不同類型土壤-小白菜中Hg轉移的主控因素和預測模型

高 藝，鄭向群，楊 波

（農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191）

Hg是一種毒性極強的污染物，會造成全球環境和人類健康風險[1]。作為全球污染物關注的重點，Hg是最毒污染物之一，它能通過生物積累和生物識別機制導致不利的生態和毒理學影響[2]。高等植物中的Hg積累導致生物量減少和細胞功能改變，這可能導致相關的人類健康風險[3]。

蔬菜是人類主要食物來源之一，蔬菜Hg污染日益受到人們的關注[4]。胡昌弟等[5]對湖南省部分地區蔬菜基地進行抽檢，其中瀏陽、株洲抽檢的21批蔬菜中Hg、As、Pb全部超標。鄭順安等[6]深入研究后發現葉菜類蔬菜對重金屬Hg的富集一般要大于根莖類和茄果類，在葉菜類中又以小白菜對Hg的富集作用較強。劉泓等[7]綜合評價了福州市郊蔬菜地土壤Hg污染，結果表明福州市郊蔬菜地土壤Hg平均含量為0.79 mg·kg-1，土壤Hg含量超標率達77%。程炯等[8]在福建省沿海地區不同用地土壤重金屬污染研究中發現；Hg是最嚴重的菜園地污染重金屬。曾希伯等[9]對中國不同類型的菜地土壤Hg含量進行分析，結果表明工礦/污灌菜地土壤Hg含量最高，平均含Hg量達2.36 mg·kg-1。另外，考慮到小白菜在我國栽培十分廣泛，南北各地都有分布，因此選擇小白菜作為本次試驗的研究對象。

植物吸收金屬的能力主要通過測定植物的重金屬含量或從土壤到植物的金屬轉移因子來評估[10]。從土壤到植物的Hg轉移因子主要取決于其在土壤中的生物有效性。土壤重金屬生物有效性受到重金屬元素形態和環境因子的影響，也與土壤理化性質如pH、有機物（OM）含量、土壤質地、陽離子交換量（CEC）以及Fe、Al氧化物和硫酸鹽含量有很大關系[11]。已有學者提出僅根據重金屬總濃度進行風險評估通常會導致對實際風險評估的不準確[12]。土壤重金屬總量可以反映土壤污染狀況，但并不足以預測重金屬在土壤-蔬菜系統中的遷移轉化及通過食物鏈對人體造成的健康風險。因此風險評估應考慮重金屬的生物有效性而不是僅考慮重金屬的總含量。目前，針對農業的大多數土壤質量標準沒有充分考慮土壤性質對作物吸收汞效率的影響，并且各標準在不同國家之間有很大差異[13]。之前的研究通常集中在Hg的土壤-植物轉移微觀特征，然而這些研究中的土壤類型和取樣區域通常僅限于較小的范圍，而我國是一個跨越了熱帶氣候帶、亞熱帶氣候帶和溫帶氣候帶等5種氣候類型的國家，主要的土壤發生類型可概括為紅壤、棕壤、褐土、黑土、栗鈣土、漠土、潮土（包括砂姜黑土）、灌淤土、水稻土、濕土（草甸、沼澤土）、鹽堿土、巖性土和高山土等12系列，因此進一步開展Hg在土壤-蔬菜系統中的遷移轉化研究，并根據結果開發預測模型，是評估復雜土壤類型中Hg污染風險的關鍵[14]。因此，本研究選取全國具有代表性的18種土壤類型，通過對土壤添加外源Hg，并種植蔬菜（小白菜），探究不同土壤中控制小白菜吸收累積Hg的主要因素，推導出的適用于各種土壤環境的Hg轉移模型將會具有更廣泛的代表性。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品

在全國各地采集了18種不同理化性質的土壤，涵蓋了10種不同土壤類型。每個樣本點使用不銹鋼鏟采取土壤剖面頂部20 cm土壤樣品，將土壤徹底混合帶回實驗室后室溫下風干，研磨過2 mm篩，用于小白菜種植。各理化性質采用常規分析方法測定。18個土壤樣品的物理和化學特征如表1所示。

