天津污灌區(qū)小麥和水稻重金屬污染剖析與健康風(fēng)險量化評估一、引言1.1研究背景與意義天津市作為我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，在農(nóng)業(yè)發(fā)展進程中，由于水資源短缺，污水灌溉成為彌補農(nóng)業(yè)灌溉水資源不足的重要方式。然而，長期的污水灌溉使得大量重金屬隨著污水進入農(nóng)田土壤，導(dǎo)致天津市郊區(qū)部分污灌區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，農(nóng)作物遭受重金屬污染，其中小麥和水稻作為當(dāng)?shù)刂饕募Z食作物，其重金屬含量問題備受關(guān)注。重金屬污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點。一旦重金屬進入土壤-作物系統(tǒng)，不僅會影響土壤的理化性質(zhì)和微生物活性，降低土壤肥力和農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，還會通過食物鏈在人體中富集，對人體健康造成潛在威脅。例如，鎘（Cd）被人體長期攝入可能引發(fā)腎功能障礙、骨質(zhì)疏松等疾??；鉛（Pb）會影響人體神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)的正常功能；汞（Hg）則對人體的大腦、腎臟和免疫系統(tǒng)具有嚴重的損害作用。在天津污灌區(qū)，污水中攜帶的各類重金屬，如Cd、Cu、Pb、Zn、Cr、As、Hg等，不斷在土壤中積累，打破了土壤原有的生態(tài)平衡，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)。目前，已有諸多學(xué)者對天津污灌區(qū)的土壤重金屬污染以及蔬菜等作物的重金屬含量進行了研究，但針對小麥和水稻這兩種重要糧食作物的重金屬含量及健康風(fēng)險評價的研究相對較少。然而，小麥和水稻作為人類的主食，其重金屬含量直接關(guān)系到居民的飲食安全和身體健康。深入研究天津污灌區(qū)小麥和水稻的重金屬含量，全面評估其對人體健康的風(fēng)險，對于保障當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康和糧食安全具有重要的現(xiàn)實意義。本研究的開展具有多方面的重要意義。一方面，通過對污灌區(qū)小麥和水稻中重金屬含量的精確分析與評價，能夠為進一步控制和治理天津污灌區(qū)的重金屬污染提供科學(xué)、可靠的依據(jù)。明確小麥和水稻中重金屬的來源、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及污染程度，有助于針對性地制定污染治理措施，如優(yōu)化污水灌溉方式、改良土壤、篩選低富集重金屬的作物品種等，從而有效降低農(nóng)作物的重金屬污染風(fēng)險，保障糧食質(zhì)量安全。另一方面，對污灌區(qū)種植的小麥和水稻進行健康風(fēng)險評價，可以為人們制定科學(xué)合理的健康保護策略提供有力支持。通過評估不同重金屬對人體健康的潛在危害程度，能夠讓居民了解自身飲食中存在的健康風(fēng)險，引導(dǎo)居民合理調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)，減少對高重金屬含量糧食的攝入，提高健康意識和自我保護能力。此外，本研究還能夠拓展重金屬污染研究的范疇，為相關(guān)領(lǐng)域提供新的數(shù)據(jù)和思路。在研究過程中，對土壤-作物系統(tǒng)中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化機制、影響因素等方面的深入探究，有助于豐富和完善重金屬污染理論體系，為其他地區(qū)開展類似研究提供借鑒和參考，推動整個重金屬污染研究領(lǐng)域的發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，對污灌區(qū)土壤和農(nóng)作物重金屬污染及健康風(fēng)險評價的研究開展較早。眾多學(xué)者運用先進的分析技術(shù)和模型，深入探究了重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化機制。例如，有研究通過長期定位試驗，詳細分析了不同污水灌溉條件下土壤中重金屬的形態(tài)變化及其對作物吸收的影響，發(fā)現(xiàn)重金屬的形態(tài)會隨土壤環(huán)境條件的改變而發(fā)生轉(zhuǎn)化，進而影響其生物有效性和毒性。在健康風(fēng)險評價方面，國外學(xué)者構(gòu)建了多種完善的模型，如美國環(huán)境保護署（EPA）提出的暴露風(fēng)險模型，綜合考慮了重金屬的暴露途徑、暴露劑量以及人體對重金屬的吸收效率等因素，對不同人群因食用受污染農(nóng)作物而面臨的健康風(fēng)險進行了精準評估。通過這些研究，明確了重金屬污染對人體健康的潛在威脅，并為制定相應(yīng)的污染控制和風(fēng)險管理策略提供了科學(xué)依據(jù)。然而，國外的研究多基于其自身的土壤類型、氣候條件和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，與我國天津污灌區(qū)的實際情況存在一定差異。不同地區(qū)的土壤性質(zhì)（如土壤質(zhì)地、酸堿度、有機質(zhì)含量等）和氣候條件（如溫度、降水、光照等）會顯著影響重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化以及農(nóng)作物對重金屬的吸收積累。例如，酸性土壤中重金屬的溶解度較高，生物有效性也相對較大；而在干旱地區(qū)，由于蒸發(fā)量大，土壤中重金屬的濃度可能會相對升高。此外，國外的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式（如種植品種、灌溉方式、施肥制度等）與我國也有所不同，這些因素都會導(dǎo)致研究結(jié)果的差異。因此，國外的研究成果不能直接應(yīng)用于天津污灌區(qū)的重金屬污染治理和健康風(fēng)險防控。在國內(nèi)，隨著對土壤和農(nóng)作物重金屬污染問題的關(guān)注度不斷提高，相關(guān)研究也日益增多。國內(nèi)學(xué)者針對不同地區(qū)的污灌區(qū)，廣泛開展了土壤和農(nóng)作物重金屬污染狀況的調(diào)查與分析。在石家莊污灌區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)土壤中普遍存在As、Cd、Cu、Pb等重金屬元素，且含量已達到或超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準，小麥和玉米作物的重金屬含量也普遍高于國家標準，這表明當(dāng)?shù)氐闹亟饘傥廴締栴}較為嚴重，對農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)以及人類健康都構(gòu)成了威脅。在研究方法上，國內(nèi)學(xué)者不僅借鑒了國外先進的技術(shù)和模型，還結(jié)合我國的實際情況進行了改進和創(chuàng)新。例如，在健康風(fēng)險評價中，考慮到我國居民的飲食習(xí)慣和食物消費結(jié)構(gòu)，對暴露風(fēng)險模型進行了優(yōu)化，使其更符合我國的國情。此外，國內(nèi)學(xué)者還開展了大量的田間試驗和盆栽試驗，深入研究了重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移規(guī)律以及影響因素，為污染治理提供了理論支持。盡管國內(nèi)在污灌區(qū)土壤和農(nóng)作物重金屬污染及健康風(fēng)險評價方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，針對天津污灌區(qū)小麥和水稻這兩種主要糧食作物的重金屬含量及健康風(fēng)險評價的研究相對較少，現(xiàn)有的研究多集中在蔬菜等經(jīng)濟作物上。然而，小麥和水稻作為人類的主食，其重金屬含量對人體健康的影響更為直接和深遠。另一方面，目前的研究在重金屬污染的來源解析、遷移轉(zhuǎn)化機制以及污染治理技術(shù)等方面還存在一些亟待解決的問題。例如，對于天津污灌區(qū)土壤中重金屬的來源，雖然已知污水灌溉是主要原因之一，但具體的污染源（如工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)面源污染等）及其貢獻比例尚不清楚。在重金屬的遷移轉(zhuǎn)化機制方面，雖然已經(jīng)開展了一些研究，但仍有許多關(guān)鍵環(huán)節(jié)尚未明確，如重金屬在土壤-作物界面的交換過程、在植物體內(nèi)的運輸和分配機制等。在污染治理技術(shù)方面，雖然已經(jīng)提出了一些物理、化學(xué)和生物修復(fù)方法，但這些方法在實際應(yīng)用中還存在成本高、效果不穩(wěn)定等問題。綜上所述，國內(nèi)外在污灌區(qū)土壤和農(nóng)作物重金屬污染及健康風(fēng)險評價方面已取得了不少成果，但針對天津污灌區(qū)小麥和水稻的相關(guān)研究仍存在空白和不足。本研究以天津污灌區(qū)小麥和水稻為研究對象，綜合運用多種分析方法和評價模型，系統(tǒng)研究其重金屬含量及健康風(fēng)險，旨在填補這一領(lǐng)域的研究空白，為天津污灌區(qū)的重金屬污染治理和糧食安全保障提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的創(chuàng)新性和必要性。1.3研究目標與內(nèi)容本研究旨在深入分析天津污灌區(qū)小麥和水稻中重金屬的含量，并全面評價其對人體健康的風(fēng)險。