香蕉對砷鎘鉛的富集轉運特征及土壤重金屬安全閾值

潘攀 劉貝貝 吳琳 符旖晴 武春媛 李勤奮 范成五

摘? 要：建立土壤重金屬安全閾值是保障我國農產品質量安全的一道重要屏障。本研究通過盆栽模擬實驗研究香蕉對砷（As）、鎘（Cd）、鉛（Pb）3種重金屬的富集轉運特點，進一步通過建立香蕉莖葉與土壤As、Cd、Pb總量和有效態含量的關系，推導香蕉種植系統的土壤As、Cd、Pb的安全閾值。結果顯示，Cd、Pb對香蕉生物量表現出“低促高抑”的作用。香蕉各組織對As的富集規律為：根>葉>莖;而對Cd、Pb的富集規律表現為：根>莖>葉。根莖向葉轉運As的能力強于轉運Cd和Pb。采用回歸分析方法，建立香蕉莖葉中重金屬與土壤重金屬總量和有效態含量之間的回歸模型共12個，根據GB 13078—2017《飼料衛生標準》中對原料As、Cd、Pb的限量規定推導出香蕉土壤中As、Cd、Pb總量安全閾值分別為102.40、0.46、15.39 mg/kg，有效態含量安全閾值分別為4.77、0.10、5.27 mg/kg。

關鍵詞：香蕉;重金屬;安全閾值;富集轉運

中圖分類號：S668.1; X26? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Heavy metal safety threshold is important for the control of the quality and safety of agricultural products. In this study， banana （Musa spp.） seedlings were planted in a pot experiment with soils contaminated by different concentrations of arsenic （As）， cadmium （Cd） and lead （Pb） to determine the accumulation and transformation characteristics of As， Cd and Pb by banana， and the heavy metal safety thresholds were calculated by the regression models between the concentrations of heavy metals in banana stems and soils. Low concentrations of Cd and Pb showed positive promoting effect on the growth of banana， while high concentrations of Cd and Pb inhibited the growth of banana. Accumulation of As in banana tissues decreased in the order of root > leaf > shoot， while the accumulation of Cd and Pb in banana tissues decreased in the order of root > shoot > leaf. The transportation of As from root and shoot to leaf was higher than Cd and Pb. Twelve regression models between the concentrations of heavy metals in banana stems and the concentrations of total and available heavy metals in soil were built. According to the criterion of Standard of Feed Hygiene （GB 13078—2017） in China， the safety threshold of heavy metals in banana planting soils was calculated as 102.40， 0.46 and 15.39 mg/kg respectively for total As， Cd and Pb， and 4.77， 0.10， 5.27 mg/kg respectively for available As， Cd and Pb.

Keywords： banana （Musa spp.）; heavy metal; safety threshold; accumulation and transformation

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.01.036

近年來，土壤重金屬污染問題受到了極大的關注。2014年的《全國土壤污染狀況調查公報》[1]，報道了我國耕地土壤污染超標率達19.4%，其中以砷（As）、鎘（Cd）、鉛（Pb）無機物為主。耕地土壤環境中的重金屬污染不僅會影響農作物的產量和品質，更可能通過食物鏈危害人體健康[2]。2019年1月1日正式實施的《中華人共和國土壤污染防治法》明確規定了實施農產品質量安全風險管控、保障農業生產環境安全等制度。而建立土壤重金屬安全閾值是保障我國農產品質量安全的一道重要屏障，根據土壤重金屬安全閾值，合理布局種植區域能夠確保食品安全。

