不同蘿卜品種對5種重金屬響應(yīng)規(guī)律研究

弭寶彬 劉碧瓊 周火強 戴雄澤 汪端華 劉 峰 武芳芳

(1湖南省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所，湖南 長沙 410125；2湖南農(nóng)業(yè)大學理學院，湖南 長沙 410128；3湖南農(nóng)業(yè)大學研究生院，湖南 長沙 410128)

中國目前有六分之一的耕地存在重金屬污染問題，其中16.1%已超過環(huán)境限量標準[1-2]，土壤重金屬污染嚴重影響著農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全[3]。蔬菜在人們?nèi)粘ＯM中占據(jù)重要地位[4]，土壤中的重金屬在蔬菜中富集累積，可通過食物鏈危害人類健康和生命安全[5]。研究表明，蔬菜對重金屬吸收累積存在顯著種類差異，且存在明顯的種內(nèi)基因型差異[6-7]。蘿卜(Raphanus sativusL)屬十字花科，是一種起源于我國的世界性蔬菜[8]，在人們的日常飲食中占據(jù)重要地位。

近年來，許多學者對蘿卜重金屬累積特性開展了研究，主要圍繞土壤理化性質(zhì)(包括共存重金屬)、施肥水平及栽培方式等對蘿卜重金屬累積行為進行評價[9-14]，并考察了重金屬對蘿卜生長的影響[15-16]；此外，還有學者從重金屬處理后蘿卜幼苗的解剖學和形態(tài)學變化及數(shù)量性狀定位等方面解析重金屬對蘿卜品種的脅迫機制[17-18]，明確了蘿卜在不同添加物和施肥水平及栽培方式下重金屬的累積行為特性。不同蘿卜品種對不同重金屬累積的差異較大，但目前缺乏對不同重金屬累積性能的系統(tǒng)性研究。本研究通過不同蘿卜品種在5種重金屬，即鎘(Cd)、砷(As)、鉛(Pb)、汞(Hg)和鉻(Cr)復合污染下生物學產(chǎn)量及重金屬累積差異分析，系統(tǒng)評價蘿卜品種對土壤中5種重金屬的富集及轉(zhuǎn)移能力，并結(jié)合單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法綜合評估其重金屬污染風險，以期為選育低重金屬累積的蘿卜品種及安全生產(chǎn)提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試蘿卜種子購自湖南 長沙馬王堆種子市場，為市場上常見的主栽蘿卜品種，品種及編號如表1所示。供試土壤取自湘潭市某礦區(qū)周圍拋荒水稻田的耕作層(0～30 cm)，用木鏟等非金屬器具挖取土壤，托運至湖南省蔬菜研究所高橋基地重金屬品種篩選試驗溫室大棚中平衡。采用五點取樣法，各取1 kg 平衡后土壤，去除土壤中石塊、動植物殘體等雜質(zhì)后混合，采用四分法選取1 kg 土壤裝于自封袋中，用木棒研壓后過2 mm 篩，將篩下土壤混勻繼續(xù)研磨過100 目篩，備用。供試土壤的基本理化性質(zhì)和重金屬含量按以下方法進行測定:土壤pH值采用玻璃電極測定；全磷和有效磷含量采用鉬銻抗比色法(Olsen 法)測定；有機質(zhì)含量采用Walkley-Black 滴定法測定；全氮含量采用凱式定氮法測定；全鉀含量采用原子吸收光譜法測定；堿解氮含量采用NaOH 擴散法測定；速效鉀采用NH4OAC 浸提-原子吸收法測定；Cd、Pb 檢測參照GB/T 17141-1997[19]，用硝酸、氫氟酸、高氯酸充分消解后，采用石墨爐原子吸收分光光度法測定。As、Hg 參照GB/T 22105.1-2008[20]，用硝酸、鹽酸對樣品進行充分消解后，采用原子熒光法檢測；Cr 參照HJ 491-2009[21]，用鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸(均為分析純)充分消解后，采用火焰原子吸收分光光度法測定。結(jié)果分別見表2、表3。

