重金屬Cd 在樹仔菜-土壤系統(tǒng)中的富集遷移及安全閾值研究

范 瓊，馮 劍，鄒冬梅，酒元達(dá)，蘇初連，吳小芳，吳 彬，趙 敏

（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院分析測試中心·海南省熱帶果蔬產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·農(nóng)業(yè)農(nóng)村部亞熱帶果品蔬菜質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海口 571101）

鎘（Cd）是廣泛存在于環(huán)境中的毒性較大的重金屬之一，Cd 在土壤-植物系統(tǒng)中相對移動(dòng)較強(qiáng)且易被農(nóng)作物吸收，Cd 在植株內(nèi)累積后會(huì)干擾正常的細(xì)胞功能和代謝，造成一系列不良反應(yīng)，如生長遲緩、中斷植物水分關(guān)系、抑制光合作用、抑制部分酶的合成、造成游離自由基的形成和各級超微結(jié)構(gòu)的改變，嚴(yán)重影響作物的品質(zhì)和產(chǎn)量[1-3]。尤其是作物中過量Cd 積累后，作物中可食用組織的Cd 會(huì)轉(zhuǎn)移到食物鏈，雖然人體攝入Cd 后的吸收量只有3%～5%，但由于Cd 的生物半衰期很長，在人體腎臟和肝臟中能夠有效保留10～30 年，Cd 的長期暴露會(huì)導(dǎo)致人體許多疾病，如腎功能不全、骨質(zhì)疏松癥甚至癌癥等，嚴(yán)重威脅了食品安全和人體健康[4-6]。

樹仔菜（Sauropus androgynusL. Merr.）為大戟科守宮木屬植物，又名守宮木，別名天綠香、泰國枸杞、五指山野菜等[7]。在我國海南、云南、廣東、廣西、福建和臺(tái)灣等地栽培或者野生[8]。樹仔菜色澤翠綠、口感清香嫩脆、野味濃香、獨(dú)具風(fēng)味，且樹仔菜營養(yǎng)價(jià)值高，含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素、鈣、鐵等元素[9-10]。樹仔菜四季均可采收，耐旱、生命周期長，栽培過程中幾乎無病蟲害，無需農(nóng)藥防治，具有天然野生的特點(diǎn)，是最具有特色的海南野菜之一[7]。但是，2005 年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)報(bào)道樹仔菜含有超出國家標(biāo)準(zhǔn)4 倍的重金屬Cd，隨后有不少研究表明樹仔菜比其他蔬菜確實(shí)更容易富集Cd[8]。李永忠等[11]研究表明，樹仔菜的Cd 含量顯著高于其他蔬菜的Cd 含量；楊奕等[8]研究表明，樹仔菜土壤Cd 含量在國家標(biāo)準(zhǔn)限定值范圍內(nèi)，但樹仔菜的地上部比其他蔬菜更容易富集Cd、Zn、Cu 3 種重金屬。由此可見，樹仔菜比其他蔬菜更易富集土壤中Cd，因此采用與其他蔬菜同樣的重金屬安全閾值指導(dǎo)樹仔菜種植不是很準(zhǔn)確。近年來，有不少研究者針對不同作物種植系統(tǒng)進(jìn)行土壤重金屬安全閾值的推導(dǎo)。穆德苗等[12]推導(dǎo)出適合絕大部分蔬菜種植的西南地區(qū)產(chǎn)地土壤Pb安全閾值為100 mg·kg-1；孟媛等[13]研究出7 種葉類蔬菜土壤Cd 和As 安全臨界值分別為0.33～17.11、62.31～105.06 mg?kg-1。目前對土壤重金屬安全閾值的研究越來越全面，推導(dǎo)土壤重金屬安全閾值要綜合考慮作物種類、品種、土壤類型、重金屬總量及有效態(tài)含量等因素[14-16]。因此，研究Cd 在樹仔菜-土壤中的遷移積累規(guī)律，建立樹仔菜安全種植的土壤Cd 安全閾值，是保障樹仔菜安全生產(chǎn)的一道重要屏障。