在我國土壤重金屬安全閾值研究領域中，夏增祿[3]首先確定了我國主要土壤類型Cr、Pb、Cu、As的臨界值。但不同作物類型和品種對重金屬吸收會存在差異，如糧食作物中，水稻是比較容易富集Cd和As的作物[4]，蔬菜對As吸收能力的順序為葉菜類>根莖類>茄果類>鮮果類[5]，因此不能僅參考一套重金屬安全閾值指導作物的安全種植。近年來，研究者們針對不同的作物種植系統進行土壤重金屬安全閾值的推導。孟媛等[6]利用線性回歸模型確定了7種葉類蔬菜的土壤Cd和As臨界閾值，分別為0.33～17.11 mg/kg、62.31～ 105.06 mg/kg。重金屬安全閾值與特定的土壤條件也有密切的關系[7-8]。Lu等[9]推導了大白菜在8種土壤Cd安全閾值，范圍為0.12～1.7 mg/kg。可見不同的土壤類型計算出的安全閾值差異很大。此外，土壤重金屬有效態量直接關系到其對植物的毒害效應[10]，劉青棟[11]推導了辣椒安全生產的土壤總Cd閾值為2.06 mg/kg（P<0.01），而有效Cd的閾值為0.1099 mg/kg（P<0.01）。因此在安全閾值的推導中，有效態重金屬含量也需要重點考慮。

目前對土壤重金屬安全閾值的研究越來越全面，不僅考慮了作物種類、品種，還考慮了特定的土壤類型以及重金屬總量和有效態量，但目前研究對象主要還是集中在蔬菜和大宗糧食作物，鮮有對水果作物的重金屬閾值研究，特別是熱帶水果。

香蕉（Musa paradisiaca）是我國南方四大水果，在熱帶地區，香蕉是第一大水果、農民增收的主要來源[12-13]。香蕉生物量大，在果實采收后，留下大量的莖葉副產物，據統計國內每年產香蕉莖葉副產物在4200萬t以上[14]，其豐富的資源量有較大的利用前景。香蕉莖葉的營養成分豐富，葉片中含較高的粗蛋白質、莖葉中的可溶性碳水化合物及多種維生素[15]，因此莖葉飼料化是其副產物利用開發的主要方向[16]。然而重金屬污染是限制資源飼料化應用的一個重要因素。香蕉生長于熱帶亞熱帶地區，土壤類型以磚紅壤、紅壤等酸性土壤為主，較低的pH使得這些土壤中的重金屬活性增加，導致香蕉存在富集重金屬的風險。因此，了解香蕉對重金屬富集的規律、推導其安全種植的土壤重金屬安全閾值，是保障香蕉產業健康持續發展的重要基礎。

本文選擇3種報道較多的重金屬元素As、Cd、Pb為研究對象，采用盆栽模擬實驗，通過人工添加不同濃度的重金屬進行老化平衡后，移栽香蕉，種植3個月后收獲，分析香蕉不同部位對重金屬的富集轉運特征，利用回歸分析建立各部位與土壤中重金屬之間的關系，結合GB 13078—2017《飼料衛生標準》進一步推導香蕉種植體系中土壤As、Cd、Pb的安全閾值，旨在為香蕉安全生產及飼料化應用提供理論依據。

1? 材料與方法

1.1? 材料

1.1.1? 材料與試劑? 供試土壤：本研究盆栽實驗所用土壤采自海南省澄邁縣香蕉園耕層土壤（0～20 cm），土壤類型為磚紅壤。去除土壤中根系石礫等雜質，經自然風干后磨細過20目和少量過100目的樣品，取部分樣品測定其基本理化性質及重金屬含量，其余作為盆栽試驗備用。其基本理化性質如下：pH為4.86±0.02，總氮、總磷、總鉀分別為（1.32±0.11）g/kg，（1.18±0.03）g/kg，（17.1±0.01）g/kg，有機質為（3.56±0.22）g/kg，陽離子交換量為（0.75±0.11）cmol/kg，重金屬總量分別為As （10.07±0.56）mg/kg、Cd （0，01± 0.00）mg/kg、Pb （4.49±0.18）mg/kg。

供試作物：選擇我國主栽香蕉品種‘巴西蕉作為供試作物，由海南文昌的永灃植物組培廠提供。選擇苗齡40 d左右，大小均勻、無病蟲害、無損傷的幼苗進行盆栽實驗。

主要試劑：硝酸（HNO3，優級純）、鹽酸（HCl，優級純）、氫氟酸（HF，優級純）、重鉻酸鉀（K2Cr2O7，分析純）、硫酸亞鐵（FeSO4，分析純）、三氯化六氨合鈷[Co（NH3）6Cl3，優級純]。

