藏中礦區(qū)家畜組織中重金屬分布與放牧環(huán)境關(guān)系研究

趙玉文，李瑛萍， 段少榮，南吉斌，趙亞磊，趙玉紅

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.西藏農(nóng)牧學(xué)院 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，西藏 林芝 860000)

農(nóng)牧產(chǎn)品作為人類最重要的食物之一，對(duì)人類生存和生長(zhǎng)起著不可替代的作用。但由于環(huán)境污染加劇、觀念以及養(yǎng)殖設(shè)備等的落后，致使飼畜產(chǎn)品的安全性受到質(zhì)疑。土壤-牧草-家畜系統(tǒng)作為綠色畜產(chǎn)品生產(chǎn)線是保證人們食品安全的重要一環(huán)，能夠以其廣泛的應(yīng)用和健康的生產(chǎn)方式，為人類社會(huì)的健康和自然生態(tài)系統(tǒng)提供有力保障[1-2]。重金屬污染是典型的積累污染物，具有長(zhǎng)期性、復(fù)合型、不可逆性、隱蔽性強(qiáng)且危害大等特點(diǎn)，最終可以通過(guò)食物鏈渠道傳遞危害人畜健康[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤-牧草-家畜(從土地到餐桌)產(chǎn)品食物鏈的安全體系中，存在許多重金屬危害和不確定性問(wèn)題，必須對(duì)其加以深入分析、研究和保護(hù)。因此，研究重金屬的傳播及重金屬污染性元素的積累及遷移規(guī)律，是生態(tài)環(huán)境治理的重要任務(wù)之一[5]。

由于家畜重金屬轉(zhuǎn)移的主要途徑是食物鏈傳遞，而農(nóng)牧產(chǎn)品中重金屬的重要來(lái)源是飼養(yǎng)環(huán)境中的土壤和牧草。研究表明，在土壤-牧草-家畜系統(tǒng)中，牧草是重要的媒介，因此，它體內(nèi)的重金屬含量的缺乏或過(guò)量可直接影響到家畜產(chǎn)品的健康。除此之外，在土壤-植物-動(dòng)物內(nèi)礦質(zhì)元素含量存在著間接的相關(guān)性[6-10]。

近幾十年來(lái)，隨著西藏中部畜牧業(yè)和礦業(yè)的大力發(fā)展，礦產(chǎn)的大量采冶對(duì)藏中家畜生存環(huán)境食物鏈的安全體系構(gòu)成一定的威脅[11-12]。為深入研究事關(guān)食品安全的藏中重金屬含量沿食物鏈(土-草-畜)途徑遷移的規(guī)律和機(jī)制，本研究對(duì)藏中典型區(qū)域Cu、Zn、Pb、Cd這4種重金屬在土壤、牧草、家畜組織中的含量測(cè)定，分析其與飼養(yǎng)環(huán)境的相關(guān)性，探討飼養(yǎng)環(huán)境中重金屬對(duì)家畜組織的影響，為指導(dǎo)家畜生產(chǎn)，制定針對(duì)性措施提供可靠依據(jù)，對(duì)全面提升藏中畜產(chǎn)品安全和產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量的整體水平，促進(jìn)西藏生態(tài)環(huán)境、食品安全的和諧發(fā)展及畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究地點(diǎn)設(shè)在西藏中部的拉薩市當(dāng)雄縣拉屋礦區(qū)，位于E 91°37′～91°46′至N 30°23′～30°30′之間。該礦區(qū)位于藏北高原與藏東高山峽谷連接地帶的南坡山區(qū)，海拔在4 360～5 464 m之間，高差在1 100 m左右，礦區(qū)重點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)海拔4 700 m，開(kāi)采面積約0.75 km2。研究區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷母咴瓉喓畮О霛駶?rùn)、半干旱季風(fēng)氣候，但區(qū)域小氣候特征明顯。研究區(qū)一年內(nèi)無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，氣候寒冷，冬長(zhǎng)無(wú)夏，冬春多雪。年日照時(shí)數(shù)2 600 h，夏季降水較集中，年降水量為406～695 mm，該礦已開(kāi)采13年，Cu、Zn含量較高、伴生元素為Pb。礦區(qū)周邊植被類型主要為亞高山森林、高寒荒漠、高寒草甸、高寒草原等。高寒草原與高寒草甸是當(dāng)?shù)刂匾南募灸翀?chǎng)。該區(qū)土壤類型分為高山草甸土和高山灌叢草甸土，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，礦質(zhì)化程度較高，淋溶弱、腐殖質(zhì)過(guò)程積累緩慢，土層厚30 cm左右。

