不同砷水平下小麦砷迁移累积特征及健康风险评价

2024-06-06焦位雄杨虎德林大松李崇霄冯丹妮

甘肃农业科技 2024年5期

焦位雄杨虎德林大松李崇霄冯丹妮

摘要：通過研究土壤在不同浓度As污染条件下的小麦生长发育及As迁移富集特征，以评估不同As浓度胁迫下小麦籽粒的健康风险，进而提出适宜甘肃省小麦生产实际的土壤As污染临界值。以灌淤土为研究对象，以春小麦品种宁春4号为指示作物，参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中土壤As风险筛选值，按照土壤质量标准0～3倍As含量设置7个浓度梯度，进行了土壤-小麦系统As毒性盆栽试验。结果显示，不同浓度As胁迫下，小麦根系、茎叶、籽粒中As含量均随土壤As浓度的增加而增加，小麦植株不同部位的As含量由高到低的顺序为根系、茎叶、籽粒。小麦不同部位对As的富集能力表现为：根系＞茎叶＞籽粒，且根系、茎叶As富集能力随着土壤中As浓度的增加大体呈先增加后减小的趋势。As在小麦植株中转运系数表现为TF茎叶/根＞TF籽粒/茎叶＞TF籽粒/根，以根系向茎叶迁移过程为主。以甘肃省成人为评价对象，利用人体健康风险评价模型，采用靶标危害系数法（THQ）得出，除对照不添加As2O5处理外，其余As胁迫各处理的小麦籽粒人体健康风险系数均超出USEPA推荐的最大可接受风险临界值（即THQ＞1.00），且随土壤As含量增加呈先升高后降低的趋势。根据甘肃省当地居民饮食习惯，结合人体健康风险评价模型，认为甘肃省小麦安全生产土壤推荐As浓度应低于29.200 mg/kg。

关键词：春小麦；As；胁迫；浓度；灌淤土；富集迁移；THQ法；人体健康风险评价

中图分类号：S512.1；X53 文献标志码：A 文章编号：2097-2172（2024）05-0445-06

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.05.011

Characteristics of Arsenic Migration and Accumulation in Wheats under Different Arsenic Levels and Its Health Risk Assessment

JIAO Weixiong 1， 2， YANG Hude 1， LIN Dasong 2， LI Chongxiao 3， FENG Danni 1

（1. Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Environmental Protection Research and Monitoring Institute， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Tianjin 300191， China;

3. Gansu Provincial Agricultural Ecology and Resource Protection Technology Extension Station， Lanzhou Gansu 730000， China）

Abstract： This study explored the growth， development， and arsenic （As） migration and accumulation characteristics of wheat in soils with different As concentrations to assess the health risks associated with wheat grains under varying levels of As stress and to propose a critical value for soil As contamination that is practical for wheat production in Gansu Province. Using anthropogenic-alluvial soil and Ningchun 4 variety of spring wheat as indicators， and referencing the soil As risk screening values from the 'Soil Environmental Quality Risk Control Standard for Soil Contamination of Agricultural Land （Trial）' （GB 15618 — 2018）， 7 concentration gradients were set from 0 to 3 times the soil quality standard As content for a soil-wheat system toxicity pot experiment. The results showed that As content in the roots， stems， and grains of wheat increased with soil As concentration， with the highest to lowest As content in the plant parts being roots， stems， and grains， respectively. The ability of different wheat parts to accumulate As was in the order： roots > stems > grains， with the accumulation capacity in roots and stems initially increasing and then decreasing with soil As concentration. The transfer coefficients （TF） for As in wheat plants were highest from roots to stems（TF stems/roots） followed by grains to stems（TF grains/stems） and grains to roots（TF grains/roots）. Using adults in Gansu Province as the assessment subject and employing a human health risk assessment model with the Target Hazard Quotient（THQ） method， it was found that except for the control without added As2O5， the THQ values for all other As-stressed treatments exceeded the USEPA's recommended maximum acceptable risk threshold（THQ > 1.00）， with a trend of initially increasing and then decreasing with rising soil As content. Based on local dietary habits and the human health risk assessment model， it is recommended that the safe production soil As concentration for wheat in Gansu Province should be less than 29.200 mg/kg.