1.2 實驗設計

盆栽實驗在天津市農業農村部環境保護科研監測所大棚內進行。外源Hg[介質為Hg（NO3）2·1/2H2O]添加設置3個處理：對照處理（CK），不向土壤中添加外源Hg；低Hg處理，將0.3、0.5、1 mg·kg-1Hg分別加入pH＜6.5、6.5＜pH＜7.5和pH＞7.5的土壤中；高Hg處理，分別在酸性、中性和堿性土壤中加入0.6、1、2 mg·kg-1Hg。盆栽實驗在聚乙烯塑料桶中進行，每盆5 kg土。按設計濃度添加外源Hg溶液后，保持75%的田間持水量，置于玻璃溫室老化90 d。為了確保小白菜的正常生長和發育并排除營養缺乏的可能影響，播種前所有處理施用相同量的氮、磷、鉀底肥，尿素0.15 g·kg-1、Ca（H2PO4）20.05 g·kg-1、K2SO40.10 g·kg-1。以上供試化學物質都是分析性試劑（AR）等級。將底肥與老化土壤混勻后，選擇10顆飽滿種子直接播種于桶表層，再覆上一層干土，生長一周后間苗，選擇長勢茁壯均勻的苗，每盆根據小白菜大小保留3株左右。小白菜生長期間隔日添加去離子水。小白菜生長期一般30～35 d，成熟后收獲地上部分。供試小白菜為四季小白菜（Brassica chinensis），種子購于天津市農科院。盆栽實驗設定3個重復。

1.3 土壤與植物分析

老化3個月后，收集土壤樣品，風干，研磨過100目篩，土壤中總Hg含量用王水消化（GB/T 22105.1—2008）進行分析。具體方法為稱量0.25 g土壤樣品加入50 mL玻璃具塞比色管中，再加入10 mL王水靜置一夜，添加超純水定容到50 mL，然后置于消煮爐100℃消解，冷卻后，取上清液測定其中總Hg含量。

在收獲時，小白菜的可食用部分首先用自來水洗滌，然后用尼龍刷在去離子水中輕輕擦洗以除去粘附的土壤，最后用從Milli-Q系統獲得的超純水徹底沖洗。記錄鮮質量后將小白菜樣品在105℃下殺青30 min，然后置于75℃下干燥至恒質量。使用Retsch-研磨機（GM200，Germany）將樣品粉碎完全后裝入自封袋內備用。根據中國國家食品安全標準（GB/T 5009.17—2014）食品中總Hg和有機Hg的測定方法，在高壓密封消解容器中用HNO3∶H2O2（4∶3）消化可食部分，冷卻后，取上清液測定其中總Hg含量。

為保證分析質量，樣品消解以及上機測定過程中帶有菠菜標準物質（GBW10015）和土壤標準物質（GSS-27、GSS-28）進行質量控制。測Hg所需玻璃器皿均用20%稀硝酸浸泡24 h以上。

表1 供試土壤理化性質Table1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.4 數據分析

生物富集系數（BCF，也稱為轉移因子、累積因子、富集因子）用于評估金屬從土壤到植物的轉移潛力，并可在一定程度上消除區域環境差異[15]。其計算式為：

式中：BCF為小白菜的生物富集系數；C、Q分別為小白菜地上可食部分和土壤中Hg含量。

轉移方程是Freundlich擴展方程的一種，常被用來分析微量元素在土壤-植物系統內的遷移特征，其計算方程為：

式中：a為各環境因子系數；X為土壤基本理化性質（土壤有機質、粒度、土壤陽離子交換量等）。

實驗所用數據采用3次重復的平均值+標準差。用統計軟件包SPSS 18.0和SigmaPlot 10.0分析數據，采用Origin Pro 9.1進行數據繪圖。由于數據為非正態分布，所有數據在分析之前進行對數轉換（pH除外）。

2 結果與分析

2.1 18種土壤不同Hg濃度處理對小白菜地上可食部分生物量的影響

不同土壤及Hg濃度處理對小白菜鮮質量的影響不同（圖1）。在CK組中，新疆灰漠土小白菜鮮質量最大為52.35 g，海南磚紅壤鮮質量最小為0.83 g，平均為16.35 g；低濃度下，新疆灰漠土小白菜鮮質量最大為50.91 g，廣東江門紅壤鮮質量最低為0.88 g；高濃度下，陜西壚土鮮質量最大為53.64 g，廣東江門紅壤鮮質量最低為0.58 g。外源重金屬Hg處理下，與CK組相比，湖南水稻土、云南黃紅壤、新疆灰漠土等土壤環境下，小白菜受重金屬濃度變化的影響較為顯著，生物量均有下降，其中湖南水稻土、新疆灰漠土高濃度Hg處理下生物量分別下降67.1%、41.1%。而黑龍江黑土、陜西壚土、河南潮土等土壤環境下小白菜鮮質量顯著增加，其中河南潮土低濃度和高濃度處理下分別增加177.1%和314.5%。

圖1 18種土壤不同Hg濃度處理下小白菜的地上可食部分生物量Figure1 Biomass of edible parts of Brassica chinensis on the ground under different Hg treatments in 18 soils