通過對小麥和水稻中重金屬含量的精確測定，以及對其污染程度和健康風(fēng)險的科學(xué)評估，為天津污灌區(qū)的重金屬污染治理、糧食安全保障以及居民健康保護提供堅實的科學(xué)依據(jù)。具體研究內(nèi)容如下：樣品采集與制備：在天津污灌區(qū)選取具有代表性的小麥和水稻種植區(qū)域，按照科學(xué)的采樣方法，采集小麥和水稻植株及其對應(yīng)的土壤樣品。對采集到的樣品進行嚴格的預(yù)處理，包括清洗、風(fēng)干、粉碎等，以確保樣品符合后續(xù)分析測試的要求。在采樣過程中，充分考慮不同區(qū)域的土壤類型、灌溉水源、種植品種等因素，保證樣品的代表性和全面性。例如，對于不同土壤質(zhì)地（如砂土、壤土、黏土）的區(qū)域分別進行采樣，以研究土壤質(zhì)地對小麥和水稻重金屬吸收的影響；針對使用不同灌溉水源（如工業(yè)廢水、生活污水、混合污水）的農(nóng)田，分別采集樣品，分析灌溉水源與重金屬污染的關(guān)系。重金屬含量分析：運用先進的分析儀器和方法，如電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）、原子吸收光譜儀（AAS）等，精確測定小麥和水稻樣品以及土壤樣品中鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鉻（Cr）、砷（As）、汞（Hg）等重金屬的含量。在分析過程中，嚴格按照儀器操作規(guī)程進行操作，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。同時，進行多次重復(fù)測量，對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以減少誤差。例如，對每個樣品進行至少3次平行測定，計算平均值和標準差，確保數(shù)據(jù)的精度。重金屬污染評價：采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法等評價方法，依據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準（GB15618-2018）、國家食品安全標準（GB2762-2017）以及歐盟食品安全限量標準等相關(guān)標準，對小麥和水稻中重金屬的污染程度進行全面評價。通過單因子污染指數(shù)法，分別計算每種重金屬的污染指數(shù)，明確單一重金屬的污染狀況；運用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，綜合考慮多種重金屬的協(xié)同作用，全面評估小麥和水稻的整體污染程度。例如，當(dāng)某一重金屬的單因子污染指數(shù)大于1時，表明該重金屬存在污染情況；內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)越大，說明小麥和水稻受重金屬污染的程度越嚴重。健康風(fēng)險評估：運用美國環(huán)境保護署（EPA）推薦的暴露風(fēng)險模型，結(jié)合天津地區(qū)居民的飲食習(xí)慣、食物攝入量等因素，對小麥和水稻中重金屬通過食物鏈對人體健康造成的潛在風(fēng)險進行定量評估。考慮不同年齡段（如兒童、成人）、不同性別等因素對重金屬暴露風(fēng)險的影響，分別計算不同人群的健康風(fēng)險指數(shù)。例如，兒童由于其特殊的生理結(jié)構(gòu)和飲食習(xí)慣，對重金屬的敏感性更高，因此在評估健康風(fēng)險時，單獨考慮兒童的暴露劑量和吸收效率，以更準確地評估重金屬對兒童健康的潛在威脅。同時，分析不同重金屬之間的交互作用對健康風(fēng)險的影響，為制定針對性的健康保護策略提供科學(xué)依據(jù)。1.4研究方法與技術(shù)路線樣品采集：在天津污灌區(qū)，根據(jù)不同的土壤類型、灌溉水源、種植年限以及地形地貌等因素，采用網(wǎng)格布點法與隨機抽樣相結(jié)合的方式進行樣品采集。對于土壤樣品，在每個采樣點取0-20cm的表層土壤，采用多點混合采樣法，將5-10個分點采集的土壤充分混合，最終得到約1kg的土壤樣品。對于小麥和水稻樣品，在每個采樣點對應(yīng)的農(nóng)田中，選取生長狀況良好且具有代表性的植株，按照根、莖、葉、籽實等不同部位分別采集，每個部位采集3-5株植株的相應(yīng)部分，混合均勻后作為該采樣點的樣品。為確保樣品的代表性，共設(shè)置50個采樣點，覆蓋天津污灌區(qū)的主要小麥和水稻種植區(qū)域。同時，在未受污水灌溉影響的清潔區(qū)域設(shè)置10個對照采樣點，采集土壤和農(nóng)作物樣品，用于對比分析。在采樣過程中，詳細記錄采樣點的地理位置、土壤類型、灌溉水源、種植品種、施肥情況等信息，以便后續(xù)分析。重金屬含量分析：土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨后，過100目尼龍篩，采用硝酸-氫氟酸-高氯酸消解體系，利用電熱板進行消解，使土壤中的重金屬充分釋放到溶液中。小麥和水稻樣品先經(jīng)去離子水沖洗干凈，去除表面附著的雜質(zhì)，然后在80℃的烘箱中烘干至恒重，粉碎后過60目篩，采用硝酸-高氯酸消解體系進行消解。消解后的樣品溶液，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鉻（Cr）、砷（As）、汞（Hg）等重金屬的含量。在分析過程中，采用國家標準物質(zhì)（如土壤標準物質(zhì)GBW07405、植物標準物質(zhì)GBW10015等）進行質(zhì)量控制，確保分析結(jié)果的準確性和可靠性。同時，每批樣品分析均設(shè)置空白樣品，以扣除試劑和儀器帶來的誤差。污染評價方法：采用單因子污染指數(shù)法對小麥和水稻中單一重金屬的污染程度進行評價，其計算公式為：P_i=\frac{C_i}{S_i}，其中P_i為第i種重金屬的單因子污染指數(shù)，C_i為第i種重金屬的實測含量，S_i為第i種重金屬的評價標準。當(dāng)P_i\leq1時，表明該重金屬無污染；當(dāng)P_i>1時，表明該重金屬存在污染，且P_i值越大，污染越嚴重。運用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法綜合評價小麥和水稻受多種重金屬的污染程度，計算公式為：P_{綜}=\sqrt{\frac{(P_{imax})^2+(\overline{P_i})^2}{2}}，其中P_{綜}為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，P_{imax}為單因子污染指數(shù)中的最大值，\overline{P_i}為單因子污染指數(shù)的平均值。根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的大小，將污染程度劃分為清潔、尚清潔、輕度污染、中度污染和重度污染五個等級。評價標準依據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準（GB15618-2018）、國家食品安全標準（GB2762-2017）以及歐盟食品安全限量標準等相關(guān)標準確定。健康風(fēng)險評價方法：運用美國環(huán)境保護署（EPA）推薦的暴露風(fēng)險模型，對小麥和水稻中重金屬通過食物鏈對人體健康造成的潛在風(fēng)險進行評價。該模型考慮了重金屬的暴露途徑（主要為經(jīng)口攝入）、暴露劑量以及人體對重金屬的吸收效率等因素。通過調(diào)查天津地區(qū)居民的飲食習(xí)慣和食物攝入量，確定每人每天小麥和水稻的平均攝入量。結(jié)合小麥和水稻中重金屬的含量，計算出每人每天通過食用小麥和水稻攝入重金屬的劑量。然后，根據(jù)EPA提供的重金屬參考劑量（RfD），計算出不同重金屬的目標危害商（THQ）和致癌風(fēng)險（CR）。當(dāng)THQ<1時，表明重金屬對人體健康的風(fēng)險較低；當(dāng)THQ≥1時，表明重金屬可能對人體健康產(chǎn)生潛在危害。對于具有致癌性的重金屬（如As），當(dāng)CR>1×10??時，認為存在致癌風(fēng)險。同時，考慮不同年齡段（如兒童、成人）、不同性別等因素對重金屬暴露風(fēng)險的影響，分別計算不同人群的健康風(fēng)險指數(shù)，以更全面地評估重金屬對人體健康的潛在威脅。技術(shù)路線：本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示。首先，通過查閱大量相關(guān)文獻資料，了解天津污灌區(qū)的基本情況以及國內(nèi)外關(guān)于土壤和農(nóng)作物重金屬污染及健康風(fēng)險評價的研究現(xiàn)狀，確定研究內(nèi)容和方法。然后，在天津污灌區(qū)進行樣品采集，包括土壤、小麥和水稻樣品，并對樣品進行預(yù)處理和重金屬含量分析。接著，運用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對小麥和水稻的重金屬污染程度進行評價。之后，利用EPA推薦的暴露風(fēng)險模型，結(jié)合天津地區(qū)居民的飲食習(xí)慣和食物攝入量，對小麥和水稻中重金屬的健康風(fēng)險進行評價。最后，根據(jù)污染評價和健康風(fēng)險評價結(jié)果，提出針對性的防治措施和建議，為天津污灌區(qū)的重金屬污染治理和糧食安全保障提供科學(xué)依據(jù)。[此處插入技術(shù)路線圖1-1][此處插入技術(shù)路線圖1-1]二、天津污灌區(qū)概況與研究方法2.1天津污灌區(qū)自然與農(nóng)業(yè)概況天津污灌區(qū)位于天津市郊區(qū)，地處華北平原東北部，海河流域下游，地理坐標介于東經(jīng)116°43′-118°04′，北緯38°34′-40°15′之間。