復(fù)合污染土壤上幾種葉類蔬菜對Cd和As的富集效應(yīng)

孟 媛，張 亮，王林權(quán)*，上官宇先，楊 陽，李雪芳，李 娜

（1 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌 712100；2 四川省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，成都 610066；3 中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所，合肥 230031）

土壤污染狀況調(diào)查公報 (2014) 的發(fā)表和土壤污染防治行動計劃 (2016) 的出臺表明土壤污染治理刻不容緩。北京污灌區(qū)土壤和農(nóng)作物重金屬含量超出中國環(huán)境保護部和世界衛(wèi)生組織安全標準[1]，其中蔬菜主要風險物是As[2]。中國南部大寶山礦區(qū)土壤和蔬菜Zn、Pb和Cd嚴重超標[3]。重慶居民每日從蔬菜攝入Pb、Mn和Cd量超出了國際安全標準，嚴重威脅身體健康[4]。有山東省壽光市蔬菜溫室和江蘇省南部蔬菜生產(chǎn)基地Cd和Hg污染報道[5]。中國東北部遼寧鞍山市土壤出現(xiàn)Cd、Pb、Zn和Cu污染，其中鋼鐵產(chǎn)區(qū)尤為重災(zāi)區(qū)[6]。珠江三角洲地區(qū)蔬菜Cd含量超限，其中71.4%是葉類或莖稈蔬菜[7]。葉類蔬菜是重金屬Cd和As高富集種類，比其他農(nóng)作物 (茄屬類、甘藍類、根菜類、蔥類、豆科等) 更容易受到污染[3,5-11]。重金屬污染土壤修復(fù)難度大、費用高，種植對重金屬低富集的糧食和蔬菜作物是一種污染土壤利用途徑[12-13]。因此研究Cd和As輕度復(fù)合污染土壤上不同蔬菜重金屬吸收累積特性、篩選低累積性蔬菜具有一定的理論與實踐意義。

西安是中國著名旅游城市，也是9個國家中心城市之一。西安市道路、休閑廣場、加油站、校園等場地的粉塵重金屬含量超標[14-17]。大氣沉降導(dǎo)致秦嶺大熊貓食區(qū)竹子中重金屬含量升高，威脅大熊貓健康[18]。城郊農(nóng)田土壤重金屬污染嚴重[19-21]，主要污染源是交通和工業(yè)排放[22]。本文采集西安城郊Cd和As污染程度不同的12個菜地土壤樣本，采用大棚盆栽試驗，研究了葉類蔬菜對土壤中重金屬Cd和As的吸收累積特征，探討其安全生產(chǎn)的土壤污染閾值，為無公害蔬菜生產(chǎn)及污染土壤合理利用提供基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

在前期土壤和蔬菜重金屬污染調(diào)查基礎(chǔ)上，采集了西安市灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)和臨潼區(qū)等不同污染程度的12個菜地耕層土壤 (0—20 cm)，其基本理化性質(zhì)見表1。

2015年3月6 日—5月26日，以12個土壤樣本為栽培基質(zhì)，通過盆栽試驗研究了7種葉菜，分別為：華星春秋大圓葉菠菜 (Spinacia oleraceaL.)、秦都黑油冬油菜 (Brassica rapacampestrisL.)、香港玻璃脆生菜 (Lactuca sativaL.)、廣東四季香油麥菜(Lactuca sativaL.var.longifolia)、青豐青莧菜(Amaranthus mangostanusL.)、利豐大葉空心菜(Ipomoea aquatica forskL.) 和華星小葉茼蒿(Chrysanthemum coronariumL.) 等對不同污染土壤的響應(yīng)，及其對鎘和砷吸收累積效應(yīng)。菠菜、油菜、生菜、油麥菜、茼蒿種植時間是2015年3月6日—4月25日，莧菜和空心菜在4月7日播種，5月26日收獲。試驗在西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院大棚進行，供試蔬菜種子均購自陜西華星綠色種苗有限公司。

