成都市小春蔬菜對(duì)土壤重金屬的富集特性分析

張 成，李 根，朱文杰，何 斌，肖欣娟，陳媛媛，吳國艷，鄭羅崇都*

（1.成都市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，四川成都 610041；2.都江堰市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川成都 611830）

蔬菜是人們?nèi)粘ｏ嬍持斜夭豢缮俚氖澄镏唬商峁┤梭w所必需的多種維生素和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。成都市因地處成都平原，土壤肥沃，水系發(fā)達(dá)，光照溫度適宜，成為四川乃至全國重要的蔬菜生產(chǎn)基地。根據(jù)全國經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)，截至2019年底成都市蔬菜種植面積16.97 hm2，年產(chǎn)量591.98 萬t。隨著蔬菜的日常需求及政府扶持力度不斷加大，成都市蔬菜種植規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，產(chǎn)量與產(chǎn)值逐年提升，人們對(duì)蔬菜安全生產(chǎn)的要求也隨之提高。近年來，隨著工業(yè)化和城鄉(xiāng)一體化的逐步發(fā)展，部分工業(yè)“三廢”、城市生活垃圾及化肥農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)投入品中的重金屬，通過農(nóng)事操作和大氣沉降等途徑不斷進(jìn)入土壤環(huán)境，導(dǎo)致土壤中重金屬含量呈現(xiàn)出日益增高及復(fù)合污染的趨勢(shì)。受到重金屬污染的蔬菜作物將長(zhǎng)期處于重金屬脅迫環(huán)境中，作物光合作用速率和呼吸速率降低；大部分重金屬能與植株體內(nèi)許多酶產(chǎn)生螯合作用，破壞了酶活性，影響蔬菜作物的正常生長(zhǎng)，人們食用了受到重金屬污染的蔬菜產(chǎn)品也將直接影響身體健康。因此，持續(xù)對(duì)土壤安全利用進(jìn)行研究，對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品重金屬富集特性研究具有積極意義[1]。

不同蔬菜對(duì)土壤中各類重金屬的吸收能力不同?，F(xiàn)有研究報(bào)道表明，鎘（Cd）相對(duì)于其他重金屬更容易在茄果類蔬菜中富集[2]，而銅（Cu）、鉛（Pb）更易在葉菜類蔬菜中富集[3]。蔬菜吸收土壤中的重金屬后，大多儲(chǔ)存在根系中，只有少部分轉(zhuǎn)移到地上部。現(xiàn)有研究表明：地上部分重金屬富集能力顯著低于根系，一般來說葉菜類蔬菜食用部分的重金屬含量顯著低于根菜類蔬菜，但葉菜類蔬菜整體重金屬富集能力強(qiáng)于根菜類蔬菜。不同的重金屬在土壤和蔬菜中的遷移和富集模式也不同，某些重金屬在土壤和蔬菜中分布較為穩(wěn)定，某些重金屬含量會(huì)因土壤類型和種植的蔬菜類型不同存在較大差異。利用不同品種蔬菜富集重金屬的差異特性，選擇不同類型的蔬菜種植于重金屬污染的菜地，指導(dǎo)人們進(jìn)行無公害蔬菜栽培和安全生產(chǎn)，可以達(dá)到從源頭上控制土壤重金屬進(jìn)入蔬菜可食部位的目的。因此，對(duì)蔬菜中重金屬的富集特性研究具有重要的理論及實(shí)際意義。

本文以成都市7 個(gè)蔬菜種植區(qū)域土壤及種植的小春蔬菜為對(duì)象，進(jìn)行重金屬富集特性分析，旨在弄清成都市各類小春蔬菜對(duì)于土壤重金屬的吸收富集現(xiàn)狀及特征，以期為蔬菜安全生產(chǎn)、重金屬低積累蔬菜品種選育及蔬菜產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料及樣品

2019—2020 年按照隨機(jī)和多點(diǎn)混合的原則，在成都市金堂縣、彭州市、天府新區(qū)、都江堰市、郫都區(qū)、青白江區(qū)和溫江區(qū)等7 個(gè)主要蔬菜產(chǎn)區(qū)采集基礎(chǔ)土壤樣品。采樣方法為棋盤法，采集0～20 cm 耕作層土壤樣品，多點(diǎn)混勻，四分法保留混合樣1 kg 備用，土壤樣品的采集與制備均按照《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（NY/T 395—2012）進(jìn)行。同時(shí)采集當(dāng)?shù)胤N植的主要蔬菜樣品，包括白菜、大蒜、萵筍、甘藍(lán)、生菜、抱子芥、韭菜。樣品采集時(shí)間均為各類蔬菜當(dāng)季采收期，蔬菜樣品采集后立即帶回，保存于4 ℃冰箱，用于鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、砷（As）、汞（Hg）等5項(xiàng)重金屬含量的測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 土壤樣品

