我國(guó)西南地區(qū)代表性蔬菜對(duì)重金屬的積累特征*

王潤(rùn)，李思民，陳鵬崟，趙林艷，丁一偉，官會(huì)林，向萍，徐武美

(1.云南師范大學(xué) 高原特色中藥材種植土壤質(zhì)量演變退化與修復(fù)云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站，云南 昆明 650500；2.西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境修復(fù)與健康研究院，云南 昆明 650224)

根據(jù)2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，我國(guó)近1/5的耕地受重金屬污染[1].土壤一旦被污染，不僅對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生直接影響，還會(huì)導(dǎo)致其重金屬含量超標(biāo)，危害人類健康[2-4].如As是一種在自然界中廣泛存在的類金屬元素，已被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)認(rèn)定為Ⅰ類致癌物[5]，過(guò)量的As攝入會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害，并與肺癌及膀胱癌等的發(fā)生密切相關(guān)[6-7].此外，Cd的過(guò)量攝入會(huì)導(dǎo)致心血管疾病發(fā)生，嚴(yán)重危害人類健康[8].蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹饕澄?，也是人類重金屬暴露的主要?lái)源[9].當(dāng)前，圍繞蔬菜重金屬污染消減，已開(kāi)展了很多研究，如施用生物炭可促進(jìn)白菜的生長(zhǎng)，降低Cd含量[10].此外，合理施用羊糞等有機(jī)肥料可使生菜可食用部分Cd含量大幅降低[11].

不同種類蔬菜對(duì)重金屬的積累能力常存在較大差異[12-14].如蕓薹屬的芥菜(Brassicajuncea)和白菜(Brassicapekinensis)具有較強(qiáng)的Cd積累能力，而一些瓜果類蔬菜，如番茄和玉米等，對(duì)Cd的積累能力較弱[15].因此，針對(duì)不同重金屬污染特征，調(diào)整區(qū)域蔬菜種植結(jié)構(gòu)，選擇低積累型作物[16]，是應(yīng)對(duì)土壤重金屬污染，保障居民健康的重要措施.

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)約有19.4%的耕地土壤重金屬含量超標(biāo)[17-18],西南地區(qū)約有22.3%的耕地重金屬含量超標(biāo)，高于全國(guó)平均水平[19]，然而，針對(duì)本區(qū)域代表性蔬菜重金屬積累能力的比較分析及其影響因素的研究還鮮有報(bào)道.因此，研究以昆明市呈貢區(qū)為例，在35個(gè)蔬菜種植區(qū)共采集101對(duì)土壤-蔬菜樣品，包含19種區(qū)域代表性蔬菜，對(duì)蔬菜食用部分和土壤中的As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量進(jìn)行了測(cè)定，并對(duì)影響重金屬生物有效性的關(guān)鍵土壤因子，即土壤pH與有機(jī)質(zhì)含量[20]，進(jìn)行了測(cè)定，通過(guò)計(jì)算重金屬富集指數(shù)，并利用協(xié)方差分析，探索不同種類蔬菜的重金屬積累特征與影響因素，為重金屬污染區(qū)蔬菜種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 土壤與蔬菜樣品采集

在昆明市呈貢區(qū)隨機(jī)選取35塊典型蔬菜種植地，共采集了101對(duì)土壤與蔬菜樣品，包含19種我國(guó)西南地區(qū)代表性蔬菜.土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，自然風(fēng)干，用研缽研磨后過(guò)0.15 mm孔徑尼龍篩，用于土壤pH、有機(jī)質(zhì)和重金屬含量的測(cè)定.采取長(zhǎng)勢(shì)良好的蔬菜可食用部分保存在清潔的自封袋中，隨即帶回實(shí)驗(yàn)室，用自來(lái)水和去離子水沖洗3次，然后將鮮樣制成勻漿，存放在塑料瓶中用于重金屬含量的測(cè)定.根據(jù)蔬菜可食用部分的差異，將其分為葉菜類、瓜果類和根莖類.

1.2 土壤與蔬菜重金屬含量測(cè)定

根據(jù)《土壤和沉積物 12種金屬元素的測(cè)定王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 803-2016)和《土壤檢測(cè)第11部分：土壤總砷的測(cè)定》(NY/T 1121.11-2006)，利用王水(HCl∶HNO3= 3∶1)消解土壤樣品，定容過(guò)濾后，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定樣品中的Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量，用氫化物發(fā)生原子吸收光譜法測(cè)定土樣As含量.蔬菜中As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量的測(cè)定均按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行(表1).為確保土壤與蔬菜重金屬含量分析的準(zhǔn)確性，分析過(guò)程插入標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行比較分析，土壤標(biāo)樣為GBW07444，植物標(biāo)樣為BBS-31，所測(cè)各重金屬的含量分別為標(biāo)準(zhǔn)值的80.46%～110.22%與89.50%～106.63%，符合檢測(cè)要求.