表1 供試用蘿卜類品種名及編號Table1 Cultivar names and codes of Radishes in this study

表2 土壤基本理化性質(zhì)Table2 Basic physicochemical properties of soil

表3 土壤5種重金屬含量及限量標準Table3 Concentrations of five heavy metals in soil and their maximum permissible concentrations in national environmental quality standard of China for soil /(mg·kg-1)

1.2 試驗方法

盆栽試驗選擇圓形塑料盆，下底徑35 cm，高40 cm，上底徑40 cm，底部留有排水孔。采用非金屬工具將平衡好的土壤裝入內(nèi)盆，虛土厚度35 cm 左右，土壤裝盆重量一致，整齊擺放，將裝好的培養(yǎng)盆澆一次透水，然后置于陰涼環(huán)境中自然風干。2017年8月20日播種，每盆點播5～7 粒，覆土1～2 cm，每品種播種10 盆。充分澆水，土壤濕度以最大持水量的65%～80%為宜，空氣濕度以80%～90%為宜，保證出苗快而齊。播種后保持鑒定棚中白天溫度在20～25℃以上，夜間溫度不低于10℃；于植株長出2～3片真葉時開始間苗，分2次間苗，留生長勢最好的1株壯苗；正常栽培管理9 周后進行采收，每個品種隨機選取5株生長較一致的蘿卜植株，采用木鏟小心將其整株挖出，除去爛掉的部位，使用自來水小心沖洗根部所帶泥土，吸水紙吸取多余水分后備用。

1.3 測定項目與方法

將采收的蘿卜植株按不同品種分別進行地上部和地下部分離，并稱量鮮重；之后將不同品種蘿卜按不同部位分別用TS-24組織研磨機(上海凈信)打成勻漿，稱取0.3～0.5 g 經(jīng)過酸消解后，分別參照GB/T 5009.15- 2014[23]、GB/T 5009.123-2014[24]、GB/T 22105.2-2008[25]、GB/T 5009.12-2010[26]、GB/T 5009.17-2014[27]對樣品組織中的Cd、Cr、As、Pb、Hg 5種重金屬含量進行測定。

1.4 重金屬富集特性評價

蘿卜各部位富集系數(shù)(biological concentration factor，BCF)和地下部轉(zhuǎn)運系數(shù)(transfer factor，TF)，按照公式計算[28]:

1.5 重金屬污染評估

采用指數(shù)法評估蘿卜樣品的重金屬污染水平，其中單因子污染指數(shù)法以蘿卜中各重金屬元素的標準值評價蘿卜重金屬污染程度，其計算公式為:

式中，Pi為蘿卜中重金屬i的單因子污染指數(shù)，Ci為蘿卜中重金屬i的實測濃度，Si為重金屬i在蘿卜作物重金屬污染物限量《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762-2012)[29]，具體詳見表4。Pi≤1.0，表明待測蘿卜中相應(yīng)重金屬濃度在標準臨界濃度內(nèi)，該蘿卜品種未受相應(yīng)重金屬污染；Pi＞1.0，表明蘿卜中相應(yīng)重金屬濃度超標；1＜Pi≤2，表明蘿卜受輕度污染；2＜Pi≤3，表明蘿卜受中度污染；Pi＞3，表明蘿卜受重度污染，指數(shù)越大污染程度越嚴重。

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法也是一種運用較為廣泛的綜合污染評價方法，可較為全面地評價所有重金屬的綜合污染情況，其計算公式為:

式中，Pimax為單項污染指數(shù)最大的重金屬的單項污染指數(shù)值；Piave為單項污染指數(shù)的平均值。根據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)的不同，將重金屬污染等級分為安全、警戒限、輕污染、中污染和重污染5個等級，具體分類情況如表9所示。

表4 蘿卜作物重金屬污染物限量Table4 Maximum permissible concentrations of heavy metals in radish crops /(mg·kg-1)

