蔬菜重金屬污染與防治研究綜述

劉希元 吳春燕 張廣臣 楊璐

摘要 隨著工業(yè)化和城市化的推進(jìn)，蔬菜也受到不同程度的污染，其中包括重金屬對(duì)蔬菜的污染。在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了重金屬對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育影響的4個(gè)方面及富集規(guī)律，從土壤和大氣2個(gè)方面歸納重金屬的來源，進(jìn)而提出4種緩解蔬菜重金屬污染的措施，為更好地治理農(nóng)田重金屬污染、進(jìn)一步研究重金屬在蔬菜作物中的分子機(jī)理等提供參考。

關(guān)鍵詞 蔬菜;重金屬;來源;生理影響;富集規(guī)律

中圖分類號(hào) X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）15-0010-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.003

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract With the advancement of industrialization and urbanization，vegetables are also polluted to different degrees，including heavy metal pollution of vegetables.Based on the previous studies，this paper summarized the four aspects of the effects of heavy metals on the growth and development of vegetables and their enrichment，and summarized the sources of heavy metals from soil and atmosphere，and then put forward four measures to alleviate heavy metal pollution in vegetables，in order to provide a reference for better controlling heavy metal pollution in farmland，further studying on the molecular mechanism of heavy metals in vegetable crops and other issues.

Key words Vegetables;Heavy metals;Source;Physiological effects;Enrichment law

基金項(xiàng)目 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0801104）;省、市、自治區(qū)科技項(xiàng)目“優(yōu)質(zhì)紅辣椒集約化育苗與規(guī)范化種植技術(shù)示范與推廣”（2017051）。

作者簡(jiǎn)介 劉希元（1994—），男，吉林白城人，碩士研究生，研究方向：蔬菜生理生態(tài)及設(shè)施園藝。*通信作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究。

收稿日期 2019-03-12;修回日期 2019-04-16

近年來，土壤重金屬污染問題日益受到人們的關(guān)注，重金屬能富集在蔬菜中，影響蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致其產(chǎn)量和品質(zhì)降低，最終危害人類健康。據(jù)2014年4月17日環(huán)保部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的 《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，在所有受污染的調(diào)查點(diǎn)位中，污染類型以無機(jī)型為主，占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%，其中鎘、鎳、砷位居前3位，分別超標(biāo)7.0%、4.8%、2.7%，此外鉛、汞、銅、鉻、鋅等都有不同程度的超標(biāo)。與其他土壤污染物相比，重金屬的性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)被微生物降解，能通過食物鏈進(jìn)入人體，在人體內(nèi)不會(huì)立即產(chǎn)生危害，但經(jīng)過一段時(shí)間的積累會(huì)對(duì)人體造成慢性損傷。

在各種農(nóng)產(chǎn)品中，蔬菜含有豐富的維生素和無機(jī)鹽，是人們?nèi)粘ｏ嬍车谋匦杵?。由于蔬菜生產(chǎn)基地大多數(shù)在城市郊區(qū)選址，這里同時(shí)也是工業(yè)“三廢”和城市垃圾處理的集中地點(diǎn)，導(dǎo)致蔬菜中重金屬含量極易超標(biāo)，蔬菜的生長(zhǎng)發(fā)育受到嚴(yán)重威脅，品質(zhì)下降。目前隨著人民生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)無公害蔬菜的需求量也越來越高。筆者綜述了蔬菜重金屬的來源、對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響、蔬菜對(duì)重金屬的富集規(guī)律以及相關(guān)修復(fù)措施，旨在為解決蔬菜重金屬污染的更好方法，進(jìn)一步研究重金屬在蔬菜作物中的分子機(jī)理等提供參考。

1 蔬菜重金屬污染的來源

1.1 土壤

土壤重金屬污染主要來源于農(nóng)田的污水灌溉，塑料薄膜老化分解釋放重金屬離子，有機(jī)肥的大量施用。我國是一個(gè)水資源相對(duì)匱乏的國家，因而城市污水作為一種潛在的可利用水資源在農(nóng)業(yè)灌溉上廣泛應(yīng)用，已成為重要水源之一。尤其隨著工業(yè)化的加快，污水灌溉面積也隨之迅速擴(kuò)大。由于我國污水處理技術(shù)較落后，甚至部分污水未經(jīng)處理直接用于灌溉，污水中的重金屬在土壤中逐漸積累，進(jìn)而影響蔬菜的生長(zhǎng)。朱雪超等[1]對(duì)保定市污水灌溉區(qū)蔬菜重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，10種蔬菜中有5種蔬菜綜合污染指數(shù)為1.0～2.0，屬于輕度污染，其中香菜和大白菜綜合污染指數(shù)較大，重金屬元素中以鎘污染程度最嚴(yán)重，超標(biāo)75%[1]。