基礎(chǔ)土壤樣品測(cè)定指標(biāo)包括pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、陽離子交換量（CEC）等6 項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)和重金屬鎘、鉛、鉻、砷、汞等5項(xiàng)重金屬指標(biāo)。pH 值采用pH 計(jì)法測(cè)定，水土比為2.5∶1；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測(cè)定；全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定；陽離子交換量采用EDTA-乙酸銨鹽交換法測(cè)定；土壤重金屬鎘、鉛、鉻、砷、汞的測(cè)定使用原子熒光分光光度法、原子吸收分光光度法進(jìn)行。

1.2.2 蔬菜樣品

蔬菜樣品測(cè)定指標(biāo)為鎘、鉛、鉻、砷、汞等5種重金屬含量，測(cè)定方法同基礎(chǔ)土壤樣品重金屬測(cè)定方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1。

表1 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 富集系數(shù)計(jì)算

富集系數(shù)（BCF，Bioconcentration factor）是指某種重金屬在植物體內(nèi)與土壤中含量的比值，它反映了植物對(duì)土壤中該重金屬元素的積累能力，BCF 值越小，則植物對(duì)該種重金屬的積累能力越弱，土壤抗重金屬污染的能力越強(qiáng)。

計(jì)算公式為：

式（1）中，mcv表示蔬菜中的重金屬含量；mcs表示土壤中的重金屬含量。

試驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010、SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域的土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分

7個(gè)蔬菜種植區(qū)域的土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分測(cè)試情況見表2、表3?？梢钥闯?，7個(gè)地區(qū)主要土壤利用類型為旱地和水田，土壤pH值在5.89～7.09，為弱酸性至中性，以中性土壤居多。從土壤有機(jī)質(zhì)含量檢測(cè)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，天府新區(qū)種植白菜和生菜的菜地是各樣點(diǎn)中最低的，為18.04 g·kg-1，屬于缺乏水平，應(yīng)注意有機(jī)質(zhì)的提升，以保持土壤肥力；都江堰市種植白菜和抱子芥的菜地有機(jī)質(zhì)含量最高，為32.38 g·kg-1，屬于豐富水平，其余樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量在23.55～28.62 g·kg-1之間，均屬于適量水平。全氮含量范圍為1.27～2.10 g·kg-1，整體處于豐富狀態(tài)；其中天府新區(qū)全氮含量最低，為1.27 g·kg-1，符合有機(jī)質(zhì)與全氮之間的耦合關(guān)系，應(yīng)注意培肥土壤；都江堰市及青白江區(qū)全氮含量超過2.00 g·kg-1，均屬于很豐富水平。有效磷含量在21.74～46.87 mg·kg-1，整體處于豐富水平；其中以彭州市有效磷含量最高，為46.87 mg·kg-1，屬于很豐富水平。速效鉀含量在38.00～177.06 mg·kg-1，各地區(qū)差異較大，以青白江區(qū)最低，為38.00 mg·kg-1，處于很缺乏水平，需進(jìn)行養(yǎng)分調(diào)節(jié)；溫江區(qū)為54.90 mg·kg-1，屬于缺乏水平；其余地區(qū)為適量至豐富水平。陽離子交換量（CEC）含量范圍為12.12～17.50 mmol·kg-1，各地之間差異較小。

表2 不同蔬菜栽培區(qū)域的土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分

表3 不同蔬菜栽培區(qū)域土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分分級(jí)

2.2 不同區(qū)域的土壤重金屬含量

7 個(gè)蔬菜種植區(qū)域不同種植類型下的土壤重金屬含量見表4。從整體來看，鎘、鉛、鉻、砷、汞等5種重金屬，在7 個(gè)蔬菜產(chǎn)區(qū)的土壤中含量相對(duì)穩(wěn)定。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—2018），對(duì)各試驗(yàn)地的土壤重金屬進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，雖然各試驗(yàn)地土壤pH 及利用類型不同，但其土壤中鎘、鉛、鉻、砷、汞含量均低于相應(yīng)的土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

2.3 不同種植類型的蔬菜重金屬富集

7 個(gè)蔬菜種植區(qū)域不同種植類型的蔬菜重金屬富集情況見表5。結(jié)果表明，在土壤重金屬含量較穩(wěn)定情況下，重金屬在蔬菜中的富集與區(qū)域分布無明顯相關(guān)性；重金屬在蔬菜中整體富集較少，不同類型蔬菜的重金屬富集系數(shù)（BCF）均較低，但富集模式各不相同。從不同蔬菜的Cd富集系數(shù)來看，韭菜最低，白菜、萵筍、生菜相對(duì)較低，而大蒜最高，可能原因是此次采集的大蒜植株樣品為地下鱗莖（蒜頭），相較于其他蔬菜重金屬更易富集；弱酸性土壤的彭州、郫都試驗(yàn)地，白菜Cd富集系數(shù)約為其他中性土壤區(qū)域白菜的3 倍。萵筍、生菜、抱子芥的Pb 富集系數(shù)顯著高于其他蔬菜，其他蔬菜的Pb 富集系數(shù)較低且相對(duì)穩(wěn)定。從Cr富集系數(shù)可以看出，大蒜更容易富集Cr，萵筍的Cr富集系數(shù)同樣較高，而生菜可能抗土壤中重金屬Cr的污染能力較強(qiáng)，富集系數(shù)極低。不同蔬菜的As富集系數(shù)差異較大，其中甘藍(lán)、韭菜、生菜的As富集系數(shù)極低，而抱子芥的As 富集系數(shù)是甘藍(lán)的86 倍、韭菜的85 倍、生菜的74 倍；萵筍的As 富集系數(shù)也處于較高水平。值得一提的是，結(jié)合表4、表5 可以看出，Hg在各試驗(yàn)區(qū)土壤含量差異較大，但在植株中相對(duì)穩(wěn)定，因此呈現(xiàn)出各試驗(yàn)區(qū)土壤Hg 含量越高，Hg富集系數(shù)反而越低的特點(diǎn)?？傮w來看，不同試驗(yàn)區(qū)不同種植類型的蔬菜對(duì)于重金屬Cd、Hg 的富集能力較強(qiáng)，而對(duì)其他3 種重金屬則表現(xiàn)出較弱的富集能力。各地區(qū)所有種植類型的蔬菜對(duì)重金屬的平均富集能力排序?yàn)镃d＞Hg＞As＞Pb＞Cr。

