不同作物對土壤中Ni的富集特征及低累積品種篩選

白玉杰，陳小華，沈根祥，郭春霞，錢曉雍，付侃，王振旗

上海市環境科學研究院，上海 200233

城市建設用地快速擴張和市域面積有限的約束，導致生態用地空間急劇衰退、耕地流失嚴重、人均公共基礎設施面積嚴重不足等突出問題（Gu et al.，2017；代兵，2010）。20世紀80年代中期，北美和歐洲各國開始把“棕地”再開發的目光從經濟收益轉向促進城市可持續發展和改善城市居民生活質量，“棕地”恢復為生態用地所產生的巨大生態、經濟和社會效益也逐漸被認可和重視起來（Adamas et al.，2010；De Sousa et al.，2003；Nijkamp et al.，2002；Atkinson et al.，2014）。與國外“棕地”再開發為生態用地相似，中國以上海為代表的大都市郊區也出現了低效工業用地再復墾為生態用地的實踐探索，稱之為“低效工業用地減量化”，把利用效益不佳且有生態風險的工業用地恢復成生態或農業使用狀態（谷曉坤等，2018）。在污染成分復雜的減量化復墾農用地塊上種植什么作物顯得尤其重要，許多學者已針對不同的重金屬污染土壤進行了低累積作物品種篩選。大量研究也表明在重金屬含量超標的土壤上篩選出安全型作物品種的可行性（顧燕青等，2015；鄒素敏等，2017），但不同的品種具有各自的生態適栽區域，這導致了許多研究結果具有很強的區域性。

鎳（Ni）是引起中國土壤污染的八大重金屬之一，被列為優先控制污染物，農田土壤 Ni超標將影響農作物的產量和品質，對人體健康造成嚴重威脅。《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，中國 Ni污染超標率為4.8%，僅次于鎘（Cd），而《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018）中 Ni只有篩選值沒有管控值。Ni是生物體內必不可缺的微量元素之一，它影響著某些酶的活性，對維持細胞的氧化還原狀態十分重要，同時還參與多種生理、生化反應（Yusuf et al.，2011）。Ni長期在土壤中累積，不易遷移、難以降解，會導致土壤中的Ni濃度越來越高，直接造成經濟損失以及損害人體健康。作物由于其高富集性是造成人體健康風險的主要暴露途徑（Huang et al.，2008；Zhao et al.，2012）。因此，開展Ni低積累型作物品種篩選研究，實現輕中度Ni污染復墾土地的安全利用，對保障作物安全生產具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取上海市某低效工業場地（曾用于金屬加工）減量化復墾后的原土，土壤類型為壤質土。為盡量減少試驗誤差和控制工作量，原土壤經風干、搗碎后，借用簡易工程鐵絲篩網（孔徑4 mm左右）過篩，作為原有基質特征不變的供試土樣。測定了供試土壤的理化性質（表1）和重金屬初始含量（表2），其中Ni質量分數為126 mg·kg-1。供試作物品種選用上海本地餐桌常見的8種不同類型作物青椒（Capsicum annuumL.）、黃瓜（Cucumis sativusL.）、豇豆（Vigna unguiculataL.）、菠菜（Spinacia oleraceaL.）、花菜（Brassica oleraceaL.）、青菜（Brassica chinensisL.）、水稻（Oryza glaberrimaL.）、小麥（Triticum aestivumL.）。試驗于2018—2019年在上海市青浦現代農業園智能化大棚內進行。