筆者通過人工添加不同濃度的Cd 進(jìn)行樹仔菜土壤盆栽試驗(yàn)，研究樹仔菜不同部位對Cd 的富集遷移規(guī)律，利用相關(guān)性分析和多元線性回歸分析等方法研究Cd 積累遷移的關(guān)鍵制約環(huán)境因子，根據(jù)GB 2762－2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》[17]中根莖類蔬菜Cd 含量限值（0.10 mg·kg-1），推導(dǎo)出樹仔菜安全生產(chǎn)的產(chǎn)地土壤Cd 安全閾值，為樹仔菜的安全生產(chǎn)及農(nóng)田土壤Cd 環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)化提供理論支撐和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤：盆栽試驗(yàn)用土壤采自海南省五指山市暢好鄉(xiāng)樹仔菜基地土壤（0～20 cm），土壤類型為紅砂壤土。供試作物：海南五指山市廣泛栽培的馬來西亞品種樹仔菜，由五指山市匯通農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)有限公司提供幼苗，選擇苗齡40 d 左右、大小均勻、無病蟲害、無損傷的幼苗進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。

主要試劑：高純液氬（99.999%）、100 mg?L-1鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液[壇墨質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心，編號GBM（E）082822]，重鉻酸鉀和硫酸亞鐵均為分析純，其他試劑均為優(yōu)級純。儀器與設(shè)備：植物粉碎機(jī)（飛利浦電子公司）、水浴恒溫振蕩器（SHZ-B，常州諾基儀器有限公司）、熱風(fēng)循環(huán)式烘箱（FD53，德國Binder 賓得公司）、離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）、電子天平[AE200，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]、pH計(jì)（FE20 實(shí)驗(yàn)室pH 計(jì)，METTLER TOLEDO 公司）、凱氏定氮儀（Kjeltec 8420，F(xiàn)OSS 公司）、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP Mass Spectrometer NexlON 300X，美國PerkimElmer 公司）。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在溫室大棚內(nèi)開展盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為海南省?？谑兄袊鵁釒мr(nóng)業(yè)科學(xué)院，試驗(yàn)時(shí)間為2020 年8—12 月，試驗(yàn)盆為內(nèi)徑17.5 cm、高16 cm 的塑料花盆，選用體積比為1∶1 的紅壤土和椰糠混合土樣作為盆栽土壤，每盆3 kg 土壤。盆栽土基本理化性質(zhì)如下：pH 值5.2、有機(jī)質(zhì)含量（OMC）（w，后 同）73.8 g · kg-1、陽離子交換量（CEC）9.2 cmol（+）·kg-1、堿解氮含量103.3 mg·kg-1、速效鉀含量1.33 g·kg-1、有效磷含量59.4 mg·kg-1、交換性鈣含量20.7 cmol·kg-1、交換性鎂含量1.90 cmol·kg-1、重金屬Cd 含量0.10 mg·kg-1、鋅（Zn）42.9 mg·kg-1。

Cd 脅迫的外源Cd 濃度設(shè)定為0.00 mg·kg-1（水平1）、0.30 mg·kg-1（水平2）、0.60 mg·kg-1（水平3）、1.50 mg·kg-1（水平4）、3.00 mg·kg-1（水平5），含量范圍在中國土壤環(huán)境報(bào)告中被認(rèn)為是實(shí)際存在的[18]。計(jì)算配置相應(yīng)濃度所需試劑質(zhì)量和土壤60%田間持水量所需水量，采用噴霧的方式將CdCl2水溶液分別以5 個(gè)濃度梯度均勻噴灑至土壤中，用扎有細(xì)孔的保鮮膜蓋住瓶口，在室溫下老化兩周，期間采用稱質(zhì)量法補(bǔ)充丟失的水分，老化平衡后取少量樣品測定重金屬總量和重金屬有效態(tài)含量，重金屬實(shí)際濃度以老化平衡后為準(zhǔn)（表1）。老化平衡后施入質(zhì)量比為15∶15∶15 的復(fù)合肥（1.25 g·kg-1），1周后移栽樹仔菜苗，每盆種植1 株，種樹仔菜的處理為試驗(yàn)組，不種樹仔菜的處理為對照組，試驗(yàn)組和對照組各5 個(gè)水平，每個(gè)水平各3 株，試驗(yàn)進(jìn)行3 次重復(fù)。種植4 個(gè)月后收獲，分別采集土壤和植物樣品，其中土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、磨細(xì)，分別過60 目和100目篩，保存待測；植物樣品洗凈后，分成根、莖、葉、可食用部位嫩梢（莖頂部前10 cm）4 個(gè)部分，在60 ℃烘24 h 后，稱量其干質(zhì)量，再粉碎后備用。

