甘薯對低濃度鎘、鋅的分配累積特征及土壤安全臨界值研究

周振明 劉創(chuàng)一 陳朝述 蔣 瑜

（廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

2014年自然資源部和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布的全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，我國19.4%的耕地遭受重金屬污染［1］。尤其是某些特殊行業(yè)，如鉛鋅礦開采造成土壤鎘（Cd）、鋅（Zn）等重金屬污染［2］。此外，隨著種植年限增加，耕地表層土壤中Cd、Zn含量也會增加，造成土壤重金屬含量超標(biāo)［3］。受重金屬污染的土壤種植的作物也會被污染，長期食用重金屬超標(biāo)的食物，會嚴(yán)重危害人體健康［4］。

我國南方喀斯特地貌分布區(qū)土壤具有較高的Cd含量，其中廣西壯族自治區(qū)（以下簡稱廣西）的喀斯特地貌區(qū)土壤Cd含量又高于其他地區(qū)［5］。桂林市為典型的喀斯特巖溶地貌，當(dāng)?shù)赝翆訙\薄，一旦遭受重金屬污染，治理難度極大［6］。而甘薯耐旱、耐貧瘠、產(chǎn)量高，在桂林市廣泛種植。通過盆栽試驗，研究不同質(zhì)量濃度條件下，甘薯可食用部位（莖、塊根、葉）對重金屬Cd、Zn的累積特征，探討重金屬Cd、Zn在產(chǎn)地土壤環(huán)境的安全臨界值，為桂林市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及產(chǎn)地環(huán)境安全評價提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物為桂粉2號甘薯，生長周期100～110 d，購于廣西桂林市種子公司。

供試土壤為正常耕作的表層土壤，選自廣西桂林市雁山區(qū)甘薯地。在樣地中畫出5個大小一致的正方形（2 m×2 m）樣方，去除表土，再在耕作層（5～20 cm）采集土樣，將土壤樣品裝入編織袋，帶回實驗室。按照《土壤農(nóng)化分析》分析土壤的理化性質(zhì)［7］。該地土壤pH值5.14，有機質(zhì)含量41.0 g/kg，全氮含量1.79 g/kg，全磷含量0.082 g/kg，陽離子交換量7.06 cmol/kg。

1.2 試驗設(shè)計

土壤樣品采回后，自然風(fēng)干，過孔徑為2.00 mm的尼龍篩備用。盆栽容器為長40 cm、寬30 cm、高25 cm的泡沫箱，裝入風(fēng)干土20 kg/箱，施入氮、磷、鉀肥（氮肥為尿素，以N計質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200 mg/kg；磷肥為過磷酸鈣，以P2O5計質(zhì)量分?jǐn)?shù)為150 mg/kg；鉀肥為硫酸鉀，以K2O計質(zhì)量分?jǐn)?shù)為150 mg/kg）作為底肥。

試驗設(shè)置6個質(zhì)量濃度水平，分別為T（0Cd 0 mg/kg，Zn 0 mg/kg）、T1（Cd 0.1 mg/kg，Zn 30 mg/kg）、T2（Cd 0.2 mg/kg，Zn 60 mg/kg）、T3（Cd 0.4 mg/kg，Zn 90 mg/kg）、T4（Cd 0.8 mg/kg，Zn 120 mg/kg）、T5（Cd 1.0 g/kg，Zn 150 mg/kg）。Cd、Zn 以 CdCl2、ZnSO4溶液形式加入，每箱澆水至田間持水量的60%，放置10 d后栽插甘薯。選擇生長狀態(tài)基本一致的甘薯苗進(jìn)行栽插，每箱種植4株，所有處理重復(fù)3次。

栽插100 d后收獲。將甘薯的莖、葉、塊根分開收獲，用去離子水洗凈晾干后，塊根切片后與莖、葉一起置于烘箱，在85 ℃條件下殺青30 min，在60 ℃條件下烘干至恒重，粉碎后備用。

1.3 樣品分析

土樣和甘薯的莖、葉、塊根中鎘、鋅元素采用王水（濃硝酸∶濃鹽酸=1∶3）-高氯酸消煮，采用原子吸收分光光度法測定［8］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

富集系數(shù)指植物地上部Cd、Zn含量與相應(yīng)土壤中Cd、Zn含量的比值。富集系數(shù)越大，表明重金屬越容易被植物吸收［9-10］。富集系數(shù)（BCF）=植物各部位Cd、Zn含量/土壤中Cd、Zn含量。