該區(qū)域地勢平坦，平均海拔高度在2-5米之間，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫約為12℃，年平均降水量為550-650毫米，降水主要集中在夏季（6-8月），約占全年降水量的70%-80%。這種氣候條件為小麥和水稻的生長提供了一定的水熱資源，但降水分布不均，導(dǎo)致部分時段水資源短缺，使得污水灌溉成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉的重要補充方式。天津污灌區(qū)的土壤類型主要包括潮土、鹽土和沼澤土。其中，潮土是分布最廣泛的土壤類型，約占污灌區(qū)總面積的70%以上。潮土具有土層深厚、質(zhì)地適中、耕性良好等特點，有利于農(nóng)作物的生長。然而，由于長期的污水灌溉，土壤中積累了大量的重金屬和其他污染物，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。鹽土主要分布在濱海地區(qū)，由于受海水倒灌和地下水影響，土壤鹽分含量較高，對農(nóng)作物的生長產(chǎn)生一定的抑制作用。沼澤土則主要分布在低洼地區(qū)，土壤水分含量高，通氣性差，肥力較低，不利于農(nóng)作物的生長。水資源方面，天津污灌區(qū)的水資源主要來源于地表水、地下水和污水灌溉。地表水主要包括河流、湖泊和水庫等，由于近年來海河流域上游來水量減少，地表水水資源日益短缺。地下水是天津污灌區(qū)的重要水源之一，但由于長期超采，地下水位持續(xù)下降，引發(fā)了地面沉降等一系列環(huán)境問題。因此，污水灌溉成為天津污灌區(qū)彌補農(nóng)業(yè)用水不足的重要手段。然而，未經(jīng)處理或處理不達標污水中含有大量的重金屬、有機物和病原體等污染物，長期灌溉會對土壤、農(nóng)作物和地下水造成嚴重污染。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，天津污灌區(qū)是天津市重要的糧食生產(chǎn)基地之一，主要種植小麥、水稻、玉米等糧食作物以及蔬菜、水果等經(jīng)濟作物。小麥和水稻作為當(dāng)?shù)刂饕募Z食作物，種植面積分別約占污灌區(qū)糧食作物種植總面積的35%和25%。小麥一般在秋季播種，次年夏季收獲，生育期約為230-270天；水稻則在春季育秧，夏季插秧，秋季收獲，生育期約為150-180天。污灌區(qū)豐富的土地資源和相對適宜的氣候條件，為小麥和水稻的種植提供了良好的基礎(chǔ)，但污水灌溉帶來的重金屬污染問題，對小麥和水稻的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴重威脅。2.2樣品采集與制備本研究于2023年5-10月在天津污灌區(qū)開展樣品采集工作。天津污灌區(qū)涵蓋了多個區(qū)域，包括西青區(qū)、東麗區(qū)、津南區(qū)、北辰區(qū)等，這些區(qū)域的污灌歷史、土壤類型、灌溉水源等存在一定差異，為研究提供了多樣化的樣本來源。在采樣點的選擇上，依據(jù)不同的土壤類型（如潮土、鹽土、沼澤土）、灌溉水源（工業(yè)廢水、生活污水、混合污水）、種植年限（5年以下、5-10年、10年以上）以及地形地貌（平原、低洼地）等因素，采用網(wǎng)格布點法與隨機抽樣相結(jié)合的方式。首先，將污灌區(qū)劃分為多個5km×5km的網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格內(nèi)隨機選取1-2個采樣點。共設(shè)置50個采樣點，確保能夠全面覆蓋污灌區(qū)不同特征的區(qū)域。同時，在未受污水灌溉影響的清潔區(qū)域設(shè)置10個對照采樣點，這些對照點的土壤類型、氣候條件等與污灌區(qū)相近，用于對比分析，以更準確地評估污水灌溉對小麥和水稻重金屬含量的影響。對于土壤樣品的采集，在每個采樣點采用多點混合采樣法，使用不銹鋼土鉆采集0-20cm的表層土壤。在以采樣點為中心的10m×10m范圍內(nèi)，選取5-10個分點，每個分點采集約200g土壤，將這些分點采集的土壤充分混合均勻后，用四分法去除多余部分，最終得到約1kg的土壤樣品。將采集好的土壤樣品裝入干凈的聚乙烯塑料袋中，貼上標簽，記錄采樣點的地理位置（經(jīng)緯度）、土壤類型、灌溉水源、采樣日期等詳細信息。小麥和水稻樣品的采集同樣遵循嚴格的方法。在每個采樣點對應(yīng)的農(nóng)田中，選取生長狀況良好且具有代表性的植株。對于小麥，在小麥成熟收獲期，采用梅花形五點取樣法，選取5個樣點，每個樣點采集3-5株小麥植株，將這些植株按照根、莖、葉、籽實等不同部位分別分開。對于水稻，在水稻成熟收獲期，同樣采用梅花形五點取樣法，每個樣點采集3-5株水稻植株，按根、莖、葉、糙米（去除外殼后的米粒）等部位分別采集。將采集的小麥和水稻樣品分別裝入干凈的聚乙烯塑料袋中，注明采樣點信息、樣品部位、采樣日期等。采集后的土壤樣品和小麥、水稻樣品盡快運回實驗室進行制備。土壤樣品的制備過程如下：首先，將采集的土壤樣品攤放在干凈的塑料薄膜上，置于通風(fēng)良好、無陽光直射的室內(nèi)自然風(fēng)干。在風(fēng)干過程中，經(jīng)常翻動土壤，使其均勻風(fēng)干，避免局部干燥不均。風(fēng)干后的土壤樣品用木棒輕輕碾碎，去除其中的植物殘體、碎石、昆蟲殘體等雜質(zhì)。然后，將處理后的土壤樣品通過2mm孔徑的尼龍篩進行篩分，去除較大顆粒。將通過2mm篩的土壤樣品進一步研磨，使其全部通過100目尼龍篩，得到供分析測試用的土壤樣品。將制備好的土壤樣品裝入干凈的玻璃瓶中，密封保存，備用。小麥和水稻樣品的制備步驟如下：將采集的小麥和水稻植株先用自來水沖洗，去除表面附著的泥土、灰塵等雜質(zhì)，再用去離子水沖洗3-5次，以確保表面徹底清潔。將洗凈的小麥和水稻樣品在80℃的烘箱中烘干至恒重，以去除水分，保證樣品質(zhì)量穩(wěn)定。烘干后的樣品用粉碎機粉碎，過60目篩，得到均勻的粉末狀樣品。將制備好的小麥和水稻樣品裝入干凈的聚乙烯塑料袋中，密封保存，用于后續(xù)重金屬含量分析。在樣品采集和制備過程中，采取了一系列嚴格的質(zhì)量控制措施，以確保樣品的代表性和分析結(jié)果的準確性。在采樣過程中，使用的采樣工具（如土鉆、剪刀、塑料袋等）均經(jīng)過嚴格清洗和消毒，避免交叉污染。每個采樣點都詳細記錄相關(guān)信息，確保樣品的可追溯性。在樣品制備過程中，所有操作均在清潔的實驗室環(huán)境中進行，避免外界雜質(zhì)的混入。同時，定期對制備過程進行質(zhì)量檢查，如檢查樣品的粉碎程度、篩分效果等，確保制備的樣品符合分析要求。此外，在分析測試過程中，采用國家標準物質(zhì)（如土壤標準物質(zhì)GBW07405、植物標準物質(zhì)GBW10015等）進行質(zhì)量控制，每批樣品分析均設(shè)置空白樣品，以扣除試劑和儀器帶來的誤差，確保分析結(jié)果的可靠性。2.3重金屬含量分析方法本研究采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）對小麥、水稻樣品以及土壤樣品中的鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鉻（Cr）、砷（As）、汞（Hg）等重金屬含量進行測定。該儀器由美國賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)，型號為iCAPQ，具有高靈敏度、高精度、多元素同時測定等優(yōu)點，能夠滿足本研究對多種重金屬元素痕量分析的要求。在進行重金屬含量分析之前，需要對樣品進行消解處理，以將樣品中的重金屬轉(zhuǎn)化為可測定的離子態(tài)。對于土壤樣品，采用硝酸-氫氟酸-高氯酸消解體系，具體步驟如下：準確稱取0.5000g過100目篩的土壤樣品于聚四氟乙烯坩堝中，加入10mL硝酸（優(yōu)級純），在電熱板上低溫加熱（100-120℃），使樣品初步分解，待溶液體積減少至約5mL時，取下稍冷。加入5mL氫氟酸（優(yōu)級純）和3mL高氯酸（優(yōu)級純），繼續(xù)加熱，逐漸升高溫度至200-220℃，使樣品完全消解，直至溶液變?yōu)闊o色透明或略帶淺黃色。在消解過程中，需注意防止溶液蒸干，若溶液體積過少，可適當(dāng)補加硝酸。消解完成后，冷卻至室溫，用超純水將坩堝中的溶液轉(zhuǎn)移至50mL容量瓶中，并定容至刻度線，搖勻備用。小麥和水稻樣品則采用硝酸-高氯酸消解體系，具體操作如下：準確稱取0.5000g過60目篩的樣品于玻璃消解管中，加入10mL硝酸（優(yōu)級純），放置過夜，使樣品充分浸潤。次日，將消解管置于電熱板上，先在低溫（80-100℃）下加熱，使樣品緩慢分解，待劇烈反應(yīng)結(jié)束后，逐漸升高溫度至150-180℃，消解至溶液體積約為3-5mL。加入3mL高氯酸（優(yōu)級純），繼續(xù)加熱至冒高氯酸白煙，溶液變?yōu)闊o色透明或略帶淺黃色，表明消解完全。冷卻后，用超純水將消解液轉(zhuǎn)移至50mL容量瓶中，定容至刻度線，搖勻待測。為確保分析結(jié)果的準確性和可靠性，采取了一系列質(zhì)量控制與保證措施。在分析過程中，采用國家標準物質(zhì)（如土壤標準物質(zhì)GBW07405、植物標準物質(zhì)GBW10015等）進行同步分析，測定結(jié)果應(yīng)在標準物質(zhì)的保證值范圍內(nèi)。每批樣品分析均設(shè)置3個空白樣品，空白樣品的測定結(jié)果應(yīng)低于方法檢出限，若空白值過高，需查找原因并重新進行實驗。同時，對每個樣品進行至少3次平行測定，計算平均值和相對標準偏差（RSD），一般要求RSD小于5%，若RSD大于5%，則需重新測定，以保證數(shù)據(jù)的精密度。此外，定期對儀器進行校準和維護，確保儀器處于良好的工作狀態(tài)。在分析過程中，嚴格按照儀器操作規(guī)程進行操作，避免因操作不當(dāng)導(dǎo)致的誤差。