蓬萊仙界園區土壤-蔬菜系統重金屬形態解析及關聯特征

吳迪，程志飛，劉品禎,，杜啟露，張林

1. 貴州師范大學 貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室，貴州 貴陽 550001；

2. 黔南民族師范學院化學化工學院，貴州 都勻 558000；3. 貴州科學院生物研究所，貴州 貴陽 550001

土壤是保障蔬菜安全的基本，也是重金屬污染物的接納地，而重金屬的累積和遷移會改變土壤理化性質并影響微生物代謝，導致土壤生產質量降低（黃東風等，2017；Wiese et al.，1997）。土壤重金屬具有隱蔽性且難降解，在微生物作用下易轉化為毒性大且利于植物吸收的形態（鄒素敏等，2017；林承奇等，2016），當土壤中重金屬的可利用態含量超過蔬菜所需量和可耐受程度時，一定程度上會影響植物生長，嚴重的會造成環境公害病（痛痛病、水俁病）和重金屬污染事件（臨沂砷污染、鳳翔鉛污染、龍江鎘污染、鎘大米）。據調查，全國64.8%的土壤和1/5的耕地土壤受到重金屬污染，其中以Hg和Cd污染面積最大（茹淑華等，2016；環境保護部，2014）。土壤中重金屬易被蔬菜吸收累積進入食物鏈富集到人體（Bian et al.，2009；李如忠等，2013），造成直接性危害或潛在健康風險（血鉛超標）（楊晶等，2014），故被列為蔬菜安全生產優先控制的污染物之一。因此，研究土壤-蔬菜系統中重金屬的化學形態及關聯特征極其重要。

貴陽市白云區是全國最大的鋁工業基地和全省重要的新型工業化基地，礦產開采容易引發土壤重金屬污染，導致土壤生產力降低，并被蔬菜富集吸收（Blaser et al.，2000；吳迪等，2013；Hu et al.，2013）。目前，有關土壤-蔬菜系統重金屬污染研究主要集中在土壤和蔬菜中重金屬總量的污染狀況，然而僅從重金屬總量上評價土壤-蔬菜的污染狀況并不能準確反映其毒性效應（楊宏偉等，2011）。因此，筆者選取貴陽市白云區具有代表性的農業園區——蓬萊仙界園區為研究區域，對土壤-蔬菜系統中重金屬的存在形態、生物有效性和關聯特征等內在機制進行探究并規劃蔬菜種植模式，為土壤-蔬菜系統安全研究提供參考，對促進農業的可持續發展，農產品安全保障具有一定意義。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

蓬萊仙界生態園區位于有“全國農業標準化示范縣”之稱的貴陽市白云區，該園區是以蔬菜、食用菌、珍稀植被為主的特色蔬菜產業基地，包含食用菌產業園、蔬菜產業帶、花卉苗木產業帶、休閑觀光產業帶，蔬菜種植以番茄Lycopersicon esculentum、胭脂蘿卜Raphanus sativus、豌豆Pisum sativum、甘藍 Brassica oleracea、紅油菜 Brassica napus、白菜Spinacia oleracea為主。白云區位于東經 107°30′～108°13′，北緯 28°11′～29°05′，礦產資源豐富，分布有鋁土礦、鐵礦、原煤等，全區海拔1300 m左右，氣溫-4～33 ℃，年降雨量1170～1200 mm。

1.2　樣品采集與分析方法

1.2.1樣品采集

為確保樣品始源性、地域性，以生態園區為研究區域進行系統采樣。基于不同蔬菜種植區的環境背景污染程度的差異，設置了6個采樣區，每個種植區選擇500 m2區域按照“S”型布點法采集4～6個蔬菜樣品和對應點位的表層土壤（0～20 cm），供試樣區土壤 pH、有機質和陽離子交換量測定結果如表1所示。不同品種蔬菜樣品經超純水洗凈，分別取根、莖、葉組織于 105 ℃下殺青，40 ℃下恒重粉碎，過2 mm尼龍篩待測；土壤樣品自然風干、研磨后分別過20和100目篩，供測定土壤pH值和重金屬含量。

表1　土壤酸堿度、陽離子交換量、有機質平均值統計Table 1　Means of soil pH, cation exchange and organic matter

1.2.2樣品處理

蔬菜組織的消解（魯如坤，2000）：采用濃HNO3-30% H2O2微波消解法（美國CEM公司Mars 6）消解。土壤Pb、Cd和Cr的消解：稱取0.2000 g樣品于聚四氟乙烯罐中，用HNO3-HClO4-HF混酸處理，靜置過夜，置于電熱板上消解。土壤 Hg、As的消解：取0.2000 g土樣于50 mL具塞比色管中，加入10 mL 50%王水，水浴浸提2 h，開蓋趕酸至約1 mL，加入5 mL 10%硫脲（m/V）和5 mL濃鹽酸定容。