1.2 測定方法

土壤基本理化性質(zhì)測定[21]：速效氮 (NH4++NO3-)用1 mol/L KCl浸提，流動分析儀測定；速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提，紫外可見分光光度計測定；速效鉀用1 mol/L NH4AC浸提，火焰光度計法測定；pH用0.01 mol/LCaCl2水溶液浸提，pH計測定；有機質(zhì)用重鉻酸鉀—外加熱法測定。

土壤和蔬菜樣品的采集：參考《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準HJ/T 166-2004土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》采集土壤樣品。將蔬菜植株從莖基部將根剪斷，用去離子水沖洗4遍，將莧菜、空心菜、茼蒿分莖和葉兩種器官，稱取鮮重后，在105℃殺青30分鐘，然后65℃烘干至恒重。

土壤和蔬菜重金屬Cd和As含量測定[21,23]：土壤樣品用王水-高氯酸消解，植物樣品用10% HNO3消解，分別用ICP-MS系統(tǒng)測定Cd和As含量。測定時每批上機樣品均使用“GBW10048(GSB-26) 生物成分分析標準物質(zhì)芹菜”和“GBW07409 土壤成分分析標準物質(zhì)”分別進行蔬菜和土壤樣品質(zhì)量控制。監(jiān)測儀器及型號：ICP-MS 7500(美國安捷倫公司產(chǎn))。

表1 西安市城郊菜地土壤基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physicochemical properties of vegetable soils in the suburbs of Xi’an

1.3 計算公式

蔬菜地上部重金屬富集系數(shù)=蔬菜地上部重金屬濃度 (mg/kg，F(xiàn)W)/土壤重金屬濃度 (mg/kg)。各供試蔬菜重金屬平均富集系數(shù)是12個土壤處理的富集系數(shù)平均值 (n= 36)。每株葉菜Cd或As富集量 (μg) =蔬菜可食部Cd或As濃度 (mg/kg，F(xiàn)W) × 每株蔬菜可食部鮮重 (g，F(xiàn)W)。

生物量對脅迫的響應(yīng) = (Cd或As處理下蔬菜可食部生物量-CK處理蔬菜可食部生物量)/CK處理蔬菜可食部生物量 × 100%，其中，CK處理蔬菜生物量是未污染土壤 (CK1～CK4) 上蔬菜生物量的平均值。

安全閾值計算方法：用不同蔬菜可食部重金屬含量y (mg/kg, FW) 與土壤重金屬含量x (mg/kg) 擬合線性方程計算 (表6)。將《食品中污染物限量》(GB2762-2017) 中對葉菜的限量指標 (Cd 0.2 mg/kg,FW和As 0.5 mg/kg, FW) 分別代入相應(yīng)擬合方程，計算得到安全閾值x。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)分析采用SAS V8軟件 (North Carolina State University，USA)，用TTEST process進行t檢驗，ANOVA process作方差分析，新復(fù)極差法作多重比較。用SAS系統(tǒng)CORR process作相關(guān)性分析，REG process作線性回歸分析。作圖軟件是Graphpad Prism 6 (La Jolla，CA 92037 USA)。

堅持隊伍建設(shè)，服務(wù)效能有提升。優(yōu)化許可審批程序，進一步簡化許可程序、提高工作效率；主動接受民主監(jiān)督，專門聘請30名人大、政協(xié)、新聞媒體等行業(yè)代表為政風行風民主監(jiān)督員，強化社會監(jiān)督；加強業(yè)務(wù)培訓(xùn)，邀請專家領(lǐng)導(dǎo)進行全員培訓(xùn)，著力鍛造一支敢于擔當，勇于負責，能吃苦、能戰(zhàn)斗、肯奉獻的監(jiān)管隊伍。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試土壤污染情況

