北县，地处41°16′14.42″～41°29′29.92″N、114°42′0.97″～115°04′50.35″E（图1）。
研究区土壤类型多为栗钙土，其中尤以典型栗钙土为主要土壤类型；气候为温带大陆性季风气候，四季分明，日照充足，年平均气温4 ℃，全年最高气温不超过24 ℃；该区年降水量为300 mm左右，主要集中在6—8月。研究区农业经济占绝对主导地位，主要农作物种类为莜麦、马铃薯、胡麻等。
1.2 样品采集
根据相关标准在研究区莜麦耕地中选取合适样点17个进行表层土壤样品（TY-1，TY-2，…，TY-17）和莜麦籽实样品（YM-1，YM-2，…，YM-17）采集（图2）。
土壤样品是在土层较厚、远离道路的莜麦耕地垂直深度20 cm进行采集，采样时会将土中杂物去除且上下均匀采集，最后将样品编号并装入干净的布袋。莜麦是研究区主要作物，具有很高的研究价值，所以该研究选择莜麦为植物样品，在莜麦收获期（9月），采集健康、无病虫害的代表性莜麦植株麦穗，编号后将样品放入聚乙烯塑料袋中，扎紧袋口以防止水分蒸发。
1.3 样品加工和测试
此次测试分析工作承担单位为河北省地质实验测试中心和国家地质实验测试中心。在室内对土壤样品进行风干、磨细、过筛、混匀处理，对莜麦样品进行脱粒、清洗、干燥、粉碎、研磨、过筛、混合处理。土壤和莜麦样品中As和Hg的含量采用氢化物-原子荧光光谱法（HG-AFS）测定，Pb、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni的含量利用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）测定；土壤pH使用pH计测定。
1.4 研究方法
该研究拟采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对莜麦耕地表层土壤重金属元素污染状况进行评价［4-5，14，17-20］，利用富集系数判断莜麦籽实对重金属元素的富集能力［1-2，14］。
（1）单因子污染指数法。计算公式如下：
Pi=Ci/Si（1）
式中：Pi为土壤中重金属元素的单因子污染指数；Ci为土壤中重金属元素的实测值；Si为土壤中重金属元素的评价背景值，此处背景值采用《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）中国家二级标准。Pi≤1.0为清洁，1.0＜Pi≤2.0 为轻度污染，2.0＜Pi≤3.0 为中度污染，Pi＞3.0为重度污染［17］。
（2）内梅罗综合污染指数法。计算公式如下：
P=P2ibmax+P2ibave2（2）
式中：P为综合污染指数；Pibmax为第b个点土壤重金属元素单因子污染指数最大值；Pibave为第b个点土壤所有重金属元素单因子污染指数平均值。P≤0.7为安全、清洁，0.7
（3）富集系数（BCF）。计算公式如下：
BCF=CYM/CTY（3）
式中：BCF为富集系数；CYM为莜麦中某重金属元素含量实测值； CTY为土壤中某重金属元素含量实测值。
富集系数可以判断植物将重金属元素吸收转移到体内并在体内富集的能力大小，反映了重金属元素在土壤-植物体系中迁移的难易程度［14］。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属元素含量特征与污染现状评价 研究区莜麦种植土壤pH实测值为7.51～9.11，其中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量见表1。从表1可以看出，研究区土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量分别为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，均远低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）农用地土壤重金属污染风险筛选值，属无重金属污染清洁土壤。其中TY-8较为特殊，其Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb含量均为各采样点同种单元素中最高值，猜测可能与人为活动有关。
该研究采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对莜麦耕地表层土壤重金属污染状况进行评价。由表2可知，研究区莜麦耕地中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb单因子污染指数与综合污染指数分别远低于1.0和0.7，研究区土壤未产生重金属污染，属于清洁未污染土地［5，17］。
2.2 莜麦中重金属元素含量
重金属元素是决定作物品质的关键因素，关乎人和动物的身体健康［20］，因此，对研究区主要作物莜麦中重金属含量进行研究很有必要。 由表3可知，莜麦籽实中Cr和Hg含量为0，Ni含量为0.92～6.80 mg/kg，Cu含量为2.23～4.97 mg/kg，Zn含量为11.85～23.10 mg/kg，As含量为0.00～0.04 mg/kg，Cd含量为0.00～0.01 mg/kg，Pb含量为0.00～0.05 mg/kg，远低于《食品安全国家标准食品重污染限量》（GB 2762—2017）中谷物重金属元素限量值标准，属安全无害食品。
2.3 重金属元素从土壤向莜麦中迁移特征
富集系数（BCF）能反映重金属元素在土壤-植物体系中迁移的难易程度［14，21］。该研究采用富集系数判断莜麦籽实将重金属元素吸收转移到体内并在体内累积的能力。由表4可知，研究区内莜麦对重金属元素富集能力为Zn>Cu>Ni>Cd>As>Pb>Cr=Hg，其中，Ni、Cu和Zn的富集系数分别为0.062～0.625、 0.105～0.456、0.261～0.934，富集系数远高于Cr、As、Cd、Hg和Pb这5种元素，在土壤-莜麦系统中较易发生迁移，这可能与莜麦光合作用等过程需要Zn、Cu和Ni等元素有关［22-28］。Cd迁移能力很弱，富集系数为0.000～0.167；As、Pb几乎不发生迁移，富集系数分别为0.000～0.007、0.000～0.003；Cr、Hg不发生迁移，富集系数为0。
3 结论
（1）研究區莜麦耕地土壤中重金属污染元素Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量远低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）农用地土壤重金属污染风险筛选值，属于清洁未污染农业资源。
（2）研究区莜麦籽实中危害人体健康的重金属元素Cd、Cr、Hg、Pb、As含量极低，为高品质安全食品。
（3）研究区内莜麦对重金属元素富集能力为Zn>Cu>Ni>Cd>As>Pb>Cr=Hg，Ni、Cu和Zn的富集系数远高于Cr、As、Cd、Hg、Pb，Cd迁移能力很弱，As、Pb几乎不发生迁移，Cr、Hg不发生迁移。
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