1.2 試驗設計

每種作物盆栽試驗設6個梯度，每個梯度設3個平行，共計144盆。以分析純試劑Ni(NO3)2·6H2O作為污染土壤的 Ni源，配制成鹽溶液加入到供試土中模擬 Ni污染土，土壤濃度梯度的設置依據為中國“十一五”期間土壤環境調查 Ni含量范圍和《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》（GB 15618—2018）中土壤Ni的篩選值（100 mg·kg-1）。土壤Ni質量分數梯度設置為126、200、350、500、650、800 mg·kg-1，分別以 Ni-CK、Ni-1、Ni-2、Ni-3、Ni-4、Ni-5表示。根據試驗設計稱取相應質量Ni(NO3)2·6H2O分10份放入燒杯中，向燒杯中加入去離子水配成母液，保證每個燒杯中Ni(NO3)2·6H2O 完全溶解。將預先風干處理好的實驗所需土量分開并在室溫中平攤，把每個燒杯中的母液灑到土壤當中，邊噴灑邊攪拌以保證母液與土壤充分混合均勻，混合后的土壤放置在自然條件下平衡30 d，平衡過程中保持土壤含水量為田間持水量的80%。然后裝入預先準備好的塑料盆進行后續盆栽土培試驗，塑料盆直徑30 cm，高25 cm，每盆裝供試土壤5 kg，盆底加盆托防露土，各處理施加同等量氮、磷、鉀作底肥，每盆加入尿素1.60 g，氯化鉀1.20 g，磷酸二氫鉀1.50 g配成的水溶液作為底肥。土壤穩定后進行育苗，每盆種植相同數量幼苗，作物生長期間保持土壤濕度為田間持水量60%。作物生長期間根據實際情況進行澆水、松土、除草、去害蟲，試驗開始后每天早上觀察幼苗的生長發育狀況，并記錄異常情況。青椒、黃瓜、豇豆、花菜于9—15周進行采摘，稱重確定生物量，菠菜、青菜于6—7周進行采摘，稱重確定生物量。水稻、小麥于18—20周進行收獲。

表2 供試土壤重金屬平均含量Table 2 Heavy metal concentration of soil samples

1.3 樣品采集與分析方法

土壤指標測定：四分法取供試土樣風干、研磨、過篩。土壤 pH 值、有機質、CEC、N、P、K等均參照《土壤農業化學分析方法》進行測定（鮑士旦，2000）。土壤重金屬使用王水-高氯酸混合消解，火焰原子吸收分光光度法測定（鮑士旦，2000）。為保證數據的可靠性和穩定性，每個樣品測定2次，控制相對標準偏差（RSD）低于10%。

作物可食部分 Ni含量測定：按照 GB/T 5009.268—2016推薦的方法測定。采摘青椒、黃瓜、豇豆、菠菜、花菜、青菜樣品可食部分，用自來水沖洗干凈，再以去離子水沖洗，用濾紙吸去表面水分后用食品加工器粉碎，制成待測樣放入塑料瓶中冷凍保存，水稻、小麥采摘后曬干、剝殼、磨粉制成待測樣放入塑料瓶中冷凍保存，采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，Agilent 7900，USA）測定作物可食部分Ni含量。可食部分Ni含量測定時每個樣品測2次，控制相對標準偏差（RSD）低于5%。

1.4 作物可食部位Ni安全限量值的取值方法

中國有關蔬菜、水果及糧食的衛生標準中還沒有對 Ni的含量作出具體限定，本研究使用靶標危害指數法（Tanget hazand quotients，THQ）（Zeng et al.，2009；Khan et al.，2013）推算新鮮作物中Ni限量值（mg·kg-1）。具體計算公式為：

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soil samples

式中，C為作物中污染物的平均質量分數（mg·kg-1）；EF 為暴露頻率（365 d·a-1）；ED 為暴露年數（70 a）；IR為中國每日作物攝入率（成人攝入率按 335 g·d-1，兒童攝入率按 232 g·d-1）；BW 為中國人體的平均體重（成人體重按60 kg計，兒童體重按33 kg計）；AT為平均暴露時間（365 d·a-1×暴露年數 a）（鄭娜，2007）。RfD為經口攝入參考劑量（Reference Dose），主要參考美國國家環保局（EPA）綜合風險信息系統（IRIS）及其他來源針對主要污染指標的參考劑量，Ni為 0.02 mg·(kg·d)-1（USEPA，2008）。

當THQ≤1，表明目標區生長的作物消費基本不產生人體健康風險；THQ＞1時，可引起人體健康風險。因此，設置THQ=1時所推算出的C值即為作物可食部分中 Ni的人體健康安全臨界值（mg·kg-1）。