表1 盆栽試驗(yàn)土壤Cd 總量和有效態(tài)濃度

1.2.2 測定方法 采用去離子水按照V水∶V土=2.5∶1 浸提后，用pH 計(jì)測定土壤pH 值；采用重鉻酸鉀容量法[19]測定土壤OMC；采用標(biāo)準(zhǔn)HJ 889—2017 中的三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法[20]測定陽離子交換量（CEC）；采用鉬銻抗比色法[21]測定土壤有效磷含量；采用蒸餾法[22]測定土壤速效氮含量；采用1 mol·L-1乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法[23]測定土壤速效鉀含量，總鎘含量采用濕法消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定[24][土壤標(biāo) 準(zhǔn) 物 質(zhì) GBW07457（GSS28）和 GBW07428（GSS14）為質(zhì)控樣品，植物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以GBW10022（GSB13）和GBW10047（GSB25）為質(zhì)控樣品]；土壤鎘有效態(tài)采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）以V土∶V液=1∶5 進(jìn)行浸提，室溫下振蕩2 h 后離心過濾，濾液采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定[標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07416a（ASA-5a）為質(zhì)控樣品]。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

1.3.1 數(shù)據(jù)分析 使用Excel 2007 進(jìn)行作圖，采用SPSS22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析和逐步回歸分析，Spearman 相關(guān)性分析用來評估土壤屬性與重金屬含量在蔬菜中的相關(guān)性。

1.3.2 富集系數(shù)計(jì)算 富集系數(shù)（BCF）反映重金屬從土壤向樹仔菜轉(zhuǎn)移的有效系數(shù)，是植物上部重金屬含量和土壤中重金屬含量的比值，也是評價(jià)樹仔菜從土壤中吸收重金屬能力的指標(biāo)之一[25]。

式（1）中，BCFTotal表示重金屬全量在樹仔菜中的富集系數(shù)；Cplant為地上部植物中重金屬含量（mg · kg-1）；Ctotal為 土 壤 中 金 屬 元 素 的 含量（mg·kg-1）。

1.3.3 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)計(jì)算 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）是指重金屬從植物某組織通過植物生長轉(zhuǎn)運(yùn)的方式在植物其他部位積累的有效系數(shù)[25]。

式（2）中TF為生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，Ci為樹仔菜某組織部位中重金屬含量（mg·kg-1）；Cj為樹仔菜其他組織部位中重金屬的含量（mg·kg-1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd濃度土壤對樹仔菜生物量的影響

由圖1 可以看出，土壤鎘濃度5 個(gè)處理水平下樹仔菜的生物量分別為16.40、16.00、15.74、15.95、15.96 g·株-1，各處理間差異不顯著，說明土壤中Cd含量為0.10～2.18 mg·kg-1對樹仔菜的生長影響不顯著，即使Cd 含量為2.18 mg·kg-1，超過土壤Cd 的風(fēng)險(xiǎn)篩選值（0.30 mg·kg-1）的情況下，樹仔菜的生長表觀仍沒有顯著差異，說明了樹仔菜對重金屬Cd 具有一定的抗逆性。

圖1 Cd 脅迫下樹仔菜的生物量

2.2 樹仔菜土壤在Cd 脅迫下理化性質(zhì)和Cd 含量變化特征

從表2 中可以看出，樹仔菜土壤Cd 脅迫4 個(gè)月后，與表1 結(jié)果相比，對照組的5 個(gè)Cd 脅迫濃度水平的土壤Cd 總量雖然下降（水平5 除外），但是有效態(tài)Cd 含量均增加了，表明經(jīng)過農(nóng)藝措施后土壤的Cd 活性增強(qiáng)；而試驗(yàn)組土壤Cd 總量和有效態(tài)含量均有所下降，土壤Cd 總量分別下降了20.00%、39.29%、27.69%、23.02%、1.83%，Cd 有效態(tài)含量下降率分別為20.00%、46.67%、16.0%、5.26%、25.14%，這可能與樹仔菜吸收了土壤中的Cd 有關(guān)。試驗(yàn)組中，隨著土壤中Cd 濃度的增加，土壤pH 值和CEC 總體呈先下降再上升再下降趨勢，OMC 總體呈現(xiàn)了增加趨勢，與水平1 相比，水平5的土壤pH 和CEC 分別下降了6.33%和14.42%，有機(jī)質(zhì)含量顯著增加了39.94%，而對照組各水平之間土壤pH 值和有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著。從植株Cd總量可以看出，隨著土壤中Cd 濃度的增加，樹仔菜中Cd 含量也逐漸增加，并且超過了土壤中Cd含量，水平5 中樹仔菜土壤Cd 含量為2.14 mg·kg-1，有效態(tài)Cd 含量為1.37 mg·kg-1時(shí)，樹仔菜植株中總Cd 含量達(dá)69.45 mg·kg-1，表明了樹仔菜有富集土壤中Cd 的特性。在土壤Cd 水平1 條件下樹仔菜嫩梢Cd 含量為0.069 mg·kg-1，未超過現(xiàn)行食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（根莖類蔬菜Cd≤0.1 mg·kg-1），但是當(dāng)土壤Cd 濃度達(dá)到水平2 后，樹仔菜嫩梢Cd 含量分別為0.40、1.24、3.38、1.90 mg·kg-1，均超過限量標(biāo)準(zhǔn)，表明了土壤Cd 濃度較高時(shí)樹仔菜嫩梢存在食用安全風(fēng)險(xiǎn)。

