不同類型蔬菜重金屬鎘低積累品種篩選

倪中應(yīng)， 蘇瑤， 汪亞萍， 黃窈軍， 王云龍， 賈生強*

(1.桐廬縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 桐廬 311500； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

近年來，經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展加劇了生態(tài)環(huán)境的污染，重金屬污染已是當(dāng)下全球重點關(guān)注的環(huán)境問題之一。鎘(Cd)是土壤重金屬中主要的污染物之一，有研究表明，重金屬 Cd 經(jīng)食物鏈進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品中，對農(nóng)產(chǎn)品安全及人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，痛痛病和骨痛病等均是由于長期食用 Cd 含量超標(biāo)的食物[1-3]。目前有關(guān)糧食作物重金屬污染修復(fù)安全利用的相關(guān)研究不斷增多，而蔬菜的 Cd 超標(biāo)情況，同樣需要引起重視[4]。當(dāng)前已有大量關(guān)于我國蔬菜中重金屬污染的調(diào)查報道，周根娣等[5]對上海市主要蔬菜作物的重金屬污染殘留物進(jìn)行了分析與檢測，得出結(jié)論Pb、Cd 是該地區(qū)主要的污染元素。有研究[6]發(fā)現(xiàn)，不同蔬菜品種對重金屬吸收累積差異明顯，相同蔬菜品種不同基因型之間對重金屬的吸收累積差異也很明顯。Zhou等[7]研究報道了不同蔬菜可食用部位中Cd含量的順序為葉類蔬菜>茄果類蔬菜>莖類蔬菜>根類蔬菜>豆類蔬菜>瓜果類蔬菜。童磊等[8]抽取市場上常售賣的20份辣椒樣品，檢測結(jié)果顯示，Cd超標(biāo)率高達(dá) 85%。崔正旭[3]在鎘輕度污染土壤中，從19種蘿卜中篩選出春不老、北京心里美、西南紅帥、紅皮馬樁等Cd低積累品種。

眾多研究表明，不同蔬菜品種對重金屬的吸收存在明顯差異, 人們通過種植合適的品種, 即使是重金屬輕度污染的土壤, 也能生產(chǎn)出安全的產(chǎn)品，這也是面對重金屬污染農(nóng)田修復(fù)方法中，最為簡單、快捷、安全的。為此, 我們試圖通過盆栽試驗，設(shè)置不同鎘污染水平，從不同類型蔬菜中篩選重金屬低積累品種以外，研究各類蔬菜在不同鎘污染水平的生長反應(yīng)及鎘積累效應(yīng)，以期為指導(dǎo)蔬菜種植布局和保障蔬菜質(zhì)量安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

盆栽供試用土采自金華金東區(qū)孝順鎮(zhèn)受污染菜地耕層(0～20 cm)(29°11′56.3″N，119°55′10.56″E)，經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過篩、充分混合后備用。土壤的基本理化性質(zhì)如下：pH為5.32，有機質(zhì)18.41 g·kg-1，速效磷335.05 mg·kg-1，有效鉀478.5 mg·kg-1，堿解氮158.42 mg·kg-1，總鎘0.65 mg·kg-1。

1.2 供試蔬菜

供試葉菜類蔬菜共5個品種，分別為青菜(六月慢、冬青、德高冬將)、菠菜(速生虎耳菠菜)和芥菜(金絲芥菜)。供試蘿卜品種為紅心紅皮和春不老。供試?yán)苯菲贩N為貴族辣椒和杭椒1號。所有種子均購于浙江省杭州市上城區(qū)筧橋農(nóng)貿(mào)批發(fā)市場。

1.3 試驗方法

1.3.1 污染土壤的配置

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18407.1—2001《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全 無公害蔬菜產(chǎn)地環(huán)境要求》，供試土壤屬于重金屬鎘輕度污染土壤。設(shè)置不同土壤Cd濃度梯度，通過加入一定濃度的Cd(NO3)2·4H2O溶液，將土壤的Cd濃度分別調(diào)至 0.65(T1)、1.5(T2)和3.0(T3)mg·kg-1，按照污染指數(shù)的判定方法, T1、T2和T3 對應(yīng)于輕度、中度和重度污染的水平。不同類型蔬菜品種均種植在對應(yīng)3種濃度土壤盆栽中，且每個處理設(shè)置5個重復(fù)。