供試土壤基本理化性質(zhì)及重金屬含量見表1，其中Cd濃度為0.2～2.4 mg/kg，As濃度為12.6～28.3 mg/kg。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標準 (GB 15618-2018) 規(guī)定的“農(nóng)用地土壤污染風險篩選值”(pH＞7.5時，Cd 0.6 mg/kg、As 25 mg/kg)，CK-1～CK-4 處理屬于非污染土壤；砷污染土壤 (As-1～As-4)As含量是國標限量值的1.0～1.1倍；鎘污染土壤 (Cd1) 的Cd含量與國標限量值相當；復(fù)合污染土壤 (Cd+As-1、Cd+As-2、Cd+As-3) 的Cd含量是國標限量值的1.8～4.0倍，As含量與國標限量值相當。

2.2 土壤Cd和As污染對蔬菜產(chǎn)量的影響

供試蔬菜生長過程中未出現(xiàn)重金屬毒害癥狀，蔬菜產(chǎn)量見表2。其中未污染土壤上，菠菜、油菜、生菜、油麥菜、莧菜、空心菜、茼蒿產(chǎn)量分別為8.7、5.2、7.3、6.1、10.1、9.3、12.9 g/(plant，F(xiàn)W)。由多重比較結(jié)果可以看出，較高鎘污染 (Cd+As-3) 土壤上，生菜和油麥菜鮮重顯著低于CK-1～CK-4處理；菠菜、莧菜葉、空心菜葉鮮重顯著低于CK-3處理；油菜和空心菜莖低于CK-1和CK-2處理。相對于無污染土壤，較高濃度鎘污染對大部分蔬菜有減產(chǎn)效應(yīng) (茼蒿、莧菜莖除外)。As污染土壤對蔬菜生物量影響不大。鎘砷復(fù)合污染并沒有對蔬菜生物量的抑制產(chǎn)生疊加效應(yīng)。

表2 不同Cd、As含量土壤上7種葉菜的產(chǎn)量 (g/plant，F(xiàn)W)Table 2 Yields of seven leafy vegetables in soils containing different Cd and As contents

蔬菜生物量對土壤重金屬的脅迫響應(yīng) (BRS) 見表3。低As污染 (As-1、As-2) 土壤上，菠菜生物量增加了24%～29%；As-1處理莧菜莖的BRS為正值，葉子的為負值，即促進莖生長，抑制葉子生長；空心菜、茼蒿、生菜BRS都是正值，說明有促進作用。

鎘污染土壤 (Cd-1) 對大多數(shù)蔬菜生物量有抑制效應(yīng) (莧菜、茼蒿除外)，其中對生菜、空心菜影響較大。低鎘 (Cd+As-1) 對空心菜有促進作用。較高鎘污染 (Cd+As-3) 土壤對蔬菜生物量有抑制作用 (茼蒿除外)，其中生菜和油麥菜產(chǎn)量分別下降了42%和32%。

2.3 蔬菜Cd和As濃度

蔬菜可食用部分Cd含量見表4。在無污染土壤(CK-1～CK-4) 和砷污染土壤 (As-1～As-4) 上，蔬菜鎘含量是0.020～0.190 mg/kg，均未超過食品安全限量值標準0.2 mg/kg。在砷污染土壤 (As-1～As-4)上，土壤As對其他蔬菜Cd含量的影響并不顯著(t檢驗)。在鎘污染土壤 (Cd-1) 上，菠菜、油菜、生菜和莧菜葉可食部分Cd含量是國標限量值的1～1.3倍，其余蔬菜未超標。在輕度復(fù)合污染土壤(Cd+As-1) 上，菠菜、油菜、生菜和莧菜葉Cd含量超過國家限量值50%～142%。較高濃度鎘砷復(fù)合污染土壤 (Cd+As-3) 上，除茼蒿和空心菜莖稈外，其余蔬菜均為Cd超標，其中菠菜和油菜Cd含量是國標值的4倍。