1.1.2? 儀器與設備? FiveEasy plus pH計，瑞士Mettler;PinAAcle900T 原子吸收光譜儀，美國Perkin Elmer公司;AFS-8220原子熒光光度計;北京吉天;MARS6 微波消解儀，美國CEM公司;Centrifuge 5810R 離心機，德國Eppendorf公司。

1.2? 方法

1.2.1? 試驗設計? 本研究主要采用溫室大棚盆栽實驗進行香蕉種植的閾值研究。試驗容器為內徑21 cm、高24 cm的塑料花盆，每盆裝土5 kg。重金屬As、Cd、Pb分別以分析純NaAsO2，Cd（NO3）2 4H2O，Pb（NO3）2水溶液的形式施入土壤中，分別設計5個濃度處理。其中水平1代表不添加外源重金屬的處理，數值等于土壤原始重金屬濃度，

其他4個水平的濃度根據GB15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》農用地風險篩選值進行設置。供試土壤pH為4.86，故參考pH≤5.5的風險篩選值，其中As、Pb 4個水平分別按照風險篩選值的0.5、1、2、5倍添加、Cd的4個水平分別按照風險篩選值的1、2、5、10倍添加，實際濃度以老化平衡后的為準。具體老化過程如下：計算配置相應濃度所需試劑質量和土壤70%田間持水量所需水量，將試劑和水進行混合溶解于噴壺中，少量多次地噴灑于土壤中，并進行充分攪拌。攪拌均勻后，用扎有細孔的保鮮膜蓋住盆口，在室溫下進行老化平衡2個月，期間采用稱重法補充丟失的水分。老化平衡后取部分樣品測定重金屬總量和有效態含量（表1），并向盆中施入底肥（1.73 g/kg的N-P2O5-K2O= 15-15-15復合肥），1周后移栽香蕉苗，每盆種植1株，種植3個月后收獲，分別采集土壤和植物樣品，其中土壤樣品經自然風干、磨細、過10目和100目篩，植物樣品洗凈后，分成根、莖、葉3個部分，烘干稱量其干重，再粉碎備用。

1.2.2? 土壤基本理化性質? 土壤pH采用去離子水按照水土比2.5∶1浸提后，用pH計測定;土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定，陽離子交換量采用標準HJ 889—2017中的三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法測定。

1.2.3? 重金屬含量測定? （1）土壤總As、Cd、Pb[17]：稱取一定量過100目的風干土壤，其中土壤總As和總Cd、Pb分別采用6 mL HNO3 + 2 mL HCl和6 mL HNO3 + 3 mL HCl + 2 mL HF的混合酸分別進行微波消解，均以標準物質GBW07407（GSS-7）作為質控樣品，消解后定容至50 mL容量瓶待測。其中GSS-7的As、Cd、Pb回收率為90.5%～103.7%。

（2）土壤有效態As、Cd、Pb[18-19]：稱取一定量過10目的土壤，其中有效態As采用0.5 mol/L NaHCO3以1∶10土液比進行浸提，于室溫下振蕩2 h后離心過濾，濾液待測;有效態Cd、Pb采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）以1∶5土液比進行浸提，于室溫下振蕩2 h后離心過濾，濾液待測。

（3）植物As、Cd、Pb[20]：稱取一定量烘干的植物樣品，加入5 mL的HNO3進行微波消解，同時以標準物質GBW07603（GSV-2）作為質控樣品，消解后定容至50 mL容量瓶待測。其中，GSV-2的As、Cd、Pb回收率為91.2%～ 102.4%。

1.3? 數據處理

富集系數（Bioconcentration factor， BF）為香蕉各部位重金屬含量與土壤中該重金屬含量之比，用于表示香蕉對重金屬的吸收能力;轉運系數（Translocation factor， TF）為香蕉某組織的重金屬含量與另一組織中該重金屬含量之比，用于表示香蕉對重金屬的轉運能力。計算公式如下：