圖2 不同Hg濃度處理下小白菜地上可食部分的Hg含量Figure2 The content of Hg in edible parts of Brassica chinensis under different Hg treatments

2.2 不同土壤類型及Hg處理對小白菜Hg含量及富集系數的影響

不同土壤及Hg處理對小白菜可食部分Hg含量影響不同（圖2）。根據中國國家食品衛生標準（GB 2762—2012），蔬菜中總Hg的最大限量值為0.01 mg·kg-1，供試土壤中CK處理小白菜Hg含量均未超標，低濃度處理有16.7%的土壤超標，高濃度處理下有33.3%的土壤超標。結果表明，當土壤Hg濃度超過土壤標準時，小白菜可食部分的Hg濃度不一定超過食品衛生標準。因此，目前的國家土壤質量標準可能高估了小白菜生產的相關風險。其中，CK土壤中小白菜Hg含量最高的是廣東江門紅壤（0.009 2 mg·kg-1），黑龍江黑土最低（0.006 0 mg·kg-1），CK土壤中小白菜Hg含量平均值為0.002 8 mg·kg-1。低濃度處理下，Hg含量最高的是安徽黃棕壤（0.027 5 mg·kg-1），最低值為黑龍江黑土（0.000 2 mg·kg-1），低濃度Hg處理土壤小白菜Hg含量平均值為0.005 7 mg·kg-1，是相應CK組的2倍。在高濃度處理下，Hg含量最高為安徽黃棕壤（0.021 5 mg·kg-1），最低值為黑龍江黑土（0.000 4 mg·kg-1），高濃度Hg處理土壤小白菜Hg含量平均值為0.007 0 mg·kg-1，是相應CK組的2.5倍。

外源Hg處理下不同類型土壤中小白菜可食部分Hg的BCF不同（圖3）。由于CK處理中土壤背景Hg濃度與外源添加相比低得多，大部分土壤中添加外源Hg的處理BCF顯著降低。然而，對于大多數土壤，低Hg和高Hg處理之間BCF的差異可以忽略不計。在CK組中，新疆灰漠土對Hg的富集能力最強為0.039 7，湖北咸寧水稻土對Hg的富集能力最差為0.002 7，小白菜的平均BCF為0.013 4。在低Hg和高Hg處理下，安徽黃棕壤中小白菜對Hg的富集能力均最強，分別為0.108 1和0.444 3，而黑龍江黑土中小白菜對Hg的富集能力均最差，分別為0.000 7和0.001 2。低Hg處理下小白菜的平均BCF為0.018 3，高Hg處理下為0.015 1。廣東江門紅壤（pH=4.91）和寧夏高鈣土（pH=8.89）兩種土壤雖然pH相差3.98，但BCF差異不顯著。這可能是由于兩土壤OM（46.32 g·kg-1和3.31 g·kg-1）、黏粒（39.94%和12.52%）和游離的鋁氧化物（1.37 g·kg-1和0.31 g·kg-1）之間的差異所造成的。

圖3 不同Hg濃度處理下小白菜地上可食部分的生物富集系數Figure3 Bioconcentration factors in edible part on the ground of Brassica chinensis under different Hg treatments

2.3 Hg從土壤轉移到小白菜的預測模型

模型的預測可以很好地體現土壤理化性質對葉菜富集Hg的影響，為今后土壤-葉菜重金屬閾值研究提供了基礎。利用SPSS 18.0逐步回歸，擬合18種土壤理化性質（pH、OM、CEC、AlOx、TN、TK、黏粒等）和小白菜生物量與小白菜BCF的關系，結果如表2。

可以看出，logBCF與土壤的pH和OM呈顯著的負相關。其他因子如CEC、EC、AlOx等未能顯著改善方程性能因此將其排除。通過將測量的小白菜BCF和相應計算得出的BCF作圖來確定預測模型的準確度（圖4）。模型1和模型2預測和測量的BCF值之間的比率都在2倍的間隔內并且接近1∶1的關系，但模型1相比模型2有更多的點落在95%的置信區間內，因此我們選取模型1作為最優的預測模型。

表2 小白菜Hg的富集系數逐步回歸方程Table2 Stepwise regression equation for the enrichment factor of Hg in Brassica chinensis

圖4 模型1和模型2實測BCF和預測BCF之間的相關性Figure4 Correlation between model 1 and model 2 measured BCF and predicted BCF