Key words： Spring wheat; As; Stress; Concentration; Anthropogenic-alluvial soil; Accumulation and migration; THQ Method; Human health risk assessment

国家环境保护部和国土资源部2014年4月17日发布的调查公报显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，耕地土壤环境质量堪忧，工业废弃地土壤环境问题突出［1 ］。为进一步加强土壤环境保护，保障农产品安全，维护人体健康，我国于2018年修订了《土壤环境质量农用地土壤污染風险管控标准（试行）》（GB 15618 — 2018），2022年修订了《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762 — 2022），为农产品产地土壤环境质量评价、预测及保障农产品质量安全等工作提供可靠依据，促进了农田土壤环境保护、管理与监督。然而，现行的土壤环境质量标准没有考虑土壤质地、pH、CEC、有机质含量以及作物品种、气候条件、种植习惯、管理水平等众多因素对作物吸收和累积重金属的影响［2 - 3 ］。李浩杰等［4 ］在河北省开展小麦籽粒重金属含量特征及人体健康风险评价，研究区域土壤As含量为10.59 mg/kg，未达到国家土壤环境质量标准风险筛选值，小麦籽粒As致癌风险系数大于USEPA 推荐的最大可接受风险临界值，王伟全等［5 ］对Cr、Hg、Pb等元素研究中得出相似结论。因此，针对土壤类型和种植作物开展区域土壤重金属限量阈值研究意义重大。

小麦是甘肃省主要粮食作物之一，2021年，甘肃省小麦播种面积达71.1万hm2，占粮食播种总面积26.6%，因此，小麦的安全生产尤为重要。本研究以甘肃中部沿黄灌区主要土壤类型灌淤土为研究对象，以宁春4号春小麦为指示作物，以盆栽土培试验方法，研究了土壤在不同浓度As污染条件下的小麦生长发育及As迁移富集特征，并采用美国环境保护署（USEPA）提出的健康风险评价模型评估不同As浓度胁迫下小麦籽粒的健康风险，结合土壤-小麦系统As迁移富集特征提出了适宜甘肃省农业生产实际的土壤As污染临界值。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所兰州试验基地（东经103° 41′ 17″、北纬36° 6′ 1″）进行。试验地海拔1 511 m，地处黄河上游，属中温带大陆气候，年均气温9.1 ℃，无霜期180 d左右，多年平均降水量205～360 mm，年均日照时数2 446 h。试验供试土壤为灌淤土，质地中壤，耕层土壤含有机质17.50 g/kg、全氮1.20 g/kg，全磷0.65 g/kg、碱解氮80.0 mg/kg、速效磷16.0 mg/kg、速效钾135.0 mg/kg、总砷14.1 mg/kg，CEC 9.23 cmol/kg，pH 8.45。

1.2 供试材料

供试试剂为As2O5（分析纯，江山市盛事达化工有限公司生产并提供）。指示春小麦品种为宁春4号，由武威丰田种业有限责任公司提供。研究对象为灌淤土。供试肥料为尿素（N≥46%，甘肃刘家峡化工集团有限责任公司生产并提供）、磷酸二铵（P2O5 ≥46%、N≥18%，美国特拉肥料有限公司生产并提供）。试验供试栽培花盆（规格为直径20 cm、深度25 cm）为市售。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计试验各处理污染物浓度按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618 — 2018）中土壤As风险筛选值进行设定（表1），共设置7个浓度梯度和1个空白对照（CK，土壤中不添加As2O5）。

1.3.2 试验土壤的配制将试验地表层0～20 cm的土壤样品过2 cm筛，称取300 kg土样装入尼龙网袋中备用。测定土壤含水量后称取20 kg土壤样品，计算出20 kg土壤在食用农产品产地环境质量评价指标风险筛选值5倍浓度下的As2O5投放总量。将所需的As2O5溶于蒸馏水中并将溶液均匀撒至已称好的20 kg土样中，混合均匀即配制成5倍限量值浓度的土样。然后根据试验设计浓度梯度，分别按比例称取5倍限量值浓度的土样和已过2 cm筛的新鲜土样混合均匀装入花盆，每个花盆装入拌好药品的土样10 kg。空白对照（CK）则装入不添加As2O5的土样10 kg。3次重复，随机区组排列，共计24盆。

1.3.3 试验种植与管理小麦于2019年4月4日按种植密度450万株/hm2播种。播种时基施磷酸二铵150 kg/hm2，并分别在拔节期和抽穗期各追施尿素300 kg/hm2。出苗后每个花盆保苗14株，保持75%的田间持水量。播后每隔1 d采用烧杯定量灌溉自来水（试验期间每30 d测定1次灌溉水中的As含量，均小于0.002 mg/L，符合试验要求）500 mL。试验于2019年7月8日收获，每个花盆单收单打，记录每个花盆收获的小麦植株数量并考种，测定小麦生物量、根重、株高、穗长、小穗数、穗粒数、千粒重等指标，计算每个花盆的小麦产量。为防止外界干扰，试验全程在网棚中进行。