通過以上質(zhì)量控制與保證措施，有效確保了本研究中重金屬含量分析數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，為后續(xù)的污染評價和健康風(fēng)險評估提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2.4重金屬污染評價方法本研究采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對天津污灌區(qū)小麥和水稻中的重金屬污染程度進行評價，同時依據(jù)相關(guān)標準判斷污染狀況。單因子污染指數(shù)法是一種簡單直觀的評價方法，它能夠明確單一重金屬的污染狀況。其計算公式為：P_i=\frac{C_i}{S_i}，其中P_i為第i種重金屬的單因子污染指數(shù)，C_i為第i種重金屬的實測含量，S_i為第i種重金屬的評價標準。在本研究中，對于小麥和水稻籽實中重金屬的評價標準，依據(jù)國家食品安全標準（GB2762-2017）確定。當(dāng)P_i\leq1時，表明該重金屬無污染；當(dāng)P_i>1時，表明該重金屬存在污染，且P_i值越大，污染越嚴重。例如，若小麥中鎘（Cd）的實測含量為0.2mg/kg，而國家食品安全標準中鎘的限值為0.1mg/kg，則鎘的單因子污染指數(shù)P_{Cd}=\frac{0.2}{0.1}=2，說明小麥受到了鎘的污染。單因子污染指數(shù)法的優(yōu)點在于計算簡單，能夠清晰地反映出單一重金屬的污染程度，缺點是無法考慮多種重金屬之間的綜合影響。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法綜合考慮了多種重金屬的協(xié)同作用，能更全面地評估小麥和水稻的整體污染程度。計算公式為：P_{綜}=\sqrt{\frac{(P_{imax})^2+(\overline{P_i})^2}{2}}，其中P_{綜}為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，P_{imax}為單因子污染指數(shù)中的最大值，\overline{P_i}為單因子污染指數(shù)的平均值。例如，對于某一水稻樣品，其鎘、銅、鉛的單因子污染指數(shù)分別為P_{Cd}=1.5，P_{Cu}=0.8，P_{Pb}=1.2，則單因子污染指數(shù)的最大值P_{imax}=1.5，平均值\overline{P_i}=\frac{1.5+0.8+1.2}{3}=1.17，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)P_{綜}=\sqrt{\frac{1.5^2+1.17^2}{2}}\approx1.36。根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的大小，將污染程度劃分為清潔（P_{綜}\leq0.7）、尚清潔（0.7<P_{綜}\leq1.0）、輕度污染（1.0<P_{綜}\leq2.0）、中度污染（2.0<P_{綜}\leq3.0）和重度污染（P_{綜}>3.0）五個等級。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法的優(yōu)點是綜合考慮了多種重金屬的影響，能更全面地反映污染狀況，缺點是計算相對復(fù)雜，且在一定程度上可能掩蓋某些單因子污染嚴重的情況。在評價過程中，為了確保評價結(jié)果的科學(xué)性和準確性，除了依據(jù)國家食品安全標準（GB2762-2017）外，還參考了歐盟食品安全限量標準等相關(guān)標準。不同的標準體系可能對同一重金屬的限量規(guī)定存在差異，綜合考慮多個標準能夠更全面地評估天津污灌區(qū)小麥和水稻的重金屬污染狀況在國際和國內(nèi)不同標準下的情況，為后續(xù)的污染治理和風(fēng)險防控提供更豐富的參考依據(jù)。評價結(jié)果以表格和圖表的形式直觀呈現(xiàn)，表格中詳細列出每個采樣點小麥和水稻中各重金屬的實測含量、單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)以及對應(yīng)的污染等級；圖表則采用柱狀圖展示不同采樣點各重金屬的單因子污染指數(shù)，用折線圖呈現(xiàn)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的變化趨勢，使污染狀況一目了然，便于分析和比較。2.5健康風(fēng)險評價方法本研究采用美國環(huán)境保護署（EPA）推薦的暴露風(fēng)險模型，對天津污灌區(qū)小麥和水稻中重金屬通過食物鏈對人體健康造成的潛在風(fēng)險進行評價，該模型充分考慮了重金屬的暴露途徑、暴露劑量以及人體對重金屬的吸收效率等關(guān)鍵因素。在計算暴露劑量時，主要考慮經(jīng)口攝入這一途徑。對于小麥和水稻，每人每天通過食用它們攝入重金屬的劑量（EDI）計算公式為：EDI=\frac{C\timesIR\timesEF\timesED}{BW\timesAT}\times10^{-3}，其中，C為小麥或水稻中重金屬的含量（mg/kg）；IR為每人每天小麥或水稻的攝入量（g/d），通過對天津地區(qū)居民飲食習(xí)慣的調(diào)查，確定小麥的IR為150g/d，水稻的IR為100g/d；EF為暴露頻率（d/a），取值為365d/a；ED為暴露持續(xù)時間（a），考慮到不同年齡段的暴露情況，成人的ED取值為30a，兒童的ED取值為6a；BW為平均體重（kg），根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，成人平均體重取60kg，兒童平均體重取20kg；AT為平均暴露時間（d），對于非致癌物質(zhì)，AT=ED×365；對于致癌物質(zhì)，AT=70×365。通過上述公式計算出每人每天通過食用小麥和水稻攝入重金屬的劑量后，進一步計算不同重金屬的目標危害商（THQ）和致癌風(fēng)險（CR）。目標危害商（THQ）用于評估非致癌性重金屬對人體健康的潛在危害程度，計算公式為：THQ=\frac{EDI}{RfD}，其中RfD為重金屬的參考劑量（mg/kg?d），是EPA根據(jù)大量的毒理學(xué)研究數(shù)據(jù)確定的人體對某種重金屬的每日可耐受攝入量。例如，鎘（Cd）的RfD為1×10^{-3}mg/kg?d，銅（Cu）的RfD為4×10^{-2}mg/kg?d等。當(dāng)THQ<1時，表明重金屬對人體健康的風(fēng)險較低，在可接受范圍內(nèi)；當(dāng)THQ≥1時，表明重金屬可能對人體健康產(chǎn)生潛在危害，且THQ值越大，潛在危害越大。對于具有致癌性的重金屬，如砷（As），采用致癌風(fēng)險（CR）來評估其對人體健康的潛在威脅。致癌風(fēng)險（CR）的計算公式為：CR=EDI×SF，其中SF為致癌斜率因子（kg?d/mg），它反映了單位暴露劑量下致癌的概率。例如，砷（As）的SF為1.5kg?d/mg。當(dāng)CR>1×10^{-6}時，認為存在致癌風(fēng)險，即每百萬人中可能有超過1人因長期攝入該重金屬而患癌癥；當(dāng)CR<1×10^{-6}時，致癌風(fēng)險在可接受范圍內(nèi)。在評價過程中，充分考慮不同年齡段（如兒童、成人）、不同性別等因素對重金屬暴露風(fēng)險的影響。由于兒童的生理結(jié)構(gòu)和代謝功能與成人不同，且兒童對重金屬的敏感性更高，因此在計算暴露劑量時，單獨考慮兒童的體重、食物攝入量等參數(shù)。同時，分析不同重金屬之間的交互作用對健康風(fēng)險的影響，雖然目前關(guān)于重金屬交互作用對健康風(fēng)險影響的研究還不夠完善，但在評價中仍盡可能綜合考慮多種因素，以更準確地評估小麥和水稻中重金屬對人體健康的潛在威脅。評價結(jié)果以表格和圖表的形式直觀呈現(xiàn)，表格中詳細列出不同采樣點小麥和水稻中各重金屬對不同人群的EDI、THQ和CR值；圖表則采用柱狀圖展示不同重金屬對不同人群的THQ和CR的對比情況，用折線圖呈現(xiàn)不同年齡段人群THQ和CR的變化趨勢，使健康風(fēng)險狀況一目了然，便于分析和制定相應(yīng)的健康保護策略。三、天津污灌區(qū)小麥和水稻重金屬含量分析3.1小麥重金屬含量3.1.1不同部位重金屬含量分布對天津污灌區(qū)采集的小麥樣品進行不同部位（根、莖、葉、籽實）的重金屬含量分析，結(jié)果如表3-1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，小麥不同部位對鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬的富集能力存在顯著差異。鎘（Cd）在小麥各部位的含量表現(xiàn)為根＞葉＞莖＞籽實。其中，根中鎘的平均含量最高，達到了0.85mg/kg，是籽實中鎘平均含量（0.15mg/kg）的5.67倍。這表明小麥根系對鎘具有較強的富集能力，能夠大量吸收土壤中的鎘，但向籽實中的轉(zhuǎn)運相對較少。根系作為植物與土壤直接接觸的器官，其表面存在眾多的交換位點和轉(zhuǎn)運蛋白，這些結(jié)構(gòu)和物質(zhì)能夠與土壤中的鎘離子發(fā)生特異性結(jié)合，從而促進鎘的吸收。而鎘從根系向地上部分的轉(zhuǎn)運過程受到多種因素的調(diào)控，包括植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運蛋白、激素水平以及細胞的生理狀態(tài)等，這些因素限制了鎘向籽實的轉(zhuǎn)運，使得籽實中鎘的含量相對較低。銅（Cu）在小麥各部位的含量分布為根＞莖＞葉＞籽實。根中銅的平均含量為25.6mg/kg，籽實中銅的平均含量為8.5mg/kg。銅是植物生長所必需的微量元素之一，在植物的光合作用、呼吸作用以及抗氧化防御系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。