產(chǎn)地環(huán)境中重金屬和有機污染物對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響綜述

陳秋會，席運官，王 磊，宗良綱，張懷志，徐愛國，肖興基

(1.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇南京 210042；2.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，江蘇南京 210095；3.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進程中，化肥、農(nóng)藥及農(nóng)膜等農(nóng)用化學品的大量使用使得農(nóng)產(chǎn)品的種類和產(chǎn)量不斷增加，基本滿足人們對量的需求，但也引起了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境污染的問題，影響作物的營養(yǎng)品質(zhì)和安全品質(zhì)，威脅人體健康[1]。近年來，鎘大米、蔬菜重金屬超標、農(nóng)殘超標等眾多農(nóng)產(chǎn)品安全事件頻有發(fā)生[2]，農(nóng)產(chǎn)品安全已成為時下最讓人擔憂的問題之一。隨著生活水平的提高和食品安全意識的增強，消費者越來越傾向于購買綠色、有機農(nóng)產(chǎn)品，且市場需求呈加速增長的態(tài)勢。產(chǎn)地環(huán)境——土壤、水體和大氣是從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的本源所在，然而產(chǎn)地環(huán)境污染已成為制約我國綠色、有機農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素?！按髿馐畻l”“水十條”“土十條”的相繼發(fā)布，對改善我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。本文對產(chǎn)地環(huán)境中重金屬和有機污染物對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及品質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀進行綜合分析，為保護和改良農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量，發(fā)展綠色、有機農(nóng)業(yè)，保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供參考依據(jù)。

1 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染物的來源

農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境系指影響農(nóng)產(chǎn)品生長發(fā)育各種因素的總稱，是影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的基礎(chǔ)因素，包括土壤、灌溉水、大氣等環(huán)境要素。人類活動產(chǎn)生的污染物進入土壤、水體和大氣并引起農(nóng)產(chǎn)品賴以生長環(huán)境的惡化，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和人體健康產(chǎn)生危害的現(xiàn)象即為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境污染。目前，產(chǎn)地環(huán)境污染主要包括無機、有機及復(fù)合污染，其中無機污染物以重金屬為主，如鎘、砷、鉻、銅、鋅等；有機污染物種類繁多，既包括苯、甲苯、二甲苯等揮發(fā)性有機污染物，又包括多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等半揮發(fā)性有機污染物。

1.1 產(chǎn)地環(huán)境中重金屬的來源

據(jù)報道，我國受污染耕地已達0.1億hm2，占1.2億hm2耕地的8.3%，其中大部分為重金屬污染[3-4]?；?有機肥的施用是產(chǎn)地環(huán)境重金屬的最直接來源。我國耕地面積不足全世界的一成，卻使用了全世界近40%的化肥。據(jù)調(diào)查，我國近20個磷肥(過磷酸鈣)樣品中的鋅、鎳、銅、鉻、鈷平均含量分別為298.0、16.9、31.1、18.4、2.0 mg/kg[5]。我國每年通過施用有機肥進入農(nóng)田的鎘、砷、鉻分別達778、1 412、6 113 t，三者分別占進入農(nóng)田總量的54.9%、23.8%、35.8%。施用豬糞17年后稻田土壤的有效銅、鋅、鎘含量分別較施化肥處理增加335.9%、320.8%、421.4%[3]。因此，有機肥的安全性或許會成為化肥零增長的“攔路虎”。

工礦企業(yè)排放的煙塵和城市大氣中的重金屬等通過大氣運輸，經(jīng)干濕沉降進入農(nóng)田土壤[6]。研究表明，空氣中 80%～90%的鉛來源于使用含鉛汽油的機動車排放[7]。陳培飛等的研究顯示，天津市大氣中的Zn、Pb、Cu和Cr等重金屬在細顆粒物PM2.5中明顯富集[8]。煤和石油燃燒后10%～30%的含重金屬煙塵沉降在距排放源十幾千米的范圍內(nèi)[9]。全國約有1.2萬座尾礦庫，礦山開采產(chǎn)生的尾礦、礦渣堆放嚴重污染周邊水體和土壤環(huán)境。我國西南和中南地區(qū)的有色金屬礦產(chǎn)資源豐富，鎘等重金屬元素背景值高，是農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標的主要原因之一。2013年國務(wù)院文件首次公開提出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)禁止使用污水，這有利于農(nóng)田灌溉水質(zhì)的控制和土壤污染的治理。

