京津冀地區(qū)設(shè)施土壤中不同蔬菜對鎘的累積特征

高 鑫，顏蒙蒙，曾希柏，白玲玉，王亞男，陳 清，趙會薇，蘇世鳴*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；3.國家半干旱農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，石家莊 050051）

京津冀地區(qū)設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展了近30年，其在保障該地區(qū)蔬菜農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)、居民食品安全方面具有重要意義。該地區(qū)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)水肥（尤其是糞肥和磷肥）投入大、復(fù)種指數(shù)高，特別是20世紀(jì)80年代初期推行的農(nóng)田污灌等的影響，導(dǎo)致該地區(qū)設(shè)施土壤環(huán)境質(zhì)量持續(xù)下降[1-4]，給該地區(qū)設(shè)施蔬菜安全生產(chǎn)帶來很大影響。部分區(qū)域設(shè)施土壤出現(xiàn)重金屬元素超標(biāo)和農(nóng)產(chǎn)品安全問題已引起較大關(guān)注[5-8]。相比其他污染元素，鎘在設(shè)施土壤中的累積現(xiàn)象最為普遍[9]，且由于鎘在土壤中有著相對較高的生物有效性，遷移性強(qiáng)，容易被吸收并轉(zhuǎn)移到植物的不同部位，因此對蔬菜產(chǎn)品安全和人類健康所造成的威脅更大[10-11]。

篩選低鎘吸收能力的蔬菜品種，并在鎘超標(biāo)設(shè)施土壤上開展替代種植是一種有效應(yīng)對土壤重金屬污染的修復(fù)技術(shù)。與瓜果類、根莖類蔬菜相比，葉類蔬菜對鎘的累積吸收能力較強(qiáng)[12]，累積鎘風(fēng)險更高。市場上葉菜種類多，品種更替快，不同種類和品種之間對鎘的累積差異亦較大，因此系統(tǒng)性地比較不同種類或品種葉菜對鎘累積差異對于今后選擇鎘低吸收葉類蔬菜品種開展替代種植、阻控鎘向葉類蔬菜累積具有重要意義。

本研究采用野外調(diào)查和田間小區(qū)試驗(yàn)相結(jié)合的方式開展，首先明確不同類型蔬菜對鎘累積能力的差異，其次比較了11個不同種類蔬菜共64個蔬菜品種對鎘的累積風(fēng)險，并基于物種敏感度分布曲線[13]，確定了每種蔬菜對土壤中鎘毒性的敏感性程度差異。相關(guān)結(jié)果對于今后通過種植替代方式減少京津冀地區(qū)設(shè)施葉菜重金屬鎘累積風(fēng)險具有重要參考價值。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查采樣

選取河北青縣、北京大興、天津武清的設(shè)施大棚為調(diào)查區(qū)域，采用點(diǎn)對點(diǎn)采樣法采集不同蔬菜可食部位樣品及對應(yīng)根區(qū)土壤樣品。調(diào)查共采集54個大棚，其中河北青縣采集大棚32個、北京大興9個、天津武清13個。調(diào)查共采集到6個蔬菜種類，分別為黃瓜、豆角、西紅柿、油麥菜、莧菜和白菜，其樣本數(shù)分別為20、10、6、8、5個和5個。各大棚蔬菜和對應(yīng)土壤樣品均采用5點(diǎn)混合法采集，均勻混合后，所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.2 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)共選擇11種京津冀地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)常見的葉類蔬菜，包括：菜心、油麥菜、生菜、茼蒿、小白菜、莧菜、菠菜、芥菜、苦苣、芝麻菜和咖啡菜。該11種葉類蔬菜包含64個蔬菜品種，具體編號及對應(yīng)品種等信息見表1。田間小區(qū)試驗(yàn)于2017年在河北青縣李家營村設(shè)施大棚開展。供試的兩個大棚中土壤總鎘含量依次為0.38 mg·kg-1和0.76 mg·kg-1，依據(jù)《溫室蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 333—2006，當(dāng)土壤pH＞7.5時土壤總鎘含量限值為0.4 mg·kg-1），兩個供試土壤的鎘污染水平分別屬于尚清潔和超標(biāo)等級。大棚內(nèi)各小區(qū)面積統(tǒng)一為15 m2（寬3 m、長5 m），各蔬菜品種處理3次重復(fù)。小區(qū)內(nèi)種植密度依據(jù)各蔬菜種植特點(diǎn)設(shè)定。收獲期采集各小區(qū)4～5株蔬菜地上部樣品及對應(yīng)根區(qū)土壤樣品經(jīng)均勻混合后帶回實(shí)驗(yàn)室。植株樣品經(jīng)稱取鮮質(zhì)量后殺青、烘干稱干質(zhì)量，之后研磨，用于植株總鎘含量分析；土壤樣品經(jīng)風(fēng)干過篩后，分析土壤總鎘含量。試驗(yàn)大棚內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)平均含量 23.7 g·kg-1，全氮 1.4 g·kg-1，有效磷11.3 mg·kg-1，速效鉀103.8 mg·kg-1，土壤pH 7.6。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

