不同品種白菜對(duì)Cd的吸收富集特征與安全限值研究

柴冠群，楊嬌嬌，陳曉燕，劉桂華，羅沐欣鍵，范成五

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴陽 550006；2.開陽縣硒產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，貴陽 550300)

【研究意義】隨著農(nóng)田重金屬累積污染的日益加重，農(nóng)田污染帶來的農(nóng)產(chǎn)品安全性問題受到越來越多人的重視[1]。篩選耐重金屬的安全型作物品種，可有效控制重金屬通過食物鏈轉(zhuǎn)移到人體[2]，是輕中度重金屬污染土壤進(jìn)行農(nóng)作物安全生產(chǎn)的有效途徑，因而進(jìn)行低累積品種的篩選研究對(duì)保障當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全具有重要意義[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Cd是一種生物非必須元素，容易被植物吸收，通過食物鏈富集作用危害人類健康[4-5]，被視為重金屬中最具有危害性的一種污染元素，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和食品衛(wèi)生安全造成嚴(yán)重影響[6-7]，因此，土壤中Cd的累積及其對(duì)農(nóng)作物安全是影響環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重大問題。Cd在植物體內(nèi)的積累及分布因作物品種而異，不同品種間對(duì)Cd的吸收和累積表現(xiàn)出較大的差異[8-9]。農(nóng)作物中重金屬超標(biāo)問題可以通降低土壤中重金屬的有效性和篩選重金屬低累積品種加以解決。重金屬低富集作物品種能降低中輕度重金屬污染耕地土壤上農(nóng)產(chǎn)品的人體健康風(fēng)險(xiǎn)[8]，因而許多學(xué)者針對(duì)不同的重金屬污染土壤進(jìn)行了低累積作物品種的篩選研究[10-13]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】白菜是我國重要蔬菜之一，栽培面積大，容易受重金屬污染。關(guān)于白菜鎘污染的研究較多，主要集中在白菜對(duì)重金屬的累積特征、重金屬對(duì)植物體的毒害和生理影響、植物對(duì)重金屬脅迫的耐性機(jī)制等方面[14-16]，但有關(guān)白菜對(duì)鎘吸收、積累、篩選低累積品種方面報(bào)道較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探討不同品種白菜農(nóng)藝性狀對(duì)Cd污染的響應(yīng)，研究不同白菜品種對(duì)Cd的累積和轉(zhuǎn)運(yùn)差異，并經(jīng)相關(guān)性與回歸分析，獲得栽培土壤中Cd安全限量值，以期篩選出Cd低累積白菜品種。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自貴州中部的劉官鄉(xiāng)，土壤類型為典型黃壤，為減少試驗(yàn)誤差，原土壤經(jīng)風(fēng)干、搗碎后，去除植物根系及石塊，過4 mm篩儲(chǔ)存?zhèn)溆谩９┰囃寥纏H 4.73，有機(jī)質(zhì)29.8 g/kg，全氮0.142%，全磷0.116%，全鉀0.84%，堿解氮193.6 mg/kg，有效磷10.1 mg/kg，速效鉀349 mg/kg；土壤Cd初始含量為0.11 mg/kg。供試白菜品種6個(gè)，分別為中青麻葉、麻葉火鍋菜、高抗100、抗病大麻葉、雞窩趴地白和厚葉早熟5號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土肥所大棚內(nèi)進(jìn)行。Cd濃度以分析純氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)配制，設(shè)置6個(gè)濃度梯度，分別為0(CK)、0.3、0.6、1.2、2.4、4.8 mg/kg，每個(gè)處理12盆，3次重復(fù)，共108盆。外源添加的Cd與土壤充分混合均勻，自然狀態(tài)老化2個(gè)月后加入在塑料盆(直徑26.5 cm，高17.6 cm)中，每盆加4 kg土樣。白菜種子先用清水懸浮法去除不實(shí)粒，用30% H2O2浸種30 min，清水洗干凈，再用無重金屬污染育苗基質(zhì)在育秧板上育苗，待幼苗高5～6 cm，選取大小一致的幼苗移栽至施入相同量氮磷鉀底肥的塑料盆中，每盆移栽3株，緩苗后每盆定植1株。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤樣品指標(biāo)測定 四分法取土樣風(fēng)干、研磨、過篩置于自封袋中保存?zhèn)溆?。土壤全鎘含量采用壓力消解罐(HNO3∶HClO4∶HF=3∶3∶2)消解法，消解液用ICP-MS(iCap Q電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，賽默飛世爾科技公司)測定。