表5所示，葉類蔬菜As含量在0～0.256 mg/kg，均未超標。單砷污染土壤上，蔬菜砷含量隨土壤砷含量的增加具有增加趨勢。除了油麥菜外，單鎘污染土壤 (Cd-1) 對其他蔬菜的As含量影響不顯著。單砷污染和復(fù)合污染土壤上供試蔬菜As含量沒有顯著差異，說明鎘砷復(fù)合污染并沒有促進蔬菜對砷的吸收。

2.4 土壤重金屬Cd和As的安全閾值

蔬菜鎘與砷的安全閾值見表6，菠菜、油菜和生菜Cd安全閾值分別為0.33、0.38、0.46 mg/kg，與菜地土壤“二級標準”相當；其余四種蔬菜均高于國標值，其中空心菜閾值是1.49～8.16 mg/kg，茼蒿是8.98～17.11 mg/kg。7種供試蔬菜As安全閾值為57.21～105.06 mg/kg，均高于菜地土壤“二級標準”。

2.5 蔬菜Cd和As富集系數(shù)及富集量

蔬菜Cd平均富集系數(shù)為0.083～0.491，As富集系數(shù)是0.002～0.006(圖1)。油菜、菠菜、生菜和莧菜葉Cd富集系數(shù)較大，而空心菜莖和茼蒿莖葉較低，油麥菜、莧菜莖和空心菜葉富集系數(shù)介于二者之間。莧菜和空心菜葉片Cd富集系數(shù)均高于其莖稈。7種葉菜As富集系數(shù)變異較小，空心菜葉和茼蒿葉富集系數(shù)均顯著高于其他蔬菜。

表3 7種葉菜生物量對Cd和As脅迫的響應(yīng)BRS值 (%)Table 3 BRS values (%) of biomass responses to Cd As stress of seven leafy vegetables

表5 7種葉菜可食部As含量 (mg/kg)Table 5 As content of edible parts of seven leafy vegetables

蔬菜可食部分對Cd和As的富集量見表7。菠菜Cd富集量最大，而空心菜和茼蒿較低，油菜、生菜、油麥菜、莧菜的富集量介于二者之間。菠菜、油麥菜、莧菜、空心菜在鎘超標土壤 (Cd-1、Cd+As)上的吸Cd量高于無污染土壤和單砷污染土壤，且吸Cd量隨土壤鎘濃度升高而增加。油菜和生菜在單鎘污染土壤上吸Cd量與單砷污染土壤相比沒有顯著差異，這可能是由于鎘脅迫造成生物量下降導(dǎo)致。茼蒿在較高濃度鎘污染土壤 (Cd+As) 上的吸Cd量并沒有顯著增加。

表6 土壤重金屬Cd和As安全閾值 (n= 36)Table 6 Safety thresholds for Cd and As in soil

圖1 7種葉菜可食部Cd、As富集系數(shù) (n= 36)Fig.1 The bioconcentration factor of Cd and As in the edible parts of seven leafy vegetables

不同蔬菜可食部分As富集量變異較小。在無污染土壤上，茼蒿和空心菜吸As量大于其余蔬菜；在鎘污染土壤上，茼蒿As富集量高于其余蔬菜；在砷污染土壤上，菠菜吸As量較大，莧菜較小；在鎘砷復(fù)合污染土壤中，茼蒿和菠菜As富集量較大，油麥菜較小。大多數(shù)蔬菜 (茼蒿除外) 在砷超標土壤 (As-1～As-4、Cd+As) 的吸As量均高于無污染土壤和單鎘污染土壤。