土壤中總鎘的測定參考GB/T 17141—1997進(jìn)行。稱取土壤樣品0.500 0 g左右，放置于聚四氟乙烯坩堝中，采用四酸消解，濃鹽酸、濃硝酸、氫氟酸和高氯酸

添加比例為5∶10∶2∶1，消解液經(jīng)定容后采用ICP-MS測定鎘含量。植株總鎘含量測定依據(jù)食品中鎘的測定標(biāo)準(zhǔn)GB/T5009.15—2003進(jìn)行。稱取樣品0.200 0 g于三角瓶中，10 mL混合酸（硝酸與高氯酸按9∶1比例混合）消解后定容，采用ICP-MS測定樣品鎘含量。上述樣品分析過程中加入標(biāo)準(zhǔn)土壤（GBW07405、GBW07406） 和 標(biāo) 準(zhǔn) 植 物 樣 品 （GBW10015、GBW10048）進(jìn)行過程質(zhì)量控制，標(biāo)準(zhǔn)品回收率范圍為92.3%～105.6%。

表1 64種葉類蔬菜品種名稱和生產(chǎn)商Table1 Variety names and purchasing places of 64 leaf vegetables

續(xù)表1 64種葉類蔬菜品種名稱和生產(chǎn)商Continued Table1 Variety names and purchasing places of 64 leaf vegetables

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013、SPSS Statistics進(jìn)行統(tǒng)計作圖并進(jìn)行方差分析，采用最小顯著性差異法（LSD）對數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，顯著性水平為0.05。葉菜生物富集系數(shù)（Bio-concentration factors，BCFs）計算方法為葉菜可食部分鎘含量與土壤總鎘含量的比值；不同蔬菜品種對重金屬鎘的敏感性分布曲線（SSD）采用BurrliOZ 2.0軟件進(jìn)行，模型的具體計算方法采用Burr-Ⅲ型函數(shù)參數(shù)方程：

式中：x為葉菜1/BCF的實(shí)測值；b、c、k為函數(shù)的3個擬合參數(shù)。專業(yè)計算軟件詳見澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織（http：//www.csiro.au/products/Burr III.ht?ml）。

2 結(jié)果與討論

2.1 蔬菜類型間對鎘累積能力的差異

通過調(diào)查京津冀地區(qū)主要設(shè)施蔬菜產(chǎn)區(qū)作物可食部位鎘含量，比較了6種常見的大棚種植蔬菜鎘含量差異，結(jié)果如圖1所示。黃瓜、豆角、西紅柿、油麥菜、莧菜和白菜可食部位鎘含量分別為0.000 9、0.003 0、0.001 5、0.022 1、0.021 1、0.012 1 mg·kg-1鮮質(zhì)量。總體上看，各蔬菜可食部位鎘含量均明顯低于國家食品衛(wèi)生相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg·kg-1鮮質(zhì)量）。不同蔬菜類型之間比較來看，瓜果類蔬菜（黃瓜、豆角和西紅柿）可食部位鎘含量顯著低于葉類蔬菜（油麥菜、莧菜和白菜）。此外，6種蔬菜對土壤鎘的生物富集系數(shù)具有相似規(guī)律，即瓜果類蔬菜對鎘富集系數(shù)明顯低于葉類蔬菜。蔬菜鎘含量和生物富集系數(shù)大小順序依次為莧菜＞油麥菜＞白菜＞豆角≈西紅柿≈黃瓜。葉類蔬菜相對于瓜果類蔬菜具有更高的鎘累積風(fēng)險，瓜果類蔬菜應(yīng)被選為京津冀地區(qū)鎘污染設(shè)施土壤上推薦種植的蔬菜類型。該結(jié)果與前人研究相一致，如徐笠等[6]通過分析北京市設(shè)施菜田的大量調(diào)研數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，瓜果類蔬菜富集土壤鎘的能力最弱，遠(yuǎn)小于葉類蔬菜和根類蔬菜。李霞等[8]的調(diào)查研究表明，不同類型蔬菜吸收鎘的能力大小排序依次為葉菜類＞塊莖類＞瓜果類。有研究表明，葉類蔬菜葉片表面積大，表面蒸發(fā)作用強(qiáng)，更容易富集吸收土壤和空氣中的鎘[14-15]，而瓜果類蔬菜由于土壤中重金屬元素向其可食部位遷移距離較遠(yuǎn)，表現(xiàn)出較弱的鎘富集能力[16]。此外，不同蔬菜對土壤鎘的生理生化響應(yīng)及其分子生物學(xué)過程差異亦是造成其富集鎘能力不同的重要原因[17-19]。

