湘江長沙段葉菜類蔬菜重金屬富集規律及污染評價

袁列江 楊夢昕 李萌立 李忠海

（1.湖南省產商品質量監督檢驗研究院，湖南 長沙 410007；2.中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

湘江流域是湖南省工、農業的重要發展中心，與人們生活健康息息相關［1］。現今湘江重金屬污染仍是一個備受關注的話題。盡管目前對于湘江流域重金屬污染情況已有一定的研究，但大部分是針對礦區周邊的水稻、大豆等農作物展開［2－8］的，對于湘江長沙段的研究仍不多見，尤其是在居民自主種植區域，缺乏對其作物安全性的統一監測，土壤及作物的安全性值得考究。

蔬菜是人們日常生活必不可少的食物之一，提供人體所必須的多種維生素和礦物質。蔬菜質量直接影響人們身體健康，蔬菜中重金屬含量也是評價蔬菜質量的重要指標。受到重金屬污染的蔬菜作物其植株處于重金屬脅迫環境中，使得作物光合作用速率和呼吸速率降低，合成酶作用下降，水解酶活力增強［9］，且大部分重金屬能與植株體內許多酶產生螯合作用，破壞了酶的活性，從而影響蔬菜作物的生長［10］。葉菜類蔬菜富集重金屬能力高于根莖類和瓜果類［11］，因此對湘江長沙段葉菜類蔬菜展開重金屬富集研究對長沙居民生活和飲食安全具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品制備與處理

為研究湘江長沙段葉菜類蔬菜重金屬富集情況，于2013年至2014年對長沙湘江沿岸居民種植葉菜類蔬菜區域進行布點和采樣，以湘府路大橋為起點，橘子洲大橋為終點，共選取沿岸5個面積較大的蔬菜種植區，由南往北定位分別為：暮云鎮、洋湖濕地、猴子石大橋、中南大學新校區、牌樓口。每個種植區選取小白菜（Brassicachinensis）、紅菜苔（BrassicacompestrisL.var.purpureaBailey）、雪里紅（Brassica junceavar.multiceps）這3種葉菜類蔬菜作為研究對象，所有蔬菜樣品均采用多點混合法且整株手工采集，共采集蔬菜樣品150個；在蔬菜種植地按S形采樣法，多點混合成一個樣品，共采集土壤樣品50個，采集深度為耕作層0～20cm。所有蔬菜樣品采集后先經自來水沖洗掉表面附著的泥土灰塵，再經超純水洗凈，晾干并于70℃下烘干至恒重。取出后將蔬菜分根、莖、葉等部分進行粉碎、研磨，備用。

蔬菜樣品用干法灰化進行前處理后，定容至25mL容量瓶內，同時做試劑空白。

土壤樣品經自然風干后，除去土樣中石塊和動植物殘體等異物，通過2mm尼龍篩，混勻。用研缽將通過2mm尼龍篩的土樣研磨至全部通過100目尼龍篩，混勻后，參考GB/T 17141—1997，用硝酸、氫氟酸和高氯酸進行濕法消解。