式中：Ci和Cj分別為香蕉各組織內某重金屬含量，i和j代表不同的香蕉組織;Si為土壤中某重金屬含量。

數據采用Microsoft Excel軟件進行預處理，應用SPSS 20.0軟件進行數據統計分析和LSD差異顯著性檢驗，利用Origin Pro 2016軟件進行回歸分析和作圖。

2? 結果與分析

2.1? 香蕉生物量對As、Cd、Pb脅迫的響應特征

香蕉生物量隨重金屬濃度的變化情況如圖1所示。在As的5個濃度水平下，即10.07～ 103.90 mg/kg的濃度范圍內，香蕉生物量并無顯著性差異。但在Cd和Pb的脅迫下，香蕉生物量變化有個共同特點，即低濃度促進生長，高濃度抑制生長。當土壤Cd濃度為0.42 mg/kg時，香蕉生物量最大，為30.10 g/株，但當濃度增加到2.79 mg/kg時，香蕉生物量下降到25.08 g/株，與最大值存在顯著性的差異（P<0.05）。當土壤Pb濃度為53.39 mg/kg時香蕉的生物量最大，為31.73 g/株，但當土壤Pb濃度增加到356.17 mg/kg時，香蕉生物量顯著降低（P<0.05），為25.82 g/株。

2.2? 香蕉各組織對As、Cd、Pb的富集和轉運特征

分析香蕉各組織對As、Cd、Pb的富集系數發現，As和Cd、Pb在各部位的富集規律存在差異（表2）。香蕉各組織對As的富集規律為：根>葉>莖，而對Cd、Pb的富集規律表現為：根>莖>葉。其共同點是，根是富集重金屬的主要部位;區別是，莖和葉相比，As更易富集在香蕉葉中，而Cd、Pb更易富集在莖稈中。而從富集系數大小來看，香蕉根對Cd的富集系數遠遠高于Pb和As，說明Cd是容易被香蕉吸收的重金屬，其次為Pb，最后為As。

轉運系數包括根轉運到莖（TF1），根轉運到葉（TF2），莖轉運到葉（TF3）。香蕉各組織對As的轉運系數大小為TF3>TF2>TF1，說明莖和根將As轉運到葉的能力強，這也是香蕉葉中As富集量較大的原因。在低濃度Cd處理中，香蕉各組織對Cd的轉運系數大小為TF1>TF3>TF2，說明根部Cd向上遷移的能力最強;隨著Cd濃度的增加表現為TF3>TF1>TF2，說明根向其他組織轉運Cd的能力下降。不同Pb濃度處理下，香蕉對Pb的轉運系數大小均為TF1>TF3>TF2，表現為根向莖轉運能力最強。轉運系數縱向對比發現，在As、Cd、Pb高濃度（水平5）脅迫下，TF1分別為0.036、0052、0.144，TF2分別為0.049、0.006、0.009，2種轉運系數均達到最低值，說明根部向其他組織轉運能力下降。而不同元素間轉運系數相比，As處理下的TF2和TF3均高于Cd、Pb的TF2和TF3，說明根和莖向葉轉運As的能力強于轉運Cd和Pb。

2.3? 香蕉莖葉重金屬與土壤重金屬總量和有效量的關系及安全閾值

香蕉飼料化主要使用的是莖和葉，因此本研究首先采用回歸分析方法，建立香蕉莖葉中重金屬與土壤重金屬總量和有效態含量之間的線性、多項式、指數、對數等回歸模型，選擇擬合相關系數R2最大的方程，確定為擬合最優方程（表3）;進一步根據GB 13078—2017《飼料衛生標準》中規定的飼料原料中重金屬限量值（As、Cd、Pb分別為2、1、10 mg/kg），對應帶入回歸方程中，推導出土壤中As、Cd、Pb總量和有效量的安全閾值（表3）。

當香蕉莖稈中As限量值為2 mg/kg時，得到土壤中As總量和有效態含量的安全閾值分別為102.40、6.98 mg/kg;當香蕉葉中As限量值為2 mg/kg時，得到土壤As總量和有效態含量的安全閾值分別為106.56、4.77 mg/kg。