3 討論

本研究中全國18種土壤上種植的小白菜在CK土壤中Hg含量全未超標，低濃度處理下，有16.7%的土壤中小白菜Hg含量超標，高濃度處理下，有33.3%超標。但是未超標的土壤中如湖南水稻土和新疆灰漠土等，在高Hg條件下，小白菜的生物量顯著下降，表明Hg污染會在一定程度上誘導地上部產生生理毒害作用。土壤Hg污染對小白菜的毒性機制之一是產生氧化脅迫，當Hg的濃度過高時，小白菜體內的膜脂過氧化加劇，膜結構受損程度加深，此外高Hg環境下，Hg進入小白菜體內之后與巰基結合，能直接降低小白菜體內的抗氧化酶活性，使小白菜出現了肉眼可見的毒害作用。在黑龍江海倫黑土和浙江嘉興土等未超標土壤上，添加Hg沒有效果，甚至刺激了小白菜的生長，可能原因是小白菜在低濃度Hg脅迫下應激產生保護作用，通過加速生理生化活動，產生大量的代謝產物，低劑量的Hg可提高小白菜體內的過氧化氫酶和酸性磷酸酶等的活性從而促進植物的生長[16]。Pérez-Sanz等[17]也發現了類似的結果，他們在兩種土壤上種植白玉草后發現外源添加Hg對植物沒有顯著影響，低Hg和高Hg處理之間植物生長沒有顯著差異。另外，CK處理和高低濃度Hg處理下，紅壤的小白菜生物量都是最低，Ding等[10]在江西紅壤和山東潮土上種植根莖類蔬菜的研究中也有類似結論，紅壤上4個胡蘿卜品種的生物量全低于潮土。這可能是因為酸性土壤中礦質元素鋁的毒害和磷、鈣、鎂的缺乏限制了作物的生長，在酸性條件下（pH＜5）原固定于晶格中的鋁可逐漸解離并以離子態Al3+的形式釋放到溶液中，在小白菜幼苗期間抑制根細胞的伸長與分裂，影響根系發育和對水分的吸收，從而對小白菜地上部分產生抑制作用。這些研究結果表明，與其他易于轉移的重金屬如Cd相比，Hg可能更加傾向于生態風險評估而不是對受Hg污染的農業土壤中生長的小白菜進行食品安全評估。未來需要更多毒理學實驗來進一步探索與Hg植物毒性相關的土壤因素。

圖5 pH對小白菜地上可食部分Hg含量的影響Figure5 Effect of pH on the content of Hg in edible parts of Brassica chinensis

圖6 OM、CEC、AlOx對小白菜BCF的影響Figure6 Effect of OM，CEC and AlOxon BCF of Brassica chinensis

土壤中重金屬的生物有效性對植物吸收和積累的重要性要超過土壤中總的金屬濃度[18]。大量研究表明，許多因素會影響土壤中重金屬的生物有效性，包括土壤pH、OM、CEC、作物栽培品種和植物年齡。不同添加Hg水平下小白菜可食部分Hg含量與土壤pH及BCF與OM、AlOx、CEC的關系如圖5、圖6所示。由圖5可知，當6.5＜pH＜7.5時，隨著pH的上升，小白菜可食部分Hg含量呈降低趨勢，而當pH＜6.5和pH＞7.5時，則呈現非線性關系。土壤pH通常被稱為主土壤變量，因為它控制金屬固相的溶解和沉淀、金屬離子的絡合和酸堿反應以及金屬吸附[19]。pH變化的直接影響是它對土壤溶液中Hg形態的影響，土壤酸化導致簡單的離子態的Hg溶解增加，以及生物利用率的相應增加[20]。pH不僅通過影響重金屬化合物在土壤溶液中的溶解度從而影響重金屬的行為，還可通過影響土壤顆粒表面交換性能而影響其有效性。一般來說，酸度較高即pH越低的土壤，越有利于Hg化合物的溶解，土壤Hg的生物有效性越高。土壤pH值增高，土壤固相Hg的吸附量和吸附能力加強，生成沉淀，從而Hg的生物有效性降低[21]。有關學者研究指出，在酸性條件（pH=3～5）下，由于Hg的氫氧化物形式比HgCl2形式更易被吸附，Hg的氫氧化物濃度隨pH增大而呈指數升高，土壤中吸附的Hg2+含量提高，土壤Hg的生物有效性降低[22]。但也有學者[23]表明，在pH＞8條件下，Hg2+與OH-形成的絡合物溶解度很大，提高了Hg的遷移率。

