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姜一郎产地环境中重金属和有机污染物对农产品质量的影响综述-农业环境科学

姜一郎产地环境中重金属和有机污染物对农产品质量的影响综述-农业环境科学

姜一郎
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来源:《江苏农业科学》2018 年01 期
作者:陈秋会1,席运官1,王磊1,宗良纲2,张怀志3,徐爱国3,肖兴基1
单位:1.环境保护部南京环境科学研究所 2.南京农业大学资源与环境学院 3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所
在现代农业发展进程中,化肥、农药及农膜等农用化学品的大量使用使得农产品的种类和产量不断增加,基本满足人们对量的需求,但也引起了农产品产地环境污染的问题,影响作物的营养品质和安全品质,威胁人体健康。近年来,镉大米、蔬菜重金属超标、农残超标等众多农产品安全事件频有发生,农产品安全已成为时下最让人担忧的问题之一。随着生活水平的提高和食品安全意识的增强,消费者越来越倾向于购买绿色、有机农产品,且市场需求呈加速增长的态势。
产地环境——土壤、水体和大气是从事农业生产的本源所在,然而产地环境污染已成为制约我国绿色、有机农业发展的主要因素。“大气十条”“水十条”“土十条”的相继发布,对改善我国农产品产地环境质量具有重要意义。本文对产地环境中重金属和有机污染物对农产品产量及品质影响的研究现状进行综合分析,为保护和改良农产品产地环境质量,发展绿色、有机农业,保障农产品安全提供参考依据。
1 农产品产地污染物的来源
农产品产地环境系指影响农产品生长发育各种因素的总称,是影响农产品质量安全的基础因素,包括土壤、灌溉水、大气等环境要素。人类活动产生的污染物进入土壤、水体和大气并引起农产品赖以生长环境的恶化,对农产品质量和人体健康产生危害的现象即为农产品产地环境污染。目前,产地环境污染主要包括无机、有机及复合污染,其中无机污染物以重金属为主,如镉、砷、铬、铜、锌等;有机污染物种类繁多,既包括苯、甲苯、二甲苯等挥发性有机污染物,又包括多环芳烃、多氯联苯等半挥发性有机污染物。
1.1 产地环境中重金属的来源
据报道,我国受污染耕地已达0.1 亿hm2,占1.2 亿hm2耕地的8.3%,其中大部分为重金属污染。化肥/有机肥的施用是产地环境重金属的最直接来源。我国耕地面积不足全世界的一成,却使用了全世界近40%的化肥。据调查,我国近20 个磷肥(过磷酸钙)样品中的锌、镍、铜、铬、钴平均含量分别为298.0、16.9、31.1、18.4、2.0 mg/kg。我国每年通过施用有机肥进入农田的镉、砷、铬分别达778、1412、6113 t,三者分别占进入农田总量的54.9%、23.8%、35.8%。施用猪粪17 年后稻田土壤的有效铜、锌、镉含量分别较施化肥处理增加335.9%、320.8%、421.4%。因此,有机肥的安全性或许会成为化肥零增长的“拦路虎”。
工矿企业排放的烟尘和城市大气中的重金属等通过大气运输,经干湿沉降进入农田土壤。研究表明,空气中80%~90%的铅来源于使用含铅汽油的机动车排放。陈培飞等的研究显示,天津市大气中的Zn、Pb、Cu 和Cr 等重金属在细颗粒物PM2.5 中明显富集。煤和石油燃烧后10%~30%的含重金属烟尘沉降在距排放源十几千米的范围内。全国约有1.2 万座尾矿库,矿山开采产生的尾矿、矿渣堆放严重污染周边水体和土壤环境。我国西南和中南地区的有色金属矿产资源丰富,镉等重金属元素背景值高,是农产品重金属超标的主要原因之一。2013 年国务院文件首次公开提出农业生产禁止使用污水,这有利于农田灌溉水质的控制和土壤污染的治理。
1.2 产地环境中有机污染物的来源
农药过量或不合理使用导致有机氯/有机磷在土壤中大量残留,甚至可转化为更毒或致癌的持久性有机污染物多氯联苯、多环芳烃等。被世界卫生组织确定为强致癌物质的苯、甲苯、二甲苯等苯系物被广泛应用于生产除草剂类农药。虽然我国已明令禁止使用甲胺磷、对硫磷等剧毒、高残农药,但是新品种农药不断涌现,且在实际中使用禁用农药的现象仍然存在,农产品中农残超标现象普遍,农药中毒事件时有发生。