1.3.4 样品的采集与制备（1）样品采集。不同浓度梯度的As试验土壤配制完成后，采集原始混合土样1份，土样量约1.0 kg左右，采用风干处理。正常生长发育的植株，成熟后将植株连根拔出，采集完整植株样品。非正常生长发育的植株死亡时采集，保留完整植株。（2）样品制备。将采集的土壤样品装入尼龙布袋里自然风干，拣出植物残体、碎石、砂粒等，并充分混匀。将样品用木棒碾碎，采用四分法缩至300 g，均分成2份。1份研磨至全部通过20目筛，装入牛皮纸袋用于测定pH；另1份样品，采用行星式球磨机采用玛瑙研磨罐研磨后过100目尼龙筛，用于土壤有机质、As全量等的测定。将收获后的小麦植株于室温条件下自然风干后进行考种，并将小麦植株分离成根、茎叶及籽粒3部分，依次用自来水、蒸馏水反复冲洗后于60～70 ℃下在鼓风干燥箱中烘干，称重、粉碎、研磨、过筛后装入压膜袋中封口保存，用于测定As全量。

1.3.5 样品测定指标与方法土壤pH、CEC及有机质、N、P、K含量均采用《土壤农业化学分析方法》规定的方法进行测定［6 ］。土壤As全量分析采用王水消解（GB/T 17136 — 1997），原子荧光仪（ZXS-02、30）测定［7 ］。小麦植物样品中As含量分析采用硝酸-双氧水消解法（GB/T 5009 — 2010）［8 ］，测定方法同上。采用植物标准样品小麦GSB系列生物标样GBW 10011（GSB-2）、GBW 10012（GSB- 3）、GBW10013（GSB-4）進行质控。

1.4 数据处理与分析方法

1.4.1 生物富集系数与迁移系数重金属在植株内的累积和运输能力直接影响着植物对重金属的吸收和耐性程度，富集系数（BCF）和转运系数（TF）是评价植物吸收积累重金属污染物的重要指标［9 - 12 ］。其计算公式如下。

BCF=小麦根系（茎叶或籽粒）中As含量/土壤中As测定浓度

式中，THQ为健康风险系数，Ci为作物中As的浓度，FIR为农作物日摄入量［14 ］，EF代表暴露频率［15 ］， ED为暴露年限［16 ］， WAB表示人均体重［14 ］，TA为人体接触时间［15 ］，RfD代表重金属暴露途径下的参考剂量。As的暴露参考剂量为 0.000 3 mg/kg［17 ］。当THQ≤1.00时，表示重金属对人体健康没有风险；当THQ>1.00时，表示重金属对人体健康存在风险。系数值越大，风险等级越高（表2）。

2 结果与分析

2.1 小麦植株不同部位As含量分布特征

不同浓度As胁迫下春小麦各部位As含量如图1所示。小麦根系、茎叶和籽粒中的As含量差异较大，平均由高到低依次为根系、茎叶、籽粒，小麦根系的As含量为1.470～171.000 mg/kg，高于茎叶1.6～5.9倍，高于籽粒36.3～196.9倍。史高玲等［18 - 19 ］研究也验证了这一结论，即春小麦根系对重金属As的吸收和积累能力通常比地上部分更强。与对照（CK）相比，小麦根系、茎叶、籽粒中As含量随外源As胁迫水平的增加而增加，其中根系As含量高于对照12.3～116.7倍，土壤As浓度达到50.200 mg/kg时差异显著；茎叶As含量高于对照6.8～31.4倍，土壤As浓度达到46.300 mg/kg时差异显著；籽粒As含量高于对照7.6～17.7倍，但差异不显著。土壤As浓度达到98.90 mg/kg时，小麦根系和茎叶的As含量均达最大值，土壤As浓度达到75.20 mg/kg时籽粒As含量最高。

2.2 小麦植株不同部位的As富集能力

富集系数（BCF）是指植物体内某种重金属含量与土壤中该种重金属原有含量的比值，是评价植物富集重金属能力的重要指标之一，它反映了土壤—植物体系中，重金属在植物中迁移的难易程度以及植物对重金属的吸收和富集能力，BCF值越大，富集能力越强［9 - 12 ］。

由表3可知，在不同水平外源As胁迫下，小麦根系的As富集系数为0.104～1.858，茎叶的As富集系数为0.065～0.370，籽粒的As富集系数0.003～0.010，富集能力由强到弱依次为根系、茎叶、籽粒。随着土壤中重金属含量的增加，小麦根系和茎叶的As富集系数大体呈先增大后减小的趋势，土壤中的As浓度达到75.20 mg/kg时（处理VI），小麦根系和茎叶的As富集系数最高。白胜男［20 ］通过系统分析As在小麦根系细胞内的分布特征得出，根系中As含量与根毛数量和根系表面积呈显著正相关关系，一定浓度As刺激了小麦根系细胞的分裂生长，增加根尖数及根表面积，从而促进As的吸收与积累，当土壤中的As含量过高时植物体内某些器官或细胞受到破坏，影响As吸收累积，进而出现As富集能力下降的现象。