1.3.2 白菜可食部分Cd含量測定 采集盆栽作物樣品可食部分，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，壓力消解罐(5 mL HNO3與2～3 mL H2O2)消解法，消解液用ICP-MS(iCap Q電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，賽默飛世爾科技公司)。

1.3.3 白菜可食部位Cd安全限量值 采用回歸分析的方法對(duì)作物可食部分Cd含量(y)與土壤中Cd含量(x)建立回歸方程，依據(jù)“土壤—農(nóng)產(chǎn)品”污染物含量的回歸方程，以《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量(GB 2762—2017)》[31]和基于THQ(THQ指靶器官危害系數(shù)，是由美國環(huán)保署(USEPA)推薦采用的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，用于評(píng)估人體通過食物攝取重金屬風(fēng)險(xiǎn)的常用方法)取值方法[18]計(jì)算的新鮮作物污染物限量值為依據(jù)，分別計(jì)算Cd污染土壤中種植不同作物的安全限量值，Logistic模型方程中對(duì)應(yīng)的土壤Cd濃度即為引起白菜可食部Cd污染的土壤Cd臨界值。當(dāng)THQ值≤1，表明人體對(duì)目標(biāo)區(qū)生長的蔬菜消費(fèi)基本不產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn)；THQ值>1 時(shí)，可引起人體健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)置THQ=1時(shí)所推算出的C值即為作物可食部分中Cd的人體健康安全臨界值(mg/kg)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理與差異分析采用Excel和SPSS進(jìn)行，作圖采用Sigmaplot 13.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對(duì)不同品種白菜地上部分生物量的影響

如圖1所示，隨著土壤中Cd濃度的增加，高抗100、麻葉火鍋菜、雞窩趴地白、厚葉早熟5號(hào)、中青麻葉生物量先增加后減少，抗病大麻葉生物量持續(xù)增加。高抗100、中青麻葉在2.4 mg/kg處理中生物量最大，麻葉火鍋菜在0、0.3、0.6、1.2 mg/kg處理中生物量變化不明顯，在2.4、4.8 mg/kg處理生物量逐漸下降，低于對(duì)照組生物量；雞窩趴地白在0、0.3、0.6、1.2 mg/kg處理中生物量變化不明顯，2.4 mg/kg處理生物量顯著增加，4.8 mg/kg條件下，顯著低于對(duì)照。通過不同品種白菜對(duì)Cd污染耐受性發(fā)現(xiàn)，抗病大麻葉耐受性最強(qiáng)。

圖1 不同Cd濃度處理不同品種白菜可食部分鮮質(zhì)量Fig.1 Fresh weight of edible parts from different varieties of Chinese cabbage by different Cd concentration

2.2 不同品種白菜對(duì)Cd的富集特征

2.2.1 白菜可食部分的Cd含量 從表1看出，白菜可食部分Cd含量隨著土壤中Cd添加濃度的增加而增加，鎘污染越重，白菜地上部分鎘積累量越高，說明白菜對(duì)Cd有較強(qiáng)的吸收能力。不同品種白菜中，高抗100、麻葉火鍋菜、抗病大麻葉、雞窩趴地白、厚葉早熟五號(hào)和中青麻葉地上部Cd含量分別為0.1～4.84、0.1～3.62、0.13～6.00、0.05～2.95、0.14～4.73和0.12～5.23 mg/kg，在Cd添加濃度為0～0.6 mg/kg時(shí)，除抗病大麻葉和中青麻葉外，可食部分Cd含量間差異不顯著；在濃度為0.6～4.8 mg/kg時(shí)Cd含量顯著增加(P<0.05)。

