藏中矿区家畜组织中重金属分布与放牧环境关系研究

赵玉文，李瑛萍， 段少荣，南吉斌，赵亚磊，赵玉红

(1.西藏农牧学院 资源与环境学院，西藏 林芝 860000；2.西藏农牧学院 动物科学学院，西藏 林芝 860000)

农牧产品作为人类最重要的食物之一，对人类生存和生长起着不可替代的作用。但由于环境污染加剧、观念以及养殖设备等的落后，致使饲畜产品的安全性受到质疑。土壤-牧草-家畜系统作为绿色畜产品生产线是保证人们食品安全的重要一环，能够以其广泛的应用和健康的生产方式，为人类社会的健康和自然生态系统提供有力保障[1-2]。重金属污染是典型的积累污染物，具有长期性、复合型、不可逆性、隐蔽性强且危害大等特点，最终可以通过食物链渠道传递危害人畜健康[3-4]。研究发现，土壤-牧草-家畜(从土地到餐桌)产品食物链的安全体系中，存在许多重金属危害和不确定性问题，必须对其加以深入分析、研究和保护。因此，研究重金属的传播及重金属污染性元素的积累及迁移规律，是生态环境治理的重要任务之一[5]。

由于家畜重金属转移的主要途径是食物链传递，而农牧产品中重金属的重要来源是饲养环境中的土壤和牧草。研究表明，在土壤-牧草-家畜系统中，牧草是重要的媒介，因此，它体内的重金属含量的缺乏或过量可直接影响到家畜产品的健康。除此之外，在土壤-植物-动物内矿质元素含量存在着间接的相关性[6-10]。

近几十年来，随着西藏中部畜牧业和矿业的大力发展，矿产的大量采冶对藏中家畜生存环境食物链的安全体系构成一定的威胁[11-12]。为深入研究事关食品安全的藏中重金属含量沿食物链(土-草-畜)途径迁移的规律和机制，本研究对藏中典型区域Cu、Zn、Pb、Cd这4种重金属在土壤、牧草、家畜组织中的含量测定，分析其与饲养环境的相关性，探讨饲养环境中重金属对家畜组织的影响，为指导家畜生产，制定针对性措施提供可靠依据，对全面提升藏中畜产品安全和产地环境质量的整体水平，促进西藏生态环境、食品安全的和谐发展及畜牧业的可持续发展具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究地点设在西藏中部的拉萨市当雄县拉屋矿区，位于E 91°37′～91°46′至N 30°23′～30°30′之间。该矿区位于藏北高原与藏东高山峡谷连接地带的南坡山区，海拔在4 360～5 464 m之间，高差在1 100 m左右，矿区重点试验区海拔4 700 m，开采面积约0.75 km2。研究区气候属于典型的高原亚寒带半湿润、半干旱季风气候，但区域小气候特征明显。研究区一年内无绝对无霜期，气候寒冷，冬长无夏，冬春多雪。年日照时数2 600 h，夏季降水较集中，年降水量为406～695 mm，该矿已开采13年，Cu、Zn含量较高、伴生元素为Pb。矿区周边植被类型主要为亚高山森林、高寒荒漠、高寒草甸、高寒草原等。高寒草原与高寒草甸是当地重要的夏季牧场。该区土壤类型分为高山草甸土和高山灌丛草甸土，土壤有机质含量较低，矿质化程度较高，淋溶弱、腐殖质过程积累缓慢，土层厚30 cm左右。

1.2 样品采集

本研究采用野外调查典型取样，并结合室内分析测试来进行。试验样品为试验区的土壤样品、牧草样品和牦牛、藏羊组织。在矿区及周边(远离矿区150 km)，采用网格均匀布点和典型污染区密点相结合设置样点，采样时用GPS精确定位，样点距离控制在200 ～300 m，每个样点代表面积为0.04～0.09 km2，在采矿口周围及重点污染区域进行适当的加密。

在矿区周边随机选择放牧饲养的3～4岁阉割牦牛9头，对照组(CK)选用远离矿区150 km的当雄县饲养的同龄、以粗饲料为主阉割牦牛和藏羊各3头，集中取样，每头(牦牛和藏羊)取胸腰结合部新鲜背最长肌1 kg，用搅拌机打磨成糊状，装入洁净保鲜膜中待测。