据悉,我国单位面积的农药使用量是世界平均水平的2.5 倍。我国西北干旱地区农膜污染问题比较突出,农膜使用量从1991 年的31.9 万t 增加到2015 年的200 多万t。农膜污染是由于它是难降解的有机化合物,即持久性有机污染物,残留土壤或被烧掉产生的二英等都会污染环境,每年农膜回收率不足2/3。生物质焚烧、燃煤和焦化企业多环芳烃的排放比例分别为60%、20%和16%,其中京津冀周围地区的草、木材和煤炭等燃烧对多环芳烃的贡献占绝大部分。汽车尾气排放及石油类产品等也是多环芳烃、苯系物等有机污染物的来源。
2 产地污染物对农产品的影响
2.1 重金属对农产品的影响
全国首次土壤污染状况调查结果显示,19.4%的耕地土壤点位重金属超标。土壤中的重金属具有富集性、生物累积性、不可逆性等特点,不能或不易被分解转化,可通过食物链逐级浓缩放大对生物产生毒性效应,重金属的食物链污染直接威胁人体健康。可对植物产生危害且毒性最强的重金属有汞、镉、铜、铅、铬和类金属砷,在食物链上易对人体健康产生危害的元素主要有汞、镉、砷、铅等4种。作物受重金属污染的程度主要反映在作物的产量、品质和重金属含量等方面。
2.1.1 重金属对农产品生物学特性的影响 
重金属对同一种植物的作用效果多呈现“低促高抑”现象。重金属超标会扰乱作物体内的各种生理生化过程,可与植物中的蛋白质结合,妨碍作物对氮、磷、钾等矿质元素的正常吸收,导致作物生长缓慢,从而影响作物的产量。
重金属镉主要累积在0~20 cm 的表层土壤中,镉胁迫抑制韭菜等种子萌发,且可使韭菜的发芽指数和活力指数随镉浓度的增加而下降;在重金属镉的胁迫下,水稻、小米、小麦的根长、根系干物质量、根系总数、根系表面积和体积、根系活力明显受到抑制,叶片叶绿素、蛋白质含量下降,丙二醛含量和细胞膜透性增加,水稻、花生的株高、穗长、有效穗数、结实率、千粒质量和产量有所下降,严重者可导致根系发黑,地上茎叶枯萎,作物死亡。
镉胁迫可使常规水稻黄华占和武运粳27 的减产量分别高达62.1% 和39.9%。当铬的浓度为10 μmol/L时可明显抑制玉米根部生长,为100 μmol/L时幼苗停止生长,含水量明显下降,冠根比增大,受到严重的氧化胁迫。当铅浓度为125 mg/kg、锌浓度为80 mg/kg 时,可对玉米叶片叶绿素、芽、根、株高和干鲜质量产生影响。
2.1.2 重金属对农产品营养品质的影响
研究表明,重金属对作物粗蛋白、还原糖、淀粉、脂肪、氨基酸等营养指标有较大影响,可降低作物品质。高砷水灌溉抑制作物对硒、镍和锌等有益元素的摄入,会降低作物的营养价值。铜过量使得甘蔗的出汁率、还原糖含量增加,纤维含量降低,产糖量下降。随土壤中锌、铬浓度的增加,稻米垩白米率、粗蛋白含量呈增加趋势,而直链淀粉含量则呈降低趋势,土壤中的锌、铬对水稻籽粒中铬含量产生协同效应。镉可使糙米中粗蛋白、粗淀粉、赖氨酸、直链淀粉等的含量显著减少,降低糙米的营养价值,也可使小麦籽粒中的支链淀粉含量下降。镉胁迫降低了花生籽仁中的脂肪含量,增加其亚油酸含量,降低硬脂酸和油酸含量以及油酸与亚油酸的比值,导致花生制品货架寿命变短。
2.1.3 重金属对农产品安全品质的影响
产地环境中的重金属含量关系到农产品中的重金属含量。研究发现,土壤中的重金属含量和植物地上部、稻米、小麦籽粒、蔬菜中的重金属含量具有显著的线性相关关系。有研究指出,蔬菜、小麦各器官中的铅主要来自于根从土壤中吸收的有效铅,表明经根系从土壤中吸收铅是作物铅积累的主要方式。
与其他重金属相比,土壤镉很容易迁移到蔬菜可食用部分和谷物籽粒中,这主要是由于土壤中的镉活性高、移动性强,尤其当土壤pH 值低于5.5 时,土壤中镉的植物有效性提高,并且土壤镉浓度在达到毒害植物之前就可以使植物的可食用部分镉含量超过食用标准而危害人类健康,此时应严格限制外源镉进入土壤。在大气污染较重的地区,叶片对重金属的吸收不可忽视。据不完全估计,大气重金属污染对城郊蔬菜的重金属污染百分率可高达10%。利用盆栽对比试验和铅同位素研究高速公路路边水稻中的重金属来源,结果表明,稻米中41%的镉和46%的铅来自叶片对大气的吸收,表明高速公路两旁的作物生产布局须要考虑农产品的安全。