圖1 不同種類蔬菜鎘含量和生物富集系數(shù)比較Figure1 Comparison of cadmium content and bio-concentration factor in different types of vegetables

圖2 設(shè)施土壤上11種不同葉菜地上部鎘含量Figure2 Cadmium content in 11 leafy vegetables grown in greenhouse soils

2.2 不同種類葉菜對鎘累積能力的比較

葉類蔬菜對土壤鎘的累積能力不僅存在顯著的類型間差異，同時也在一定程度上表現(xiàn)出科屬親緣特性[20]。本研究通過田間小區(qū)試驗(yàn)分析了11種不同蔬菜對鎘的累積能力差異。從圖2中可以看到，不同葉菜種類之間以及不同鎘污染土壤上葉菜地上部鎘含量存在較大差異。不同種類葉菜比較來看，當(dāng)土壤鎘含量為0.76 mg·kg-1時，芝麻菜地上部鎘含量最高，為0.13 mg·kg-1鮮質(zhì)量，茼蒿最低為0.005 mg·kg-1鮮質(zhì)量，兩者相差約25倍。不同種類葉菜地上部鎘含量大小排序依次為芝麻菜＞油麥菜＞菠菜=芥菜＞莧菜＞生菜＞菜心＞苦苣＞小白菜＞咖啡菜＞茼蒿；不同土壤鎘濃度比較來看，相同種類蔬菜的鎘含量與土壤中鎘濃度存在一定的正相關(guān)關(guān)系，且兩種鎘濃度土壤上，不同葉菜地上部鎘含量大小排序有很好的一致性，表明不同種類葉菜的鎘累積能力差異在不同鎘污染土壤上的穩(wěn)定性很好。方華為[20]研究發(fā)現(xiàn)在盆栽土壤鎘含量為2.12 mg·kg-1時，葉類蔬菜地上部植株鎘含量大小排序依次為油麥菜＞生菜＞菜薹＞萵苣＞空心菜＞芹菜＞小白菜＞大白菜＞芥菜＞香菜＞苦苣＞香蔥＞甘藍(lán)＞木耳菜＞茼蒿＞莧菜＞韭菜。該結(jié)果與本論文研究存在一定差異，這可能與試驗(yàn)采用的供試土壤理化特征、鎘濃度水平及供試蔬菜品種等方面的差異有關(guān)[21]。此外，本研究中所有蔬菜鎘含量均未超過國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)中的蔬菜鎘限定值0.2 mg·kg-1鮮質(zhì)量。

進(jìn)一步對11種不同葉菜對土壤鎘的生物富集系數(shù)進(jìn)行聚類分析發(fā)現(xiàn)，在兩種鎘污染土壤上不同葉菜積累能力聚類分析具有良好的一致性。本論文選擇鎘超標(biāo)設(shè)施土壤（0.76 mg·kg-1）上的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖3所示。11種葉菜對鎘的積累能力差異可劃分為2類：第1類是菜心、莧菜、生菜、苦苣、油麥菜、小白菜、咖啡菜、茼蒿和菠菜，為鎘中低累積類群；第2類是芥菜、芝麻菜，為鎘高累積類群。

圖3 11種葉菜類蔬菜對鎘生物富集系數(shù)聚類分析Figure3 Cluster analysis of Cd bio-concentration factor of 11 leafy vegetables

圖4 兩種濃度土壤上64種葉菜品種地上部鎘含量Figure4 Cd contents in 64 leafy vegetables grown in greenhouse soils with two levels of Cd concentration

2.3 葉類蔬菜品種對鎘累積能力的差異

為明確不同蔬菜品種對鎘累積能力的差異，進(jìn)一步分析了上述11個蔬菜種類涉及的64個葉菜品種對鎘累積能力的差異。結(jié)果如圖4所示，64個葉菜品種地上部鎘含量均未超過國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，表明該區(qū)域設(shè)施蔬菜生產(chǎn)相對清潔。但不同葉菜品種間對鎘的累積狀況存在顯著差異。如芝麻菜和紫油麥菜有著相對較高的鎘累積能力，其中以芝麻菜對鎘的累積量最大，其地上部鎘含量為0.13 mg·kg-1；而茼蒿、漢堡速生咖啡菜、翠英256和特選板葉茼蒿等對鎘的累積量較低，其地上部鎘含量＜0.01 mg·kg-1，遠(yuǎn)低于國家食品安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.2 mg·kg-1。該結(jié)果表明，今后在鎘污染程度嚴(yán)重的設(shè)施土壤上進(jìn)行蔬菜栽培時，需要關(guān)注不同蔬菜品種對鎘累積的差異，通過合理選擇蔬菜品種可以有效減少蔬菜鎘超標(biāo)風(fēng)險。