1.2 產(chǎn)地環(huán)境中有機污染物的來源

2 產(chǎn)地污染物對農(nóng)產(chǎn)品的影響

2.1 重金屬對農(nóng)產(chǎn)品的影響

全國首次土壤污染狀況調(diào)查結(jié)果顯示，19.4%的耕地土壤點位重金屬超標。土壤中的重金屬具有富集性、生物累積性、不可逆性等特點，不能或不易被分解轉(zhuǎn)化，可通過食物鏈逐級濃縮放大對生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)，重金屬的食物鏈污染直接威脅人體健康。可對植物產(chǎn)生危害且毒性最強的重金屬有汞、鎘、銅、鉛、鉻和類金屬砷，在食物鏈上易對人體健康產(chǎn)生危害的元素主要有汞、鎘、砷、鉛等4種。作物受重金屬污染的程度主要反映在作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和重金屬含量等方面。

2.1.1 重金屬對農(nóng)產(chǎn)品生物學特性的影響 重金屬對同一種植物的作用效果多呈現(xiàn)“低促高抑”現(xiàn)象。重金屬超標會擾亂作物體內(nèi)的各種生理生化過程，可與植物中的蛋白質(zhì)結(jié)合，妨礙作物對氮、磷、鉀等礦質(zhì)元素的正常吸收，導(dǎo)致作物生長緩慢，從而影響作物的產(chǎn)量[15]。重金屬鎘主要累積在0～20 cm的表層土壤中，鎘脅迫抑制韭菜等種子萌發(fā)，且可使韭菜的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)隨鎘濃度的增加而下降[16]；在重金屬鎘的脅迫下，水稻、小米、小麥的根長、根系干物質(zhì)量、根系總數(shù)、根系表面積和體積、根系活力明顯受到抑制[17-20]，葉片葉綠素、蛋白質(zhì)含量下降，丙二醛含量和細胞膜透性增加[21]，水稻、花生的株高、穗長、有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量有所下降[17-18]，嚴重者可導(dǎo)致根系發(fā)黑，地上莖葉枯萎，作物死亡。鎘脅迫可使常規(guī)水稻黃華占和武運粳27的減產(chǎn)量分別高達 62.1% 和39.9%[17]。當鉻的濃度為10 μmol/L時可明顯抑制玉米根部生長，為100 μmol/L時幼苗停止生長，含水量明顯下降，冠根比增大，受到嚴重的氧化脅迫[22]。當鉛濃度為125 mg/kg、鋅濃度為80 mg/kg時，可對玉米葉片葉綠素、芽、根、株高和干鮮質(zhì)量產(chǎn)生影響[23]。

2.1.2 重金屬對農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)品質(zhì)的影響 研究表明，重金屬對作物粗蛋白、還原糖、淀粉、脂肪、氨基酸等營養(yǎng)指標有較大影響[24]，可降低作物品質(zhì)。高砷水灌溉抑制作物對硒、鎳和鋅等有益元素的攝入，會降低作物的營養(yǎng)價值[25]。銅過量使得甘蔗的出汁率、還原糖含量增加，纖維含量降低，產(chǎn)糖量下降[26]。隨土壤中鋅、鉻濃度的增加，稻米堊白米率、粗蛋白含量呈增加趨勢，而直鏈淀粉含量則呈降低趨勢，土壤中的鋅、鉻對水稻籽粒中鉻含量產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[27]。鎘可使糙米中粗蛋白、粗淀粉、賴氨酸、直鏈淀粉等的含量顯著減少，降低糙米的營養(yǎng)價值[28]，也可使小麥籽粒中的支鏈淀粉含量下降[29]。鎘脅迫降低了花生籽仁中的脂肪含量，增加其亞油酸含量，降低硬脂酸和油酸含量以及油酸與亞油酸的比值，導(dǎo)致花生制品貨架壽命變短[18]。