采用BCR連續分級提取法（林承奇等，2016）對每個蔬菜種植區土壤（采自同一種蔬菜種植區的土壤充分混合）中重金屬元素的酸可提取態、可還原態、可氧化態和殘渣態進行連續分級提取。步驟如下，（1）酸可提取態：稱取1 g土樣于100 mL離心管中，加入40 mL 0.11 mol·L-1CH3COOH溶液，于 25 ℃、200 r·min-1搖床上連續振蕩 16 h，4000 r·min-1離心15 min，收集上清液，即得酸可提取態。向殘渣中加入20 mL去離子水振蕩15 min后，棄去洗滌液，殘渣供下一步試驗用。（2）氧化結合態：向殘渣中加入 0.5 mol·L-1鹽酸羥胺和 0.05 mol·L-1HNO3混合液 40 mL，于 25 ℃、200 r·min-1搖床上連續振蕩16 h，4000 r·min-1離心15 min，收集上清液，即得氧化結合態。殘渣供下一步試驗用。（3）有機結合態：向殘渣中加入10 mL H2O2（30%），用HNO3調節pH至2～3，松開蓋子，室溫下放置1 h，85 ℃恒溫水浴 1 h，開蓋，繼續加熱至體積不多于3 mL，添加10 mL H2O2，85 ℃恒溫水浴1 h，開蓋加熱至體積為1 mL，冷卻，加50 mL 1.0 mol·L-1醋酸銨溶液（pH=2），連續振蕩16 h，離心過濾，收集濾液，即得有機結合態。（4）殘渣態：殘渣態重金屬含量為重金屬總量與其他3種形態重金屬含量之差。

1.2.3樣品分析與質量控制

采用原子吸收分光光度法（德國耶拿公司ZEEnit 700P）測定 Pb、Cd、Cr；原子熒光光譜法（北京吉天AFS-933）測定Hg、As。pH采用2.5∶1水土比電位法。試驗藥品均為優級純，測定過程采用GBW-07456和 GBW10020、雙空白、20%平行樣質控，相對偏差均小于 5%，加標回收率在95.2%～114.6%之間，測定結果均在允許誤差范圍內。

1.3　計算與評價方法

1.3.1土壤重金屬污染評價方法

本研究采用Nemero綜合污染指數評價土壤重金屬污染狀況（夏芳等，2017）：

式中，P為土壤重金屬綜合污染指數；Ci為重金屬 i的實測值（mg·kg-1）；Si為貴州省土壤重金屬 i的背景值；Ci/Si為土壤重金屬i的單因子污染指數。土壤重金屬綜合污染指數分級標準如表2所示。

1.3.2土壤-蔬菜系統重金屬的綜合質量評價方法

本研究采用農田土壤重金屬復合影響中的綜合質量影響指數（IICQ）評價研究區土壤-蔬菜系統重金屬的綜合污染狀況，綜合質量影響指數為土壤綜合質量影響指數（IICQs）和蔬菜綜合質量影響指數（IICQv）之和，公式如下：

表2　綜合污染指數分級標準Table 2　Grading standards of integrated pollution index

式中，Ci為土壤中i種重金屬的實測值；Csi為i種重金屬的國家土壤環境質量Ⅱ類標準限值（GB15618—1995，6.5＜pH＜7.5）；CBi為貴州省i種重金屬的土壤背景值；n為測定i種重金屬的氧化數；N是測定重金屬的數目；Cvi是土壤相應點位蔬菜中 i種重金屬的實測值；CLSi是無公害蔬菜（GB18406.1—2001）中i種重金屬的限量標準；X、Y分別為土壤重金屬實測值超過國家Ⅱ類標準值和背景值的數目；Z為蔬菜中超過無公害蔬菜限量標準的重金屬元素數目；k=5為校正因子。土壤-蔬菜系統綜合質量影響指數分級標準如表3所示。