1.3.2 種植方法

試驗在浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院桑園科研溫室進(jìn)行，試驗時間為2020年12月—2021年5月，其中2021年2月份，葉菜類收獲；4月份根莖類收獲；5月份茄果類收獲。葉菜類蔬菜選用外口徑18 cm，高15 cm，底徑13 cm的塑料盆，每盆播入10粒種子，出苗后間苗，每盆保留長勢相近的3株。根莖類蔬菜選用外口徑40 cm，高34 cm，底徑25 cm，底部留有排水孔的塑料盆，每盆點播8～10粒，覆土1 cm，播種后保持溫室中白天溫度在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，留長勢最好且相近的3株壯苗。茄果類蔬菜經(jīng)過育苗后，選取長勢良好、大小一致的3株辣椒幼苗移栽到外口徑32 cm，高28 cm，底徑21 cm的塑料盆中。定期澆水施肥，待植物完成生長期后收獲并進(jìn)行各項指標(biāo)的測定。

1.4 樣品采集

采集植株時，收獲青菜、菠菜、芥菜、蘿卜和辣椒新鮮蔬菜并稱重。從盆中取出整株植物，用自來水洗滌根和莖(辣椒不包括果實)，并用去離子水沖洗3次。將收獲的蔬菜分成可食和非可食兩部分。將根、莖、葉和果實在105 ℃下干燥殺青30 min，進(jìn)一步在 75 ℃下干燥至恒重，稱重后經(jīng)研磨后過 100 目篩裝入自封袋中備用。收集的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干去除土壤中的雜草，將土壤壓碎混勻后過100目篩備用。

1.5 測定與數(shù)據(jù)分析

植株收獲后取部分鮮樣保存于-80 ℃超低溫冰箱中備用，Cd測定用研磨機將可食部分和非可食部分分別粉碎，并精確稱重至0.300 0 g，然后加入濃硝酸(10 mL)、高氯酸(5 mL)，并使用石墨爐消化儀(SH230N，HanonInstruments，China)消解樣品。過濾定容后，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(AA700，PerkinElmer，USA)測定消解溶液中 Cd 濃度。土壤Cd前處理及重金屬元素測定方法具體參照GB 5009.15—2014。

蔬菜各部位Cd富集系數(shù)(biological concentration factor，BCF)和可食部分轉(zhuǎn)運系數(shù)(transfer factor，TF)，分別按照公式(1)和(2)計算：

BCF=組織中Cd含量/土壤中Cd含量；

(1)

TF=可食部Cd含量/非可食部Cd含量。

(2)

采用Execl2014進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，采用SPSS 20.0對試驗結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析，采用SIGMAPLOT 8.0制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型蔬菜可食部位對Cd累積差異性分析

在重金屬輕度(T1)污染土壤中，5種葉菜類蔬菜中六月慢、德高冬將、冬青和金絲芥菜可食部位Cd含量均未超標(biāo)(GB 2762—2017)，而速生虎耳菠菜超標(biāo)倍數(shù)為1.57～1.98倍(表1)；對5種葉菜類蔬菜產(chǎn)量進(jìn)行單因素方差分析，德高冬將和冬青與其他3種葉菜類蔬菜相比產(chǎn)量最高，而速生虎耳菠菜產(chǎn)量相對最低。選用的2種蘿卜品種重金屬含量均未超標(biāo)(表1)，表明蘿卜具有較好的 Cd 污染生態(tài)安全性，其中春不老的產(chǎn)量要顯著高于紅心紅皮。選用的2種辣椒品種重金屬含量均超標(biāo)(表2)，杭椒1號超標(biāo)倍數(shù)為0.91～1.51倍，貴族辣椒超標(biāo)倍數(shù)為0.08～0.32倍，其中貴族辣椒產(chǎn)量顯著高于杭椒1號。比較3種類型蔬菜可食部位對Cd的累積差異，發(fā)現(xiàn)根莖類蔬菜對土壤Cd的積累能力最弱，葉菜類中速生虎耳菠菜對Cd的吸收積累最強，其次為茄果類蔬菜和其他葉菜類品種(青菜和芥菜)。