2.1.3 重金屬對農(nóng)產(chǎn)品安全品質(zhì)的影響 產(chǎn)地環(huán)境中的重金屬含量關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬含量。研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的重金屬含量和植物地上部、稻米、小麥籽粒、蔬菜中的重金屬含量具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系[30-31]。有研究指出，蔬菜、小麥各器官中的鉛主要來自于根從土壤中吸收的有效鉛，表明經(jīng)根系從土壤中吸收鉛是作物鉛積累的主要方式[32-33]。與其他重金屬相比，土壤鎘很容易遷移到蔬菜可食用部分和谷物籽粒中[34]，這主要是由于土壤中的鎘活性高、移動性強，尤其當土壤pH值低于5.5時，土壤中鎘的植物有效性提高，并且土壤鎘濃度在達到毒害植物之前就可以使植物的可食用部分鎘含量超過食用標準而危害人類健康[35]，此時應(yīng)嚴格限制外源鎘進入土壤。在大氣污染較重的地區(qū)，葉片對重金屬的吸收不可忽視。據(jù)不完全估計，大氣重金屬污染對城郊蔬菜的重金屬污染百分率可高達10%[36]。利用盆栽對比試驗和鉛同位素研究高速公路路邊水稻中的重金屬來源，結(jié)果表明，稻米中41%的鎘和46%的鉛來自葉片對大氣的吸收，表明高速公路兩旁的作物生產(chǎn)布局須要考慮農(nóng)產(chǎn)品的安全[37]。

不同重金屬在作物體內(nèi)富集的部位有所差異。在重金屬脅迫條件下，玉米、水稻、油菜、花生、小麥體內(nèi)鉛、鎘、鉻含量的分布表現(xiàn)為根>莖(秸稈)>葉>籽粒[18，23，38-41]，玉米根系的鉻含量是莖部的4～20倍[42]。玉米各器官中鋅的富集量高低順序為葉>籽粒>根>秸稈[23]。甘蔗中銅的積累能力表現(xiàn)為根>莖>葉>梢頭，且隨外源銅濃度的增加而增加，呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[26]。作物的品種差異使得其對重金屬的積累能力和轉(zhuǎn)運能力存在顯著差異。在鎘脅迫下雜交稻的籽粒部位表現(xiàn)出優(yōu)于常規(guī)稻的鎘低累積特性[17]。植株體內(nèi)較低的鎘遷移系數(shù)是引起小麥洛優(yōu)9909籽粒中鎘含量低于新麥9817的主要原因[20]。孫洪欣等指出，由于玉米先玉335體內(nèi)的重金屬遷移能力較弱，籽實中鎘、鉛含量顯著低于其他品種，適宜在華北地區(qū)鎘、鉛輕度污染區(qū)推廣種植[42]。因此，篩選和培育重金屬低積累農(nóng)作物品種是保證農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的有效途徑之一。

2.2 有機污染物對農(nóng)產(chǎn)品的影響

有機污染物主要通過根部吸收或通過大氣沉降到植物葉表面擴散進入植物體內(nèi)，其中分子量大、疏水性較強的有機污染物通過根部被吸收，幾乎所有的非離子型有機污染物都是在蒸騰拉力的作用下被動吸收進入植物體內(nèi)的，只有極少數(shù)有機污染物如苯氧基酸型除草劑可被植株主動吸收[43]。