3 討論

3.1 鎘砷復(fù)合污染土壤對蔬菜產(chǎn)量的影響

本研究中蔬菜未表現(xiàn)出毒害癥狀，在輕度As污染土壤上，產(chǎn)量有增加趨勢。較高濃度鎘砷復(fù)合污染土壤 (Cd+As-3)，除生菜和油麥菜產(chǎn)量受到顯著性抑制外，其他蔬菜產(chǎn)量下降幅度不顯著。相關(guān)分析表明土壤有機質(zhì)與蔬菜產(chǎn)量有顯著性正相關(guān)關(guān)系 (相關(guān)系數(shù)R2= 0.14，n= 36)。因此，As污染土壤對蔬菜生物量的正效應(yīng)可能是由于As-1和As-2處理中較高的土壤有機質(zhì)導(dǎo)致的。土壤Cd含量與蔬菜產(chǎn)量是顯著性負相關(guān)關(guān)系 (相關(guān)系數(shù)R2= -0.13，n= 36)，說明土壤Cd抑制了蔬菜生長；土壤有機質(zhì)有螯合與吸附鎘離子的作用，可以減輕鎘的危害[25-26]。葉菜生物量對土壤輕度鎘砷復(fù)合污染有高耐受性，在大白菜[11,27]、小青菜等葉菜[28-29]和大蔥[13]等蔬菜上也有類似結(jié)論。原因可能是植物具有適應(yīng)不良環(huán)境脅迫的能力，植物吸收的重金屬只有少量向地上部轉(zhuǎn)運[30-31]，大部分被谷胱甘肽 (glutathione，GSH) 或植物絡(luò)合素(phytochelatins，PCs) 等重金屬螯合物固定在根部液泡中，緩解了植物地上部受到的脅迫[32]。不同種類蔬菜BRS值差異可能與根部富集Cd和As能力、根向地上部轉(zhuǎn)運重金屬比例及重金屬螯合物含量有關(guān)[33]。生菜根部合成PC2量遠低于大麥，這解釋了其較高的根向地上部轉(zhuǎn)運Cd能力[32,33]。不同種類植物GSH、PC2、PC3等含量有較大差異，這與植物對重金屬的耐性有顯著相關(guān)性[32,34-36]。雖然污染土壤上生長的蔬菜無明顯的毒害癥狀，但有些蔬菜鎘含量已經(jīng)超出國標限量標準 (表4)，因此單憑借蔬菜生長情況或生物量無法判斷其是否受到重金屬污染[34]。

表7 四個處理七種葉菜可食部位Cd、As的富集量 (μg/plant)Table 7 Enrichment of Cd and As in edible parts of seven leafy vegetables in the four treatments

3.2 土壤Cd和As安全臨界值研究

葉菜的土壤Cd和As安全臨界值與當?shù)赝寥览砘再|(zhì)和葉菜種類息息相關(guān)。本研究中，菠菜、油菜、生菜和莧菜葉Cd閾值與現(xiàn)有的國標限量值相當(Cd 0.3～0.6 mg/kg)，但油麥菜、空心菜、莧菜莖和茼蒿的閾值則要高于現(xiàn)行標準。供試葉菜As污染閾值均高于現(xiàn)行標準 (As 25～40 mg/kg)。他人研究也有類似結(jié)論，廣東地區(qū)小白菜Cd污染閾值是1.74 mg/kg，土壤As污染閾值是113.58 mg/kg[37]，均高于現(xiàn)行國家標準。但趙勇等[38]研究表明河南5種葉菜產(chǎn)地土壤Cd污染閾值均低于國標限量值；生菜土壤Cd臨界值小于油麥菜。Lu等[11]研究表明5種土壤上白菜重金屬安全閾值高于現(xiàn)行國家標準，而另外3種土壤低于國家標準。這說明蔬菜土壤重金屬安全閾值必須考慮作物種類與土壤條件。土壤重金屬安全閾值是聯(lián)系土壤污染與農(nóng)作物食品安全的關(guān)鍵指標，能夠更直接反映作物受污染危害的真實情況，這些閾值與植物的吸收累積特性以及土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)，因此在修訂土壤重金屬污染標準時應(yīng)該充分考慮作物因素和土壤條件。