表1 不用類型蔬菜產(chǎn)量與可食部分Cd含量

2.2 不同類型蔬菜在不同鎘污染梯度下對鎘吸收的差異

2.2.1 土壤鎘含量與蔬菜可食部分鎘含量的相關(guān)性

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2017，在土壤Cd濃度為0.65 mg·kg-1條件下，葉菜類中只有速生虎耳菠菜可食部分Cd含量超出標(biāo)準(zhǔn)限量；而在Cd濃度1.5～3.0 mg·kg-1土壤中，5種葉菜類蔬菜可食部分Cd含量均超出國家安全限定范圍(表2)。茄果類的2種辣椒在Cd濃度0.65～3.00 mg·kg-1土壤中，植株富集Cd含量均超過國家標(biāo)準(zhǔn)限量。根莖類蔬菜中春不老可食部分在Cd濃度0.65～3.00 mg·kg-1土壤中均處于標(biāo)準(zhǔn)范圍，而紅心紅皮僅在Cd濃度為0.65 mg·kg-1土壤中植株本身Cd含量低于安全限定標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同土壤Cd濃度下蔬菜可食與非可食部分的Cd含量

將土壤Cd濃度與蔬菜可食部分Cd含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。試驗選用的3種類型蔬菜可食部位的Cd含量與土壤重金屬鎘含量之間均達(dá)到顯著或極顯著正相關(guān)，說明葉菜類、根莖類和茄果類蔬菜可食部分中Cd的吸收積累量與土壤Cd含量密切相關(guān)，土壤重金屬污染越嚴(yán)重，種植蔬菜中Cd含量也越高，安全風(fēng)險就越高。

表3 蔬菜可食部分重金屬含量與土壤中重金屬含量的相關(guān)性

2.2.2 不同類型蔬菜對土壤鎘的富集系數(shù)

蔬菜從土壤中吸收、富集的重金屬能力大小，可以用富集系數(shù)(BCF)來表征。富集系數(shù)BCF指蔬菜體內(nèi)某種重金屬元素含量與土壤中該元素含量的比值，反映了蔬菜對土壤中重金屬的富集能力，富集系數(shù)越小，則蔬菜對重金屬的富集能力越弱，抗土壤重金屬污染的能力越強。

在土壤Cd濃度低于1.5 mg·kg-1時，試驗選用的3種類型蔬菜除春不老蘿卜外，其他蔬菜可食部分BCF系數(shù)隨土壤中Cd濃度的增加而增加，但當(dāng)土壤Cd濃度超過1.5 mg·kg-1，蔬菜可食部分BCF系數(shù)則有所下降，這可能是由于土壤中過高的Cd濃度對蔬菜生長形成了侵害，進(jìn)而影響了蔬菜對各類元素，包括重金屬的吸收。各類型蔬菜對土壤Cd的富集系數(shù)有一定的差異性，土壤Cd濃度0.65 mg·kg-1時，除菠菜外，BCF系數(shù)排序由高到低為茄果類>葉菜類>根莖類；但當(dāng)土壤Cd濃度增加至1.5 mg·kg-1后，BCF系數(shù)排序由高到低則為葉菜類>茄果類>根莖類，這與Zhou等[7]的研究結(jié)果相近。由此表明，茄果類和根莖類蔬菜相較于葉菜類對土壤Cd耐受性更強。

葉菜類蔬菜中，速生虎耳菠菜可食部分的BCF均顯著高于其他4個品種(表4)。土壤Cd濃度0.65 mg·kg-1時，冬青的BCF相對較低；土壤Cd濃度1.5 和3.0 mg·kg-1時，5種蔬菜中速生虎耳菠菜BCF最高，金絲芥菜最低，冬青、德高冬將和六月慢居中，且三者無顯著性差異(P>0.05)。相比之下，在三種Cd濃度梯度下，5種葉菜類蔬菜中，金絲芥菜的富集系數(shù)最低，表明其對Cd富集能力最差，對Cd的耐受性相對其他葉菜品種更強。

表4 各種蔬菜食用部分對 Cd 富集系數(shù)