1.5 低累積品種篩選方法

低累積作物品種篩選采用以下3種方式：

（1）關注對 Ni具有較高耐受性的作物。在高濃度 Ni的土壤中能正常生長且生物量無明顯下降的品種優先作為低累積品種。

（2）計算農作物可食部分對土壤 Ni的富集系數（Bioaccumulation Coefficient，BCF）：

式中，BCF表示富集系數；Mc表示作物體內的重金屬含量；Ms表示土壤中的重金屬含量。優先選擇富集系數低的農作物作為Ni低累積品種。

（3）構建各農作物可食部位的 Ni含量與土壤Ni含量之間的定量關系，并基于可食部位的Ni安全限量值，推算土壤中Ni的安全限量值。土壤Ni安全限量值大的農作物優先作為Ni低累積作物品種。

1.6 數據分析

運用Microsoft office Excel 2013對數據進行統計，運用SPSS 20.0進行分析，在95%置信水平下，采用 LSD法進行單因素方差分析（One-way ANOVA），以不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著性（P＜0.05）。運用Origin 9.0進行線性回歸分析及繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同種類作物對Ni污染耐受性

分析土壤中不同含量Ni對作物生物量的影響，結果顯示（圖1），隨著土壤中Ni含量的增加，青椒、豇豆、菠菜、花菜、青菜生物量先增加后減少，黃瓜生物量持續增加。青椒在Ni-4處理中生物量最大，豇豆在Ni-4處理中生物量最大，菠菜Ni-CK、Ni-1、Ni-2、Ni-3處理中生物量變化不明顯，Ni-4、Ni-5處理生物量顯著下降，低于對照組生物量，花菜在 Ni-2處理中生物量最大，青菜 Ni-1、Ni-2、Ni-3處理中生物量變化不明顯，Ni-4、Ni-5處理生物量顯著增加。Ni-5條件下，豇豆、菠菜、花菜生物量低于對照組生物量，顯現中毒癥狀，作物葉片失水、失綠萎縮、變黃。通過不同種類作物對 Ni污染耐受性發現，黃瓜、青菜耐受性最強，花菜耐受性最差，土壤中Ni含量低于50 mg·kg-1時，豇豆、菠菜、青菜生物量沒有明顯變化。

圖1 不同Ni處理組的各類作物可食部分鮮重Fig. 1 Fresh weight of edible parts of crops under different Ni treatments

2.2 不同作物可食部分對土壤中Ni的富集特征

隨著土壤中 Ni含量的增加，各種作物可食部分 Ni含量表現出顯著差異，青椒為 0.6—5.35 mg·kg-1，黃瓜為 0.37—4.05 mg·kg-1，豇豆為 1.1—11.65 mg·kg-1，菠菜為 0.25—10.5 mg·kg-1，花菜為0.5—32.35 mg·kg-1，青菜為 1.4—16.85 mg·kg-1，水稻為 0.69—17.2 mg·kg-1，小麥為 0.6—31.95 mg·kg-1。

作物對重金屬的吸收能力通過富集系數（Bioconcentration Coefficient，BCF）量化表現（Zu et al.，2004；Salt et al.，1995）。不同作物可食部分對Ni的富集特征表現出差異（表3）。青椒、菠菜實驗組可食部分富集系數隨著土壤中 Ni濃度增加而增加，Ni-5處理最大，分別為0.007、0.013。黃瓜、花菜、青菜可食部分富集系數先增加后減小，Ni-4處理最大，分別為0.006、0.043、0.040。豇豆可食部分富集系數減小，Ni-1、Ni-2最大，為0.017。水稻、小麥可食部分富集系數沒有明顯規律性變化，其中水稻在 Ni-1處理中富集系數最大，為0.032，小麥在 Ni-2、Ni-3處理富集系數最大，為0.042。

表3 作物可食部分Ni富集系數Table 3 Bioconcentration coefficient of Ni in the edible parts of different crops

富集系數平均值（圖2）排序為：小麥 (0.032)＞花菜 (0.026)＞青菜 (0.021)＞水稻(0.020)＞豇豆(0.014)＞ 菠 菜 (0.0065)＞ 青 椒 (0.0054)＞ 黃 瓜(0.0042)。

圖2 不同作物可食部分的Ni富集系數平均值Fig. 2 Average bioconcentration coefficient of Ni in the edible parts of different crops