當香蕉莖稈中Cd限量值為1 mg/kg時，得到土壤中Cd總量和有效態含量的安全閾值分別為0.46、0.10 mg/kg;當香蕉葉中Cd限量值為1 mg/kg時，得到土壤Cd總量的安全閾值分別為9.01 mg/kg。但未得到其對應的土壤Cd有效態含量安全閾值，其主要原因是，本研究設計的濃度范圍內，香蕉葉Cd富集的最大量為0.515 mg/kg，并未超過1 mg/kg的飼料原料限量值，且葉中Cd與土壤有效態Cd含量符合一元二次擬合函數，擬合的最大值也是小于1 mg/kg。

當香蕉莖稈中Pb限量值為10 mg/kg時，得到土壤中Pb總量和有效態含量的安全閾值分別為15.39、5.27 mg/kg;當香蕉葉中Pb限量值為10 mg/kg時，得到土壤Pb總量和有效態含量的安全閾值分別為46.42、38.44 mg/kg。

對比莖和葉獲得的土壤重金屬總量和有效態含量安全閾值發現，當土壤有效態As含量在4.77 mg/kg時，葉中As就達到了2 mg/kg，而土壤有效態As含量在6.68 mg/kg時，才能導致莖稈中As濃度達到2 mg/kg，由此也能說明香蕉葉對As的富集能力強于莖稈。然而，由莖獲得的Cd總量安全閾值和Pb總量、有效態含量安全閾值均小于通過葉獲得的安全閾值，與As的規律相反，說明香蕉莖稈對Cd、Pb的富集能力強于葉。上述2個結論可與表2中富集系數和轉運系數得到的結論相互印證。

在實際生產的資源化應用中，時常將莖稈和葉一起進行飼料化，此時則使用最低的安全閾值，即土壤As總量和有效態含量安全閾值分別為102.40、4.77 mg/kg;Cd總量和有效態含量安全閾值分別0.46、0.10 mg/kg;Pb總量和有效態含量安全閾值分別為15.39、5.27 mg/kg。

3? 討論

3.1? 香蕉對不同重金屬的富集轉運規律

重金屬濃度對作物的脅迫起著關鍵作用，在本研究中Cd、Pb對香蕉生長的脅迫表現出“低促高抑”的現象。黃月華等[21]研究表明，當土壤Cd濃度<3 mg/kg時，香蕉維生素含量隨Cd濃度增加而增加，但當土壤Cd濃度>3 mg/kg時，其維生素含量隨Cd濃度增加而降低，同樣表現出“低促高抑”的現象。在高濃度重金屬脅迫下，重金屬與必需營養元素發生競爭導致作物對必需營養元素吸收不足，或者重金屬影響了植物體內的水分平衡，可能是其對作物生長產生抑制作用的原因[22]。相對Cd、Pb，As對香蕉的脅迫相對較小，在10.07～103.90 mg/kg的As濃度范圍內，香蕉生長并未表現出顯著差異。同樣的，表2中的香蕉各組織中As富集系數也都低于Cd、Pb。香蕉富集As的量少，因此As對香蕉脅迫小，未造成生長受阻。作物對重金屬富集量與土壤中該重金屬活性顯著相關[23-24]。本文供試土壤為磚紅壤，pH為4.86±0.02，呈酸性，Cd、Pb為陽離子型重金屬，隨著pH的降低，其活性增加，而As為陰離子型類金屬，pH降低，其活性也降低[25]。根據表1中As、Cd、Pb總量和有效態，可以計算有效態的占比，對比發現Cd、Pb有效態占總量的百分比平均值分別為18.22%、49.87%，遠高于As（3.25%），說明As在磚紅壤中活性較低，因此香蕉吸收得較少，這也佐證了上述文獻中的觀點。