根莖類蔬菜在土壤Cd濃度0.65 mg·kg-1下，兩種蘿卜的BCF無顯著性差異(P>0.05)，當(dāng)土壤Cd濃度增加至1.5 和3.0 mg·kg-1時，紅心紅皮的BCF顯著高于春不老，表明在高濃度的Cd土壤中，紅心紅皮可食部位對Cd的吸收能力強于春不老。春不老蘿卜的BCF系數(shù)隨土壤Cd濃度增加而下降，表明春不老蘿卜對土壤Cd污染具有較強的耐受能力，其對重金屬Cd的吸收與富集不隨土壤Cd濃度的增加而增加。

茄果類蔬菜在3種Cd濃度梯度的土壤中，均表現(xiàn)為杭椒1號的BCF系數(shù)顯著高于貴族辣椒，表明貴族辣椒對Cd的吸收富集更弱。

2.3 蔬菜對土壤鎘的轉(zhuǎn)運系數(shù)

可食部分轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)指植物可食部分中的金屬含量與非可食部分中的金屬含量的比值，主要用以評價植物將重金屬從可食部分向非可食部分的運輸和富集能力。一般的，TF<1，說明蔬菜對該重金屬主要富集在非可食部分；TF>1，則說明蔬菜對該重金屬主要富集在可食部分。對葉菜類5種蔬菜TF值進(jìn)行比較(圖1)，結(jié)果顯示，六月慢、德高冬將、冬青和金絲芥菜的TF<1，表明重金屬Cd主要富集在非可食部分；而速生虎耳菠菜的TF>1，表明重金屬Cd主要富集在其可食部分。隨著土壤Cd濃度的增加，葉菜類蔬菜中除六月慢品種外，其他品種葉菜(德高冬將、冬青、金絲芥菜和速生虎耳菠菜)的TF值都顯著下降，表明這類葉菜隨土壤Cd濃度增加，吸收的Cd更多的向非可食部分遷移。

圖中小寫字母表示同一品種在不同Cd濃度土壤中TF的顯著性差異(P<0.05)；大寫字母表示不同品種在同種Cd濃度土壤中TF的顯著性差異(P<0.05)。圖2、3同。

根莖類蔬菜中(圖2)，不同Cd濃度土壤中的兩種蘿卜的TF均大于1，表明Cd在蘿卜中的遷移主要集中在可食部分(根)，在相同Cd濃度土壤中，春不老的TF值顯著高于紅心紅皮。隨土壤Cd濃度的增加，兩種蘿卜的TF值均增加，說明在高Cd濃度土壤中，不利于蘿卜中Cd向非可食部分遷移。

圖2 根莖類蔬菜在不同濃度Cd土壤中的可食部分轉(zhuǎn)運系數(shù)

對茄果類兩種辣椒不同Cd濃度土壤中TF對比(圖3)，貴族辣椒均顯著低于杭椒1號。在T1和T2范圍內(nèi)，貴族辣椒和杭州1號的TF值均小于1，且隨Cd濃度增加，TF值減小，說明辣椒中Cd更多向非可食部分(根、莖和葉)遷移。而在T3中，杭椒1號TF值大于1，植物體內(nèi)的Cd主要富集在可食部分(果實)中。在同種Cd濃度土壤中，杭椒1號的TF顯著大于貴族辣椒，說明杭椒1號吸收的Cd在植株體內(nèi)向可食部分遷移的能力強于貴族辣椒。

圖3 茄果類蔬菜在不同濃度Cd土壤中的可食部分轉(zhuǎn)運系數(shù)

3 小結(jié)

茄果類和根莖類蔬菜相較于葉菜類蔬菜更耐受土壤Cd污染；同類蔬菜中，葉菜類金絲芥菜、根莖類春不老和茄果類貴族辣椒相對其他品種更耐受土壤Cd污染，而速生虎耳菠菜最易吸收富集土壤Cd。

葉菜類蔬菜中除了六月慢品種，其他品種隨土壤Cd濃度的增加，吸收的Cd更多的由可食部分向非可食部分遷移；根莖類蔬菜則隨土壤Cd濃度的增加更多的富集在可食部分；而茄果類蔬菜在輕中度污染土壤中，吸收的Cd更多富集于非可食部分，在重度污染土壤中，則更多的向可食部分遷移。

菠菜和2種茄果類蔬菜不能夠在輕度污染土壤中種植，可考慮種植春不老蘿卜、冬青和六月慢等品種蔬菜；春不老蘿卜種植在中重度污染地區(qū)時，可食部分的Cd含量未超過國家安全標(biāo)準(zhǔn)。