不同作物對土壤中Ni的富集特征及低累積品種篩選

白玉杰，陳小華，沈根祥，郭春霞，錢曉雍，付侃，王振旗

上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233

城市建設(shè)用地快速擴張和市域面積有限的約束，導(dǎo)致生態(tài)用地空間急劇衰退、耕地流失嚴(yán)重、人均公共基礎(chǔ)設(shè)施面積嚴(yán)重不足等突出問題（Gu et al.，2017；代兵，2010）。20世紀(jì)80年代中期，北美和歐洲各國開始把“棕地”再開發(fā)的目光從經(jīng)濟收益轉(zhuǎn)向促進城市可持續(xù)發(fā)展和改善城市居民生活質(zhì)量，“棕地”恢復(fù)為生態(tài)用地所產(chǎn)生的巨大生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益也逐漸被認(rèn)可和重視起來（Adamas et al.，2010；De Sousa et al.，2003；Nijkamp et al.，2002；Atkinson et al.，2014）。與國外“棕地”再開發(fā)為生態(tài)用地相似，中國以上海為代表的大都市郊區(qū)也出現(xiàn)了低效工業(yè)用地再復(fù)墾為生態(tài)用地的實踐探索，稱之為“低效工業(yè)用地減量化”，把利用效益不佳且有生態(tài)風(fēng)險的工業(yè)用地恢復(fù)成生態(tài)或農(nóng)業(yè)使用狀態(tài)（谷曉坤等，2018）。在污染成分復(fù)雜的減量化復(fù)墾農(nóng)用地塊上種植什么作物顯得尤其重要，許多學(xué)者已針對不同的重金屬污染土壤進行了低累積作物品種篩選。大量研究也表明在重金屬含量超標(biāo)的土壤上篩選出安全型作物品種的可行性（顧燕青等，2015；鄒素敏等，2017），但不同的品種具有各自的生態(tài)適栽區(qū)域，這導(dǎo)致了許多研究結(jié)果具有很強的區(qū)域性。

鎳（Ni）是引起中國土壤污染的八大重金屬之一，被列為優(yōu)先控制污染物，農(nóng)田土壤 Ni超標(biāo)將影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，對人體健康造成嚴(yán)重威脅。《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，中國 Ni污染超標(biāo)率為4.8%，僅次于鎘（Cd），而《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618—2018）中 Ni只有篩選值沒有管控值。Ni是生物體內(nèi)必不可缺的微量元素之一，它影響著某些酶的活性，對維持細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)十分重要，同時還參與多種生理、生化反應(yīng)（Yusuf et al.，2011）。Ni長期在土壤中累積，不易遷移、難以降解，會導(dǎo)致土壤中的Ni濃度越來越高，直接造成經(jīng)濟損失以及損害人體健康。作物由于其高富集性是造成人體健康風(fēng)險的主要暴露途徑（Huang et al.，2008；Zhao et al.，2012）。因此，開展Ni低積累型作物品種篩選研究，實現(xiàn)輕中度Ni污染復(fù)墾土地的安全利用，對保障作物安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取上海市某低效工業(yè)場地（曾用于金屬加工）減量化復(fù)墾后的原土，土壤類型為壤質(zhì)土。為盡量減少試驗誤差和控制工作量，原土壤經(jīng)風(fēng)干、搗碎后，借用簡易工程鐵絲篩網(wǎng)（孔徑4 mm左右）過篩，作為原有基質(zhì)特征不變的供試土樣。測定了供試土壤的理化性質(zhì)（表1）和重金屬初始含量（表2），其中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為126 mg·kg-1。供試作物品種選用上海本地餐桌常見的8種不同類型作物青椒（Capsicum annuumL.）、黃瓜（Cucumis sativusL.）、豇豆（Vigna unguiculataL.）、菠菜（Spinacia oleraceaL.）、花菜（Brassica oleraceaL.）、青菜（Brassica chinensisL.）、水稻（Oryza glaberrimaL.）、小麥（Triticum aestivumL.）。試驗于2018—2019年在上海市青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園智能化大棚內(nèi)進行。