3.3 Cd和As低富集葉菜品種的篩選

重金屬通過食物鏈富集，蔬菜和糧食是其進入人體并危害人類健康的主要途徑[4]。因此篩選葉菜Cd和As低富集品種對食品安全有重要意義。蔬菜重金屬富集系數(shù)具有品種特異性，這已經(jīng)在大白菜[27,29]、空心菜[39]、小青菜[28]等葉菜以及大蔥[13]等作物上得到證實。土壤Cd濃度在0.6 mg/kg時，菠菜、油菜、莧菜葉、生菜可食部分Cd含量已超出食品安全限量值標準0.2 mg/kg。土壤Cd含量在1.0 mg/kg時，除油麥菜、空心菜、茼蒿外，其余蔬菜Cd含量已經(jīng)超出了葉菜Cd限量值 (表4)。茼蒿和空心菜莖在供試土壤Cd濃度范圍內(nèi)均未污染。這說明菠菜、油菜、生菜和莧菜等是Cd高富集型蔬菜，對鎘污染很敏感；茼蒿和空心菜為低吸收型蔬菜，可以在輕度鎘砷復(fù)合污染土壤上推薦種植。

本文盆栽試驗莧菜Cd富集系數(shù)與南寧市大田試驗[40]結(jié)果一致；生菜和空心菜As富集系數(shù)與福建地區(qū)[41]大田采樣結(jié)果基本相符；Cd富集系數(shù)為菠菜＞生菜＞油麥菜＞空心菜，這與珠江三角洲[23]、臺灣[42]、南寧市[40]三個地區(qū)蔬菜 (未見茼蒿相關(guān)數(shù)據(jù))Cd富集系數(shù)排序一致，說明菠菜在多個地區(qū)種植的富集系數(shù)都較高，容易受到Cd污染，而空心菜屬于Cd低富集蔬菜。這些數(shù)據(jù)來源[40-42]均為大田土壤-蔬菜“一對一”采樣，說明盆栽試驗結(jié)果與大田試驗一致。盆栽試驗蔬菜富集系數(shù)的品種差異性與大田數(shù)據(jù)結(jié)果相似[43]，因此可以采用盆栽試驗篩選重金屬低富集品種。也有研究發(fā)現(xiàn)大田試驗蔬菜的重金屬Cd富集系數(shù)和Cd濃度低于盆栽試驗[12]，這可能與氣候和栽培條件等因素有關(guān)。

4 結(jié)論

1) 鎘污染土壤對蔬菜生物量有抑制效應(yīng) (莧菜、茼蒿除外)，鎘濃度越高，抑制作用越大。低濃度鎘砷復(fù)合污染不會進一步影響蔬菜生長。

2) 在鎘污染土壤上，菠菜、油菜、莧菜葉、生菜可食部分Cd含量超出食品安全限量值標準，茼蒿和空心菜莖稈Cd含量未超標。在砷污染土壤上，供試葉菜并沒有As超標，但蔬菜體內(nèi)砷含量隨著土壤砷含量升高有增加趨勢。

3) 菠菜、油菜和生菜Cd安全閾值與菜地土壤“二級標準”相當；油麥菜、莧菜、空心菜和茼蒿Cd安全閾值等均高于土壤環(huán)境質(zhì)量標準。7種供試蔬菜As土壤安全閾值均高于菜地土壤“二級標準”。

4) 供試蔬菜Cd富集系數(shù)和富集量具有顯著差異，油菜、菠菜、生菜和莧菜葉Cd富集系數(shù)較大，而空心菜莖和茼蒿較小，油麥菜、莧菜莖和空心菜葉的富集系數(shù)介于二者之間。菠菜Cd富集量大，而空心菜和茼蒿較低。7種葉類蔬菜As富集系數(shù)、富集量變異較小。