1.2 樣品采集

本研究采用野外調(diào)查典型取樣，并結(jié)合室內(nèi)分析測(cè)試來(lái)進(jìn)行。試驗(yàn)樣品為試驗(yàn)區(qū)的土壤樣品、牧草樣品和牦牛、藏羊組織。在礦區(qū)及周邊(遠(yuǎn)離礦區(qū)150 km)，采用網(wǎng)格均勻布點(diǎn)和典型污染區(qū)密點(diǎn)相結(jié)合設(shè)置樣點(diǎn)，采樣時(shí)用GPS精確定位，樣點(diǎn)距離控制在200 ～300 m，每個(gè)樣點(diǎn)代表面積為0.04～0.09 km2，在采礦口周圍及重點(diǎn)污染區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用堋?/p>

在礦區(qū)周邊隨機(jī)選擇放牧飼養(yǎng)的3～4歲閹割牦牛9頭，對(duì)照組(CK)選用遠(yuǎn)離礦區(qū)150 km的當(dāng)雄縣飼養(yǎng)的同齡、以粗飼料為主閹割牦牛和藏羊各3頭，集中取樣，每頭(牦牛和藏羊)取胸腰結(jié)合部新鮮背最長(zhǎng)肌1 kg，用攪拌機(jī)打磨成糊狀，裝入潔凈保鮮膜中待測(cè)。

礦區(qū)土壤取樣深度0～40 cm，根據(jù)樣方的面積和地形，確定采樣位置和采樣點(diǎn)數(shù)取得土壤，混勻后采用四分法保留1 kg樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)在直徑5 m的范圍內(nèi)采集5個(gè)土壤分樣，裝入羊皮紙袋，待測(cè)。

測(cè)試牧草主要為垂穗披堿草(Elymusnutan)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)、紫羊茅(FestucaL.)、燕麥(AvenafatuaL.)、紫花針茅(Stipapurpurea)、 油菜(Brassicajuncea)等家畜可食或喜食的植物，每個(gè)樣地內(nèi)一種植物采集5株。

1.3 測(cè)定方法

土壤、牧草、家畜樣品重金屬含量分析按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其中，土壤樣品采集后在草業(yè)實(shí)驗(yàn)室中自然風(fēng)干、研磨、過(guò)篩。土壤中全Cu、全Zn、全Pb和全Cd，采用三酸 (HF-HN03-HClO4) 消化法配比待測(cè)液，樣品測(cè)定前在105 ℃條件下烘2 h，在聚四氟乙烯坩堝中放置0.2 g土樣，然后加8 mL HF+2 mL HClO4+2 mL HNO3(三酸)在120 ℃下硝煮完全，除鎘、鉛采用石墨爐原子吸收法測(cè)定，其余通過(guò)火焰原子吸收分光光度計(jì) (TAS-990)測(cè)定重金屬含量。為保證分析質(zhì)量，用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行質(zhì)量控制，在所有土樣品處理過(guò)程中，利用平行樣、流程和試劑空白樣進(jìn)行質(zhì)量控制試驗(yàn)所用試劑均為分析純。將采集牧草樣品帶回草業(yè)實(shí)驗(yàn)室，自來(lái)水沖洗干凈，再用純化水清洗3遍，濾紙吸干其表面多余水分，在恒溫干燥箱內(nèi)，設(shè)置105 ℃烘干至恒重，然后充分研磨成粉末狀，用HNO3+HClO4(體積比 87∶13) 混合酸硝煮至完全。樣品消煮過(guò)程中以相應(yīng)消煮的混合酸試劑作空白對(duì)照(CK)，同時(shí)消煮，為消除分析過(guò)程和消煮中的污染。采用TAS-990原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定Cu、Zn、Pb和Cd這4種重金屬的含量。