1.2 試驗設(shè)計

每種作物盆栽試驗設(shè)6個梯度，每個梯度設(shè)3個平行，共計144盆。以分析純試劑Ni(NO3)2·6H2O作為污染土壤的 Ni源，配制成鹽溶液加入到供試土中模擬 Ni污染土，土壤濃度梯度的設(shè)置依據(jù)為中國“十一五”期間土壤環(huán)境調(diào)查 Ni含量范圍和《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》（GB 15618—2018）中土壤Ni的篩選值（100 mg·kg-1）。土壤Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度設(shè)置為126、200、350、500、650、800 mg·kg-1，分別以 Ni-CK、Ni-1、Ni-2、Ni-3、Ni-4、Ni-5表示。根據(jù)試驗設(shè)計稱取相應(yīng)質(zhì)量Ni(NO3)2·6H2O分10份放入燒杯中，向燒杯中加入去離子水配成母液，保證每個燒杯中Ni(NO3)2·6H2O 完全溶解。將預(yù)先風(fēng)干處理好的實驗所需土量分開并在室溫中平攤，把每個燒杯中的母液灑到土壤當(dāng)中，邊噴灑邊攪拌以保證母液與土壤充分混合均勻，混合后的土壤放置在自然條件下平衡30 d，平衡過程中保持土壤含水量為田間持水量的80%。然后裝入預(yù)先準(zhǔn)備好的塑料盆進行后續(xù)盆栽土培試驗，塑料盆直徑30 cm，高25 cm，每盆裝供試土壤5 kg，盆底加盆托防露土，各處理施加同等量氮、磷、鉀作底肥，每盆加入尿素1.60 g，氯化鉀1.20 g，磷酸二氫鉀1.50 g配成的水溶液作為底肥。土壤穩(wěn)定后進行育苗，每盆種植相同數(shù)量幼苗，作物生長期間保持土壤濕度為田間持水量60%。作物生長期間根據(jù)實際情況進行澆水、松土、除草、去害蟲，試驗開始后每天早上觀察幼苗的生長發(fā)育狀況，并記錄異常情況。青椒、黃瓜、豇豆、花菜于9—15周進行采摘，稱重確定生物量，菠菜、青菜于6—7周進行采摘，稱重確定生物量。水稻、小麥于18—20周進行收獲。

表2 供試土壤重金屬平均含量Table 2 Heavy metal concentration of soil samples

1.3 樣品采集與分析方法

土壤指標(biāo)測定：四分法取供試土樣風(fēng)干、研磨、過篩。土壤 pH 值、有機質(zhì)、CEC、N、P、K等均參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》進行測定（鮑士旦，2000）。土壤重金屬使用王水-高氯酸混合消解，火焰原子吸收分光光度法測定（鮑士旦，2000）。為保證數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，每個樣品測定2次，控制相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）低于10%。

作物可食部分 Ni含量測定：按照 GB/T 5009.268—2016推薦的方法測定。采摘青椒、黃瓜、豇豆、菠菜、花菜、青菜樣品可食部分，用自來水沖洗干凈，再以去離子水沖洗，用濾紙吸去表面水分后用食品加工器粉碎，制成待測樣放入塑料瓶中冷凍保存，水稻、小麥采摘后曬干、剝殼、磨粉制成待測樣放入塑料瓶中冷凍保存，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，Agilent 7900，USA）測定作物可食部分Ni含量?？墒巢糠諲i含量測定時每個樣品測2次，控制相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）低于5%。

1.4 作物可食部位Ni安全限量值的取值方法

中國有關(guān)蔬菜、水果及糧食的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中還沒有對 Ni的含量作出具體限定，本研究使用靶標(biāo)危害指數(shù)法（Tanget hazand quotients，THQ）（Zeng et al.，2009；Khan et al.，2013）推算新鮮作物中Ni限量值（mg·kg-1）。具體計算公式為：