表3　綜合質量指數分級標準Table 3　Grading standards of comprehensive quality impact index

1.3.3土壤重金屬的生物有效性和環境風險程度

根據重金屬與土壤結合力的強弱和土壤中重金屬遷移至食物鏈能力的大小，采用 RAC風險評估指數（杜曉林，2012）表征，公式如下：

式中，Ci表示重金屬i酸可提取態的實測值；C表示對應重金屬不同形態的總量。土壤重金屬的生物可利用性及環境風險程度等級，如表4所示。

1.3.4蔬菜重金屬富集系數

富集系數（Bio-accumulation factor，BAF）能大致反映蔬菜某組織或器官在相同土壤重金屬含量條件下對該重金屬元素的富集能力，BAF值越大，表明蔬菜吸收重金屬的能力越強，抗土壤重金屬污染的能力越弱（Cheng et al.，2011）。計算公式如下：

表4　生物可利用度和環境風險程度RAC值Table 4　Bioavailability and environment risks of different RAC

式中，BAF為蔬菜某組織或器官的富集系數；Cv表示蔬菜某組織或器官中重金屬的含量（mg·kg-1）；Cs為蔬菜對應點位土壤中重金屬的含量（mg·kg-1）。

1.4　數據處理

重金屬污染指數、質量影響指數和富集系數采用Excel 2016計算分析，，圖形采用Origin 6.0繪制。

2　結果與討論

2.1　土壤重金屬含量特征

研究區土壤-蔬菜重金屬含量統計結果如表 5所示。由表5可知，蔬菜種植區整體表現為土壤中Pb和Hg含量均高于貴州省背景值，其中Hg超標最為嚴重；不同蔬菜受重金屬污染程度不同，蔬菜均表現為受Hg和Cd污染，對比土壤-蔬菜受污染程度發現：土壤受某重金屬污染時不一定會導致蔬菜受到相同元素的污染；研究區表現為以Hg為主的多種重金屬混合污染。。

2.2　土壤重金屬污染評價

2.2.1不同蔬菜種植區土壤的重金屬單因子污染指數

不同蔬菜種植區土壤中重金屬單因子污染指數如表6所示。結合表5發現：除Cd外，土壤中Pb、Cr、Hg和As含量幾乎都高于貴州省背景值（Pb：35.2 mg·kg-1、Cr：95.9 mg·kg-1、Cd：0.659 mg·kg-1、Hg：0.11 mg·kg-1、As：20 mg·kg-1)。Hg 的單因子污染指數最大，其含量高于貴州省背景值2～3倍，外源污染嚴重并且存在累積現象，其大小順序為：番茄地（3.91）＞甘藍地（3.82）＞豌豆地（3.00）=紅油菜地（3.00）＞白菜地（2.71）＞胭脂蘿卜地（2.27）。Pb、Cr和As次之，單因子污染指數相差不大。不同蔬菜種植區土壤中Cd的單因子污染指數最小，均未超過貴州省背景值，潛在危害較小。其大小順序為：番茄地（0.96）＞甘藍地（0.76）＞胭脂蘿卜地（0.68）＞白菜地（0.63）＞紅油菜地（0.53）＞豌豆地（0.49）。綜上可知，不同蔬菜種植區重金屬累積情況存在差異，園區土壤受到不同程度的Pb、Cr、Cd、Hg、As污染，但污染程度不明顯。

表5　土壤和蔬菜中重金屬含量Table 5　Content of heavy metals in soil and vegetables　　　　　　　　　mg·kg-1

圖6　不同蔬菜種植區土壤的重金屬單因子污染指數Table 6　The single factor pollution index of heavy metals in vegetable area

2.2.2不同蔬菜種植區土壤的重金屬綜合污染指數

考慮到Pb、Cr、Cd、Hg和As的綜合效應，本研究分析了不同蔬菜種植區土壤的重金屬綜合污染指數，結果如圖1所示。結果表明，番茄土壤和甘藍土壤污染最為嚴重，屬于中污染級別，胭脂蘿卜土壤污染最輕，屬于輕污染范疇，研究區域的土壤重金屬綜合污染指數大小為：番茄地（2.98）＞甘藍地（2.90）＞紅油菜地（2.36）＞豌豆地（2.33）＞白菜地（2.18）＞胭脂蘿卜地（1.85），綜合污染指數大小順序與單因子污染指數順序不同，表明不同蔬菜利用類型對土壤重金屬的富集能力不同。

2.3　土壤-蔬菜系統土壤重金屬賦存形態解析

2.3.1土壤重金屬形態特征

圖1　不同蔬菜種植區土壤的重金屬綜合污染指數Fig. 1　Comprehensive pollution index of heavy metals in soils of different vegetable areas