1.2 試劑與儀器

Zn、Cu、Cd、Pb標準儲備液：均為1 000μg/mL，國家標準物質中心；

硝酸、高氯酸、氫氟酸等：優級純，國藥集團化學試劑有限公司；

水：超純水，電阻率＞18.2MΩ，本實驗自制；

超純水儀器：P20-W型，國之源水專家廠；

原子吸收分光光度計：PinAAcle 900T型，鉑金埃爾默儀器有限公司；

電熱板：DB-2型，北京光明醫療儀器廠。

1.3 測定條件及方法

采用原子吸收分光光度計測定樣品中Pb、Cd、Cu和Zn 4種元素的含量。本試驗所使用的容器均用稀硝酸浸泡過夜。

1.4 數據分析與評價方法

采用單因子污染指數和多因子綜合污染指數法［12］對蔬菜作物做重金屬污染評價，計算公式如下：

式中：

Pi——農作物污染指數；

Ci——農作物污染物i的實測濃度，mg/kg；

Si——農作物污染物i的評價標準，mg/kg；

Po——綜合污染指數；

Pimax——最大單項污染指數；

Pavg——評價單項污染指數。

將Po值劃分為4個污染級別：非污染，Po≤1；輕度污染，1≤Po≤2；中度污染，2≤Po≤3；重污染，Po≥3。

富集系數是反映植物對重金屬富集能力的強弱的指標，計算公式如下：

式中：

Tc——農作物中重金屬富集系數；

ML——農作物根莖葉中重金屬含量，mg/kg；

MR——土壤中重金屬含量，mg/kg。

2 結果與討論

2.1 不同采樣點中土壤、灌溉水中重金屬含量分布

通過單因素方差分析（P＜0.05），鋅、銅在中南大學新校區采樣地中含量最高，分別高達511.05，86.35mg/kg，在暮云鎮采樣地中含量最低；鉛、鎘在洋湖濕地采樣地中含量最高，分別高達141.70，27.29mg/kg，鉛在暮云鎮采樣地中含量最低，鎘在暮云鎮和猴子石大橋采樣地含量無顯著差異。與《土壤環境質量標準》相比，30%的土壤樣品Zn含量超過Ⅱ級標準限量1.4～2.2倍；全部土壤樣品Cd含量超出標準限量，超出范圍13.8～91.3倍；土壤中Cu和Pb均未超過《土壤環境質量標準》Ⅱ級標準限量，但有大部分樣品不同程度地超出湖南省土壤相應元素背景值。除暮云鎮外，其他采樣點中Cu含量超出湖南省土壤Cu背景值1.7～3.4倍；所有采樣點Pb超出湖南省土壤Pb背景值1.2～5.2倍。由此看出，研究區域均受到重金屬不同程度的污染，其中以Zn、Cd較為嚴重。

表1 土壤中重金屬含量Table 1 Heavy-metal content in soil（n＝10）

由表2可知，每個采樣點灌溉水中重金屬含量存在一定差異，這對不同區域的蔬菜重金屬積累或存在影響。但灌溉水樣品中Zn、Cu、Pb和Cd含量較微量，均低于GB 5084—2005中農田灌溉用水相應污染物限量值，總體看來，研究區域中灌溉用水質量較好，適合用于農田灌溉。

表2 灌溉水中重金屬含量Table 2 Heavy metal content of irrigation water（μg·L－1）

表2 灌溉水中重金屬含量Table 2 Heavy metal content of irrigation water（μg·L－1）

nd為未檢出。

采樣點Zn Cu Pb Cd暮云鎮10 1.373 0.503 0.033 0.019洋湖濕地 3.326 7.186 nd nd猴子石大橋 18.398 3.730 nd 0.038中南大學新校區 2.222 5.982 0.052 0.068牌樓口 Nd 7.667 0.132 nd GB 5084—2005 ≤2 000 ≤1 000 ≤200 ≤

2.2 葉菜類蔬菜作物重金屬分布規律

圖1 湘江長沙段不同采樣點蔬菜作物各組織中Zn的平均值Figure 1 Contents of Zn in different parts of vegetables by Changsha section in Xiangjiang River

就不同采樣點所分析的葉菜類蔬菜來看，各組織中重金屬含量有很大差異（見圖1～4）。Zn、Cu、Pb和Cd在蔬菜根中含量平均范圍為5.34～112.34，0.820～11.578，0.32～5.85，0.14～1.27mg/kg，在蔬菜莖葉中含量平均范圍為2.31～80.75，0.65～9.11，0.11～1.72，0.041～0.432mg/kg。蔬菜樣品中，4種重金屬含量濃度依次為：Zn＞Cu＞Pb＞Cd，Zn、Cu屬于蔬菜作物常見微量元素，故含量會相對較高；不同葉菜類蔬菜作物，根系中重金屬含量均高于同種蔬菜莖葉中相應金屬含量。這是由于大部分蔬菜作物中不同組織吸收積累重金屬能力有所差異，其規律為：吸收器官＞輸導器官和同化器官＞繁殖器官［14］，農作物根系部分屬吸收器官［15］，故積累能力比莖葉組織強；并且有試驗表明：作物非食用部分積累重金屬能力大于可食用部分［16］，而葉菜類蔬菜根莖組織為其可食部位，故積累能力較根系部分弱。

2.3 不同種類的葉菜類蔬菜重金屬富集情況比較

由表3可知，不同重金屬在3種蔬菜中富集能力有所差異，且呈現相似富集規律，4種重金屬在紅菜苔、小白菜和雪里紅這3種葉菜類蔬菜中平均富集能力依次為Zn＞Cu＞Cd＞Pb，且Pb在蔬菜中的積蓄能力與Zn、Cu和Cd有顯著差異，明顯偏低，說明Pb在蔬菜－土壤系統中移動性較弱。這是因為Pb在進入土壤后易與土壤中的有機物和礦物質相結合，形成難溶性物質，使得Pb積累在土壤表層（見表1）。在進入植物組織后，又會大部分集中于農作物根部，難以向莖、葉 遷移［17，18］。Cd雖然在土壤和蔬菜作物中含量均相對較低，但其在蔬菜中有較強的富集能力，且采樣地土壤均為酸性土壤，Cd在偏酸性土壤中溶解度增大，使其富集能力增強，該結果與相關文獻［2，19－21］報道相類似。Zn、Cu在蔬菜中富集能力強可能是由于在蔬菜作物生長過程需要這兩種微量元素，且其為葉綠體組成元素，在光合作用較強的葉菜類蔬菜中會有較大的積累和較強的富集。

圖2 湘江長沙段不同采樣點蔬菜作物各組織中Cu的平均值Figure 2 Contents of Cu in different parts of vegetables by Changsha section in Xiangjiang River