表1 不同Cd濃度下白菜可食部分的Cd含量

2.2.2 白菜可食部分Cd的富集系數(shù) 從圖2看出，隨著Cd處理濃度的增加，不同品種白菜可食部分對(duì)Cd的富集特征表現(xiàn)出一定的差異。其中，高抗100可食部分富集系數(shù)隨著土壤中Cd濃度的增加而減小，以CK處理最大(1.467)；麻葉火鍋菜和抗病大麻葉可食部分的富集系數(shù)先增加后減小，均以Cd濃度為1.2 mg/kg最大，分別為1.11和1.59；雞窩趴地白富集系數(shù)以Cd濃度為2.4 mg/kg的最大，為0.753；厚葉早熟五號(hào)、中青麻葉可食部分富集系數(shù)先增加后減小，在0.6 mg/kg處理最大，為1.611、2.139。富集系數(shù)平均值排序?yàn)橹星嗦槿~(1.61)>抗病大麻葉(1.38)>厚葉早熟五號(hào)(1.30)>高抗100(1.02)>麻葉火鍋菜(0.76)>雞窩趴地白(0.64)，富集系數(shù)小于1的品種有麻葉火鍋菜和雞窩趴地白。

圖2 不同Cd濃度處理白菜可食部分Cd的富集系數(shù)Fig.2 Cd enrichment coefficient of edible parts from different varieties of Chinese cabbage

2.3 土壤Cd濃度與白菜可食部分Cd含量的相關(guān)性

從圖3看出，土壤Cd濃度增加，白菜可食部分Cd含量也隨之增加。土壤Cd濃度與白菜可食部分Cd含量呈顯著正相關(guān)，抗病大麻葉、中青麻葉可食部分Cd含量增加明顯，當(dāng)外源Cd添加量為0.3 mg/kg 時(shí)，可食部分Cd含量超標(biāo)，分別為0.76和0.80 mg/kg；外源Cd增加至4.8 mg/kg時(shí)，可食部分Cd含量高達(dá)6.00和5.23 mg/kg。雞窩趴地白可食部分Cd含量增加趨勢較緩慢，外源Cd增加至4.8 mg/kg時(shí)，可食部分Cd含量為2.95 mg/kg。

圖3 白菜土壤Cd濃度與白菜可食部分Cd含量相關(guān)性Fig.3 Correlation between Cd concentration in soil and Cd content in edible part of cabbage

2.4 白菜及土壤中Cd的安全限量值

根據(jù)作物可食部分Cd含量(y)與土壤中Cd含量(x)回歸方程(表2)，6個(gè)白菜品種可食部分Cd含量與土壤Cd含量符合Logistic模型方程(R2>0.99，P<0.05)。6個(gè)白菜品種中，可食部分Cd含量與土壤中Cd含量均呈顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為：中青麻葉(0.9981)>麻葉火鍋菜(0.9979)>高抗100(0.9976)>抗病大麻葉(0.9968)>雞窩趴地白(0.9949)>厚葉早熟5號(hào)(0.9949)，中青麻葉對(duì)Cd的富集能力最強(qiáng)。6個(gè)品種白菜土壤的Cd臨界值為雞窩趴地白(0.30 mg/kg)>高抗100(0.24 mg/kg)>麻葉火鍋菜(0.17 mg/kg)>厚葉早熟5號(hào)(0.12 mg/kg)>抗病大麻葉(0.09 mg/kg)>中青麻葉(0.06 mg/kg)，Cd臨界值范圍為 0.06～0.30 mg/kg，以雞窩趴地白、高抗100對(duì)土壤Cd安全限量值要求相對(duì)寬松，可作為Cd的低累積品種。

表2 不同品種白菜對(duì)Cd的吸收回歸方程及安全限量值

3 討 論

郭利敏等[19-20]研究表明，低濃度Cd促進(jìn)作物生長，高濃度Cd抑制作物生長[19-20]。本研究表明，在設(shè)定的Cd濃度范圍內(nèi)，抗病大麻葉表現(xiàn)為促進(jìn)生長，低濃度Cd對(duì)其余5個(gè)品種起促進(jìn)作用，在Cd濃度達(dá)4.8 mg/kg時(shí)均表現(xiàn)為抑制作用，但抑制效果因品種而異。6種白菜可食部分鮮重在低中濃度表現(xiàn)出增加趨勢，這與韓超等[21-22]的白菜有較強(qiáng)的耐Cd能力研究結(jié)論一致。不同品種作物對(duì)Cd的耐受性、吸收能力不同，一旦超過某個(gè)限值作物的生長就會(huì)表現(xiàn)出不同的影響作用，不同品種白菜地上部生物量有不同程度的升高或降低[23]，本研究結(jié)果呈現(xiàn)相同規(guī)律，當(dāng)土壤Cd含量達(dá)4.8 mg/kg時(shí)，抗病大麻葉與中青麻葉顯著高于對(duì)照，雞窩趴地白顯著低于對(duì)照。說明不同品種白菜對(duì)重金屬的耐性存在明顯差異。