圖2　研究區土壤重金屬的不同賦存形態占比Fig. 2　Percentage of different forms of heavy metals

重金屬在土壤-蔬菜之間的生物毒性受元素形態影響，不同形態重金屬的毒性和遷移速率不同。由圖2可知，蔬菜種植區土壤Cr、Hg和As不同賦存形態總體表現為：殘渣態＞可氧化態＞可還原態＞酸可提取態，其中，Cr和As以殘渣態所占比例最大，分別為89.63%和98.82%，遠大于其他3種形態之和；就Pb和Cd而言，其殘渣態和可氧化態相差不大，可能存在相同的污染來源；Pb、Cr和 As酸可提取態占比較低，分別為 0.73%、0.02%和0.23%。除Hg可氧化態與殘渣態相差不大外，Pb、Cr、Cd和As均主要以殘渣態形式存在，不同元素各形態分配比例差異顯著，可能與有機質含量（13.58 g·kg-1）和陽離子交換量（13.82 cmol·kg-1）有關（陳玉成等，2003）。結合不同蔬菜種植區土壤基本理化性質（表 1）可知，研究區土壤呈弱酸性，豌豆區pH最大（6.90）；白菜區pH最小（4.92），酸化嚴重，容易導致土壤中的金屬離子釋放，使重金屬結合態的含量下降。土壤陽離子交換量（CEC）直接反映土壤膠體所能吸附陽離子的能力，是施肥保蓄的重要參考；不同蔬菜樣區土壤 CEC差異明顯，其大小順序為：胭脂蘿卜＞番茄＞甘藍＞白菜＞紅豌豆＞油菜，變幅為 8.48～15.82 cmol·kg-1。有機質為蔬菜生長提供營養外，對土壤結構、改善土壤物理性狀具有一定的作用，對重金屬的絡合和富集能力強（Baize，2000），不同蔬菜種植區有機質含量大小順序為：白菜＞紅油菜＞胭脂蘿卜＞番茄＞甘藍＞豌豆，白菜種植區土壤有機質含量最大為 19.72 g·kg-1，相對于其他蔬菜品種，其對重金屬有效態的生物可利用度能得到一定程度的減弱。

2.3.2重金屬的活性態和非活性態

重金屬的活性態是酸可提取態、可還原提取態、可氧化提取態之和。活性態與重金屬危害程度關系密切，易被植物體吸收放大，參與生物鏈循環并累積。由表7可知，重金屬元素活性態所占比例大小順序為：Hg＞Cd＞Pb＞Cr＞As。研究區總土中 Hg、Cd和Pb能被蔬菜吸收參與生物鏈進行物質循環的活性態含量較高，分別為48.98%、44.44%、39.40%，潛在危害性較高。不同重金屬元素對生態系統的危害能力存在差異，僅從活性態所占比例評價重金屬元素的危害性不夠全面。

表7　重金屬活性態和非活性態的比例Table 7　The proportion of active and residual fractions of heavy metals%

2.3.3重金屬的生物有效性與環境風險

從表8可知，Cd的風險程度最高，處于中等風險水平；Hg次之，處于低風險水平，Pb、Cr和As的生物可利用度極低，均處于無風險水平。雖然Hg和Pb的酸可提取態較低，但土壤中有機物種類及含量會影響酸可提取態的變化（Horiguchi et al.，2004；鄭順安等，2013），因此，Hg和Pb可能存在一定的潛在風險。

2.4　土壤-蔬菜系統重金屬綜合質量評價

土壤-蔬菜系統重金屬綜合質量評價結果如圖 3所示。由圖可知，不同蔬菜種植區土壤-蔬菜系統中重金屬 IICQ指數大小順序為：番茄（3.92）＞紅油菜（3.37）＞白菜（3.33）＞胭脂蘿卜（3.32）＞甘藍（3.25）＞豌豆（2.74），其中，除土壤-豌豆蔬菜系統屬于輕度污染外，其余土壤-蔬菜系統均屬于中度污染。對比不同土壤-蔬菜系統重金屬綜合質量影響指數發現，胭脂蘿卜、紅油菜和白菜土壤-蔬菜系統重金屬綜合質量影響指數基本一致，但不同蔬菜種植區土壤重金屬含量和各種形態存在很大差異，從而導致不同蔬菜重金屬富集系數不同。就土壤綜合質量而言，其IICQS大小順序為：紅油菜（1.45）＞番茄（1.42）＞白菜（1.41）＞胭脂蘿卜=豌豆（1.40）＞甘藍（1.36），研究區土壤綜合質量指數整體表現為：1＜IICQs＜2，屬于輕微污染，表明研究區自然背景相似，受人為影響破壞較小。就蔬菜綜合質量影響指數而言：番茄IICQv最大，為2.50，污染最嚴重，對重金屬的富集能力最強；胭脂蘿卜、甘藍、紅油菜、白菜的IICQv值在1.90上下波動，污染較輕；豌豆的IICQv最小，受污染最輕，抵抗重金屬污染的能力最強，建議該研究區種植豌豆。