表1 土壤與蔬菜重金屬含量的測(cè)定方法

1.3 土壤pH與有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定

土壤pH的測(cè)定參照《土壤pH的測(cè)定》(NY/T 1377-2007)，稱10 g土樣，加入25 mL去離子水，用攪拌器劇烈攪拌5 min，靜置1 h，用pH計(jì)(雷磁 PHS-25)進(jìn)行測(cè)定.土壤有機(jī)質(zhì)含量的分析參照《土壤檢測(cè)第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定》(NY/T 1121.6-2006)，稱取0.1 g土樣，用0.4 mol/L K2Cr2O7-H2SO4溶液，在175 ℃環(huán)境下加熱氧化15 min，用0.1 mol/L FeSO4溶液進(jìn)行滴定.

1.4 數(shù)據(jù)分析

富集系數(shù)(BCF)表示每種蔬菜(食用部分)重金屬含量與種植土壤重金屬含量的比值，計(jì)算公式為

式中，CF為蔬菜中重金屬含量，單位為mg/kg；CS為土壤中重金屬含量，單位為mg/kg.

利用Pearson相關(guān)分析探索土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量與蔬菜重金屬含量的相關(guān)性.由于土壤重金屬含量會(huì)影響蔬菜重金屬的積累量，故用協(xié)方差分析，消除土壤重金屬含量與相關(guān)土壤因子的影響后，再比較不同種類蔬菜對(duì)重金屬的積累能力.以上分析均利用SPSS 16.0進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域土壤重金屬污染特征

各土樣pH值在4.78～7.54之間，平均值為6.74，呈弱酸性.土壤重金屬含量如表2所示，土壤Cd含量均值為1.26 mg/kg，Cu含量均值為111.53 mg/kg，高于《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)》(GB 15618-2018)規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但低于風(fēng)險(xiǎn)管制值.As含量均值為6.58 mg/kg,Cr含量均值為74.04 mg/kg,Pb含量均值為39.71 mg/kg,Zn含量均值為112.61 mg/kg，均低于GB 15618-2018規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值(表2).

表2 不同土樣pH、有機(jī)質(zhì)及重金屬含量

2.2 不同種類蔬菜重金屬含量與積累特征

葉菜類、瓜果類和根莖類蔬菜As平均含量分別為0.05、0.03 mg/kg和0.03 mg/kg；Cd平均含量分別為0.05、0.01 mg/kg和0.01 mg/kg；Cr平均含量分別為0.35、0.42 mg/kg和0.56 mg/kg；Cu平均含量分別為1.16、1.13 mg/kg和0.99 mg/kg；Pb平均含量分別為0.17、0.12 mg/kg和0.17 mg/kg；Zn平均含量分別為4.39、2.46 mg/kg和3.99 mg/kg.根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB2762-2017)，除根莖類蔬菜重金屬Cr含量超標(biāo)外，其他類型蔬菜重金屬含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).不同類型蔬菜的重金屬富集系數(shù)如圖1所示，葉菜類蔬菜對(duì)Cd的積累能力較強(qiáng)，對(duì)Cu和Cr的積累能力較弱；根莖類蔬菜對(duì)Cu和Cr的積累能力較強(qiáng)，而對(duì)Cd的積累能力較弱；此外，瓜果類蔬菜對(duì)Cd的積累能力最弱.同類型蔬菜的不同種類，對(duì)同一重金屬的積累能力也存在較大的差異，如香菜和白菜對(duì)As和Cd的積累能力較強(qiáng)，菠菜對(duì)Cr的積累能力較強(qiáng)，苦苣菜對(duì)Cu的積累能力較強(qiáng)，空心菜對(duì)Pb的積累能力較強(qiáng)，而茼蒿對(duì)Zn的積累能力較強(qiáng)(表3).

不同字母標(biāo)記表示差異具有顯著性(P<0.05).

表3 不同種類蔬菜的重金屬積累特征

由于土壤pH與蔬菜Cu和Zn含量呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤中Zn含量與蔬菜Zn含量呈顯著正相關(guān)(P>0.05)，故用協(xié)方差分析，對(duì)蔬菜Cu和Zn含量進(jìn)行矯正，表中所示的不同蔬菜Cu和Zn含量為矯正值；不同字母標(biāo)記表示差異具有顯著性(P<0.05)；“—”表示重金屬未檢出.