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2016 進行數(shù)據(jù)初步處理，采用DPS9.50 軟件對試驗結(jié)果進行單因素和多因素方差分析和聚類分析，采用Origin 8.5 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同蘿卜品種重金屬單項污染指數(shù)評價

采用單項污染指數(shù)法對不同蘿卜品種地上部和地下部5種重金屬污染水平進行評價(表5)。通過可重復雙因素方差分析法對表5數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析，結(jié)果如表6、表7所示。對比F統(tǒng)計量和各自的F臨界值可知，蘿卜品種、重金屬種類和交互的F統(tǒng)計量均大于F臨界值，說明蘿卜中重金屬污染水平在蘿卜品種、重金屬種類及二者交互作用方面均存在顯著差異。此外，三者的P值均小于0.01，也說明蘿卜品種、重金屬種類以及二者之間的交互作用對蘿卜重金屬污染水平均有極顯著影響。蘿卜地上部重金屬單項污染指數(shù)方差分析結(jié)果中P值更小，表明地上部重金屬污染水平相較于地下部差異性顯著。綜上可知，在蘿卜類蔬菜重金屬污染評估過程中，需指明重金屬種類、蘿卜品種及蘿卜評估組織部位。

鑒于以上分析，為研究蘿卜類蔬菜對5種重金屬的累積特性，以市場上常見9種蘿卜品種為代表，綜合評估其重金屬累積能力。由表8可知，蘿卜地下部對5種重金屬轉(zhuǎn)運能力均強于其富集能力，各重金屬平均轉(zhuǎn)運系數(shù)均遠大于1.0；其中對Cd的轉(zhuǎn)運能力較強，平均轉(zhuǎn)運系數(shù)達4.17，表明蘿卜類蔬菜地上部對Cd 耐受性較差，由于土壤中金屬Cd 超標達11.6倍(表3)，且Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)高，使得蘿卜地下部和地上部均出現(xiàn)Cd 超標現(xiàn)象，其中蘿卜地上部Cd 超標率達100%，地下部Cd 超標率為33.33%(3/9)；蘿卜對Hg的富集能力僅次于Cd，但遠低于Cd，其地下部的平均富集系數(shù)僅約為Cd的1/6，但其平均轉(zhuǎn)運系數(shù)達2.47，即在較高Hg 污染土壤中，蘿卜地上部很容易受到Hg 污染。由于本試驗供試土壤中Hg含量較低(表3)，未檢測出Hg 超標品種；蘿卜地下部對Cr的富集能力較弱，平均富集系數(shù)僅為0.12%，雖然其轉(zhuǎn)運系數(shù)達3.74，但并檢測出Cr 超標品種；蘿卜地下部對Pb和As 富集能力相當，平均富集系數(shù)明顯低于重金屬Cd、Cr和Hg，但平均轉(zhuǎn)運系數(shù)卻分別高達15.09和6.22，因此，蘿卜地上部極易遭受Pb 污染，雖然土壤中Pb 未超標，但蘿卜地上部Pb 超標率達100%。綜上，蘿卜地上部更易受重金屬污染，其中，蘿卜對重金屬Cd 累積能力最強，Pb 也是蘿卜地上部較易累積的一種重金屬，其次為Hg和Cr，蘿卜對As的耐受性較強。

表5 不同蘿卜品種重金屬單項污染指數(shù)Table5 Pi values of different radishes

表6 蘿卜地下部重金屬單項污染指數(shù)的雙因素方差分析結(jié)果Table6 Two-way ANOVA results of Pi values of underground part in radishes

表7 蘿卜地上部重金屬單項污染指數(shù)的雙因素方差分析結(jié)果Table7 Two-way ANOVA results of Pi values of aerial parts in radishes

表8 蘿卜重金屬富集轉(zhuǎn)移系數(shù)及單項污染指數(shù)法評價結(jié)果Table8 BCF，TF，and evaluation results of individual pollution index method of radishes