受遺傳特性影響，隨著土壤中Cd含量的增加，作物不同品種對(duì)Cd的敏感程度存在很大差別，直接決定了吸收重金屬能力的差異[24-25]。白菜可食部分Cd含量隨著Cd濃度增加而增加，且不同品種白菜可食部分對(duì)Cd的富集均存在差異，如雞窩趴地白Cd含量為0.05～2.95 mg/kg，抗病大麻葉Cd含量為0.13～6.00 mg/kg；中青麻葉的Cd富集系數(shù)為1.61，雞窩趴地白Cd富集系數(shù)為0.64，這與弭寶彬等[26]研究的結(jié)論一致。陳瑛等[27]種植60個(gè)小白菜品種統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在土壤Cd濃度為0.6 mg/kg時(shí)，小白菜Cd含量超過國家標(biāo)準(zhǔn)的8.33%，而在土壤Cd濃度為1.2 mg/kg時(shí)其超標(biāo)率為66.67%，表明白菜容易受到Cd污染，而本研究的土壤Cd濃度為僅為0.3 mg/kg時(shí)其超標(biāo)率已達(dá)100%，表現(xiàn)出高度一致性。只有在土壤Cd含量很低(即對(duì)照處理)時(shí)，白菜可食部分Cd含量小于0.2 mg/kg，符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)。

作物安全生產(chǎn)的土壤重金屬臨界值可通過采用添加重金屬進(jìn)行栽培實(shí)驗(yàn)的方法獲得[28]。本研究通過Cd脅迫試驗(yàn)對(duì)白菜Cd含量和土壤Cd添加量的回歸分析表明，6個(gè)品種白菜可食部分對(duì)土壤Cd的吸收符合Logistic模型(R2>0.99，P<0.05)，當(dāng)白菜Cd含量等于國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限量值(0.2 mg/kg)時(shí)，6個(gè)品種白菜種植土壤 Cd 臨界值范圍為0.06～0.30 mg/kg，而徐麗紅等[29]研究發(fā)現(xiàn)，重金屬投加濃度不同獲得的安全限量值有差異，與本研究結(jié)果相似。本研究獲得的土壤Cd安全限量值較低，且小于相應(yīng)的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值(GB15618—2018)，一方面表明對(duì)于不同作物、不同土壤的土壤重金屬限制標(biāo)準(zhǔn)可能不同，為更精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)土壤重金屬安全利用，需要制定更為細(xì)化的重金屬管控標(biāo)準(zhǔn)；另一方面表明Cd投加梯度范圍可能太大，可通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，縮小添加濃度的梯度，以獲得更為準(zhǔn)確的安全限量值數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

6種白菜對(duì)重金屬Cd的耐受性表現(xiàn)出明顯的品種間差異，以抗病大麻葉對(duì)Cd的耐受性最強(qiáng)?？墒巢糠瞩r重隨土壤中Cd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。6種白菜對(duì)重金屬Cd富集能力存在種間差異。富集系數(shù)表現(xiàn)為：中青麻葉(1.61)>抗病大麻葉(1.38)>厚葉早熟五號(hào)(1.30)>高抗100(1.02)>麻葉火鍋菜(0.76)>雞窩趴地白(0.64)，富集系數(shù)小于1的品種有麻葉火鍋菜和雞窩趴地白。6種白菜土壤中Cd的安全限量值為：雞窩趴地白(0.30 mg/kg)>高抗100(0.24 mg/kg)>麻葉火鍋菜(0.17 mg/kg)>厚葉早熟5號(hào)(0.12 mg/kg)>抗病大麻葉(0.09 mg/kg)>中青麻葉(0.06 mg/kg)。

綜合考慮不同品種白菜對(duì)土壤中Cd的耐受性、富集能力以及食用安全限量值，6種白菜中的Cd低累積白菜品種為麻葉火鍋菜、雞窩趴地白和高抗100。