表2 Cd 脅迫下樹仔菜土壤理化性質(zhì)和Cd 含量

2.3 樹仔菜各部位對Cd遷移和積累特征

由表3 可知，當(dāng)土壤中Cd 濃度較低時(shí)（水平1），樹仔菜Cd 主要積累在葉中，積累系數(shù)大小為葉>莖>根>嫩梢，但是當(dāng)土壤Cd 濃度升高至水平2后，積累系數(shù)大小順序發(fā)生了改變，為根>葉>莖>嫩梢，表明樹仔菜中的Cd 主要集中在根部位。遷移系數(shù)包括了根轉(zhuǎn)運(yùn)到莖（TF1）、根轉(zhuǎn)運(yùn)到葉（TF2）、莖轉(zhuǎn)運(yùn)到葉（TF3）、根轉(zhuǎn)運(yùn)到嫩梢（TF4），當(dāng)土壤Cd濃度在水平1 時(shí)，樹仔菜各部位對Cd 的遷移系數(shù)為TF2>TF3>TF1>TF4，隨著土壤Cd 濃度升高達(dá)到水平3 時(shí)，樹仔菜各部位對Cd 的遷移系數(shù)為TF1>TF3>TF2>TF4，這說明隨著Cd 濃度的增加，Cd 從根部向葉子遷移系數(shù)能力下降，在根部富集較多。

表3 樹仔菜各部位對Cd 的積累系數(shù)和遷移系數(shù)

2.4 土壤理化性質(zhì)與樹仔菜Cd 遷移積累變化的關(guān)系

從表4 可以看出，樹仔菜各部位的Cd 含量與種植土壤的Cd 含量和Cd 有效態(tài)含量均呈極顯著正相關(guān)，表明Cd 總量和有效態(tài)含量易于從土壤向樹仔菜體內(nèi)遷移轉(zhuǎn)運(yùn)。樹仔菜中根和莖Cd 含量與土壤pH 呈極顯著負(fù)相關(guān)，樹仔菜中各部位Cd 含量與土壤CEC 呈極顯著負(fù)相關(guān)，與OMC 呈極顯著正相關(guān)，說明土壤pH 值和OMC 以及陽離子交換量能夠?qū)d 生物有效性及遷移積累產(chǎn)生影響。為進(jìn)一步闡明土壤重金屬Cd 污染對樹仔菜遷移積累的影響，探究土壤屬性和樹仔菜各部位中重金屬Cd的關(guān)系，利用SPSS22.0 逐步回歸，擬合樹仔菜各部位Cd 含量及其富集系數(shù)與土壤理化性質(zhì)（pH 值、OMC、CEC、土壤Cd 含量、土壤Cd 有效態(tài)含量），構(gòu)建樹仔菜各部位Cd 及其富集系數(shù)的逐步回歸方程。結(jié)果顯示（表5），樹仔菜根和莖中的Cd 含量與土壤中的OMC 和Cd 含量相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2均為0.998，說明在土壤理化性質(zhì)指標(biāo)中，OMC 和土壤Cd 含量是控制根和莖中Cd 含量的重要影響因子。而葉和嫩梢中Cd 含量主要受到土壤中OMC、Cd 含量、Cd 有效態(tài)含量3 個(gè)因子影響，逐步回歸方程的確定系數(shù)R2分別為0.983、0.975。樹仔菜各部位Cd 富集系數(shù)的逐步回歸方程結(jié)果顯示土壤pH是控制樹仔菜各部位富集Cd 的一個(gè)重要影響因子，此外，OMC 也是影響樹仔菜根部Cd 富集的主要因素之一，土壤Cd 有效態(tài)含量是影響樹仔菜莖、葉和嫩梢中的Cd 富集的重要因素。由此可以看出，除了土壤Cd 總量外，土壤中pH 值以及Cd 有效態(tài)含量也是影響Cd 在樹仔菜-土壤系統(tǒng)中積累遷移的重要因素。