轉(zhuǎn)移系數(shù)則是植物地上某部位Cd、Zn含量與地下部Cd、Zn含量的比值。富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)綜合反映植物對土壤重金屬的吸收和轉(zhuǎn)移能力［11］。轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）=植物某部Cd、Zn含量/地下根部Cd、Zn含量。

試驗所有數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2010進(jìn)行處理。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 重金屬在甘薯可食用部位含量

重金屬Cd、Zn在甘薯可食用部位的含量見表1。由表1可知，甘薯可食用部位重金屬Zn的含量為莖＞葉＞塊根，Cd的含量為塊根＞葉＞莖。隨著重金屬Zn質(zhì)量濃度增大，甘薯葉和塊根中的Zn含量逐漸增加，莖的Zn含量則是先增加再降低，然后逐漸增加。隨著重金屬Cd質(zhì)量濃度的增大，甘薯莖、葉、塊根的Cd含量隨著處理濃度增加先增加后減少再增加。

表1 重金屬Cd、Zn在甘薯可食用部位的含量 mg/kg

2.2 重金屬在甘薯可食用部位富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

Cd和Zn在甘薯可食用部位的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)見表2和表3。

表2 Cd和Zn在甘薯可食用部位的富集系數(shù)

表3 Cd和Zn在甘薯可食用部位的轉(zhuǎn)移系數(shù)

由表2、表3可知，在不同處理下，甘薯莖對Zn的富集系數(shù)差異較大，最高在T5（為1.07），最低在T0（為0.33），表明甘薯莖在T5處理下對Zn的富集能力很強；葉對Zn的富集系數(shù)范圍為0.22～0.84，塊根對Zn的富集系數(shù)范圍為0.16～0.43。甘薯可食用部位對Zn的轉(zhuǎn)移能力較弱，T5處理條件下轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，為0.58。甘薯莖、葉、塊根對Cd富集系數(shù)范圍為0.15～0.84，轉(zhuǎn)移系數(shù)在0.18～0.75，均小于1。甘薯可食用部位對Zn的富集能力、轉(zhuǎn)移能力為莖＞葉＞塊根，對Cd富集能力、轉(zhuǎn)移能力為塊根＞葉＞莖。

2.3 甘薯產(chǎn)地土壤Cd、Zn的安全臨界值

根據(jù)土壤重金屬Cd、Zn含量和甘薯中可食用器官Cd、Zn含量的測定結(jié)果，采用回歸分析方法［12］，擬合土壤Cd、Zn含量（Y）和甘薯中Cd、Zn含量（X）的相關(guān)關(guān)系，建立線性回歸模型。查詢《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB/T 2762—2017）［13］，可知甘薯中Cd的最大允許量為0.1 mg/kg，將Cd的最大值0.1 mg/kg帶入擬合公式，模擬求出安全種植甘薯的土壤Cd臨界值（見表4）。由表4可知，種植甘薯的土壤Cd安全臨界值為莖0.602 mg/kg、塊根0.342 mg/kg、葉0.522 mg/kg。查詢《糧食（含谷物、豆類、薯類）及制品中鉛、鉻、鎘、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》（NY 861—2004）［14］可知，甘薯中Zn的最大限量為50 mg/kg。將Zn的最大值50 mg/kg分別帶入擬合公式，模擬求出種植甘薯的土壤Zn安全臨界值（見表4）。由表4可知，種植甘薯的土壤Zn安全臨界值為莖125 mg/kg、塊根178 mg/kg、葉 151 mg/kg。

表4 Cd、Zn在甘薯可食用部位的含量（X）與土壤中的含量（Y）相關(guān)分析及土壤安全臨界值

根據(jù)《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 332—2006）［15］中土壤環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)限值規(guī)定，在pH值＜6.5條件下，總Cd≤0.3 mg/kg，總Zn≤200 mg/kg。此次試驗?zāi)M結(jié)果限值Zn在規(guī)定范圍內(nèi)，Cd超過規(guī)定限值，表明國家的產(chǎn)地土壤環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)與食物安全標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，在產(chǎn)地環(huán)境劃定中，需要同時考慮土壤與作物標(biāo)準(zhǔn)的差異，以便科學(xué)地指導(dǎo)產(chǎn)地環(huán)境安全劃定。

3 結(jié)論

根據(jù)此次試驗研究可知，甘薯可食用部位對Zn的富集能力為莖＞塊根＞葉，對Cd的富集富集能力為塊根＞葉＞莖；種植甘薯的土壤重金屬Cd的安全臨界值分別為莖0.602 mg/kg、塊根0.342 mg/kg、葉0.522 mg/kg，種植甘薯的土壤重金屬Zn的安全臨界值分別為莖125 mg/kg、塊根178 mg/kg和葉151 mg/kg。