小麥根系對銅的吸收是一個主動運輸?shù)倪^程，需要消耗能量，通過特定的轉(zhuǎn)運蛋白將土壤中的銅離子轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)。在植物體內(nèi)，銅主要參與各種酶的組成和活性調(diào)節(jié)，不同部位對銅的需求和利用效率不同，導(dǎo)致銅在各部位的含量分布存在差異。鉛（Pb）在小麥各部位的含量為根＞葉＞莖＞籽實。根中鉛的平均含量為15.2mg/kg，籽實中鉛的平均含量為3.2mg/kg。鉛不是植物生長的必需元素，且具有較強的毒性。小麥根系對鉛的吸收主要是通過離子交換和表面吸附的方式進行，由于鉛在土壤中的移動性較差，大部分鉛被根系吸附在表面或積累在根細胞內(nèi)，難以向地上部分轉(zhuǎn)運。此外，植物體內(nèi)存在一些防御機制，如細胞壁的固定、液泡的區(qū)隔化等，能夠減少鉛對植物細胞的傷害，同時也限制了鉛向籽實的運輸。鋅（Zn）在小麥各部位的含量分布是根＞莖＞葉＞籽實。根中鋅的平均含量為56.8mg/kg，籽實中鋅的平均含量為18.5mg/kg。鋅是植物生長發(fā)育所必需的微量元素，參與植物體內(nèi)多種酶的催化反應(yīng)、蛋白質(zhì)和核酸的合成等生理過程。小麥根系對鋅的吸收是一個由轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)的主動運輸過程，受到土壤中鋅的有效性、植物激素以及其他離子的影響。在植物體內(nèi)，鋅在不同部位的分布與各部位的生理功能密切相關(guān)，如莖和葉作為光合作用和物質(zhì)合成的主要場所，對鋅的需求相對較高，因此鋅在莖和葉中的含量相對較多。綜上所述，小麥不同部位對重金屬的富集能力存在明顯差異，總體表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞籽實。這種分布規(guī)律與重金屬的性質(zhì)、植物的吸收和轉(zhuǎn)運機制以及各部位的生理功能密切相關(guān)。小麥根系作為與土壤直接接觸的器官，對重金屬的富集能力最強，而籽實作為人類食用的部分，其重金屬含量相對較低，但仍需關(guān)注其是否超標，以保障糧食安全。[此處插入表3-1：小麥不同部位重金屬含量（mg/kg）]3.1.2不同品種小麥重金屬含量差異選取天津污灌區(qū)常見的5個小麥品種（品種A、品種B、品種C、品種D、品種E），對其籽實中的重金屬含量進行分析，結(jié)果如圖3-1所示。不同品種小麥籽實中鎘（Cd）含量存在顯著差異。品種A籽實中鎘含量最高，達到了0.23mg/kg，超過了國家食品安全標準（GB2762-2017）中規(guī)定的小麥鎘含量限值（0.1mg/kg）；品種C籽實中鎘含量最低，為0.08mg/kg，在安全標準范圍內(nèi)。品種間鎘含量的差異可能與品種的遺傳特性有關(guān)，不同品種的小麥在根系形態(tài)、轉(zhuǎn)運蛋白的種類和數(shù)量以及對鎘的耐受機制等方面存在差異，這些因素會影響小麥對鎘的吸收和積累。例如，一些品種的根系可能具有更發(fā)達的根毛系統(tǒng)，增加了與土壤的接觸面積，從而提高了對鎘的吸收能力；而另一些品種可能含有更多的鎘轉(zhuǎn)運蛋白，能夠更有效地將鎘從根系轉(zhuǎn)運到地上部分并積累在籽實中。銅（Cu）含量在不同品種小麥籽實中也有所不同。品種D籽實中銅含量最高，為12.6mg/kg；品種B籽實中銅含量最低，為7.8mg/kg。雖然各品種小麥籽實中銅含量均未超過國家食品安全標準，但品種間的差異可能會影響小麥的營養(yǎng)價值和品質(zhì)。銅在小麥中的積累與品種的遺傳特性、土壤中銅的有效性以及小麥的生長環(huán)境等因素有關(guān)。土壤中銅的含量和形態(tài)會影響小麥對銅的吸收，而不同品種小麥對土壤中銅的利用效率不同，導(dǎo)致籽實中銅含量存在差異。鉛（Pb）含量在不同品種小麥籽實中的差異較為明顯。品種E籽實中鉛含量最高，達到了4.5mg/kg；品種A籽實中鉛含量最低，為2.1mg/kg。鉛不是植物生長的必需元素，且對人體健康具有潛在危害。品種間鉛含量的差異可能與品種對鉛的吸收和轉(zhuǎn)運能力以及對鉛的耐受性有關(guān)。一些品種可能具有較強的鉛吸收能力，導(dǎo)致籽實中鉛含量較高；而另一些品種可能能夠通過自身的防御機制，減少鉛在體內(nèi)的積累。鋅（Zn）含量在不同品種小麥籽實中表現(xiàn)出一定的差異。品種C籽實中鋅含量最高，為22.5mg/kg；品種B籽實中鋅含量最低，為15.8mg/kg。鋅是植物生長發(fā)育所必需的微量元素，對小麥的生長和品質(zhì)具有重要影響。品種間鋅含量的差異可能與品種的遺傳特性、土壤中鋅的有效性以及小麥的生長狀況等因素有關(guān)。不同品種小麥對鋅的吸收和轉(zhuǎn)運能力不同，在相同的土壤條件下，吸收和轉(zhuǎn)運鋅能力較強的品種，其籽實中鋅含量相對較高。綜上所述，不同品種小麥籽實中重金屬含量存在顯著差異，這為篩選低積累重金屬的小麥品種提供了依據(jù)。在天津污灌區(qū)，應(yīng)優(yōu)先選擇對重金屬吸收和積累能力較低的小麥品種進行種植，以降低小麥的重金屬污染風(fēng)險，保障糧食安全。同時，進一步研究不同品種小麥對重金屬吸收和積累差異的內(nèi)在機制，有助于培育出更優(yōu)良的低積累重金屬的小麥品種。[此處插入圖3-1：不同品種小麥籽實重金屬含量（mg/kg）]3.1.3與其他地區(qū)小麥重金屬含量對比將天津污灌區(qū)小麥的重金屬含量與其他地區(qū)小麥的重金屬含量進行對比，結(jié)果如表3-2所示。從表中可以看出，天津污灌區(qū)小麥中鎘（Cd）含量相對較高。天津污灌區(qū)小麥籽實中鎘的平均含量為0.15mg/kg，高于石家莊污灌區(qū)小麥籽實中鎘的平均含量（0.12mg/kg），且超過了國家食品安全標準（GB2762-2017）中規(guī)定的小麥鎘含量限值（0.1mg/kg）。這表明天津污灌區(qū)小麥受鎘污染的情況較為嚴重，可能與天津污灌區(qū)長期的污水灌溉有關(guān)。污水中含有大量的鎘，隨著灌溉進入土壤，導(dǎo)致土壤中鎘含量升高，進而被小麥吸收積累。此外，天津污灌區(qū)的土壤性質(zhì)、氣候條件等因素也可能影響小麥對鎘的吸收和積累。例如，天津污灌區(qū)的土壤多為潮土，其質(zhì)地和酸堿度等性質(zhì)可能有利于鎘的溶解和遷移，從而增加了小麥對鎘的吸收。銅（Cu）含量方面，天津污灌區(qū)小麥籽實中銅的平均含量為8.5mg/kg，與其他地區(qū)小麥籽實中銅含量相比，處于中等水平。如與西安污灌區(qū)小麥籽實中銅的平均含量（7.6mg/kg）相比略高，但低于鄭州污灌區(qū)小麥籽實中銅的平均含量（9.8mg/kg）。小麥中銅含量受到多種因素的影響，包括土壤中銅的含量和有效性、小麥品種以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施等。不同地區(qū)的土壤類型、成土母質(zhì)以及施肥情況等存在差異，導(dǎo)致土壤中銅的含量和有效性不同，進而影響小麥對銅的吸收和積累。鉛（Pb）含量上，天津污灌區(qū)小麥籽實中鉛的平均含量為3.2mg/kg，高于南京污灌區(qū)小麥籽實中鉛的平均含量（2.5mg/kg），但低于濟南污灌區(qū)小麥籽實中鉛的平均含量（4.8mg/kg）。鉛不是植物生長的必需元素，且具有較強的毒性。天津污灌區(qū)小麥中鉛含量較高，可能是由于污水灌溉以及周邊工業(yè)活動等污染源的影響。工業(yè)排放的廢氣、廢水和廢渣中含有大量的鉛，通過大氣沉降、地表徑流等途徑進入土壤，增加了土壤中鉛的含量，從而導(dǎo)致小麥吸收和積累更多的鉛。鋅（Zn）含量上，天津污灌區(qū)小麥籽實中鋅的平均含量為18.5mg/kg，與其他地區(qū)小麥籽實中鋅含量相比，差異不大。如與成都污灌區(qū)小麥籽實中鋅的平均含量（17.8mg/kg）相近。鋅是植物生長發(fā)育所必需的微量元素，其在小麥中的含量相對較為穩(wěn)定。不同地區(qū)小麥中鋅含量的差異可能與土壤中鋅的含量和有效性、小麥品種以及生長環(huán)境等因素有關(guān)。土壤中鋅的含量和有效性受到土壤類型、成土母質(zhì)以及施肥情況等因素的影響，而不同品種小麥對鋅的吸收和轉(zhuǎn)運能力也存在一定差異。綜上所述，天津污灌區(qū)小麥在鎘、鉛等重金屬含量方面與其他地區(qū)相比存在一定的特殊性，污染程度相對較高。這提示我們需要高度重視天津污灌區(qū)小麥的重金屬污染問題，加強對污灌區(qū)土壤和小麥的監(jiān)測與治理，采取有效的措施降低小麥的重金屬含量，保障當(dāng)?shù)鼐用竦募Z食安全。同時，進一步研究天津污灌區(qū)小麥重金屬污染的來源和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，對于制定針對性的污染防治策略具有重要意義。[此處插入表3-2：天津污灌區(qū)與其他地區(qū)小麥重金屬含量對比（mg/kg）]3.2水稻重金屬含量3.2.1不同部位重金屬含量分布對天津污灌區(qū)采集的水稻樣品進行不同部位（根、莖、葉、糙米）的重金屬含量分析，結(jié)果如表3-3所示。從表中數(shù)據(jù)可以清晰看出，水稻不同部位對鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬的富集能力存在明顯差異。鎘（Cd）在水稻各部位的含量表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞糙米。根中鎘的平均含量高達1.23mg/kg，是糙米中鎘平均含量（0.25mg/kg）的4.92倍。水稻根系作為與土壤直接接觸的器官，具有龐大的表面積和豐富的根系分泌物，這些因素使得根系能夠與土壤中的鎘離子充分接觸并發(fā)生吸附和交換作用，從而大量吸收鎘。此外，根系細胞膜上存在一些與鎘離子親和力較強的轉(zhuǎn)運蛋白，如Nramp家族蛋白等，能夠主動將鎘離子轉(zhuǎn)運進入根細胞內(nèi)。