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil samples

式中，C為作物中污染物的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg·kg-1）；EF 為暴露頻率（365 d·a-1）；ED 為暴露年數(shù)（70 a）；IR為中國每日作物攝入率（成人攝入率按 335 g·d-1，兒童攝入率按 232 g·d-1）；BW 為中國人體的平均體重（成人體重按60 kg計，兒童體重按33 kg計）；AT為平均暴露時間（365 d·a-1×暴露年數(shù) a）（鄭娜，2007）。RfD為經(jīng)口攝入?yún)⒖紕┝浚≧eference Dose），主要參考美國國家環(huán)保局（EPA）綜合風(fēng)險信息系統(tǒng)（IRIS）及其他來源針對主要污染指標(biāo)的參考劑量，Ni為 0.02 mg·(kg·d)-1（USEPA，2008）。

當(dāng)THQ≤1，表明目標(biāo)區(qū)生長的作物消費基本不產(chǎn)生人體健康風(fēng)險；THQ＞1時，可引起人體健康風(fēng)險。因此，設(shè)置THQ=1時所推算出的C值即為作物可食部分中 Ni的人體健康安全臨界值（mg·kg-1）。

1.5 低累積品種篩選方法

低累積作物品種篩選采用以下3種方式：

（1）關(guān)注對 Ni具有較高耐受性的作物。在高濃度 Ni的土壤中能正常生長且生物量無明顯下降的品種優(yōu)先作為低累積品種。

（2）計算農(nóng)作物可食部分對土壤 Ni的富集系數(shù)（Bioaccumulation Coefficient，BCF）：

式中，BCF表示富集系數(shù)；Mc表示作物體內(nèi)的重金屬含量；Ms表示土壤中的重金屬含量。優(yōu)先選擇富集系數(shù)低的農(nóng)作物作為Ni低累積品種。

（3）構(gòu)建各農(nóng)作物可食部位的 Ni含量與土壤Ni含量之間的定量關(guān)系，并基于可食部位的Ni安全限量值，推算土壤中Ni的安全限量值。土壤Ni安全限量值大的農(nóng)作物優(yōu)先作為Ni低累積作物品種。

1.6 數(shù)據(jù)分析

運用Microsoft office Excel 2013對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，運用SPSS 20.0進行分析，在95%置信水平下，采用 LSD法進行單因素方差分析（One-way ANOVA），以不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著性（P＜0.05）。運用Origin 9.0進行線性回歸分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類作物對Ni污染耐受性

分析土壤中不同含量Ni對作物生物量的影響，結(jié)果顯示（圖1），隨著土壤中Ni含量的增加，青椒、豇豆、菠菜、花菜、青菜生物量先增加后減少，黃瓜生物量持續(xù)增加。青椒在Ni-4處理中生物量最大，豇豆在Ni-4處理中生物量最大，菠菜Ni-CK、Ni-1、Ni-2、Ni-3處理中生物量變化不明顯，Ni-4、Ni-5處理生物量顯著下降，低于對照組生物量，花菜在 Ni-2處理中生物量最大，青菜 Ni-1、Ni-2、Ni-3處理中生物量變化不明顯，Ni-4、Ni-5處理生物量顯著增加。Ni-5條件下，豇豆、菠菜、花菜生物量低于對照組生物量，顯現(xiàn)中毒癥狀，作物葉片失水、失綠萎縮、變黃。通過不同種類作物對 Ni污染耐受性發(fā)現(xiàn)，黃瓜、青菜耐受性最強，花菜耐受性最差，土壤中Ni含量低于50 mg·kg-1時，豇豆、菠菜、青菜生物量沒有明顯變化。