2.3 基于作物食用安全的土壤中Ni限量值及低累積品種篩選

采用回歸分析的方法建立作物可食部分 Ni含量（y）與土壤中Ni含量（x）的回歸方程，明確作物可食部分Ni含量與土壤Ni含量之間的關系（表4）。各類作物中可食部分Ni含量與土壤中Ni含量均呈極顯著相關（P＜0.01）。擬合方程斜率大小為花菜 (0.050)＞小麥 (0.037)＞青菜 (0.032)＞水稻(0.019)＞豇豆 (0.014)＞青椒 (0.008)＞黃瓜 (0.006)，相關系數大小為豇豆 (0.972)＞花菜 (0.965)＞青椒(0.948)＞菠菜 (0.938)＞黃瓜 (0.926)＞小麥 (0.728)＞青菜 (0.721)＞水稻 (0.700)。

表4 不同作物食用安全對應土壤Ni限量值Table 4 Relationship between soil Ni contents and Ni contents in crops and soil threshold values

目前還沒有 Ni的食品衛生標準，僅有油脂及其制品中鎳的限量標準（GB 2762—2012）（1 mg·kg-1），以此標準應用于作物可食部分有失偏頗。美國國家環境保護署（USEPA）推薦 Ni的人體最大允許攝入量（RfDo）是 0.02 mg·kg-1·d-1，由此可推算出作物可食部分鎳的含量限值（表4），依據“土壤-農產品”污染物含量的回歸方程基于靶標危害指數（THQ）取值方法計算的作物可食部分污染物限量值，計算 Ni污染土壤中種植不同作物的安全限量值（表4）。為嚴格保證人體健康，推薦各農作物對應的土壤 Ni安全限量值分別為：青椒 439 mg·kg-1、黃瓜 561 mg·kg-1、豇豆 196 mg·kg-1、菠菜 513 mg·kg-1、花菜 203 mg·kg-1、青菜 190 mg·kg-1、水稻 147 mg·kg-1、小麥 105 mg·kg-1。黃瓜 Ni安全限量值最高，其次為菠菜和青椒，反映出這3種作物的Ni低累積特征，對土壤Ni安全限量值要求相對寬松，可作為Ni的低累積品種。

3 討論

不同品種作物對Ni的耐受性、吸收能力不同，在一定濃度范圍內土壤中 Ni不僅不會抑制作物生長，反而會促進作物生長，但一旦超過某個限值作物的生長就會表現出明顯的抑制作用。本研究中，黃瓜、青菜耐受性最強，花菜耐受性最差，隨著土壤中 Ni含量的增加，青椒、豇豆、菠菜、花菜、青菜生物量先增加后減少，黃瓜生物量持續增加，當土壤中Ni含量為800 mg·kg-1時，豇豆、菠菜、花菜生長受到明顯影響。由于 Ni是植物生長所必需的微量營養元素（Liu，2001；Norton et al.，2009），土壤中低含量 Ni對作物生長有積極的“刺激作用”，可促進植物體內的過氧化氫酶、過氧化物酶和酸性磷酸酶等的活性，促進了作物生長（廖金鳳，1998；Gerendás et al.，2015），但當土壤中 Ni含量超過某一閾值時，則會使作物的生長受到明顯的抑制，表現出生長遲緩，葉片黃化，葉組織壞死形成枯斑，植株畸形等（胡欣欣，2010）。研究發現向土壤中補充適量的 Ni能改善小麥、水稻、豇豆、棉花(Gossypium herbaceumL.)、辣椒、番茄(Lycopersicon esculentumMiller)、馬鈴薯(Solanum tuberosumL. )等作物的生長發育狀況，提高產量（扶惠華等，1996），土壤中Ni過量使白菜(Brassica rapaL.)、小麥、水稻、番茄體內Ni積累過剩導致作物體內酶活性受到影響，植株表現中毒癥狀、產量下降（Jian et al.，2003；Wang et al.，2001；Heidarian et al.，2017；胡澤友等，2007；Mosa et al.，2016）。