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的興起，大棚蔬菜種植面積不斷提高，塑料薄膜的使用也隨之增多。農(nóng)田塑料薄膜在塑料加工過程中采用的熱穩(wěn)定劑均是鎘、鉛化合物，加之這種塑料薄膜穩(wěn)定性差， 使用年限久，在此過程中，在自然因素和人為因素的共同作用下，加速薄膜的老化分解， 通過土壤富集于蔬菜，導(dǎo)致人食用后危害身體健康[2]。

有機(jī)肥中重金屬超標(biāo)現(xiàn)象較普遍。黃紹文等[3]對(duì)全國20個(gè)省市126份商品有機(jī)肥樣品的重金屬含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明各種有機(jī)肥中，以鎘、鉛、鉻和砷超標(biāo)為主，鎘的超標(biāo)率最高，達(dá)20.0%。程旭艷等[4]測(cè)定了我國10個(gè)地區(qū)118份有機(jī)肥樣品的重金屬含量，按照我國重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，鎘、鉻、砷、鉛的超標(biāo)率分別為3.39%、4.24%、13.56%、0.85%。

1.2 大氣

工礦活動(dòng)、交通運(yùn)輸?shù)扰湃氪髿庵械闹亟饘僖环矫婵赏ㄟ^沉降進(jìn)入土壤，造成土壤重金屬污染，另一方面蔬菜也可以通過葉片從空氣中吸收重金屬元素。倪瑋怡[5]對(duì)上海市寶山鋼鐵廠、吳涇化工廠附近的蔬菜生產(chǎn)基地的樣品進(jìn)行采樣，結(jié)果表明除銅和砷外，青菜和杭白菜可食用部分重金屬均有不同程度地超出國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)值。汽車尾氣中的污染元素主要是鉛，鉛能抑制植物某些酶的活性，從而影響光合作用、呼吸作用等生理過程。詹鳳平等[6]對(duì)G209國道鳳凰縣小溪橋路段兩側(cè)35 m以內(nèi)的蔬菜進(jìn)行鉛含量的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其鉛含量超出國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，且比對(duì)照區(qū)蔬菜鉛含量高2.9～17.1倍。

2 重金屬對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1 影響蔬菜生長(zhǎng)

當(dāng)重金屬含量超過蔬菜的最大忍耐劑量時(shí)，蔬菜生長(zhǎng)受到明顯的抑制。姜蒙[7]研究了不同Cd6+濃度下辣椒幼苗的生長(zhǎng)狀況，結(jié)果表明0.20 g/kg及以上處理的幼苗直接死亡，0.01和0.05 g/kg濃度下辣椒生長(zhǎng)旺盛，0001和0.10 g/kg濃度下辣椒長(zhǎng)勢(shì)與對(duì)照組基本一致，說明一定濃度的重金屬會(huì)促進(jìn)辣椒的生長(zhǎng)，當(dāng)超出限值時(shí)，對(duì)辣椒造成損害甚至死亡。不同重金屬種類對(duì)蔬菜的毒害作用不同，鎘處理下小白菜葉片出現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象，并未出現(xiàn)萎蔫情況，而鉛處理下小白菜的葉片形態(tài)與鎘處理相反[8]。

2.2 影響光合作用

重金屬主要從破壞葉綠素的結(jié)構(gòu)、使光合色素含量下降以及降低光合作用相關(guān)酶活性3個(gè)方面影響光合速率。重金屬通過使葉綠體膨大、類囊體排列順序改變從而破壞葉綠體膜系統(tǒng)。劉傳娟[9]測(cè)定了鎘對(duì)7種蔬菜葉綠素的影響，隨著鎘濃度的變化，綠葉素含量也隨之發(fā)生變化，其中10.0 mg/L濃度下，小白菜、豇豆的葉綠素含量分別比對(duì)照組低35.30 %、58.70%。Mobin等[10]研究發(fā)現(xiàn)鎘會(huì)抑制葉綠素和胡蘿卜素的合成。鉛與鎂、鋅等性質(zhì)相似，容易取代鎂、鋅從而抑制與葉綠素合成相關(guān)酶的活性，如Rubisco酶在卡爾文循環(huán)中起到固定二氧化碳的作用，而鉛能降低Rubisco酶活性從而影響光合作用[11]。