2.2 不同蘿卜品種重金屬綜合污染指數(shù)評價

為較全面、綜合反映土壤重金屬對蘿卜的污染情況，采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對蘿卜地下部和地上部進行重金屬污染程度評價(圖1)。結(jié)果表明，蘿卜地下部和地上部在重金屬污染水平上均存在顯著的基因型差異，且蘿卜地下部污染水平整體低于地上部。由表9可知，以蘿卜地下部為考察對象，9種蘿卜品種均為輕度重金屬污染水平以下，其中約44.45%的蘿卜品種為安全級，無重金屬污染；33.33%為警戒級，屬于尚清潔的污染水平；22.22%受到輕度重金屬污染；而所有品種的蘿卜地上部均為輕度重金屬污染水平以上，其中55.56%受中度重金屬污染，甚至33.33%屬于重度重金屬污染水平。綜上認為，蘿卜地上部更易受重金屬污染。

圖1 不同蘿卜品種重金屬內(nèi)梅羅綜合污染評價Fig.1 Heavy metal nemero comprehensive pollution evaluation of different radishes

表9 不同蘿卜品種重金屬內(nèi)梅羅綜合污染評價結(jié)果Table9 Evaluation results of heavy metals nemero comprehensive pollution of different radishes /%

2.3 低重金屬累積蘿卜品種篩選

鑒于蘿卜地下部和地上部重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)存在顯著基因型差異(圖1)，以該指數(shù)為指標，采用最小值lsyd 聚類方式分別對供試蘿卜進行聚類分析。由圖2可知，對蘿卜地下部聚類分析，在0.19的分類距離上，供試9種蘿卜可分為兩大類，其中L1和L3為蘿卜地下部易受重金屬污染蘿卜品種，其余為蘿卜地下部低重金屬累積品種。由圖3可知，對蘿卜地上部聚類分析結(jié)果以1.0 分類距離進行分類，蘿卜也被分為兩大類，L7為地上部易受重金屬污染蘿卜品種，其余為蘿卜地上部較低重金屬累積蘿卜品種。2種分類方法具有明顯的差異，考慮到蘿卜地下部和地上部均為蘿卜的可食部位，試驗9種蘿卜品種中，L2、L4、L5、L8、L9 最有望成為蘿卜地下部和地上部均較耐重金屬脅迫的蘿卜品種。

圖2 基于重金屬綜合污染評價的蘿卜地下部聚類分析結(jié)果Fig.2 Cluster analysis results of radish stem based on comprehensive pollution evaluation of heavy metal

圖3 基于重金屬綜合污染評價的蘿卜地上部聚類分析結(jié)果Fig.3 Cluster analysis results of radish leaf based on comprehensive pollution evaluation of heavy metal

2.4 不同蘿卜品種生物學產(chǎn)量及重金屬分布情況分析

研究植株對重金屬的耐受性需同時考察其重金屬累積量及生物學產(chǎn)量。由圖4、圖5可知，蘿卜地下部產(chǎn)量普遍大于其地上部產(chǎn)量，但蘿卜地上部重金屬含量卻明顯高于地下部，進一步證實重金屬污染地區(qū)蘿卜相對安全食用部位為地下部。9種供試蘿卜品種中，L9 蘿卜品種(春不老)具有較高的產(chǎn)量及較低的重金屬累積量，表明其具有較好的重金屬耐受性，是重金屬污染地區(qū)可考慮選擇的較好蘿卜品種之一。