2.3 As在小麦植株中的迁移转运

植物体内不同部位之间重金属转移能力的强弱通常用位移系数或转运系数（TF）表示。由图2可知，As从小麦根系向籽粒中的转运系数为0.003～0.028，随着土壤重金属浓度的增大，TF籽粒/根呈逐渐减小的趋势；As从小麦根系向茎叶的转运系数用TF茎叶/根表示，为0.170～0.630，随着土壤As含量的增加，有减小的趋势；TF籽粒/茎叶表示As从小麦茎叶向籽粒的转运系数，为0.017～0.049，随着土壤重金属浓度的增大，TF籽粒/茎叶逐渐减小。综上结果，As在小麦植株中的迁移以根系向茎叶迁移过程为主，这与周婷［21 ］对白银城郊土壤-小麦系统中砷的化学行为的研究得出的结论一致，即As从根部向地上部的迁移能力较弱，而且主要迁移到叶片部位。刘全吉等［22 ］的相关研究结果也显示从小麦根系转移到地上部分的砷仅为根系砷的1.0%～2.6%，迁移能力较弱。

2.4 土壤-小麦系统As含量的相关性分析

由图3、图4、图5可知，成熟期小麦籽粒、茎叶及根系中的As含量与土壤As含量呈二次函数关系，确定系数R2分别为0.878 4、0.941 0、0.949 6，与土壤中As含量相关性逐渐增大，说明As在小麦植株中的迁移具有顶端劣势，越接近植株顶端相关系数越小。周婷［21 ］的研究表明小麦不同部位As的响应模型不同，其中根部拟合方程的R2值最大，叶中As的模型拟合度相对最差，这与本研究结论存在差异，这可能是一方面受到土壤pH、粘粒组成、有机质含量等外界环境影响，另一方面也与小麦品种有关［20 ］。

2.5 不同As含量的小麦籽粒对人体健康风险的评价

以甘肃省成年人为评价对象，利用公式（1）评估不同As含量小麦籽粒可能对人体产生的健康风险。从表4可以看出，参照《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762 — 2022），小麦籽粒As含量低于0.500 mg/kg为合格食品［23 ］。但通过人体健康风险评价模型计算得出，除对照外，其他各As胁迫处理小麦籽粒中As的人体健康风险系数均超出USEPA推荐的最大可接受风险临界值（即THQ＞1），且随土壤As含量增加呈先升高后降低的趋势。2种评价结果之所以存在较大差异，一方面是由于甘肃当地居民面粉及其制品日摄入量较高的缘故，另一方面则是由于As的参考剂量（RfD值）较高所致［17 ］。由此可见，按照甘肃省当地居民饮食习惯，从粮食安全角度考虑，按靶标危害系数法计算，当小麦籽粒的As含量为0.304 mg/kg时，THQ大于健康风险临界值1.00，此时土壤中的As浓度为29.200 mg/kg。

3 结论

本研究基于甘肃灌淤土土壤-小麦系统As毒性盆栽试验，对供试土壤和小麦各部位（根系、茎叶和籽粒）中As含量进行了测定，以探明不同浓度As胁迫下小麦的富集迁移特征，建立小麦植株不同部位As含量与土壤As含量之间的相关方程，并开展小麦籽粒As人体健康风险评价。结果表明，不同浓度As胁迫下小麦根系、茎叶、籽粒中As含量均随土壤As浓度的增加而增加，小麦植株不同部位中As含量由高到低依次为根系、茎叶、籽粒。小麦根系和茎叶对As的富集能力随着土壤中As浓度的增加大体呈先增加后减小的趋势，且在不同部位中的富集能力强弱表现为根系＞茎叶＞籽粒；转运系数表现为TF茎叶/根＞TF籽粒/茎叶＞ TF籽粒/根，以根系向茎叶迁移过程为主。以甘肃省成人为评价对象，利用人体健康风险评价模型，采用靶标危害系数法可得出，除对照不添加As2O5的处理外，其余As胁迫各处理的小麦籽粒人体健康风险系数均超出USEPA推荐的最大可接受风险临界值（即THQ＞1.00），且随土壤As含量增加呈先升高后降低的趋势。根据甘肃省当地居民饮食习惯，结合人体健康风险评价模型，认为甘肃省小麦安全生产时土壤As含量应低于29.200 mg/kg。

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