2.3 影響抗氧化酶系統(tǒng)

自由基是植物體正常代謝產(chǎn)物，過量的重金屬會(huì)導(dǎo)致自由基在植物體內(nèi)大量積累，擾亂植物生理代謝過程。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等構(gòu)成了保護(hù)酶系統(tǒng)。經(jīng)過大量試驗(yàn)證明，受到重金屬脅迫時(shí)，SOD、POD、CAT活性總體表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)。但這3種酶對(duì)重金屬的敏感度不同，韓承華[12]研究發(fā)現(xiàn)豆瓣菜中SOD和POD活性最大時(shí)鉛濃度為150 mg/L，CAT活性最大時(shí)鉛濃度為200 mg/L。隨著鉛濃度繼續(xù)增加，3種抗氧化酶活性均顯著下降[12]。

2.4 影響蔬菜根系微生物活力

土壤微生物具有降解、轉(zhuǎn)化環(huán)境污染的能力，但重金屬會(huì)抑制土壤微生物群落的分布、活性甚至改變生物的遺傳特性，從而影響土壤功能。這也與土壤類型、重金屬濃度、種類有關(guān)[13]。張涪平等[14]研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤重金屬含量的增加，土壤微生物量C、N和P、可礦化N均逐漸降低，礦區(qū)中心污染土壤微生物生物量碳降低至對(duì)照土壤的72%。梁伊等[15]用鎘+清水處理小白菜、蘿卜和辣椒的根系土壤，通過對(duì)土壤PLFA主成分分析發(fā)現(xiàn)，微生物群落結(jié)構(gòu)總變異率為67.82 %，尤其對(duì)蘿卜根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響最大。

3 蔬菜重金屬富集規(guī)律

不同種類蔬菜對(duì)不同重金屬的富集能力有差異。研究表明，重金屬在蔬菜中的含量由高到低依次為葉菜類、根莖類、瓜果類。鎘、銅、鋅、鉛是常見的重金屬元素，楊夢(mèng)昕等[16]研究發(fā)現(xiàn)，鎘在3類蔬菜中富集系數(shù)與鋅、銅相當(dāng)，鉛在3類蔬菜中富集系數(shù)最低，說明在土壤-蔬菜系統(tǒng)中，鎘、鋅、銅的移動(dòng)性大于鉛。賈麗等[17]對(duì)大蒜、菠菜、萵苣、大蔥、馬鈴薯、黃瓜這6種蔬菜的重金屬富集能力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)菠菜和馬鈴薯富集系數(shù)較大，黃瓜最不容易積累重金屬。蔬菜對(duì)各重金屬元素吸收表現(xiàn)為鋅>鎘>鉛>銅>鉻。

同種蔬菜的不同品種對(duì)重金屬的富集能力有所不同。研究不同品種蔬菜對(duì)重金屬的積累吸收差異有助于從中篩選出低積累品種。井彩巧[18]將38份大白菜品種種植在含鎘、鉛的土壤中，進(jìn)行品種對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，豐源2號(hào)對(duì)鎘、鉛的吸收量分別為0.0487、0.0273 mg/kg，而裕日強(qiáng)力對(duì)鎘、鉛的吸收量分別為0.038 7、0.059 0 mg/kg，38種白菜經(jīng)過差異顯著性分析可以劃分為高富集品種類群和低富集品種類群。狄廣娟[19]對(duì)4個(gè)水芹品種進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水芹易受鎘的污染，其中無錫水芹鎘積累、富集系數(shù)最大，揚(yáng)州白芹最小。

蔬菜的不同器官對(duì)重金屬的富集量也有差異，總體而言，蔬菜地下部分重金屬含量高于地上部分，因?yàn)橹亟饘僦饕嬖谕寥乐校卟讼韧ㄟ^根系吸收營養(yǎng)物質(zhì)，故重金屬先在根部積累，再運(yùn)往地上部。吳琦等[20]研究了2種土壤條件下蕹菜對(duì)鉛和鎘的累積特征，發(fā)現(xiàn)蕹菜莖中的累積量顯著高于葉，其中莖中的鉛平均含量分別是葉的3.86、2.02倍，鎘平均含量分別是葉的3.58、4.73倍。李海華等[21]對(duì)馬鈴薯、蘿卜、大白菜、番茄、茄子5種蔬菜各個(gè)器官鎘的積累量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明根中含鎘最高的是馬鈴薯、番茄、大白菜，然后依次為莖、綠葉、塊莖、果實(shí)等器官。蘿卜和茄子莖和綠葉中鎘含量最高，其次是根。