表8　土壤各重金屬元素生物可利用性與風險程度Table 8　Bioavailability and risks of different heavy metals

圖3　土壤-蔬菜系統重金屬綜合質量影響指數Fig. 3　Comprehensive quality index of heavy metals in soil-vegetable system

2.5　土壤-蔬菜系統不同蔬菜組織對Hg和Cd的富集特性

根據“2.3.2重金屬的活性態和非活性態”中“重金屬元素活性態所占比例大小順序為：Hg＞Cd＞Pb＞ Cr＞As”和“2.3.3 重金屬的生物有效性與環境風險”中“Cd處于中等風險水平，Hg處于低風險水平”可知，Cr、As、Hg的生物可利用性很低，故主要分析不同蔬菜對Hg、Cd和Pb的富集特性。不同蔬菜組織對土壤中Pb和Cd的富集能力如表9所示。

表9　不同蔬菜組織對Cd、Hg的富集能力Table 9　Accumulation ability of Pb, Cr, Cd, Hg, As in different vegetable tissues

由表9可知，番茄葉和白菜葉對Hg的富集系數均高于其他蔬菜的葉組織，表明并非僅葉菜類蔬菜葉部位對Hg富集敏感，番茄葉組織富集Hg的能力同樣很強；胭脂蘿卜的根和莖組織對Hg的富集能力相差不大，豌豆則表現為莖與葉富集Hg能力差異不大，但甘藍根與莖對Hg的富集能力遠大于其葉。

不同蔬菜組織對 Pb和 Cd的富集能力差異明顯，番茄根和胭脂蘿卜的不同組織對 Pb的富集系數大小順序為：根＞莖＞葉，其中，根對土壤中 Pb的富集能力遠高于對應蔬菜的莖葉對 Pb的富集能力；豌豆和甘藍的不同組織對 Pb的富集系數差異不明顯，Pb主要累積在豌豆和甘藍的莖部，其次為根部；紅油菜和白菜的不同組織對 Pb的富集系數大小順序為：葉＞莖＞根，其中，葉對土壤中 Pb的富集系數遠高于對應蔬菜的根莖，表明葉類蔬菜比其他種類的蔬菜更容易累積Pb。另外，發現紅油菜和白菜的根部和莖部對土壤中 Pb的富集能力差異不大。總體而言，不同蔬菜對 Pb的富集能力表現為：番茄、紅油菜和白菜的總富集能力較高，豌豆、甘藍的富集能力最弱。

研究區蔬菜對Cd的富集能力均高于其他重金屬元素，主要是因為Cd的活性較強，在酸性條件下容易被蔬菜作物吸收（李其林，2000）。葉菜類蔬菜甘藍、白菜和紅油菜可食用部分的富集能力較高，抗Cd富集能力最強的是豌豆，建議研究區種植豌豆和甘藍，發展農業健康型蔬菜。

3　結論

（1）研究區土壤受Pb、Cr、Cd、Hg、As的污染差異明顯，Hg的單因子污染指數最大；不同蔬菜種植區土壤-蔬菜系統中重金屬IICQ指數大小順序為：番茄（3.92）＞紅油菜（3.37）＞白菜（3.33）＞胭脂蘿卜（3.32）＞甘藍（3.25）＞豌豆（2.74），除土壤-豌豆蔬菜系統屬于輕度污染外，其余土壤-蔬菜系統均屬于中度污染。

（2）土壤中Pb、Cr、Cd、As的形態分配比例和活性態差異顯著。均以殘渣態為主，Cr、Hg和As形態特征相似；Cd（14.81%）的酸可提取態占比遠大于其他元素，應當引起重視；Hg、Cd和Pb的活性態含量較高，分別為 48.98%、44.44%和39.40%，潛在危害性較高。

（3）番茄葉和白菜葉對Hg的富集系數均高于其他蔬菜的葉組織，番茄根和胭脂蘿卜根對 Pb的富集能力遠高于莖葉，Pb主要累積在豌豆和甘藍的莖部，其次為根部，紅油菜葉和白菜葉對 Pb的富集系數高于其根莖；甘藍、白菜和紅油菜富集 Cd的系數較高；豌豆對 Cd的富集能力最弱，IICQv最小，受污染最輕，抵抗重金屬能力最強。因此，建議研究區種植豌豆。

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