不同種類蔬菜對于重金屬富集能力不同。Zn在3種蔬菜中富集能力依次為：雪里紅＞小白菜＞紅菜苔；Cu富集能力依次為：小白菜＞雪里紅＞紅菜苔；Pb、Cd富集能力依次為：小白菜＞紅菜苔＞雪里紅，說明小白菜對于Pb、Cd這種危害較大的重金屬元素有較強的積累能力，受Cu、Pb和Cd污染的地域應注意減少小白菜的種植。以上規律與蔬菜作物中相應元素積累量大小規律相類似，說明不同蔬菜對同種重金屬的富集能力在其含量上有所體現。

圖3 湘江長沙段不同采樣點蔬菜作物各組織中Pb的平均值Figure 3 Contents of Pb in different parts of vegetables by Changsha section in Xiangjiang River

圖4 湘江長沙段不同采樣點蔬菜作物各組織中Cd的平均值Figure 4 Contents of Cd in different parts of vegetables by Changsha section in Xiangjiang River

表3 重金屬在蔬菜中富集系數Table 3 Enrichment coefficient of heavy metal in vegetables（n＝50）

2.4 葉菜類蔬菜可食部分污染評價

通過單因子污染指數和尼梅羅綜合污染指數［12］對樣品數據做了污染評價，紅菜苔可食部分中Zn、Cu、Pb和Cd合格率分別62.3%，100.0%，41.5%，57.4%；小白菜可食部分中Zn、Cu、Pb和Cd合格率分別為43.2%，100.0%，39.6%，19.3%；雪里紅可食部分中Zn、Cu、Pb和Cd合格率分別為36.3%，100.0%，37.5%，43.4%。 綜 合 污 染 指 數 范 圍 為1.12～5.14，其中有60%屬于輕度污染，13.33%屬于中度污染，重度污染達26.67%。污染指數最高的是洋湖濕地的紅菜苔，且在洋湖濕地所采集的三類蔬菜樣品均為重度污染，說明該區域葉菜類蔬菜已受到重金屬嚴重污染，應采取適當防治措施。

2.5 葉菜類蔬菜與環境因素相關性分析

對葉菜類蔬菜與環境因素的進一步分析，得知不同葉菜類蔬菜中重金屬含量與種植土壤及灌溉水中重金屬含量存在一定的相關性（見表4）。此外，3種不同蔬菜間重金屬含量呈顯著相關，該現象說明在同一種植區中，不同種類的葉菜類蔬菜重金屬積累情況與該種植區的土壤和灌溉水中重金屬積累情況呈相似的變化趨勢。而由前面討論可知，灌溉水中重金屬含量較低，符合農田灌溉要求，故研究區域中的蔬菜重金屬積累主要受到土壤的影響。由此可知，對湘江長沙段蔬菜作物的重金屬治理應從該區域土壤的重金屬治理入手。

表4 葉菜類蔬菜、土壤及灌溉水中重金屬含量的相關性分析Table 4 Correlation coefficient of heavy metals in vegetables，soil and water

表4 葉菜類蔬菜、土壤及灌溉水中重金屬含量的相關性分析Table 4 Correlation coefficient of heavy metals in vegetables，soil and water

＊＊表示在0.01水平（雙側）時顯著相關；＊表示在0.05水平（雙側）時顯著相關。

樣品 紅菜苔 小白菜 雪里紅 土壤 灌溉水紅菜苔 1 0.965＊＊ 0.983＊＊ 0.770＊＊ 0.511＊小白菜 1 0.982＊＊ 0.704＊＊ 0.477＊＊雪里紅 1 0.723＊＊ 0.529＊土壤 1 0.242灌溉水1

3 結論

（1）研究區域土壤均受到重金屬不同程度的污染，其中以Zn、Cd較嚴重；灌溉水質量較好，適于農田灌溉。

（2）葉菜類蔬菜中不同重金屬含量有很大差異，濃度依次為：Zn＞Cu＞Pb＞Cd；不同組織重金屬含量分布為：根系＞莖葉。4種重金屬在紅菜苔、小白菜和雪里紅這3種葉菜類蔬菜中平均富集能力依次為Zn＞Cu＞Cd＞Pb，小白菜對于Cu、Pb和Cd有較強的積累能力，受Cu、Pb和Cd污染的地域應注意減少小白菜的種植。

（3）綜合污染指數表明：采集樣品均受到不同程度的污染，污染指數最高的是洋湖濕地的紅菜苔，且在洋湖濕地所采集的三類蔬菜樣品均為重度污染，說明該區域葉菜類蔬菜已受到重金屬嚴重污染，應采取適當防治措施。

（4）不同種類的葉菜類蔬菜中重金屬富集情況與環境中土壤、灌溉水中重金屬含量呈現不同程度的相關性，其中受土壤影響較大，故湘江長沙段農作物重金屬治理需重視該區域土壤的重金屬治理。

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