圖1 不同Ni處理組的各類作物可食部分鮮重Fig. 1 Fresh weight of edible parts of crops under different Ni treatments

2.2 不同作物可食部分對土壤中Ni的富集特征

隨著土壤中 Ni含量的增加，各種作物可食部分 Ni含量表現(xiàn)出顯著差異，青椒為 0.6—5.35 mg·kg-1，黃瓜為 0.37—4.05 mg·kg-1，豇豆為 1.1—11.65 mg·kg-1，菠菜為 0.25—10.5 mg·kg-1，花菜為0.5—32.35 mg·kg-1，青菜為 1.4—16.85 mg·kg-1，水稻為 0.69—17.2 mg·kg-1，小麥為 0.6—31.95 mg·kg-1。

作物對重金屬的吸收能力通過富集系數(shù)（Bioconcentration Coefficient，BCF）量化表現(xiàn)（Zu et al.，2004；Salt et al.，1995）。不同作物可食部分對Ni的富集特征表現(xiàn)出差異（表3）。青椒、菠菜實驗組可食部分富集系數(shù)隨著土壤中 Ni濃度增加而增加，Ni-5處理最大，分別為0.007、0.013。黃瓜、花菜、青菜可食部分富集系數(shù)先增加后減小，Ni-4處理最大，分別為0.006、0.043、0.040。豇豆可食部分富集系數(shù)減小，Ni-1、Ni-2最大，為0.017。水稻、小麥可食部分富集系數(shù)沒有明顯規(guī)律性變化，其中水稻在 Ni-1處理中富集系數(shù)最大，為0.032，小麥在 Ni-2、Ni-3處理富集系數(shù)最大，為0.042。

表3 作物可食部分Ni富集系數(shù)Table 3 Bioconcentration coefficient of Ni in the edible parts of different crops

富集系數(shù)平均值（圖2）排序為：小麥 (0.032)＞花菜 (0.026)＞青菜 (0.021)＞水稻(0.020)＞豇豆(0.014)＞ 菠 菜 (0.0065)＞ 青 椒 (0.0054)＞ 黃 瓜(0.0042)。

圖2 不同作物可食部分的Ni富集系數(shù)平均值Fig. 2 Average bioconcentration coefficient of Ni in the edible parts of different crops

2.3 基于作物食用安全的土壤中Ni限量值及低累積品種篩選

采用回歸分析的方法建立作物可食部分 Ni含量（y）與土壤中Ni含量（x）的回歸方程，明確作物可食部分Ni含量與土壤Ni含量之間的關(guān)系（表4）。各類作物中可食部分Ni含量與土壤中Ni含量均呈極顯著相關(guān)（P＜0.01）。擬合方程斜率大小為花菜 (0.050)＞小麥 (0.037)＞青菜 (0.032)＞水稻(0.019)＞豇豆 (0.014)＞青椒 (0.008)＞黃瓜 (0.006)，相關(guān)系數(shù)大小為豇豆 (0.972)＞花菜 (0.965)＞青椒(0.948)＞菠菜 (0.938)＞黃瓜 (0.926)＞小麥 (0.728)＞青菜 (0.721)＞水稻 (0.700)。

表4 不同作物食用安全對應(yīng)土壤Ni限量值Table 4 Relationship between soil Ni contents and Ni contents in crops and soil threshold values