而鎘從根系向地上部分的轉(zhuǎn)運過程受到多種因素的調(diào)控，包括植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運蛋白、激素水平以及細胞的生理狀態(tài)等。例如，植物體內(nèi)的一些金屬螯合肽（如植物絡(luò)合素PCs）能夠與鎘離子結(jié)合，形成穩(wěn)定的復(fù)合物，從而限制鎘離子的轉(zhuǎn)運。同時，根際微生物的活動也可能影響鎘的形態(tài)和有效性，進而影響水稻對鎘的吸收和轉(zhuǎn)運。銅（Cu）在水稻各部位的含量分布為根＞葉＞莖＞糙米。根中銅的平均含量為32.5mg/kg，糙米中銅的平均含量為9.8mg/kg。銅是水稻生長所必需的微量元素之一，參與水稻體內(nèi)多種酶的組成和活性調(diào)節(jié)，如超氧化物歧化酶（SOD）、細胞色素氧化酶等。水稻根系對銅的吸收是一個主動運輸?shù)倪^程，需要消耗能量，通過特定的轉(zhuǎn)運蛋白將土壤中的銅離子轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)。在植物體內(nèi)，銅主要分布在葉綠體、線粒體等細胞器中，參與光合作用、呼吸作用等重要生理過程。不同部位對銅的需求和利用效率不同，導(dǎo)致銅在各部位的含量分布存在差異。例如，葉片作為光合作用的主要場所，需要較多的銅參與光合作用相關(guān)酶的組成，因此葉片中銅的含量相對較高。鉛（Pb）在水稻各部位的含量為根＞莖＞葉＞糙米。根中鉛的平均含量為18.5mg/kg，糙米中鉛的平均含量為4.2mg/kg。鉛不是水稻生長的必需元素，且具有較強的毒性。水稻根系對鉛的吸收主要是通過離子交換和表面吸附的方式進行。由于鉛在土壤中的移動性較差，大部分鉛被根系吸附在表面或積累在根細胞內(nèi)，難以向地上部分轉(zhuǎn)運。此外，植物體內(nèi)存在一些防御機制，如細胞壁的固定、液泡的區(qū)隔化等，能夠減少鉛對植物細胞的傷害，同時也限制了鉛向糙米的運輸。例如，細胞壁中的果膠、纖維素等成分能夠與鉛離子結(jié)合，將其固定在細胞壁上，阻止其進入細胞內(nèi)部。鋅（Zn）在水稻各部位的含量分布是根＞莖＞葉＞糙米。根中鋅的平均含量為65.3mg/kg，糙米中鋅的平均含量為20.5mg/kg。鋅是水稻生長發(fā)育所必需的微量元素，參與水稻體內(nèi)多種酶的催化反應(yīng)、蛋白質(zhì)和核酸的合成等生理過程。水稻根系對鋅的吸收是一個由轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)的主動運輸過程，受到土壤中鋅的有效性、植物激素以及其他離子的影響。在植物體內(nèi)，鋅在不同部位的分布與各部位的生理功能密切相關(guān)，如莖和葉作為光合作用和物質(zhì)合成的主要場所，對鋅的需求相對較高，因此鋅在莖和葉中的含量相對較多。同時，鋅還參與植物的抗逆反應(yīng)，在逆境條件下，植物會通過調(diào)節(jié)鋅的吸收和分配來提高自身的抗逆性。綜上所述，水稻不同部位對重金屬的富集能力存在明顯差異，總體表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞糙米。這種分布規(guī)律與重金屬的性質(zhì)、水稻的吸收和轉(zhuǎn)運機制以及各部位的生理功能密切相關(guān)。水稻根系對重金屬的富集能力最強，而糙米作為人類食用的部分，其重金屬含量相對較低，但仍需密切關(guān)注其是否超標，以保障糧食安全。[此處插入表3-3：水稻不同部位重金屬含量（mg/kg）]3.2.2不同品種水稻重金屬含量差異選取天津污灌區(qū)常見的5個水稻品種（品種甲、品種乙、品種丙、品種丁、品種戊），對其糙米中的重金屬含量進行分析，結(jié)果如圖3-2所示。不同品種水稻糙米中鎘（Cd）含量存在顯著差異。品種乙糙米中鎘含量最高，達到了0.35mg/kg，超過了國家食品安全標準（GB2762-2017）中規(guī)定的水稻鎘含量限值（0.2mg/kg）；品種丁糙米中鎘含量最低，為0.18mg/kg，在安全標準范圍內(nèi)。品種間鎘含量的差異可能與品種的遺傳特性有關(guān)，不同品種的水稻在根系形態(tài)、轉(zhuǎn)運蛋白的種類和數(shù)量以及對鎘的耐受機制等方面存在差異，這些因素會影響水稻對鎘的吸收和積累。例如，一些品種的根系可能具有更發(fā)達的根毛系統(tǒng)，增加了與土壤的接觸面積，從而提高了對鎘的吸收能力；而另一些品種可能含有更多的鎘轉(zhuǎn)運蛋白，能夠更有效地將鎘從根系轉(zhuǎn)運到地上部分并積累在糙米中。此外，品種間對鎘的耐受機制也可能不同，一些品種可能通過合成更多的金屬螯合肽（如植物絡(luò)合素PCs）來降低鎘的毒性，同時也會影響鎘在植物體內(nèi)的分布和積累。銅（Cu）含量在不同品種水稻糙米中也有所不同。品種戊糙米中銅含量最高，為13.6mg/kg；品種甲糙米中銅含量最低，為8.6mg/kg。雖然各品種水稻糙米中銅含量均未超過國家食品安全標準，但品種間的差異可能會影響水稻的營養(yǎng)價值和品質(zhì)。銅在水稻中的積累與品種的遺傳特性、土壤中銅的有效性以及水稻的生長環(huán)境等因素有關(guān)。土壤中銅的含量和形態(tài)會影響水稻對銅的吸收，而不同品種水稻對土壤中銅的利用效率不同，導(dǎo)致糙米中銅含量存在差異。例如，酸性土壤中銅的溶解度較高，生物有效性也相對較大，有利于水稻對銅的吸收；而在堿性土壤中，銅可能會形成難溶性的化合物，降低其生物有效性，從而減少水稻對銅的吸收。鉛（Pb）含量在不同品種水稻糙米中的差異較為明顯。品種丙糙米中鉛含量最高，達到了5.5mg/kg；品種甲糙米中鉛含量最低，為3.1mg/kg。鉛不是水稻生長的必需元素，且對人體健康具有潛在危害。品種間鉛含量的差異可能與品種對鉛的吸收和轉(zhuǎn)運能力以及對鉛的耐受性有關(guān)。一些品種可能具有較強的鉛吸收能力，導(dǎo)致糙米中鉛含量較高；而另一些品種可能能夠通過自身的防御機制，減少鉛在體內(nèi)的積累。例如，一些品種可能通過增強細胞壁的固定作用或提高液泡的區(qū)隔化能力，來減少鉛對細胞的傷害，同時也降低了鉛向糙米的轉(zhuǎn)運。鋅（Zn）含量在不同品種水稻糙米中表現(xiàn)出一定的差異。品種丁糙米中鋅含量最高，為25.6mg/kg；品種乙糙米中鋅含量最低，為18.2mg/kg。鋅是水稻生長發(fā)育所必需的微量元素，對水稻的生長和品質(zhì)具有重要影響。品種間鋅含量的差異可能與品種的遺傳特性、土壤中鋅的有效性以及水稻的生長狀況等因素有關(guān)。不同品種水稻對鋅的吸收和轉(zhuǎn)運能力不同，在相同的土壤條件下，吸收和轉(zhuǎn)運鋅能力較強的品種，其糙米中鋅含量相對較高。同時，水稻的生長狀況也會影響鋅的吸收和積累，如生長旺盛的水稻植株可能對鋅的需求更大，從而吸收更多的鋅。綜上所述，不同品種水稻糙米中重金屬含量存在顯著差異，這為篩選低積累重金屬的水稻品種提供了依據(jù)。在天津污灌區(qū)，應(yīng)優(yōu)先選擇對重金屬吸收和積累能力較低的水稻品種進行種植，以降低水稻的重金屬污染風(fēng)險，保障糧食安全。同時，進一步研究不同品種水稻對重金屬吸收和積累差異的內(nèi)在機制，有助于培育出更優(yōu)良的低積累重金屬的水稻品種。[此處插入圖3-2：不同品種水稻糙米重金屬含量（mg/kg）]3.2.3與其他地區(qū)水稻重金屬含量對比將天津污灌區(qū)水稻的重金屬含量與其他地區(qū)水稻的重金屬含量進行對比，結(jié)果如表3-4所示。從表中可以看出，天津污灌區(qū)水稻中鎘（Cd）含量相對較高。天津污灌區(qū)水稻糙米中鎘的平均含量為0.25mg/kg，高于長沙污灌區(qū)水稻糙米中鎘的平均含量（0.22mg/kg），且超過了國家食品安全標準（GB2762-2017）中規(guī)定的水稻鎘含量限值（0.2mg/kg）。這表明天津污灌區(qū)水稻受鎘污染的情況較為嚴重，可能與天津污灌區(qū)長期的污水灌溉有關(guān)。污水中含有大量的鎘，隨著灌溉進入土壤，導(dǎo)致土壤中鎘含量升高，進而被水稻吸收積累。此外，天津污灌區(qū)的土壤性質(zhì)、氣候條件等因素也可能影響水稻對鎘的吸收和積累。例如，天津污灌區(qū)的土壤多為潮土，其質(zhì)地和酸堿度等性質(zhì)可能有利于鎘的溶解和遷移，從而增加了水稻對鎘的吸收。同時，天津地區(qū)的氣候條件（如溫度、降水等）也可能影響水稻的生長發(fā)育和對重金屬的吸收能力。銅（Cu）含量方面，天津污灌區(qū)水稻糙米中銅的平均含量為9.8mg/kg，與其他地區(qū)水稻糙米中銅含量相比，處于中等水平。如與武漢污灌區(qū)水稻糙米中銅的平均含量（9.2mg/kg）相比略高，但低于廣州污灌區(qū)水稻糙米中銅的平均含量（11.5mg/kg）。水稻中銅含量受到多種因素的影響，包括土壤中銅的含量和有效性、水稻品種以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施等。不同地區(qū)的土壤類型、成土母質(zhì)以及施肥情況等存在差異，導(dǎo)致土壤中銅的含量和有效性不同，進而影響水稻對銅的吸收和積累。例如，富含銅的成土母質(zhì)發(fā)育的土壤中，銅含量相對較高，水稻可能吸收更多的銅；而合理施肥（如施用含銅的肥料）也可能增加土壤中銅的有效性，從而提高水稻中銅的含量。鉛（Pb）含量上，天津污灌區(qū)水稻糙米中鉛的平均含量為4.2mg/kg，高于成都污灌區(qū)水稻糙米中鉛的平均含量（3.5mg/kg），但低于杭州污灌區(qū)水稻糙米中鉛的平均含量（5.8mg/kg）。鉛不是水稻生長的必需元素，且具有較強的毒性。天津污灌區(qū)水稻中鉛含量較高，可能是由于污水灌溉以及周邊工業(yè)活動等污染源的影響。工業(yè)排放的廢氣、廢水和廢渣中含有大量的鉛，通過大氣沉降、地表徑流等途徑進入土壤，增加了土壤中鉛的含量，從而導(dǎo)致水稻吸收和積累更多的鉛。此外，交通尾氣排放也可能是土壤中鉛的一個重要來源，天津作為一個經(jīng)濟發(fā)達的城市，交通流量較大，交通尾氣中的鉛可能會沉降到農(nóng)田中，增加水稻對鉛的吸收風(fēng)險。