2.3 影響蔬菜重金屬含量的土壤因子

土壤pH與蔬菜Cu和Zn含量呈顯著負(fù)相關(guān)(Cu∶r =-0.32，P<0.01；Zn∶r =-0.37，P<0.01)，土壤有機(jī)質(zhì)與蔬菜中重金屬含量的相關(guān)性不顯著(P>0.05).土壤中Zn含量與蔬菜中Zn含量呈顯著正相關(guān)(r = 0.36，P<0.01)，而其他重金屬在土壤與蔬菜中的含量不存在顯著關(guān)聯(lián)性(P>0.05).

3 討論

蔬菜重金屬富集系數(shù)是植株(食用部分)體內(nèi)重金屬含量與其種植土壤重金屬含量的比值.一般認(rèn)為富集系數(shù)越大，蔬菜對(duì)重金屬的積累能力越強(qiáng).Huang等[13]研究表明，蔬菜對(duì)重金屬的積累能力受蔬菜類型、土壤pH值及土壤重金屬含量三個(gè)主要因素的影響，且其影響程度為由高到低.

同一土壤環(huán)境中不同類型蔬菜對(duì)重金屬的積累能力不同[21-23].研究發(fā)現(xiàn)，葉菜類蔬菜對(duì)重金屬的富集能力相對(duì)較強(qiáng)，尤其是對(duì)Cd的富集能力顯著高于瓜果類和根莖類蔬菜(圖1)，這與已發(fā)表的相關(guān)研究結(jié)果一致[24-25].李洋等[26]研究表明，葉菜類蔬菜對(duì)Cd具有較強(qiáng)的積累能力，且超標(biāo)率相對(duì)較高.瓜果類蔬菜對(duì)各種重金屬的積累能力相對(duì)較弱，表明作物并不傾向于將重金屬轉(zhuǎn)移到瓜果中，可能與植物的進(jìn)化機(jī)制有關(guān)[27].徐明飛等[28]研究表明，瓜果類蔬菜即使種植在重金屬含量相對(duì)較高的土壤中，其可食用部分重金屬含量也不容易超標(biāo).根莖類蔬菜對(duì)重金屬Cr和Cu的吸收富集能力顯著高于其他兩類蔬菜(圖1)，這與陳志良等[29]的研究結(jié)果一致.此外，同一類型的不同蔬菜種類對(duì)重金屬的積累能力也存在較大差異[30-31]，研究發(fā)現(xiàn)在相似生長(zhǎng)環(huán)境下，同為葉菜類，香菜的Cd含量為蔥的12倍，茼蒿的Zn含量為蔥的6.5倍，表明即使是同一類型的蔬菜，也應(yīng)考慮不同種類對(duì)重金屬積累能力的差異.

pH值是反映土壤特性的最根本指標(biāo)，也是影響土壤重金屬可利用性的關(guān)鍵因素[32].試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤pH與蔬菜Cu和Zn含量之間存在顯著的線性關(guān)系，pH越高，蔬菜Cu和Zn含量越低.研究表明，當(dāng)土壤pH升高時(shí)，重金屬有效態(tài)含量降低，當(dāng)pH為中性或弱堿性時(shí)，土壤對(duì)重金屬的吸附能力明顯增強(qiáng)[20].史明易等[33]也研究表明，同類型蔬菜對(duì)重金屬的積累能力與土壤pH值呈負(fù)相關(guān).因此，因地制宜調(diào)節(jié)土壤pH，可有效降低蔬菜對(duì)Cu和Zn等重金屬的積累，保障蔬菜品質(zhì)安全.

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)昆明市呈貢區(qū)101對(duì)土壤-蔬菜樣品重金屬含量的分析研究表明，區(qū)域內(nèi)土壤Cd和Cu含量超過(guò)了GB 15618-2018規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但低于風(fēng)險(xiǎn)管制值.此外，研究發(fā)現(xiàn)不同類型蔬菜對(duì)重金屬的吸收富集能力不同，表現(xiàn)為葉菜類>根莖類>瓜果類.葉菜類蔬菜對(duì)Cd具有較強(qiáng)的積累能力，且顯著高于其他兩類蔬菜；根莖類蔬菜對(duì)Cr和Cu具有較強(qiáng)的積累能力.同一類型不同種類蔬菜對(duì)重金屬的積累能力也存在較大差異.此外，土壤pH與蔬菜Cu和Zn含量呈顯著負(fù)相關(guān).因此，調(diào)節(jié)土壤理化特征，優(yōu)化蔬菜種植結(jié)構(gòu)，是應(yīng)對(duì)土壤重金屬污染的有效途徑.