此外，相同種類葉菜不同品種間比較來看，僅菠菜在0.76 mg·kg-1土壤中品種間差別較小，品種間鎘含量差異相對穩(wěn)定，其他蔬菜品種間鎘含量存在明顯差異，該結(jié)果表明今后開展葉類蔬菜替代種植時應(yīng)關(guān)注相同蔬菜種類不同品種間差異。另外，兩種土壤鎘濃度比較來看，64個葉菜品種間蔬菜鎘含量大小關(guān)系排序具有一致性。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，兩種鎘污染設(shè)施土壤上64個葉菜品種對鎘累積量具有極顯著相關(guān)性（n=64，R2=0.528 1，P＜0.01），表明不同葉菜品種的鎘累積能力大小在不同程度的鎘污染土壤上具有較好的穩(wěn)定性。本研究表明不同葉類蔬菜對鎘累積能力的差異在不同鎘污染設(shè)施土壤上具有很好的重現(xiàn)性，可作為該區(qū)域高濃度鎘污染土壤開展替代種植的有效依據(jù)。

圖5 64種蔬菜品種對重金屬鎘敏感性分布曲線（SSD）Figure5 Distribution curve of sensitivity to Cd of 64 vegetable varieties

2.4 64個葉菜品種對土壤鎘毒性敏感性分布曲線

敏感性分布曲線是通過選擇某個概率分布并擬合SSD曲線的方法，描述某種重金屬元素對一系列物種的毒性?；谏鷳B(tài)風(fēng)險評價角度分析重金屬污染對不同物種的危害程度，進(jìn)而對其生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評估，評價不同物種對重金屬污染的敏感程度[22]。本研究應(yīng)用較新的概率分布函數(shù)模型（Burr-Ⅲ模型）[23]比較了上述京津冀地區(qū)設(shè)施生產(chǎn)中常見的64個葉類蔬菜品種對土壤鎘的毒性敏感性分布曲線（圖5），結(jié)果表明不同葉類蔬菜對土壤鎘的敏感程度存在概率分布差異。具體來看，咖啡麥當(dāng)菜、蔬菠2號、芝麻菜和佳園芥藍(lán)對土壤鎘的毒性最為敏感，其敏感性分布頻次小于5%；其次為漢斯203紫霞、紫油麥菜、王中王尖葉油麥菜，屬于較敏感品種，其敏感性分布頻次大于5%，小于10%；而茼蒿屬于不敏感品種。基于保護(hù)所選64種葉類蔬菜品種中95%的蔬菜產(chǎn)品安全考慮，葉菜最小環(huán)境有害HC5-BCFs值（HC5，Hazardous Concentration for 5%of species）為0.19。以《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2762—2017）規(guī)定的0.2 mg·kg-1鮮質(zhì)量為基準(zhǔn)，反推出土壤鎘的濃度上限為1.05 mg·kg-1。應(yīng)盡量避免種植咖啡麥當(dāng)菜、蔬菠2號、芝麻菜和佳園芥藍(lán)等蔬菜品種。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者亦開展了相關(guān)研究，如李曉婧等[24]比較了10種葉菜對鎘毒害的敏感程度，發(fā)現(xiàn)莧菜和油菜屬于較為敏感品種，芹菜和茼蒿屬于較不敏感品種，芹菜和茼蒿適合在鎘超標(biāo)土壤中開展替代種植。該結(jié)果與本論文研究具有良好的一致性。

3 結(jié)論

（1）瓜果類蔬菜對土壤鎘的累積能力明顯低于葉類蔬菜，11種葉類蔬菜地上部鎘含量大小排序依次為芝麻菜＞油麥菜＞菠菜=芥菜＞莧菜＞生菜＞菜心＞苦苣＞小白菜＞咖啡菜＞茼蒿。

（2）不同葉類蔬菜品種對土壤鎘累積能力差異較大。芝麻菜地上部鎘含量最高，而茼蒿、漢堡速生咖啡菜、翠英256和特選板葉茼蒿地上部鎘累積量＜0.01 mg·kg-1鮮質(zhì)量，適合在京津冀鎘污染設(shè)施葉菜土壤上開展替代種植。

（3）芝麻菜、蔬菠2號、咖啡麥當(dāng)菜、佳園芥藍(lán)屬于土壤鎘毒性敏感品種，其物種敏感性分布頻次小于5%，基于保護(hù)所選64種葉類蔬菜品種中的95%安全考慮，應(yīng)避免種植該類蔬菜品種。