從圖6可以看出，外源添加高、低濃度Hg的土壤中，黑龍江黑土對小白菜的BCF都為最低，這與其土壤中有機質含量最高有很大關系。有機質對Hg具有較強的富集能力，有研究表明，土壤有機質增加1%，Hg的固定率提高30%[24]。土壤有機質組成中與Hg結合的主要是腐殖質，盡管土壤中腐殖質含量很低，但與Hg元素有極強的螯合力，因此對土壤中的Hg表現出極大的親合性[25]。AlOx、CEC與小白菜的BCF之間沒有顯著的相關性，表明這些因素對Hg的生物有效性的影響較小。本研究中，在低pH酸性土壤觀察到的BCF平均要高于在堿性土壤上的BCF，而在有機質含量最高的黑龍江黑土上得到了最低的BCF值，這些發現與之前的結果一致，Ding等[10]得出了21個土壤上土壤Hg濃度、pH值和AlOx含量是對胡蘿卜中Hg濃度直接影響的三個最重要的變量。

土壤礦物是土壤最基本的物質成分，一般約占干物質量的95%以上，是土壤最基本的物質成分。不同土壤類型對Hg吸附能力為黏土＞壤土＞砂土。典型的土壤礦物吸附劑主要有黏土礦物和鐵錳氧化物。黏土礦物對Hg的吸附能力為伊利石＞蒙脫石＞高嶺石。西班牙Almadén汞礦區爐渣中的Hg與Fe-Mn之間存在正相關性，反映了汞與鐵錳氧化物的結合[26]。此外硫化物還是良好的汞吸附劑，Hg2+甚至能奪取土壤中FeS或CaS中的S2-生成穩定的HgS。Hg2+是參與土壤吸附解析的最主要形態，研究表明[23]Hg2+對S2-以及有機配體的還原性巰基團有很強的親和性，可形成穩定的復合物，降低Hg的生物有效性。

制定科學合理的Hg污染土壤管理策略最重要的是如何估算人類從作物消耗中攝入的Hg。為此，開發描述從土壤到作物的Hg轉移模型至關重要。目前已經開發出經驗模型和機械模型來描述土壤到作物的重金屬轉移過程[27]。自由離子活動模型[28]和生物配體模型[29]等由于提取分析土壤溶液方法復雜并且尚未標準化、植物毒性終點不確定等在實際應用當中仍需要進一步改進。而Freundlich型土壤-植物轉移關系的一個優點是其簡單性和適用性。大多數方程可使用土壤調查中獲得的變量，例如總金屬含量、pH、OM或Fe/Al氧化物。但是，這些方程不可用于金屬濃度超出回歸分布范圍的土壤[30]。

在本研究中，通過多級逐步回歸研究了土壤中小白菜的兩個添加水平的預測模型，以檢測小白菜吸收Hg與土壤pH、OM、CEC和AlOx之間的關系。在不同的Hg水平下，模型1和模型2之間沒有顯著差異。其他研究者先前也采用了類似的預測方法，通常應用對數轉換的Freundlich模型，如表3。Ding等[10]研究了21種全國土壤中Hg在胡蘿卜中的積累和轉移以及胡蘿卜與土壤Hg含量與土壤總Hg含量、pH、AlOx的關系。Hu等[31]研究了從廣泛的我國土壤到玉米粒（栽培品種鄭單958）的Hg轉移特征，結果表明，土壤pH值是影響土壤中Hg向玉米粒轉移的最重要因素。楊玉峰等[32]研究中國長江三角洲快速工業化地區土壤Hg在水稻中的積累和轉移，以及水稻Hg含量與土壤總Hg濃度、pH、OM的關系，結果表明水稻Hg含量與土壤pH、OM顯著相關。而Rodrigues等[33]研究9種植物Hg含量與土壤中Hg含量和pH并無明顯相關性，可能是這9種植物來自同一礦區，土壤的pH值范圍太窄。

本研究中的預測模型可用于通過小白菜消耗來計算區域人類對Hg的吸收暴露。除了土壤中Hg的有效性之外，在處理風險評估時還需要考慮蔬菜品種之間的差異[34]。本實驗的結果對田間條件的評價和對不同品種的適應仍需要進一步研究。

表3 文獻中Hg從土壤轉移到植物中的預測模型Table3 Predictive models for the transfer of mercury from soil to plants in the literature

4 結論

（1）不同土壤理化性質、不同濃度Hg處理對小白菜生長表現出多樣性，或促進（黃棕壤、黑土、壚土、潮土）、或抑制（灰漠土、湖南水稻土）、或沒有顯著影響（紅壤、磚紅壤）。

（2）通過逐步回歸分析得出，pH和OM是影響Hg從土壤轉移到小白菜中最重要的兩個變量。酸性土壤安徽黃棕壤表現出最高的BCF，而有機質含量最高的黑龍江黑土在21種土壤中表現出最低的BCF。