表4 土壤理化性質(zhì)與樹仔菜各部位Cd 含量的相關(guān)性

表5 樹仔菜各部位Cd 和Cd 富集系數(shù)的逐步回歸方程

2.5 樹仔菜土壤生態(tài)安全閾值的推算

樹仔菜主要食用的是嫩梢部位，筆者的研究中，樹仔菜種植4 個(gè)月后雖然可以采摘嫩梢部位，但是整個(gè)植株仍處于生長發(fā)育的前期，莖部依然嬌嫩，因此對樹仔菜嫩梢和莖中Cd 分別采用回歸分析方法建立其與土壤Cd 總量之間的線性、多項(xiàng)式、指數(shù)和對數(shù)等回歸模型，選擇擬合相關(guān)系數(shù)R2最大的方程，確定為擬合最優(yōu)方程（表6），根據(jù)GB 2672－2017《食品中污染物限量》[17]中規(guī)定的根莖類Cd 限量值為0.10 mg·kg-1，對應(yīng)帶入表6 的回歸方程中，推導(dǎo)出樹仔菜土壤中Cd 總量的安全閾值。結(jié)果顯示，根據(jù)嫩梢和莖中的Cd 含量推導(dǎo)的土壤安全閾值分別為0.087 mg·kg-1和0.086 mg·kg-1，二者之間差異不顯著，說明了回歸模型能很好地預(yù)測樹仔菜土壤Cd 安全閾值。

表6 樹仔菜嫩梢和莖與土壤Cd 總量的回歸方程及安全閾值

3 討論與結(jié)論

3.1 樹仔菜對重金屬Cd的富集遷移規(guī)律

當(dāng)土壤中Cd 含量為0.28 mg·kg-1，經(jīng)過4 個(gè)月種植后，土壤Cd 含量變?yōu)?.17 mg·kg-1，樹仔菜可食部位嫩梢的Cd 含量為0.40 mg·kg-1，超出了GB 2762－2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》的根莖類蔬菜Cd≤0.10 mg·kg-1限值，也就是說樹仔菜種植土壤Cd 含量在未超過GB 15618—2018《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)（試行）》中對6.5

3.2 樹仔菜-土壤系統(tǒng)中Cd 遷移積累與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

土壤的理化性質(zhì)也是影響重金屬遷移積累的關(guān)鍵因素，其中pH 值、OMC 和CEC 這3 種性質(zhì)的影響最為顯著[26]。本研究中基于土壤性質(zhì)、Cd 總量和有效態(tài)含量構(gòu)建了樹仔菜各部位Cd 含量及Cd積累吸收模型，顯示除了Cd 總量的影響外，pH 值和OMC、Cd 有效態(tài)含量是影響樹仔菜Cd 積累和遷移的關(guān)鍵因子。這是由于pH 值增加后土壤膠體表面負(fù)電荷增加，導(dǎo)致土壤中Fe、Mn 氧化物形成增多，對重金屬的吸附能力增強(qiáng)從而降低了重金屬有效態(tài)含量[27]。而OMC 從兩方面對土壤中重金屬有效性和遷移性產(chǎn)生重要的作用，一是OMC 通過吸附或者與腐殖質(zhì)形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，降低土壤中重金屬的生物有效性[28]；另一方面是有機(jī)質(zhì)參與了向土壤溶液提供有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的過程，這些化學(xué)物質(zhì)可以作為螯合物，提高植物對重金屬的利用率[14]。Zeng 等[14]對pH 值和OMC 對重金屬有效性和遷移性研究中顯示重金屬有效態(tài)含量與pH 值之間存在顯著負(fù)相關(guān)，與OMC 存在顯著正相關(guān)；竇韋強(qiáng)等[26]研究葉菜類蔬菜和土壤中Cd 與土壤基本理化性質(zhì)之間的關(guān)系，結(jié)果表明，蔬菜Cd 總量與pH 值呈極顯著負(fù)相關(guān)，與OMC 呈極顯著正相關(guān)，與本研究結(jié)果一致。

3.3 樹仔菜地土壤重金屬Cd安全閾值

本研究用樹仔菜莖和嫩梢中Cd 含量與土壤Cd 總量構(gòu)建回歸模型，推導(dǎo)出樹仔菜種植系統(tǒng)中土壤Cd 總量的安全閾值分別為0.086、0.087 mg·kg-1，遠(yuǎn)低于GB 15618－2018《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)（試行）》中對6.5