目前還沒有 Ni的食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，僅有油脂及其制品中鎳的限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2012）（1 mg·kg-1），以此標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于作物可食部分有失偏頗。美國國家環(huán)境保護署（USEPA）推薦 Ni的人體最大允許攝入量（RfDo）是 0.02 mg·kg-1·d-1，由此可推算出作物可食部分鎳的含量限值（表4），依據(jù)“土壤-農(nóng)產(chǎn)品”污染物含量的回歸方程基于靶標(biāo)危害指數(shù)（THQ）取值方法計算的作物可食部分污染物限量值，計算 Ni污染土壤中種植不同作物的安全限量值（表4）。為嚴(yán)格保證人體健康，推薦各農(nóng)作物對應(yīng)的土壤 Ni安全限量值分別為：青椒 439 mg·kg-1、黃瓜 561 mg·kg-1、豇豆 196 mg·kg-1、菠菜 513 mg·kg-1、花菜 203 mg·kg-1、青菜 190 mg·kg-1、水稻 147 mg·kg-1、小麥 105 mg·kg-1。黃瓜 Ni安全限量值最高，其次為菠菜和青椒，反映出這3種作物的Ni低累積特征，對土壤Ni安全限量值要求相對寬松，可作為Ni的低累積品種。

3 討論

不同品種作物對Ni的耐受性、吸收能力不同，在一定濃度范圍內(nèi)土壤中 Ni不僅不會抑制作物生長，反而會促進作物生長，但一旦超過某個限值作物的生長就會表現(xiàn)出明顯的抑制作用。本研究中，黃瓜、青菜耐受性最強，花菜耐受性最差，隨著土壤中 Ni含量的增加，青椒、豇豆、菠菜、花菜、青菜生物量先增加后減少，黃瓜生物量持續(xù)增加，當(dāng)土壤中Ni含量為800 mg·kg-1時，豇豆、菠菜、花菜生長受到明顯影響。由于 Ni是植物生長所必需的微量營養(yǎng)元素（Liu，2001；Norton et al.，2009），土壤中低含量 Ni對作物生長有積極的“刺激作用”，可促進植物體內(nèi)的過氧化氫酶、過氧化物酶和酸性磷酸酶等的活性，促進了作物生長（廖金鳳，1998；Gerendás et al.，2015），但當(dāng)土壤中 Ni含量超過某一閾值時，則會使作物的生長受到明顯的抑制，表現(xiàn)出生長遲緩，葉片黃化，葉組織壞死形成枯斑，植株畸形等（胡欣欣，2010）。研究發(fā)現(xiàn)向土壤中補充適量的 Ni能改善小麥、水稻、豇豆、棉花(Gossypium herbaceumL.)、辣椒、番茄(Lycopersicon esculentumMiller)、馬鈴薯(Solanum tuberosumL. )等作物的生長發(fā)育狀況，提高產(chǎn)量（扶惠華等，1996），土壤中Ni過量使白菜(Brassica rapaL.)、小麥、水稻、番茄體內(nèi)Ni積累過剩導(dǎo)致作物體內(nèi)酶活性受到影響，植株表現(xiàn)中毒癥狀、產(chǎn)量下降（Jian et al.，2003；Wang et al.，2001；Heidarian et al.，2017；胡澤友等，2007；Mosa et al.，2016）。