重金屬富集系數(shù)(Bioconcentration Factor,BCF)是用來(lái)反映生物體對(duì)重金屬的富集和積累能力。植物重金屬富集系數(shù)是指植物中重金屬元素的含量占土壤中重金屬相應(yīng)元素的百分?jǐn)?shù)，它可以反映土壤-植物系統(tǒng)中重金屬元素遷移的難易程度，說(shuō)明重金屬在植物體內(nèi)的富集情況。同理，本研究利用此方法也可以反映植物-家畜系統(tǒng)中元素遷移的難易程度。因此，研究采用重金屬富集系數(shù)來(lái)反映重金屬在土壤-牧草-家畜系統(tǒng)中的遷移能力。公式為:

式中:BCF表示生物體(牧草、家畜)富集系數(shù)；Pi表示重金屬i在牧草(家畜)體內(nèi)含量；Si表示重金屬i土壤(牧草)中含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007軟件和SPASS V21統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、方差分析、分別對(duì)肌肉組織中重金屬與牧草中重金屬、肌肉組織中重金屬與土壤中重金屬進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤-牧草-家畜中重金屬含量分析

拉屋礦區(qū)土壤-牧草-家畜(牦牛、藏羊)中4種重金屬含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，礦區(qū)土壤中Cu 、Zn、Pb 、Cd高于我國(guó)二級(jí)土壤限量值(Cu 、Zn、Pb 、Cd限量值分別為100、35 、35、0.2 mg/kg)[13]。礦區(qū)土壤Cu含量達(dá)限量值的2倍以上，Cd超標(biāo)最嚴(yán)重，甚至超過(guò)國(guó)家土壤限量值的100多倍。牧草中Cu 、Zn、Pb 、Cd均超限量值(Cu 、Zn、Pb 、Cd限量值分別為10、20 、5、0.5 mg/kg)，Zn含量最高，其后是Pb、Cu、Cd，這基本與土壤中重金屬含量表現(xiàn)一致。4種重金屬在牧草中含量超標(biāo)，表明礦區(qū)牧草具有較強(qiáng)的重金屬吸收能力和耐性，但超量的重金屬將會(huì)對(duì)植物本身和牛羊等家畜產(chǎn)生傷害[14]。礦區(qū)周邊牦牛、藏羊肌肉組織中銅和鉛存在超過(guò)國(guó)家飼料衛(wèi)生和食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[15-17]。

表1 拉屋礦區(qū)土壤-牧草-家畜(牦牛、藏羊)中4種重金屬含量[13,16]Table 1 Content of Cu, Zn, Cd and Pb in soil-herbage-Yak and Tibetan sheep mg/kg

2.2 家畜組織重金屬含量分析

不同區(qū)域家畜重金屬4種重金屬含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，礦區(qū)周邊家畜體內(nèi)重金屬含量跟遠(yuǎn)離礦區(qū)150 km家畜(CK)存在一定差異。其中，牦牛體內(nèi)Zn元素含量與對(duì)照(CK)相比差異顯著(P<0.05)。Cd元素含量與對(duì)照(CK)相比差異也達(dá)顯著水平(P<0.05)。西藏中部典型礦區(qū)及遠(yuǎn)離礦區(qū)家畜肌肉均Cu、Zn存在超標(biāo)現(xiàn)象，Pb元素較對(duì)照差異不顯著，Cd元素較對(duì)照(CK)存在差異，但Pb和Cd均未超標(biāo)。

表2 不同區(qū)域家畜重金屬4種重金屬含量Table 2 Contents of Cu, Zn, Cd and Pb in livestock in different regions mg/kg

注：同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Values with different lowercase superscripts in the same row show significant difference(P<0.05).

2.3 土壤-牧草-家畜重金屬相關(guān)性

家畜肌肉組織重金屬含量與牧草、土壤的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。由表3可以看出，牦牛肉中Cu元素和牧草與Cu元素含量呈極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；牦牛肉中Zn元素含量和土壤與牧草中Zn元素含量呈顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；牦牛肉中Pb元素含量與牧草中Pb元素含量呈顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；藏羊肉中Cu元素含量與牧草中Cu元素含量呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表3 家畜肌肉組織重金屬含量與牧草、土壤的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between heavy metal content in livestock muscle tissue and forage and soil mg/kg

注:*顯著性水平為0.05；**極顯著性水平為0.01。

Note: * denotes a significant difference at 0.05 level; ** denotes a highly significant difference at 0.01 level.