矿区土壤取样深度0～40 cm，根据样方的面积和地形，确定采样位置和采样点数取得土壤，混匀后采用四分法保留1 kg样品，每个采样点在直径5 m的范围内采集5个土壤分样，装入羊皮纸袋，待测。

测试牧草主要为垂穗披碱草(Elymusnutan)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)、紫羊茅(FestucaL.)、燕麦(AvenafatuaL.)、紫花针茅(Stipapurpurea)、 油菜(Brassicajuncea)等家畜可食或喜食的植物，每个样地内一种植物采集5株。

1.3 测定方法

土壤、牧草、家畜样品重金属含量分析按国家标准进行，其中，土壤样品采集后在草业实验室中自然风干、研磨、过筛。土壤中全Cu、全Zn、全Pb和全Cd，采用三酸 (HF-HN03-HClO4) 消化法配比待测液，样品测定前在105 ℃条件下烘2 h，在聚四氟乙烯坩埚中放置0.2 g土样，然后加8 mL HF+2 mL HClO4+2 mL HNO3(三酸)在120 ℃下硝煮完全，除镉、铅采用石墨炉原子吸收法测定，其余通过火焰原子吸收分光光度计 (TAS-990)测定重金属含量。为保证分析质量，用国家标准样进行质量控制，在所有土样品处理过程中，利用平行样、流程和试剂空白样进行质量控制试验所用试剂均为分析纯。将采集牧草样品带回草业实验室，自来水冲洗干净，再用纯化水清洗3遍，滤纸吸干其表面多余水分，在恒温干燥箱内，设置105 ℃烘干至恒重，然后充分研磨成粉末状，用HNO3+HClO4(体积比 87∶13) 混合酸硝煮至完全。样品消煮过程中以相应消煮的混合酸试剂作空白对照(CK)，同时消煮，为消除分析过程和消煮中的污染。采用TAS-990原子吸收分光光度计测定Cu、Zn、Pb和Cd这4种重金属的含量。

重金属富集系数(Bioconcentration Factor,BCF)是用来反映生物体对重金属的富集和积累能力。植物重金属富集系数是指植物中重金属元素的含量占土壤中重金属相应元素的百分数，它可以反映土壤-植物系统中重金属元素迁移的难易程度，说明重金属在植物体内的富集情况。同理，本研究利用此方法也可以反映植物-家畜系统中元素迁移的难易程度。因此，研究采用重金属富集系数来反映重金属在土壤-牧草-家畜系统中的迁移能力。公式为:

式中:BCF表示生物体(牧草、家畜)富集系数；Pi表示重金属i在牧草(家畜)体内含量；Si表示重金属i土壤(牧草)中含量。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2007软件和SPASS V21统计软件进行数据处理、方差分析、分别对肌肉组织中重金属与牧草中重金属、肌肉组织中重金属与土壤中重金属进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤-牧草-家畜中重金属含量分析

拉屋矿区土壤-牧草-家畜(牦牛、藏羊)中4种重金属含量测定结果见表1。由表1可以看出，矿区土壤中Cu 、Zn、Pb 、Cd高于我国二级土壤限量值(Cu 、Zn、Pb 、Cd限量值分别为100、35 、35、0.2 mg/kg)[13]。矿区土壤Cu含量达限量值的2倍以上，Cd超标最严重，甚至超过国家土壤限量值的100多倍。牧草中Cu 、Zn、Pb 、Cd均超限量值(Cu 、Zn、Pb 、Cd限量值分别为10、20 、5、0.5 mg/kg)，Zn含量最高，其后是Pb、Cu、Cd，这基本与土壤中重金属含量表现一致。4种重金属在牧草中含量超标，表明矿区牧草具有较强的重金属吸收能力和耐性，但超量的重金属将会对植物本身和牛羊等家畜产生伤害[14]。矿区周边牦牛、藏羊肌肉组织中铜和铅存在超过国家饲料卫生和食品卫生标准[15-17]。