土壤重金屬污染不僅影響作物生長繁殖，更重要的是重金屬在其可食部分即地上部分積累，通過食物鏈危害人體健康。隨著土壤中 Ni含量的增加作物對重金屬富集能力因作物種類而異，不同種類作物對 Ni的敏感程度存在很大差別，從現(xiàn)有的研究成果分析，植物種類的差異直接決定了吸收重金屬能力的差異（趙勇等，2006）。不同種類農(nóng)作物可食部分對Ni的富集均存在著差異，植物對Ni的富集系數(shù)在0.01—1.0之間（羅丹，2009）。其中芥菜（Brassica junceaL.）、小白菜對Ni的富集能力較強，西紅柿、青瓜、菠菜、花菜、油麥菜（Lactuca sativaL.）等蔬菜品種和菠蘿（Ananas comosusL.）、香蕉（Musa paradisiacaL.）、橙子（Citrus sinensisL.）、甘蔗（SaccharumL.）等水果類對 Ni的富集能力則較低（關(guān)卉等，2007；蔡莎莎，2007）。通過對北京市蔬菜和菜地土壤 Ni含量狀況進行大規(guī)模調(diào)查，云架豆Ni富集系數(shù)較高，黃瓜、小白菜、蘿卜（Raphanus sativusL.）、甘藍(lán)（Brassica oleraceaL.）、辣椒、白菜和冬瓜（Benincasa hispida(Thunb.)Cogn.）次之，而大蔥（Allium fistulosum）、葉甜菜（Betavulgaris L.）、茄子（Solanum melongenaL.）、西紅柿等Ni富集系數(shù)最低（陳同斌等，2006）。水稻、玉米、小麥中 Ni含量最高，果菜類和葉菜類Ni含量居中，根菜類Ni含量最低（羅丹，2009；白曉瑞等，2011）。本研究結(jié)果表明，不同作物可食部 Ni的富集系數(shù)由大到小依次為小麥＞花菜＞青菜＞水稻＞豇豆＞菠菜＞青椒＞黃瓜，與前人研究結(jié)果相一致。同時多數(shù)研究結(jié)果證實作物中重金屬含量與土壤重金屬含量間有較好的相關(guān)性（杜應(yīng)瓊等，2003；宗良綱等，2007），建立作物可食部分Ni含量（y）與土壤中Ni含量（x）的回歸方程可為研究農(nóng)田-植物系統(tǒng)中Ni安全限量值研究提供支撐。農(nóng)作物 Ni的含量一方面與土壤的污染程度有關(guān)，另一方面還與農(nóng)作物本身對Ni的選擇吸收性能有關(guān)，Ni富集系數(shù)越小，表明其吸收Ni的能力越差，抗土壤Ni污染的能力較強。因此，可在輕中度Ni污染土壤中采取農(nóng)藝調(diào)控和替代種植等措施改種食用部位污染物累積少的作物，降低農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)風(fēng)險，對于重度Ni污染土壤，可以種植高富集Ni植物把污染土壤中的 Ni含量降到允許范圍然后進行農(nóng)用。重金屬超量積累植物具有很高的吸收和積累重金屬的能力，至今已發(fā)現(xiàn)400多種能夠超量積累各種重金屬的植物，其中就以超量積累 Ni的植物最多（Grant et al.，2008；Homer et al.，1991）。

4 結(jié)論

（1）6種作物對重金屬Ni的耐受性表現(xiàn)出明顯的種類間差異。黃瓜、青菜對 Ni耐受性最強，黃瓜鮮重隨土壤中 Ni含量上升而增加，其他作物的生物量表現(xiàn)出先增加后減少趨勢?；ú藢?Ni抗性最差，當(dāng)土壤中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于350 mg·kg-1時，花菜生長開始受到抑制。

（2）8種農(nóng)作物可食部分對Ni富集能力存在種間差異，富集系數(shù)為小麥 (0.032)＞花菜 (0.026)＞青菜 (0.021)＞ 水 稻 (0.020)＞ 豇 豆 (0.014)＞ 菠 菜(0.0065)＞青椒 (0.0054)＞黃瓜 (0.0042)。谷物類作物對Ni的富集能力較強，茄果類作物對Ni富集能力較弱，葉菜類作物因品種不同對Ni富集能力不同。

（3）基于農(nóng)產(chǎn)品食用安全要求，推導(dǎo)出種植8種作物對應(yīng)的土壤中Ni安全限量值大小為：黃瓜 (561 mg·kg-1)＞菠菜 (513 mg·kg-1)＞青椒 (439 mg·kg-1)＞花菜 (203 mg·kg-1)＞豇豆 (196 mg·kg-1)＞青菜 (190 mg·kg-1)＞水稻 (147 mg·kg-1)＞小麥 (105 mg·kg-1)。

（4）綜合考慮不同農(nóng)作物對土壤中 Ni的耐受性、富集能力以及食用安全限量值，篩選出篩選黃瓜、青椒、菠菜作為 Ni低累積作物品種，適宜在輕中度Ni污染復(fù)墾土地中實施替代種植。