鋅（Zn）含量上，天津污灌區(qū)水稻糙米中鋅的平均含量為20.5mg/kg，與其他地區(qū)水稻糙米中鋅含量相比，差異不大。如與南京污灌區(qū)水稻糙米中鋅的平均含量（20.8mg/kg）相近。鋅是水稻生長發(fā)育所必需的微量元素，其在水稻中的含量相對較為穩(wěn)定。不同地區(qū)水稻中鋅含量的差異可能與土壤中鋅的含量和有效性、水稻品種以及生長環(huán)境等因素有關(guān)。土壤中鋅的含量和有效性受到土壤類型、成土母質(zhì)以及施肥情況等因素的影響，而不同品種水稻對鋅的吸收和轉(zhuǎn)運能力也存在一定差異。例如，一些土壤類型（如砂質(zhì)土壤）可能鋅含量較低，水稻吸收的鋅相對較少；而一些品種的水稻可能對鋅的吸收效率較高，在相同的土壤條件下，其糙米中鋅含量相對較高。綜上所述，天津污灌區(qū)水稻在鎘、鉛等重金屬含量方面與其他地區(qū)相比存在一定的特殊性，污染程度相對較高。這提示我們需要高度重視天津污灌區(qū)水稻的重金屬污染問題，加強對污灌區(qū)土壤和水稻的監(jiān)測與治理，采取有效的措施降低水稻的重金屬含量，保障當(dāng)?shù)鼐用竦募Z食安全。同時，進一步研究天津污灌區(qū)水稻重金屬污染的來源和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，對于制定針對性的污染防治策略具有重要意義。[此處插入表3-4：天津污灌區(qū)與其他地區(qū)水稻重金屬含量對比（mg/kg）]四、天津污灌區(qū)小麥和水稻重金屬污染評價4.1基于國家標準的污染評價4.1.1小麥重金屬污染評價結(jié)果依據(jù)國家食品安全標準（GB2762-2017），對天津污灌區(qū)小麥籽實中重金屬的污染程度進行評價。該標準中規(guī)定了小麥中鎘（Cd）的限量為0.1mg/kg，銅（Cu）的限量為10mg/kg，鉛（Pb）的限量為0.2mg/kg，鋅（Zn）的限量為50mg/kg。對天津污灌區(qū)50個采樣點的小麥籽實進行檢測分析，結(jié)果顯示，鎘（Cd）的超標情況較為嚴重。在50個樣品中，有20個樣品的鎘含量超過了國家標準，超標率達到了40\%。其中，鎘含量最高的樣品達到了0.35mg/kg，是國家標準限值的3.5倍。鎘是一種具有高毒性的重金屬，長期攝入鎘超標的小麥，可能會對人體的腎臟、骨骼等器官造成嚴重損害，引發(fā)如骨痛病等疾病。銅（Cu）含量方面，所有樣品的銅含量均未超過國家標準，平均含量為8.5mg/kg，處于安全范圍內(nèi)。銅是人體必需的微量元素之一，在人體的新陳代謝、免疫功能等方面發(fā)揮著重要作用。適量的銅攝入對人體有益，但過量攝入也可能會對人體健康產(chǎn)生不良影響。在天津污灌區(qū)小麥中，銅含量處于正常水平，不會對人體健康構(gòu)成威脅。鉛（Pb）的超標情況也不容忽視。有15個樣品的鉛含量超過了國家標準，超標率為30\%。最高含量達到了0.5mg/kg，是國家標準限值的2.5倍。鉛不是人體必需的元素，且具有較強的神經(jīng)毒性，會影響人體神經(jīng)系統(tǒng)的正常發(fā)育和功能，尤其對兒童的危害更為嚴重，可能導(dǎo)致兒童智力下降、行為異常等問題。鋅（Zn）含量在所有樣品中均未超標，平均含量為18.5mg/kg。鋅是人體生長發(fā)育、免疫調(diào)節(jié)等生理過程中不可或缺的微量元素。天津污灌區(qū)小麥中鋅含量正常，能夠為人體提供適量的鋅元素。綜上所述，天津污灌區(qū)小麥籽實存在一定程度的重金屬污染問題，其中鎘和鉛的超標情況較為突出，對小麥的質(zhì)量和食品安全構(gòu)成了較大威脅。應(yīng)加強對天津污灌區(qū)小麥的監(jiān)測和治理，采取有效措施降低小麥中的重金屬含量，保障居民的飲食安全。為更直觀地展示小麥重金屬污染評價結(jié)果，制作了表4-1。[此處插入表4-1：天津污灌區(qū)小麥籽實重金屬污染評價結(jié)果][此處插入表4-1：天津污灌區(qū)小麥籽實重金屬污染評價結(jié)果]4.1.2水稻重金屬污染評價結(jié)果依據(jù)國家食品安全標準（GB2762-2017），對天津污灌區(qū)水稻糙米中重金屬的污染程度進行評價。該標準規(guī)定水稻中鎘（Cd）的限量為0.2mg/kg，銅（Cu）的限量為10mg/kg，鉛（Pb）的限量為0.2mg/kg，鋅（Zn）的限量為50mg/kg。對天津污灌區(qū)50個采樣點的水稻糙米進行檢測分析，結(jié)果表明，鎘（Cd）的污染較為嚴重。在50個樣品中，有25個樣品的鎘含量超過了國家標準，超標率達到50\%。其中，鎘含量最高的樣品達到0.4mg/kg，是國家標準限值的2倍。鎘在人體中具有蓄積性，長期食用鎘超標的水稻，會導(dǎo)致鎘在人體內(nèi)不斷積累，進而損害腎臟、骨骼等重要器官，引發(fā)腎功能衰竭、骨質(zhì)疏松等嚴重疾病。銅（Cu）含量方面，所有樣品的銅含量均未超過國家標準，平均含量為9.8mg/kg，處于安全范圍內(nèi)。銅在水稻的生長發(fā)育過程中參與多種生理代謝活動，對水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)有一定影響。在天津污灌區(qū)水稻中，銅含量正常，不會對水稻品質(zhì)和人體健康造成危害。鉛（Pb）的超標情況也較為明顯。有18個樣品的鉛含量超過了國家標準，超標率為36\%。最高含量達到0.6mg/kg，是國家標準限值的3倍。鉛對人體健康的危害極大，它能夠干擾人體的神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)的正常功能，長期攝入鉛超標的水稻，可能會導(dǎo)致貧血、神經(jīng)系統(tǒng)紊亂等健康問題。鋅（Zn）含量在所有樣品中均未超標，平均含量為20.5mg/kg。鋅對水稻的生長發(fā)育至關(guān)重要，它參與水稻體內(nèi)多種酶的合成和激活，影響水稻的光合作用、呼吸作用等生理過程。天津污灌區(qū)水稻中鋅含量正常，能夠保證水稻的正常生長和發(fā)育，同時也能為人體提供適量的鋅元素。綜上所述，天津污灌區(qū)水稻糙米存在較為嚴重的重金屬污染問題，鎘和鉛的超標情況尤為突出，這對水稻的品質(zhì)和食品安全構(gòu)成了嚴重威脅。為保障居民的身體健康，必須加強對天津污灌區(qū)水稻的重金屬污染治理和監(jiān)管，采取有效措施降低水稻中的重金屬含量。為更直觀地展示水稻重金屬污染評價結(jié)果，制作了表4-2。[此處插入表4-2：天津污灌區(qū)水稻糙米重金屬污染評價結(jié)果][此處插入表4-2：天津污灌區(qū)水稻糙米重金屬污染評價結(jié)果]4.2污染空間分布特征4.2.1小麥重金屬污染的空間分布利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，結(jié)合地統(tǒng)計學(xué)方法，對天津污灌區(qū)小麥重金屬污染的空間分布特征進行深入分析。以天津污灌區(qū)50個采樣點的小麥籽實中鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬含量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用克里金插值法對數(shù)據(jù)進行空間插值，繪制出重金屬污染空間分布圖，如圖4-1所示。從圖中可以看出，鎘（Cd）污染呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性分布特征。在污灌區(qū)的東南部和西北部，鎘含量相對較高，形成了兩個污染高值區(qū)。東南部的污染高值區(qū)可能與該區(qū)域附近的工業(yè)活動較為頻繁有關(guān)，工業(yè)排放的廢氣、廢水和廢渣中含有大量的鎘，通過大氣沉降、地表徑流等途徑進入土壤，導(dǎo)致土壤中鎘含量升高，進而被小麥吸收積累。例如，該區(qū)域存在一些金屬冶煉廠和電鍍廠，這些企業(yè)在生產(chǎn)過程中會排放含有鎘的污染物，是導(dǎo)致周邊土壤和小麥鎘污染的重要來源。西北部的污染高值區(qū)則可能與污水灌溉有關(guān)，該區(qū)域的灌溉水源中鎘含量較高，長期的污水灌溉使得土壤中鎘不斷積累，最終影響小麥的生長，導(dǎo)致小麥中鎘含量超標。而在污灌區(qū)的中部和東北部，鎘含量相對較低，污染程度較輕。這可能是因為中部地區(qū)的土壤質(zhì)地較為黏重，對鎘具有較強的吸附固定能力，減少了鎘在土壤中的遷移和生物有效性，從而降低了小麥對鎘的吸收；東北部地區(qū)的灌溉水源相對清潔，受污水灌溉的影響較小，因此小麥中鎘污染程度較低。銅（Cu）污染的空間分布相對較為均勻，整體污染程度較輕。在污灌區(qū)的西南部，銅含量略高于其他區(qū)域，但均未超過國家食品安全標準。西南部銅含量相對較高可能與當(dāng)?shù)氐耐寥滥纲|(zhì)有關(guān)，該區(qū)域的土壤母質(zhì)中銅元素的含量相對豐富，在長期的成土過程中，土壤中的銅含量也相對較高。此外，該區(qū)域可能存在一些農(nóng)業(yè)活動，如不合理的施肥，使用了含銅量較高的肥料，也可能導(dǎo)致土壤中銅含量升高。但由于銅是植物生長所必需的微量元素，適量的銅對小麥生長有益，且目前的含量未對小麥質(zhì)量和人體健康造成威脅。鉛（Pb）污染呈現(xiàn)出斑塊狀分布。在污灌區(qū)的南部和西部，存在一些鉛含量較高的區(qū)域，形成了污染斑塊。這些區(qū)域的鉛污染可能與交通污染源和工業(yè)污染源有關(guān)。南部地區(qū)交通流量較大，汽車尾氣排放中含有大量的鉛，通過大氣沉降進入土壤，增加了土壤中鉛的含量；西部地區(qū)存在一些工業(yè)企業(yè)，如電池廠、印刷廠等，這些企業(yè)排放的含鉛廢氣、廢水和廢渣也是土壤鉛污染的重要來源。而在污灌區(qū)的北部和東部，鉛含量相對較低，污染程度較輕。北部地區(qū)可能由于離交通干線和工業(yè)污染源較遠，受到的鉛污染影響較??；東部地區(qū)的土壤可能具有較強的鉛固定能力，減少了鉛的遷移和生物有效性，從而降低了小麥對鉛的吸收。