陳秋會，席運(yùn)官，王 磊，宗良綱，張懷志，徐愛國，肖興基

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇南京 210042；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210095；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jìn)程中，化肥、農(nóng)藥及農(nóng)膜等農(nóng)用化學(xué)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(biāo)、農(nóng)殘超標(biāo)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(shí)下最讓人擔(dān)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(qiáng)，消費(fèi)者越來越傾向于購買綠色、有機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行綜合分析，為保護(hù)和改良農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量，發(fā)展綠色、有機(jī)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(jìn)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(jī)、有機(jī)及復(fù)合污染，其中無機(jī)污染物以重金屬為主，如鎘、砷、鉻、銅、鋅等；有機(jī)污染物種類繁多，既包括苯、甲苯、二甲苯等揮發(fā)性有機(jī)污染物，又包括多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等半揮發(fā)性有機(jī)污染物。

1.1 產(chǎn)地環(huán)境中重金屬的來源

據(jù)報(bào)道，我國受污染耕地已達(dá)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(jī)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(gè)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(jī)肥進(jìn)入農(nóng)田的鎘、砷、鉻分別達(dá)778、1 412、6 113 t，三者分別占進(jìn)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(jī)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(yùn)輸，經(jīng)干濕沉降進(jìn)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(jī)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(xì)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(yán)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(biāo)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(jī)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(diǎn)位重金屬超標(biāo)。土壤中的重金屬具有富集性、生物累積性、不可逆性等特點(diǎn)，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?？蓪χ参锂a(chǎn)生危害且毒性最強(qiáng)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(xué)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(biāo)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(xì)胞膜透性增加[21]，水稻、花生的株高、穗長、有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量有所下降[17-18]，嚴(yán)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(yùn)粳27的減產(chǎn)量分別高達(dá) 62.1% 和39.9%[17]。當(dāng)鉻的濃度為10 μmol/L時(shí)可明顯抑制玉米根部生長，為100 μmol/L時(shí)幼苗停止生長，含水量明顯下降，冠根比增大，受到嚴(yán)重的氧化脅迫[22]。當(dāng)鉛濃度為125 mg/kg、鋅濃度為80 mg/kg時(shí)，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(biāo)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(jià)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(jià)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(qiáng)，尤其當(dāng)土壤pH值低于5.5時(shí)，土壤中鎘的植物有效性提高，并且土壤鎘濃度在達(dá)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(biāo)準(zhǔn)而危害人類健康[35]，此時(shí)應(yīng)嚴(yán)格限制外源鎘進(jìn)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(jì)，大氣重金屬污染對城郊蔬菜的重金屬污染百分率可高達(dá)10%[36]。利用盆栽對比試驗(yàn)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?yàn)槿~>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(yùn)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(shí)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(jī)污染物對農(nóng)產(chǎn)品的影響

有機(jī)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(kuò)散進(jìn)入植物體內(nèi)，其中分子量大、疏水性較強(qiáng)的有機(jī)污染物通過根部被吸收，幾乎所有的非離子型有機(jī)污染物都是在蒸騰拉力的作用下被動吸收進(jìn)入植物體內(nèi)的，只有極少數(shù)有機(jī)污染物如苯氧基酸型除草劑可被植株主動吸收[43]。

有機(jī)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(jī)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jī)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(yùn)輸[53]，水稻、小麥籽實(shí)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(diǎn)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(yán)重超標(biāo)。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(yán)重超標(biāo)。據(jù)報(bào)道，我國農(nóng)藥的有效利用率約為30%～40%，而真正作用于靶標(biāo)生物的不到1%，大部分農(nóng)藥擴(kuò)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(jī)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(qiáng)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(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)一步提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和實(shí)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(shí)，對于綠色、有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，既要制定完善和嚴(yán)格的綠色、有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域進(jìn)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(fèi)者放心消費(fèi)認(rèn)證的綠色、有機(jī)產(chǎn)品，促進(jìn)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(jī)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(jī)農(nóng)業(yè)的合理發(fā)展。

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