表1 拉屋矿区土壤-牧草-家畜(牦牛、藏羊)中4种重金属含量[13,16]Table 1 Content of Cu, Zn, Cd and Pb in soil-herbage-Yak and Tibetan sheep mg/kg

2.2 家畜组织重金属含量分析

不同区域家畜重金属4种重金属含量测定结果见表2。由表2可知，矿区周边家畜体内重金属含量跟远离矿区150 km家畜(CK)存在一定差异。其中，牦牛体内Zn元素含量与对照(CK)相比差异显著(P<0.05)。Cd元素含量与对照(CK)相比差异也达显著水平(P<0.05)。西藏中部典型矿区及远离矿区家畜肌肉均Cu、Zn存在超标现象，Pb元素较对照差异不显著，Cd元素较对照(CK)存在差异，但Pb和Cd均未超标。

表2 不同区域家畜重金属4种重金属含量Table 2 Contents of Cu, Zn, Cd and Pb in livestock in different regions mg/kg

注：同列不同小写字母表示差异显著(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-家畜重金属相关性

家畜肌肉组织重金属含量与牧草、土壤的相关系数见表3。由表3可以看出，牦牛肉中Cu元素和牧草与Cu元素含量呈极显著的相关关系(P<0.01)；牦牛肉中Zn元素含量和土壤与牧草中Zn元素含量呈显著的相关关系(P<0.05)；牦牛肉中Pb元素含量与牧草中Pb元素含量呈显著的相关关系(P<0.05)；藏羊肉中Cu元素含量与牧草中Cu元素含量呈现极显著相关关系(P<0.01)。

表3 家畜肌肉组织重金属含量与牧草、土壤的相关系数Table 3 Correlation coefficient between heavy metal content in livestock muscle tissue and forage and soil mg/kg

注:*显著性水平为0.05；**极显著性水平为0.01。

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

2.4 重金属迁移系数分析

重金属向家畜方向的迁移系数见表4。由表4可见，矿区可食牧草中重金属向牦牛和藏羊肌肉迁移的迁移系数变化较大，迁移系数在0.19%～44.61%之间。具体来看，Cu元素的迁移系数较大，向牦牛体内Cu元素的迁移系数达44.61%。Cd元素迁移系数较小，Pb元素向牦牛和羊肉的迁移系数最小。

3 讨 论

我国现有的《食品卫生标准》(GB15199-1994)规定，肉类中Cu、Zn、Pb、Cd元素含量应分别低于10 mg/kg、20 mg/kg、0.1 mg/kg、0.1 mg/kg[17]。家畜长期采食高浓度重金属牧草或日粮，其肝、肉、骨、肾等器官或产品中重金属含量将远远大于该《食品卫生标准》，人类食用后可导致体内肾、肝、脑等组织中富集，从而危害身体健康。人类长期摄入高Cu动物性食品，Cu元素必然在体内沉积，Cu元素可以促使机体内自由基水平发生变化，进而改变体内脂类代谢，最终导致动脉硬化，甚至将加速细胞的死亡。不同家畜对不同重金属的耐受量不同，如绵羊对Cu的最大耐受浓度仅为25 mg/kg，牛对Cu的耐受量为100 mg/kg。研究表明，当动物体内Cu元素含量达100 mg/kg以上时，可破坏动物蛋白质结构，使动物体内微生物蛋白变性甚至死亡。家畜粪便中Cu元素超标可使土壤中Cu元素显著增加，导致土壤有益微生物减少，引起土壤板结、肥力下降，直接影响草地产量和牧草营养；Cu元素对水生生物毒性也较大，当水体中Cu元素浓度为0.5 mg/kg时，就能使淡水中35%以上的原生植物死亡。家畜长期饲喂高铜饲料可导致Cu元素在家畜体组织铜含量增加，现有大量研究已经证实，当饲料中Cu元素含量超过150 mg/kg时，家畜肌肉组织中Cu元素含量也显著增加[18]。牦牛、藏羊肌肉组织中Cu元素含量超标，可能于长期啃食重金属含量较高牧草有关。据报道，家畜长期采食高Zn饲料(日粮)也可导致肌肉组织Zn元素含量升高。通常家畜肾、肝中Zn元素含量分别为80 mg/kg和135 mg/kg。如果动物受到Zn元素中毒损害，肝、肾中Zn元素含量将上升100倍之多。虽然到目前为止，鲜见高Zn引起人中毒事件，但长期食用Zn元素超标食物对人类的健康不利[19]。