土壤重金屬污染不僅影響作物生長繁殖，更重要的是重金屬在其可食部分即地上部分積累，通過食物鏈危害人體健康。隨著土壤中 Ni含量的增加作物對重金屬富集能力因作物種類而異，不同種類作物對 Ni的敏感程度存在很大差別，從現有的研究成果分析，植物種類的差異直接決定了吸收重金屬能力的差異（趙勇等，2006）。不同種類農作物可食部分對Ni的富集均存在著差異，植物對Ni的富集系數在0.01—1.0之間（羅丹，2009）。其中芥菜（Brassica junceaL.）、小白菜對Ni的富集能力較強，西紅柿、青瓜、菠菜、花菜、油麥菜（Lactuca sativaL.）等蔬菜品種和菠蘿（Ananas comosusL.）、香蕉（Musa paradisiacaL.）、橙子（Citrus sinensisL.）、甘蔗（SaccharumL.）等水果類對 Ni的富集能力則較低（關卉等，2007；蔡莎莎，2007）。通過對北京市蔬菜和菜地土壤 Ni含量狀況進行大規模調查，云架豆Ni富集系數較高，黃瓜、小白菜、蘿卜（Raphanus sativusL.）、甘藍（Brassica oleraceaL.）、辣椒、白菜和冬瓜（Benincasa hispida(Thunb.)Cogn.）次之，而大蔥（Allium fistulosum）、葉甜菜（Betavulgaris L.）、茄子（Solanum melongenaL.）、西紅柿等Ni富集系數最低（陳同斌等，2006）。水稻、玉米、小麥中 Ni含量最高，果菜類和葉菜類Ni含量居中，根菜類Ni含量最低（羅丹，2009；白曉瑞等，2011）。本研究結果表明，不同作物可食部 Ni的富集系數由大到小依次為小麥＞花菜＞青菜＞水稻＞豇豆＞菠菜＞青椒＞黃瓜，與前人研究結果相一致。同時多數研究結果證實作物中重金屬含量與土壤重金屬含量間有較好的相關性（杜應瓊等，2003；宗良綱等，2007），建立作物可食部分Ni含量（y）與土壤中Ni含量（x）的回歸方程可為研究農田-植物系統中Ni安全限量值研究提供支撐。農作物 Ni的含量一方面與土壤的污染程度有關，另一方面還與農作物本身對Ni的選擇吸收性能有關，Ni富集系數越小，表明其吸收Ni的能力越差，抗土壤Ni污染的能力較強。因此，可在輕中度Ni污染土壤中采取農藝調控和替代種植等措施改種食用部位污染物累積少的作物，降低農產品超標風險，對于重度Ni污染土壤，可以種植高富集Ni植物把污染土壤中的 Ni含量降到允許范圍然后進行農用。重金屬超量積累植物具有很高的吸收和積累重金屬的能力，至今已發現400多種能夠超量積累各種重金屬的植物，其中就以超量積累 Ni的植物最多（Grant et al.，2008；Homer et al.，1991）。

4 結論

（1）6種作物對重金屬Ni的耐受性表現出明顯的種類間差異。黃瓜、青菜對 Ni耐受性最強，黃瓜鮮重隨土壤中 Ni含量上升而增加，其他作物的生物量表現出先增加后減少趨勢。花菜對 Ni抗性最差，當土壤中Ni質量分數大于350 mg·kg-1時，花菜生長開始受到抑制。

（2）8種農作物可食部分對Ni富集能力存在種間差異，富集系數為小麥 (0.032)＞花菜 (0.026)＞青菜 (0.021)＞ 水 稻 (0.020)＞ 豇 豆 (0.014)＞ 菠 菜(0.0065)＞青椒 (0.0054)＞黃瓜 (0.0042)。谷物類作物對Ni的富集能力較強，茄果類作物對Ni富集能力較弱，葉菜類作物因品種不同對Ni富集能力不同。

（3）基于農產品食用安全要求，推導出種植8種作物對應的土壤中Ni安全限量值大小為：黃瓜 (561 mg·kg-1)＞菠菜 (513 mg·kg-1)＞青椒 (439 mg·kg-1)＞花菜 (203 mg·kg-1)＞豇豆 (196 mg·kg-1)＞青菜 (190 mg·kg-1)＞水稻 (147 mg·kg-1)＞小麥 (105 mg·kg-1)。

（4）綜合考慮不同農作物對土壤中 Ni的耐受性、富集能力以及食用安全限量值，篩選出篩選黃瓜、青椒、菠菜作為 Ni低累積作物品種，適宜在輕中度Ni污染復墾土地中實施替代種植。