4 農(nóng)田重金屬污染修復(fù)措施及修復(fù)實(shí)例

2017年7月，全國人大常委會(huì)首次審議的《土壤污染防治法（草案）》明確指出，須對(duì)污染農(nóng)田土壤進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和修復(fù)治理示范。治理農(nóng)田重金屬污染從根本上而言，需要人們提高意識(shí)，必須從源頭上斷絕重金屬流入農(nóng)田。從原理而言，概括為兩方面：一是改變重金屬在土壤中的存在形式或者與土壤相結(jié)合方式，二是將重金屬與土壤分離。實(shí)際上農(nóng)田重金屬污染的修復(fù)十分具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橐话闱闆r是由2種或2種以上的重金屬復(fù)合污染，它們之間可能存在協(xié)同作用以及對(duì)生態(tài)效應(yīng)的綜合影響。治理大面積的農(nóng)田重金屬污染往往需要多種措施共同實(shí)施，以安徽省阜陽市臨泉縣耕地為例，該地區(qū)共有130.27 hm2不同程度受污染的農(nóng)田和4 980 m3重污染河道淤泥，經(jīng)過多次試驗(yàn)論證，最終選定“農(nóng)田鈍化+農(nóng)藝調(diào)節(jié)+固化穩(wěn)定化+河道生態(tài)治理”的修復(fù)技術(shù)路線。

4.1 農(nóng)田重金屬污染修復(fù)措施

近年來，我國農(nóng)田重金屬污染修復(fù)措施不斷完善，可以歸納為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)四大類。較成熟的物理修復(fù)方法有客土、深耕翻土、熱解吸、電動(dòng)修復(fù)、玻璃化技術(shù)等。此類方法雖實(shí)施簡(jiǎn)便，周期短，但工程量大，成本高[22]。

使用較成熟的化學(xué)修復(fù)有化學(xué)淋洗、鈍化技術(shù)。其中鈍化技術(shù)成本低，操作簡(jiǎn)便，能使重金屬向低毒形態(tài)轉(zhuǎn)化，是當(dāng)前治理我國重金屬污染農(nóng)田較好的方法之一[23]。鈍化劑主要包括黏土礦物、含磷物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)等[24]。黃雅曦等[25]研究了沸石和草炭對(duì)重金屬離子的吸附特性，結(jié)果表明，隨著重金屬濃度的增加，鈍化劑對(duì)重金屬離子的吸附量越多。殷飛等[26]用鋼渣、木炭、磷礦粉和坡縷石4種鈍化劑對(duì)土壤重金屬的生物有效性進(jìn)行轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明20%的添加濃度下，能使土壤中鉛、鎘、銅、鋅、砷5種重金屬生物有效性降低。

較成熟的生物修復(fù)方法主要包括植物修復(fù)和微生物修復(fù)，其中植物修復(fù)是一種新興高效、綠色廉價(jià)的修復(fù)途徑。佟秀春等[27]的盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，龍葵對(duì)于鎘和鉛具有超富集作用。喬云蕾[28]研究發(fā)現(xiàn)黑麥草對(duì)高濃度鎘污染土壤具有較強(qiáng)的富集作用。劉冉等[29]以淡水養(yǎng)殖基地為試驗(yàn)地點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)混生的美人蕉、鳶尾、蘆葦和再力花對(duì)不同元素富集具有明顯的互補(bǔ)性，混合種植能夠?qū)ξ鬯M(jìn)行修復(fù)。但植物修復(fù)技術(shù)仍存在缺點(diǎn)，如有些富集植物只有在適宜的環(huán)境條件下才能生長(zhǎng)，必須進(jìn)行品種的改良[30]，因此植物修復(fù)技術(shù)研究的重心逐漸由發(fā)現(xiàn)和篩選超富集植物向提高其修復(fù)效率轉(zhuǎn)變[31]。金羽等[32]研究了耐鉛產(chǎn)堿菌（Alcaligenes sp.）聯(lián)合蜈蚣草對(duì)鉛污染土壤的修復(fù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在土壤中鉛含量為600 mg/kg時(shí)，接種組（蜈蚣草+菌液）對(duì)鉛的吸收較對(duì)照組（蜈蚣草+無菌水）提高93.4 %，接種組蜈蚣草葉綠素含量比對(duì)照組蜈蚣草葉綠素含量少下降0.16 mg/kg，且接種組的下降趨勢(shì)也較平緩，接種耐鉛產(chǎn)堿菌能夠明顯降低鉛對(duì)土壤過氧化氫酶、磷酸酶及轉(zhuǎn)化酶活性的影響。