在As、Cd、Pb高濃度脅迫時，雖然香蕉生物量與低濃度處理（水平1）并無顯著差別，但此時轉運系數有明顯降低。As、Cd、Pb的根向莖的轉運系數TF1分別由最高的0.251、0.326、0.283降至0.036、0.052、0.144，降幅分別為86%、84%、49%。TF2為根向葉的轉移系數，同樣在高濃度脅迫下降為最低。Romanowska等[26]認為，當根際附近重金屬含量超過某一臨界值時，就會影響植物根尖細胞有絲分裂，進而造成細胞分裂速度減慢，并通過改變植物的生理生化過程而影響其生長發育。在本研究中，最高濃度的As、Cd、Pb處理下香蕉生物量雖與其他處理無顯著差異，但Cd、Pb高濃度處理下的生物量是所有處理中最低的，說明高濃度對香蕉幼苗的生長有一定的抑制作用，只是在表觀的生物量上表現不顯著，但可能內部生物化學和細胞層面上已經受到相對嚴重的抑制效果，因此造成根部代謝受損、對重金屬轉運能力下降。

3.2? 香蕉種植體系土壤重金屬安全閾值

本研究結果推導出的香蕉種植系統中土壤As、Cd、Pb總量的安全閾值分別為102.40、0.46、15.39 mg/kg（以莖葉推導值中的最小計算），而GB 15618—2018《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》中對pH<5.5的旱地土壤中As、Cd、Pb的風險篩選值分別為40、0.3、70 mg/kg。其中As、Cd的安全閾值高于標準中的風險篩選值，而Pb的安全閾值低于標準中的風險篩選值，說明該標準能有效保證香蕉中As、Cd不超過飼料衛生標準的限量值，但對Pb元素就不能保證。對特定區域或特定作物的重金屬安全閾值研究往往與標準存在一定的差異，其主要原因是土壤性質和作物類型差異[27]。Lu[9]等對8種土壤類型上小白菜種植的Cd安全閾值進行推導，其中5種土壤類型的Cd安全閾值高于現行標準，另外3中土壤的Cd安全閾值則低于現行標準。土壤pH、有機質和黏土含量導致不同土壤安全閾值差異的主要因素，隨著pH、有機質和黏土含量的增加，推導的土壤Cd安全閾值越高[9， 28]。在同類型土壤中對不同作物Cd安全閾值的推導，其中菠菜、油菜、生菜的閾值與現行標準相當，但莧菜、空心菜和茼蒿的閾值則高于標準[6]。說明作物土壤安全閾值必須同時考慮作物種類和土壤條件，為特定區域的種植作物制定合理、科學的土壤限量值標準。此外，國內的土壤環境質量標準僅對重金屬總量限量值進行規定，尚未考慮重金屬有效態含量，而有效量可避免因土壤類型和土壤理化性質等不同帶來的有效性差異，在重金屬限量值的制定方面更優于全量[29]，因此在制定當地的作物重金屬限量值時，可以考慮將有效量也納入相關規定或標準。

除土壤和作物因素外，選擇的限量標準對閾值推導結果也是不容忽視。本研究從香蕉莖葉飼料化的角度出發，采用的是GB 13078—2017《飼料衛生標準》中的限量值，As、Cd、Pb的限量值分別為2、1、10 mg/kg。但如果從食品安全的角度，采用GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》標準，其中對Cd、Pb的限量值（該標準未規定水果中As的限量值）分別為0.05、0.1 mg/kg，遠低于飼料標準限量值，若按照此標準推算，重金屬閾值應該會偏小，可能低于現行土壤環境質量標準。但由于盆栽模擬實驗難以獲得香蕉果實，因此本研究未從食品安全角度推導安全閾值。在后續的研究中，可通過大量的野外調查數據或者田間微區試驗進一步完善香蕉種植系統的重金屬安全閾值研究。

4? 結論

（1）在10.07～103.90 mg/kg的As濃度范圍內，香蕉生物量不存在顯著的差異;低濃度Cd、Pb對香蕉生物量有促進作用，高濃度時表現出一定的抑制作用。

（2）香蕉根是富集As、Cd、Pb的主要部位;葉和莖相比，Cd、Pb更易富集在莖中，As更易富集在葉中，且根、莖向葉轉運As的能力強于轉運Cd、Pb。

（3）通過建立回歸模型推導出香蕉莖葉飼料化應用時土壤中As、Cd、Pb總量安全閾值分別為102.40、0.46、15.39 mg/kg，有效態含量安全閾值分別為4.77、0.10、5.27 mg/kg。

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責任編輯：崔麗虹