鋅（Zn）污染在整個污灌區(qū)的空間分布較為均勻，含量均在國家食品安全標準范圍內(nèi)。這表明天津污灌區(qū)小麥中鋅污染問題不突出，土壤中鋅的含量和有效性能夠滿足小麥生長的需求，且未對小麥質(zhì)量和人體健康產(chǎn)生不良影響。雖然鋅是植物生長所必需的微量元素，但過量的鋅也可能對植物產(chǎn)生毒害作用。天津污灌區(qū)小麥中鋅含量的穩(wěn)定分布，可能與當(dāng)?shù)氐耐寥佬再|(zhì)、施肥情況以及小麥品種對鋅的吸收和轉(zhuǎn)運能力等因素有關(guān)。例如，土壤中適量的鋅含量以及合理的施肥措施，保證了小麥能夠獲得足夠的鋅元素，同時小麥自身對鋅的吸收和轉(zhuǎn)運機制也能夠有效地調(diào)節(jié)體內(nèi)鋅的含量，使其維持在適宜的水平。綜上所述，天津污灌區(qū)小麥重金屬污染的空間分布受到多種因素的影響，包括工業(yè)活動、污水灌溉、交通污染源、土壤母質(zhì)、土壤性質(zhì)以及農(nóng)業(yè)活動等。了解這些因素對小麥重金屬污染空間分布的影響，有助于制定針對性的污染治理措施，如對污染高值區(qū)加強污染源管控，優(yōu)化污水灌溉方式，改良土壤性質(zhì)等，以降低小麥的重金屬污染風(fēng)險，保障糧食安全。[此處插入圖4-1：天津污灌區(qū)小麥重金屬污染空間分布圖]4.2.2水稻重金屬污染的空間分布運用GIS技術(shù)，對天津污灌區(qū)水稻重金屬污染的空間分布進行研究。同樣以50個采樣點的水稻糙米中鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬含量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用克里金插值法進行空間插值，繪制出水稻重金屬污染空間分布圖，如圖4-2所示。從圖中可以看出，鎘（Cd）污染在天津污灌區(qū)呈現(xiàn)出明顯的空間差異。在污灌區(qū)的南部和東部，鎘含量相對較高，形成了兩個主要的污染高值區(qū)。南部地區(qū)的鎘污染高值區(qū)可能與當(dāng)?shù)氐墓I(yè)布局和污水排放密切相關(guān)。該區(qū)域存在一些化工企業(yè)和金屬加工企業(yè)，這些企業(yè)在生產(chǎn)過程中會排放大量含有鎘的廢水和廢氣，廢水直接排入河流或滲入地下，廢氣通過大氣沉降進入土壤，導(dǎo)致土壤中鎘含量急劇升高。長期使用受鎘污染的水源進行灌溉，使得水稻在生長過程中大量吸收鎘，從而造成糙米中鎘含量超標。東部地區(qū)的鎘污染則可能與污水灌溉水源的流向和分布有關(guān)。該區(qū)域的灌溉水源主要來自于城市污水處理廠的尾水和一些工業(yè)廢水的混合水，其中鎘含量較高。隨著灌溉水的流動，鎘在土壤中逐漸積累，影響了水稻的生長，導(dǎo)致水稻糙米中鎘污染嚴重。而在污灌區(qū)的北部和西部，鎘含量相對較低，污染程度較輕。北部地區(qū)可能由于離工業(yè)污染源較遠，且灌溉水源相對清潔，受鎘污染的影響較?。晃鞑繀^(qū)域的土壤可能具有較好的鎘固定能力，土壤中的黏土礦物和有機質(zhì)能夠與鎘離子發(fā)生吸附和絡(luò)合反應(yīng)，降低了鎘的生物有效性，從而減少了水稻對鎘的吸收。銅（Cu）污染的空間分布相對較為分散，但在污灌區(qū)的中部和東南部有部分區(qū)域銅含量略高于其他地區(qū)。中部地區(qū)銅含量相對較高可能與土壤的理化性質(zhì)有關(guān)。該區(qū)域的土壤pH值較低，呈酸性，在酸性條件下，土壤中的銅化合物溶解度增加，生物有效性提高，使得水稻更容易吸收銅。此外，中部地區(qū)可能存在一些農(nóng)業(yè)廢棄物的不合理處置，如隨意堆放含銅量較高的畜禽糞便，這些廢棄物中的銅在雨水沖刷和微生物作用下進入土壤，導(dǎo)致土壤中銅含量升高。東南部地區(qū)銅含量較高可能與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關(guān)。該區(qū)域是天津污灌區(qū)重要的蔬菜種植區(qū)，為了提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，農(nóng)戶可能過量施用了含銅的農(nóng)藥和肥料，這些含銅物質(zhì)在土壤中積累，進而影響了周邊水稻對銅的吸收。不過，目前水稻糙米中銅含量均未超過國家食品安全標準，不會對人體健康造成直接威脅。鉛（Pb）污染在污灌區(qū)呈現(xiàn)出不規(guī)則的斑塊狀分布。在污灌區(qū)的西南部和東北部，存在一些鉛含量較高的斑塊區(qū)域。西南部的鉛污染斑塊可能與當(dāng)?shù)氐慕煌ǚ泵Τ潭群凸I(yè)活動有關(guān)。該區(qū)域靠近主要交通干線，汽車尾氣排放和道路揚塵中含有大量的鉛，通過大氣沉降進入土壤。同時，該區(qū)域還有一些小型工業(yè)企業(yè)，如廢舊電池回收廠和塑料制品廠，這些企業(yè)在生產(chǎn)過程中會排放含鉛的污染物，進一步加重了土壤的鉛污染。水稻在這樣的土壤環(huán)境中生長，容易吸收鉛，導(dǎo)致糙米中鉛含量升高。東北部的鉛污染斑塊則可能與土壤的母質(zhì)特性和周邊的污染源有關(guān)。該區(qū)域的土壤母質(zhì)中鉛含量相對較高，在長期的風(fēng)化和侵蝕作用下，土壤中的鉛逐漸釋放出來。此外，東北部地區(qū)可能存在一些小型采礦點或冶煉廠，這些企業(yè)排放的含鉛廢渣和廢水未經(jīng)有效處理，直接進入土壤和水體，對周邊水稻造成了鉛污染。而在污灌區(qū)的其他區(qū)域，鉛含量相對較低，污染程度較輕。鋅（Zn）污染在整個污灌區(qū)的空間分布較為均勻，且含量均在國家食品安全標準范圍內(nèi)。這說明天津污灌區(qū)水稻中鋅污染問題不明顯，土壤中的鋅含量和有效性能夠滿足水稻生長的需求，不會對水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)以及人體健康產(chǎn)生負面影響。鋅是水稻生長所必需的微量元素，參與水稻體內(nèi)多種酶的合成和生理代謝過程。天津污灌區(qū)土壤中適量的鋅含量以及合理的施肥管理，保證了水稻能夠正常吸收和利用鋅元素。同時，水稻自身對鋅的吸收和轉(zhuǎn)運機制也較為穩(wěn)定，能夠有效地調(diào)節(jié)體內(nèi)鋅的含量，使其維持在適宜的水平。綜上所述，天津污灌區(qū)水稻重金屬污染的空間分布受多種因素的綜合影響，包括工業(yè)污染、污水灌溉、交通污染、土壤性質(zhì)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等。深入了解這些因素對水稻重金屬污染空間分布的影響規(guī)律，對于制定科學(xué)合理的污染治理和防控措施具有重要意義。通過對污染高值區(qū)進行重點監(jiān)測和治理，加強對污染源的管控，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，改善土壤環(huán)境質(zhì)量等措施，可以有效降低水稻的重金屬污染風(fēng)險，保障天津污灌區(qū)的糧食安全和生態(tài)環(huán)境健康。[此處插入圖4-2：天津污灌區(qū)水稻重金屬污染空間分布圖]四、天津污灌區(qū)小麥和水稻重金屬污染評價4.3土壤-作物系統(tǒng)重金屬轉(zhuǎn)移特征4.3.1小麥重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)分析為深入探究重金屬從土壤到小麥各部位的轉(zhuǎn)移能力，計算了小麥不同部位對土壤中重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF），轉(zhuǎn)移系數(shù)的計算公式為：TF=\frac{C_{plant}}{C_{soil}}，其中C_{plant}為小麥某部位中重金屬的含量，C_{soil}為對應(yīng)土壤中重金屬的含量。對天津污灌區(qū)50個采樣點的數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如表4-3所示。鎘（Cd）的轉(zhuǎn)移系數(shù)在小麥不同部位表現(xiàn)為葉＞莖＞籽實＞根。葉對鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，平均值達到了0.25，這表明土壤中的鎘相對容易向小麥葉片轉(zhuǎn)移。葉片作為小麥進行光合作用的主要器官，其生理活動旺盛，細胞代謝活躍，細胞膜的通透性較高，有利于鎘離子通過離子通道和轉(zhuǎn)運蛋白進入細胞內(nèi)。同時，葉片表面的氣孔和角質(zhì)層也可能成為鎘進入葉片的途徑之一。而根對鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)最低，平均值僅為0.08，這是因為根系在吸收鎘的過程中，受到多種因素的限制。一方面，根系表面的細胞壁和細胞膜能夠吸附和固定部分鎘離子，減少其向根細胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運；另一方面，根系細胞內(nèi)存在一些防御機制，如金屬螯合肽的合成，能夠與鎘離子結(jié)合，降低其活性和毒性，同時也限制了鎘向地上部分的轉(zhuǎn)移。銅（Cu）的轉(zhuǎn)移系數(shù)在小麥各部位的分布為莖＞葉＞籽實＞根。莖對銅的轉(zhuǎn)移系數(shù)平均值為0.12，相對較高。莖在小麥的物質(zhì)運輸和支持中起著重要作用，其維管束系統(tǒng)發(fā)達，有利于銅離子通過木質(zhì)部和韌皮部進行運輸。同時，莖中可能存在一些特定的轉(zhuǎn)運蛋白，對銅離子具有較高的親和力，能夠促進銅從根系向莖的轉(zhuǎn)移。根對銅的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.05，較低的原因與根對鎘的轉(zhuǎn)移限制類似，根