有機污染物可抑制農(nóng)作物的生長發(fā)育及其對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收利用，降低農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)，通過生物富集和放大作用，最終危及人體健康。研究表明，有機污染物(鄰苯二甲酸酯、表面活性劑等)可導(dǎo)致菠菜出苗率低，植株矮??；花椰菜葉片卷曲，結(jié)球遲，成球少；蘿卜、黃瓜根系老化，蘿卜減產(chǎn)12.8%～60.0%[44-45]。另外，鄰苯二甲酸酯可通過干擾類胡蘿卜素合成而致使葉綠素功能發(fā)生障礙，最終導(dǎo)致青花菜和菠菜可食用部位的維生素C含量有所下降[46]；表面活性劑可明顯降低小麥體內(nèi)的氨基酸含量[45]，促進植物對重金屬和農(nóng)藥的吸收富集[47-48]，降低作物的營養(yǎng)品質(zhì)和安全品質(zhì)。石油烴濃度較高時會在植物根系上形成1層黏膜，阻礙根系對營養(yǎng)元素的吸收及其呼吸功能，甚至引起根系腐爛，且有毒物質(zhì)進入植物體內(nèi)可產(chǎn)生一定的毒害作用，抑制植物生長[49]。研究表明，土壤中的高石油烴含量導(dǎo)致大豆生長受到明顯抑制，出苗率、產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)明顯下降[50]。揮發(fā)性有機污染物苯系物可導(dǎo)致植物葉片光合系統(tǒng)受到損害，葉綠素、可溶性糖含量降低[51]，抑制小麥根和芽的伸長[52]。由于苯并(a)芘的疏水性，根部只限于接觸吸收(或吸附)而難以通過根部組織向地上部運輸[53]，水稻、小麥籽實中的苯并(a)芘主要來自大氣污染，土壤和水是次要的[54-55]，因此應(yīng)重點關(guān)注大氣中的苯并(a)芘。

農(nóng)藥的大量使用引發(fā)越來越多食品安全問題的最直接原因是農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留嚴重超標。農(nóng)藥會直接附著或滲入作物內(nèi)部，海南毒豇豆中甲胺磷、水胺硫磷等農(nóng)藥殘留量嚴重超標。據(jù)報道，我國農(nóng)藥的有效利用率約為30%～40%，而真正作用于靶標生物的不到1%，大部分農(nóng)藥擴散到周圍土壤、空氣或水體中，污染農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境[1]。土壤中的殘留農(nóng)藥不僅可導(dǎo)致下茬作物種子根尖、芽梢等部位變褐或腐爛，降低出苗率[56]，且可通過作物根系吸收在農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)富集[57-58]，導(dǎo)致作物農(nóng)殘污染，引發(fā)食品安全事件。

3 結(jié)語

土壤、水體和大氣等環(huán)境因素是農(nóng)作物賴以生存/生長的基礎(chǔ)，產(chǎn)地環(huán)境中的重金屬、有機污染物等的存在可抑制作物的生長，降低農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)和安全品質(zhì)，從而威脅人體健康。因此，須加強對大氣、水體、土壤污染物(重金屬、農(nóng)藥等)與作物相互關(guān)系的研究，以及污染物在土壤—作物—人體中的遷移、轉(zhuǎn)化和積累規(guī)律，構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境安全評價指標體系，進一步提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標準的科學性和實用性，為優(yōu)化和控制產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量、提高我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提供技術(shù)支撐。同時，對于綠色、有機農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，既要制定完善和嚴格的綠色、有機農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標準，又要重視對產(chǎn)地環(huán)境的監(jiān)測和評估，開展區(qū)域適宜性劃分，選擇符合產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標準的區(qū)域進行生產(chǎn)，這不僅可從源頭確保農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)范和產(chǎn)品安全優(yōu)質(zhì)，使消費者放心消費認證的綠色、有機產(chǎn)品，促進我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且有利于綠色、有機農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)示范基地的創(chuàng)建和發(fā)展規(guī)劃，保障我國綠色、有機農(nóng)業(yè)的合理發(fā)展。

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