研究表明，当土壤、牧草受到复合污染，Cu、Zn、As、Pb、Cd等元素共存时，重金属元素间存在协同作用(synergistic effect)，污染能力将更强[23]。土壤、牧草中富集大量的重金属元素，通过牧草、家畜的二次富集，将影响到人类的食品安全。土壤重金属超标、家畜排泄物重金属超标均可引起牧草及作物重金属超标，动物长期食用高浓度重金属牧草或暴露于高浓度重金属环境中，均可引起重金属中毒。

放牧地环境中的重金属Cu、Zn、Cd、Pb等可通过食物链向家畜体内迁移，有报道青藏高原祁连县存在有害重金属Cd元素在牦牛奶中含量超过现象，与放牧地环境被污染有关。本研究中家畜体内毒素重金属含量较高，可能与矿区草地、牧草中重金属含量较高有关，土壤、牧草中重金属形态及含量直接影响动物体内重金属的蓄积，并且不同家畜对重金属的耐受和蓄积能力不同[10]。藏中矿区及周边土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn这4种元素均存在超过土壤限量值。藏中矿区牧草及家畜体内重金属也存在超标现象。其中，牧草中4种重金属均存在超标现象。牧草体内重金属Zn含量最高，依次是Pb、Cu、Cd，这基本与土壤中重金属含量表现一致。矿区周边牦牛、藏羊肌肉组织中Cu元素和Pb元素存在超过国家饲料卫生和食品卫生标准，这可能与矿区草地、牧草中重金属含量较高有关。不同种类重金属在不同家畜肌肉组织中富集能力不同，不同形态的重金属在不同家畜中的富集能力也不同。Cd元素向生物体(猪、鱼)肌肉组织的迁移相对较少[20-21]，这是因为进入生物体的Cd元素首先要进入肝脏，与肝脏内金属硫蛋白结合成Cd元素的金属硫蛋白的复合产物，这种复合物开始向肾脏转移，通过上述途径将Cd元素稳定，比较稳定的金属硫蛋白复合物积累在动物肾脏，因此生物体的肾脏便成了Cd元素集中富集的器官[22]。本试验中，牛、羊肉组织中重金属Cu、Zn含量超标，可能与当地矿产开采有关。当放牧地土壤中的重金属蓄积甚至超过一定标准，会对土-草-畜系统产生毒害，重金属在生态系统中的污染具有长期性、隐蔽性、危害性等特点，家畜放牧地一旦遭到重金属侵害，治理非常困难[24-27]。

西藏草地畜牧业生产必须重视重金属污染问题，在土壤污染区域禁止放牧、禁止家畜使用高重金属的日粮，同时加大对受重金属污染的草地区域使用的监督和制止力度。建议在西藏草地畜牧产业中加强饲养环境污染控制技术的研究和饲料质量的标准管理，以期降低污染物从家畜饲养环境向家畜体内的蓄积和迁移。

4 结 论

(1)藏中矿区及周边土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn 4种元素均存在超过土壤限量值，藏中矿区牧草及家畜体内重金属也存在超标现象。

(2)试验区牦牛肉中Cu元素与牧草中Cu元素含量呈极显著的相关关系、牦牛肉中Zn元素含量分别与土壤、牧草中Zn元素含量呈显著的相关关系；牦牛肉中Pb元素含量与牧草中Pb元素含量呈显著的相关关系；藏羊肉中Cu元素含量与牧草中Cu元素含量呈现极显著相关关系。

(3)矿区可食牧草中重金属向牦牛和藏羊肌肉迁移的迁移系数变化较大，Cu元素在牦牛体内的迁移系数最大，Pb元素向牦牛体内的迁移系数最小。