表4 不同蔬菜栽培區(qū)域的土壤重金屬含量

表5 不同種植類型的蔬菜重金屬富集系數(shù)

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

目前成都市主要蔬菜種植區(qū)的土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分整體表現(xiàn)較好，適宜各類蔬菜種植。試驗(yàn)測(cè)定的Cd、Pb、Cr、As、Hg 在各蔬菜種植區(qū)土壤中的含量相對(duì)穩(wěn)定，均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—2018）中土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值?；谕寥兰爸仓曛亟饘俸空{(diào)查結(jié)果，表明重金屬在蔬菜中的富集與區(qū)域分布無明顯相關(guān)性，且整體處于較低水平。以白菜Cd富集系數(shù)為例，土壤為弱酸性的區(qū)域顯著高于中性土壤區(qū)域，差異幅度約3 倍。各類蔬菜對(duì)重金屬Cd、Hg 的富集能力較強(qiáng)，而對(duì)其他三種重金屬則表現(xiàn)出較弱的富集能力，平均富集能力排序?yàn)镃d＞Hg＞As＞Pb＞Cr。就單種重金屬而言，不同蔬菜的富集系數(shù)存在較大差異，以As最為顯著，變異幅度達(dá)86倍。

3.2 討論

重金屬在蔬菜中的富集受到多種因素影響，包括土壤類型、土壤重金屬含量、土壤pH、蔬菜種植類型及其遷移模式等。就土壤pH 而言，相比中性和堿性土壤，酸性土壤中部分重金屬更趨于游離，若長(zhǎng)期不合理施用氮肥會(huì)導(dǎo)致土壤酸化，促使植株富集重金屬[4]。試驗(yàn)中各種植區(qū)土壤主要為中性和弱酸性，其中彭州市和郫都區(qū)土壤為弱酸性土，其他地區(qū)為中性土，從白菜的Cd富集系數(shù)來看，彭州市和郫都區(qū)顯著高于其他區(qū)域，試驗(yàn)結(jié)果符合上述觀點(diǎn)。pH降低會(huì)增加土壤中H+，易使吸附在膠體和礦物粒表面的重金屬與H+交換量增大而進(jìn)入土壤溶液；同時(shí)還會(huì)打破重金屬溶解沉降的平衡，促進(jìn)重金屬陽離子的釋放，增加植物對(duì)重金屬的吸收。因此，彭州市和郫都區(qū)的試驗(yàn)樣品區(qū)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氮肥的合理施用及土壤pH 的調(diào)節(jié)，為蔬菜安全生產(chǎn)提供良好的種植條件。

不同種類或品種的蔬菜，由于外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，吸收各類重金屬元素的生理生化機(jī)制各異，其重金屬元素的富集和遷移能力差異較大。有研究指出，葉菜類蔬菜對(duì)重金屬的富集能力強(qiáng)于根莖類蔬菜[5]；按部位來分，富集能力大小則為根＞莖＞葉＞花＞果。本試驗(yàn)中，除大蒜外，各類蔬菜的整體富集規(guī)律與其他學(xué)者的研究基本吻合；選擇的大蒜樣品為地下鱗莖（蒜頭），而未選擇蒜苗、蒜苔及混合樣品，導(dǎo)致富集系數(shù)相較于其他蔬菜更高，尤其是Cd富集系數(shù)，不能更準(zhǔn)確地反映大蒜所有可食用部位對(duì)重金屬富集的規(guī)律，有待于進(jìn)一步研究。

關(guān)于重金屬在蔬菜中的遷移和富集的研究較多，主要集中在遷移和富集規(guī)律、特性方面。筆者認(rèn)為接下來的工作重點(diǎn)仍然是系統(tǒng)總結(jié)重金屬在蔬菜中遷移和富集規(guī)律，針對(duì)不同地區(qū)、不同土壤條件，篩選出適宜種植的蔬菜類型及品種，并進(jìn)行推廣應(yīng)用，合理規(guī)避重金屬在蔬菜可食部位的富集，為蔬菜安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。