不同重金属在作物体内富集的部位有所差异。在重金属胁迫条件下,玉米、水稻、油菜、花生、小麦体内铅、镉、铬含量的分布表现为根>茎(秸秆)>叶>籽粒,玉米根系的铬含量是茎部的4~20 倍。玉米各器官中锌的富集量高低顺序为叶>籽粒>根>秸秆。甘蔗中铜的积累能力表现为根>茎>叶>梢头,且随外源铜浓度的增加而增加,呈显著的正相关关系。
作物的品种差异使得其对重金属的积累能力和转运能力存在显著差异。在镉胁迫下杂交稻的籽粒部位表现出优于常规稻的镉低累积特性。植株体内较低的镉迁移系数是引起小麦洛优9909 籽粒中镉含量低于新麦9817 的主要原因。孙洪欣等指出,由于玉米先玉335 体内的重金属迁移能力较弱,籽实中镉、铅含量显著低于其他品种,适宜在华北地区镉、铅轻度污染区推广种植。因此,筛选和培育重金属低积累农作物品种是保证农产品安全生产的有效途径之一。
2.2 有机污染物对农产品的影响
有机污染物主要通过根部吸收或通过大气沉降到植物叶表面扩散进入植物体内,其中分子量大、疏水性较强的有机污染物通过根部被吸收,几乎所有的非离子型有机污染物都是在蒸腾拉力的作用下被动吸收进入植物体内的,只有极少数有机污染物如苯氧基酸型除草剂可被植株主动吸收。
有机污染物可抑制农作物的生长发育及其对矿质营养的吸收利用,降低农产品产量和品质,通过生物富集和放大作用,最终危及人体健康。研究表明,有机污染物(邻苯二甲酸酯、表面活性剂等)可导致菠菜出苗率低,植株矮小;花椰菜叶片卷曲,结球迟,成球少;萝卜、黄瓜根系老化,萝卜减产12.8%~60.0%。另外,邻苯二甲酸酯可通过干扰类胡萝卜素合成而致使叶绿素功能发生障碍,最终导致青花菜和菠菜可食用部位的维生素C含量有所下降;表面活性剂可明显降低小麦体内的氨基酸含量,促进植物对重金属和农药的吸收富集,降低作物的营养品质和安全品质。石油烃浓度较高时会在植物根系上形成1 层黏膜,阻碍根系对营养元素的吸收及其呼吸功能,甚至引起根系腐烂,且有毒物质进入植物体内可产生一定的毒害作用,抑制植物生长。
研究表明,土壤中的高石油烃含量导致大豆生长受到明显抑制,出苗率、产量、籽粒品质明显下降。挥发性有机污染物苯系物可导致植物叶片光合系统受到损害,叶绿素、可溶性糖含量降低,抑制小麦根和芽的伸长。由于苯并(a)芘的疏水性,根部只限于接触吸收(或吸附)而难以通过根部组织向地上部运输,水稻、小麦籽实中的苯并(a)芘主要来自大气污染,土壤和水是次要的,因此应重点关注大气中的苯并(a)芘。
农药的大量使用引发越来越多食品安全问题的最直接原因是农产品的农药残留严重超标。农药会直接附着或渗入作物内部,海南毒豇豆中甲胺磷、水胺硫磷等农药残留量严重超标。据报道,我国农药的有效利用率约为30%~40%,而真正作用于靶标生物的不到1%,大部分农药扩散到周围土壤、空气或水体中,污染农产品产地环境。土壤中的残留农药不仅可导致下茬作物种子根尖、芽梢等部位变褐或腐烂,降低出苗率,且可通过作物根系吸收在农产品内富集,导致作物农残污染,引发食品安全事件。
3 结语
土壤、水体和大气等环境因素是农作物赖以生存/生长的基础,产地环境中的重金属、有机污染物等的存在可抑制作物的生长,降低农产品的产量、营养品质和安全品质,从而威胁人体健康。因此,须加强对大气、水体、土壤污染物(重金属、农药等)与作物相互关系的研究,以及污染物在土壤—作物—人体中的迁移、转化和积累规律,构建农产品产地环境安全评价指标体系,进一步提高农产品产地环境质量标准的科学性和实用性,为优化和控制产地环境质量、提高我国农产品质量提供技术支撑。
同时,对于绿色、有机农产品的生产,既要制定完善和严格的绿色、有机农产品产地环境质量标准,又要重视对产地环境的监测和评估,开展区域适宜性划分,选择符合产地环境质量标准的区域进行生产,这不仅可从源头确保农产品生产规范和产品安全优质,使消费者放心消费认证的绿色、有机产品,促进我国农业产业的可持续发展,而且有利于绿色、有机农产品生产示范基地的创建和发展规划,保障我国绿色、有机农业的合理发展。

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