2.4 重金屬遷移系數(shù)分析

重金屬向家畜方向的遷移系數(shù)見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，礦區(qū)可食牧草中重金屬向牦牛和藏羊肌肉遷移的遷移系數(shù)變化較大，遷移系數(shù)在0.19%～44.61%之間。具體來(lái)看，Cu元素的遷移系數(shù)較大，向牦牛體內(nèi)Cu元素的遷移系數(shù)達(dá)44.61%。Cd元素遷移系數(shù)較小，Pb元素向牦牛和羊肉的遷移系數(shù)最小。

3 討 論

我國(guó)現(xiàn)有的《食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB15199-1994)規(guī)定，肉類中Cu、Zn、Pb、Cd元素含量應(yīng)分別低于10 mg/kg、20 mg/kg、0.1 mg/kg、0.1 mg/kg[17]。家畜長(zhǎng)期采食高濃度重金屬牧草或日糧，其肝、肉、骨、腎等器官或產(chǎn)品中重金屬含量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該《食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，人類食用后可導(dǎo)致體內(nèi)腎、肝、腦等組織中富集，從而危害身體健康。人類長(zhǎng)期攝入高Cu動(dòng)物性食品，Cu元素必然在體內(nèi)沉積，Cu元素可以促使機(jī)體內(nèi)自由基水平發(fā)生變化，進(jìn)而改變體內(nèi)脂類代謝，最終導(dǎo)致動(dòng)脈硬化，甚至將加速細(xì)胞的死亡。不同家畜對(duì)不同重金屬的耐受量不同，如綿羊?qū)u的最大耐受濃度僅為25 mg/kg，牛對(duì)Cu的耐受量為100 mg/kg。研究表明，當(dāng)動(dòng)物體內(nèi)Cu元素含量達(dá)100 mg/kg以上時(shí)，可破壞動(dòng)物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使動(dòng)物體內(nèi)微生物蛋白變性甚至死亡。家畜糞便中Cu元素超標(biāo)可使土壤中Cu元素顯著增加，導(dǎo)致土壤有益微生物減少，引起土壤板結(jié)、肥力下降，直接影響草地產(chǎn)量和牧草營(yíng)養(yǎng)；Cu元素對(duì)水生生物毒性也較大，當(dāng)水體中Cu元素濃度為0.5 mg/kg時(shí)，就能使淡水中35%以上的原生植物死亡。家畜長(zhǎng)期飼喂高銅飼料可導(dǎo)致Cu元素在家畜體組織銅含量增加，現(xiàn)有大量研究已經(jīng)證實(shí)，當(dāng)飼料中Cu元素含量超過(guò)150 mg/kg時(shí)，家畜肌肉組織中Cu元素含量也顯著增加[18]。牦牛、藏羊肌肉組織中Cu元素含量超標(biāo)，可能于長(zhǎng)期啃食重金屬含量較高牧草有關(guān)。據(jù)報(bào)道，家畜長(zhǎng)期采食高Zn飼料(日糧)也可導(dǎo)致肌肉組織Zn元素含量升高。通常家畜腎、肝中Zn元素含量分別為80 mg/kg和135 mg/kg。如果動(dòng)物受到Zn元素中毒損害，肝、腎中Zn元素含量將上升100倍之多。雖然到目前為止，鮮見(jiàn)高Zn引起人中毒事件，但長(zhǎng)期食用Zn元素超標(biāo)食物對(duì)人類的健康不利[19]。

研究表明，當(dāng)土壤、牧草受到復(fù)合污染，Cu、Zn、As、Pb、Cd等元素共存時(shí)，重金屬元素間存在協(xié)同作用(synergistic effect)，污染能力將更強(qiáng)[23]。土壤、牧草中富集大量的重金屬元素，通過(guò)牧草、家畜的二次富集，將影響到人類的食品安全。土壤重金屬超標(biāo)、家畜排泄物重金屬超標(biāo)均可引起牧草及作物重金屬超標(biāo)，動(dòng)物長(zhǎng)期食用高濃度重金屬牧草或暴露于高濃度重金屬環(huán)境中，均可引起重金屬中毒。