圖4 不同蘿卜品種單株重量Fig.4 Plant weights of different radishes

圖5 不同蘿卜品種單株重金屬含量Fig.5 Heavy metal concentrations of different radishes

3 討論

闡明蘿卜品種的重金屬累積和轉(zhuǎn)移特性對蘿卜的安全生產(chǎn)和消費具有重要的意義，但蘿卜對重金屬的累積能力存在一定的基因型差異[30-35]。本研究也發(fā)現(xiàn)，重金屬種類和蘿卜品種均對重金屬的累積存在顯著影響，且二者交互作用顯著。目前，對重金屬累積規(guī)律的研究多以單一作物為考察對象，忽視重金屬累積的作物基因型差異，導致其規(guī)律應(yīng)用性不強，甚至出現(xiàn)較大的偏差。為了較為全面、合理地評估蘿卜對不同重金屬的累積特性，本研究以市場上常見的多種主栽蘿卜品種為供試材料，發(fā)現(xiàn)5種重金屬中，蘿卜品種對Cd 富集能力普遍最強，其次為Pb，對Hg和Cr的累積能力相當，對As 具有較強的耐受性，這表明蘿卜品種不宜種植于Cd 污染嚴重的土壤區(qū)域。大量研究也發(fā)現(xiàn)，蔬菜類作物對重金屬Cd 累積能力較強[36-37]，甚至在土壤Cd 不超標的情況下，也檢出大量Cd 超標蔬菜作物[38]。Cd和Pb屬于同族元素，具有相似的物化性質(zhì)，當Cd和Pb 共污染時，蘿卜根系對2種重金屬表現(xiàn)出較強的競爭吸附和拮抗吸收[39]，但由于Cd 易與生物體內(nèi)蛋白質(zhì)等物質(zhì)相結(jié)合形成有機金屬絡(luò)合物[40]，使得蘿卜根中Cd 累積量遠大于Pb，這也可能是本試驗蘿卜地下部Cd 平均富集系數(shù)遠大于Pb的原因。但相對于Cd，蘿卜地下部對Pb 具有極強的轉(zhuǎn)運能力，其平均轉(zhuǎn)運系數(shù)高達15.09，是Cd 平均轉(zhuǎn)運系數(shù)的3.62倍，因此，對于偏好食用蘿卜地上部的人群，需要同時考量重金屬Pb 在蘿卜中的富集情況。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，重金屬累積情況與蘿卜不同組織部位有關(guān)，蘿卜地下部對重金屬具有較強的轉(zhuǎn)運能力，使得其地上部的重金屬累積量顯著高于地下部。這與吳琦等[41]的研究結(jié)果正好相反，分析其原因，可能與前人以綠領(lǐng)紅星小蘿卜單一品種為供試對象考察重金屬累積行為有關(guān)。因此，單一品種的研究結(jié)果很難作為蘿卜品種對重金屬累積能力評價的考量標準。

此外，基于重金屬累積能力存在一定的作物基因型差異，篩選重金屬低累積作物品種以降低重金屬在人體的累積已成為一種快速、高效減輕重金屬危害的方法。目前研究多集中于特定重金屬低累積作物篩選，如重金屬Pb[30]、Cd[31]低累積水稻、Cd 低累積辣椒[32]、Cd 低累積大蔥[33]、Pb 低累積大豆[34]、Cd 低累積小白菜[35]等。環(huán)境中重金屬單一污染較少，大多是多種重金屬造成的復合污染。因此，本研究以內(nèi)酶羅綜合污染指數(shù)和蘿卜生物學產(chǎn)量為評價指標，認為L9蘿卜品種(春不老)為重金屬污染地區(qū)較好的備選蘿卜品種之一，具有更強的適用性。

4 結(jié)論

對比5種重金屬可知，蘿卜品種對Cd 耐受性最低，Pb 也是一種蘿卜類蔬菜中較易累積的重金屬，其次為Hg和Cr，其對As 耐受性較強；此外，由于蘿卜類蔬菜具有較強的重金屬轉(zhuǎn)運能力，其中以Pb 重金屬轉(zhuǎn)運能力最強，蘿卜地上部更易累積大量的重金屬，加之其生物學產(chǎn)量普遍低于地下部，因此，食用蘿卜地下部比蘿卜地上部更能有效地避免重金屬在人體的富集，其中春不老蘿卜品種兼具較高的生物學產(chǎn)量及較低的重金屬單株累積量，是蘿卜種植較好備選品種之一。