農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)主要是合理施用肥料和選擇適宜的種植模式。生俊丹[33]以岷江下游普遍種植的4種種植模式為研究對(duì)象，4種模式土壤中的鉛、鋅、鎘污染均有一定程度的降低，且不同模式作物組成的不同也影響重金屬變化特征，其中以模式M1（玉米+生姜-小白菜，“+”表示間作，“-”表示輪作）中鎘降幅最大為39.72 %，模式M4（生姜-蔥-萵筍）中鉛降幅最大為33.94%。魯洪娟[34]研究發(fā)現(xiàn)適量有機(jī)肥與化肥配合施用能防止微量元素銅的虧缺，同時(shí)又不會(huì)對(duì)蔬菜重金屬積累產(chǎn)生顯著影響，是一種可持續(xù)發(fā)展的有效措施。

4.2 農(nóng)田重金屬污染修復(fù)實(shí)例

廣東省粵北某鎮(zhèn)，由于是電子垃圾處理集中地，當(dāng)?shù)剞r(nóng)田受銅、鎘、砷等重金屬的嚴(yán)重污染，經(jīng)過分析后采用表層土壤淋洗、深耕翻土、植物修復(fù)、鈍化處理等技術(shù)聯(lián)合治理，目前產(chǎn)出的蔬菜已經(jīng)符合國家食品安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[35]。在加拿大的Sudbury市，受當(dāng)?shù)毓さV活動(dòng)的影響，30 hm2的土壤受到重金屬污染，通過添加生石灰和有機(jī)肥使該地區(qū)植被得以恢復(fù)[36]。位于西班牙Guadiamar河附近的一塊污染土壤，Madejón等[37]進(jìn)行了6年的生物固體堆肥、風(fēng)化褐煤和糖酸鹽等改良劑的大田試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中一些改良劑可顯著降低土壤中重金屬生物活性。

5 小結(jié)與展望

重金屬對(duì)蔬菜作物的生理生化反應(yīng)及相關(guān)酶活性等都有影響，但不是僅有抑制作用，一般在低濃度時(shí)有促進(jìn)作用，濃度升高才逐漸顯現(xiàn)出抑制作用，如葉綠素含量、根際微生物活性、抗氧化酶的活性等。蔬菜作物種類繁多、品種各異，不同作物對(duì)重金屬的吸收和積累在種間和品種間均存在顯著差異，不同離子間可能存在協(xié)同作用或拮抗作用。因此，要想準(zhǔn)確地測(cè)定重金屬對(duì)蔬菜作物各方面影響的臨界值，還需進(jìn)一步系統(tǒng)研究。目前關(guān)于蔬菜重金屬吸收和富集規(guī)律的研究雖然取得了一定的進(jìn)展，但至今對(duì)其生理和分子機(jī)制仍處于探索階段，還需要在分子層面進(jìn)一步研究。

治理蔬菜重金屬污染是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要考慮多方面的因素。如土壤雖然是蔬菜吸收重金屬的主要來源之一，但兩者之間無顯著相關(guān)關(guān)系，蔬菜從土壤中吸收重金屬還取決于其他因素，如土壤重金屬的生物有效性，植物生長(zhǎng)狀況，重金屬在植物體內(nèi)的分配和植物吸收重金屬的基因型差異等。目前蔬菜重金屬污染主要來源于人類活動(dòng)，而人類活動(dòng)是可以自我控制的。人們想要獲得更高品質(zhì)的蔬菜，需要考慮方方面面的細(xì)節(jié)，如在菜地的選址上，根據(jù)以往人們的經(jīng)驗(yàn)盡量遠(yuǎn)離公路兩側(cè)，而實(shí)際上從公路上飄浮出來的粉塵并不是由近及遠(yuǎn)濃度逐漸減小的[38]。此外，執(zhí)行嚴(yán)格污水處理制度，及時(shí)清除殘留在土壤中的薄膜;科學(xué)合理地施用肥料及農(nóng)藥等這些常規(guī)措施，都有值得進(jìn)一步考慮的細(xì)節(jié)。在未來，如何在合理利用污水/污泥/垃圾等廢棄物的同時(shí)，有效降低其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，是農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)研究領(lǐng)域的重要課題。

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