放牧地環(huán)境中的重金屬Cu、Zn、Cd、Pb等可通過(guò)食物鏈向家畜體內(nèi)遷移，有報(bào)道青藏高原祁連縣存在有害重金屬Cd元素在牦牛奶中含量超過(guò)現(xiàn)象，與放牧地環(huán)境被污染有關(guān)。本研究中家畜體內(nèi)毒素重金屬含量較高，可能與礦區(qū)草地、牧草中重金屬含量較高有關(guān)，土壤、牧草中重金屬形態(tài)及含量直接影響動(dòng)物體內(nèi)重金屬的蓄積，并且不同家畜對(duì)重金屬的耐受和蓄積能力不同[10]。藏中礦區(qū)及周邊土壤中重金屬Cd、Cu、Pb、Zn這4種元素均存在超過(guò)土壤限量值。藏中礦區(qū)牧草及家畜體內(nèi)重金屬也存在超標(biāo)現(xiàn)象。其中，牧草中4種重金屬均存在超標(biāo)現(xiàn)象。牧草體內(nèi)重金屬Zn含量最高，依次是Pb、Cu、Cd，這基本與土壤中重金屬含量表現(xiàn)一致。礦區(qū)周邊牦牛、藏羊肌肉組織中Cu元素和Pb元素存在超過(guò)國(guó)家飼料衛(wèi)生和食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，這可能與礦區(qū)草地、牧草中重金屬含量較高有關(guān)。不同種類重金屬在不同家畜肌肉組織中富集能力不同，不同形態(tài)的重金屬在不同家畜中的富集能力也不同。Cd元素向生物體(豬、魚(yú))肌肉組織的遷移相對(duì)較少[20-21]，這是因?yàn)檫M(jìn)入生物體的Cd元素首先要進(jìn)入肝臟，與肝臟內(nèi)金屬硫蛋白結(jié)合成Cd元素的金屬硫蛋白的復(fù)合產(chǎn)物，這種復(fù)合物開(kāi)始向腎臟轉(zhuǎn)移，通過(guò)上述途徑將Cd元素穩(wěn)定，比較穩(wěn)定的金屬硫蛋白復(fù)合物積累在動(dòng)物腎臟，因此生物體的腎臟便成了Cd元素集中富集的器官[22]。本試驗(yàn)中，牛、羊肉組織中重金屬Cu、Zn含量超標(biāo)，可能與當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)開(kāi)采有關(guān)。當(dāng)放牧地土壤中的重金屬蓄積甚至超過(guò)一定標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)對(duì)土-草-畜系統(tǒng)產(chǎn)生毒害，重金屬在生態(tài)系統(tǒng)中的污染具有長(zhǎng)期性、隱蔽性、危害性等特點(diǎn)，家畜放牧地一旦遭到重金屬侵害，治理非常困難[24-27]。

西藏草地畜牧業(yè)生產(chǎn)必須重視重金屬污染問(wèn)題，在土壤污染區(qū)域禁止放牧、禁止家畜使用高重金屬的日糧，同時(shí)加大對(duì)受重金屬污染的草地區(qū)域使用的監(jiān)督和制止力度。建議在西藏草地畜牧產(chǎn)業(yè)中加強(qiáng)飼養(yǎng)環(huán)境污染控制技術(shù)的研究和飼料質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)管理，以期降低污染物從家畜飼養(yǎng)環(huán)境向家畜體內(nèi)的蓄積和遷移。

4 結(jié) 論

(1)藏中礦區(qū)及周邊土壤中重金屬Cd、Cu、Pb、Zn 4種元素均存在超過(guò)土壤限量值，藏中礦區(qū)牧草及家畜體內(nèi)重金屬也存在超標(biāo)現(xiàn)象。

(2)試驗(yàn)區(qū)牦牛肉中Cu元素與牧草中Cu元素含量呈極顯著的相關(guān)關(guān)系、牦牛肉中Zn元素含量分別與土壤、牧草中Zn元素含量呈顯著的相關(guān)關(guān)系；牦牛肉中Pb元素含量與牧草中Pb元素含量呈顯著的相關(guān)關(guān)系；藏羊肉中Cu元素含量與牧草中Cu元素含量呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系。

(3)礦區(qū)可食牧草中重金屬向牦牛和藏羊肌肉遷移的遷移系數(shù)變化較大，Cu元素在牦牛體內(nèi)的遷移系數(shù)最大，Pb元素向牦牛體內(nèi)的遷移系數(shù)最小。