重金屬Cd 在樹仔菜-土壤系統中的富集遷移及安全閾值研究

范 瓊，馮 劍，鄒冬梅，酒元達，蘇初連，吳小芳，吳 彬，趙 敏

（中國熱帶農業科學院分析測試中心·海南省熱帶果蔬產品質量安全重點實驗室·農業農村部亞熱帶果品蔬菜質量安全控制重點實驗室 海口 571101）

鎘（Cd）是廣泛存在于環境中的毒性較大的重金屬之一，Cd 在土壤-植物系統中相對移動較強且易被農作物吸收，Cd 在植株內累積后會干擾正常的細胞功能和代謝，造成一系列不良反應，如生長遲緩、中斷植物水分關系、抑制光合作用、抑制部分酶的合成、造成游離自由基的形成和各級超微結構的改變，嚴重影響作物的品質和產量[1-3]。尤其是作物中過量Cd 積累后，作物中可食用組織的Cd 會轉移到食物鏈，雖然人體攝入Cd 后的吸收量只有3%～5%，但由于Cd 的生物半衰期很長，在人體腎臟和肝臟中能夠有效保留10～30 年，Cd 的長期暴露會導致人體許多疾病，如腎功能不全、骨質疏松癥甚至癌癥等，嚴重威脅了食品安全和人體健康[4-6]。

樹仔菜（Sauropus androgynusL. Merr.）為大戟科守宮木屬植物，又名守宮木，別名天綠香、泰國枸杞、五指山野菜等[7]。在我國海南、云南、廣東、廣西、福建和臺灣等地栽培或者野生[8]。樹仔菜色澤翠綠、口感清香嫩脆、野味濃香、獨具風味，且樹仔菜營養價值高，含有豐富的蛋白質、維生素、鈣、鐵等元素[9-10]。樹仔菜四季均可采收，耐旱、生命周期長，栽培過程中幾乎無病蟲害，無需農藥防治，具有天然野生的特點，是最具有特色的海南野菜之一[7]。但是，2005 年華南農業大學報道樹仔菜含有超出國家標準4 倍的重金屬Cd，隨后有不少研究表明樹仔菜比其他蔬菜確實更容易富集Cd[8]。李永忠等[11]研究表明，樹仔菜的Cd 含量顯著高于其他蔬菜的Cd 含量；楊奕等[8]研究表明，樹仔菜土壤Cd 含量在國家標準限定值范圍內，但樹仔菜的地上部比其他蔬菜更容易富集Cd、Zn、Cu 3 種重金屬。由此可見，樹仔菜比其他蔬菜更易富集土壤中Cd，因此采用與其他蔬菜同樣的重金屬安全閾值指導樹仔菜種植不是很準確。近年來，有不少研究者針對不同作物種植系統進行土壤重金屬安全閾值的推導。穆德苗等[12]推導出適合絕大部分蔬菜種植的西南地區產地土壤Pb安全閾值為100 mg·kg-1；孟媛等[13]研究出7 種葉類蔬菜土壤Cd 和As 安全臨界值分別為0.33～17.11、62.31～105.06 mg?kg-1。目前對土壤重金屬安全閾值的研究越來越全面，推導土壤重金屬安全閾值要綜合考慮作物種類、品種、土壤類型、重金屬總量及有效態含量等因素[14-16]。因此，研究Cd 在樹仔菜-土壤中的遷移積累規律，建立樹仔菜安全種植的土壤Cd 安全閾值，是保障樹仔菜安全生產的一道重要屏障。

筆者通過人工添加不同濃度的Cd 進行樹仔菜土壤盆栽試驗，研究樹仔菜不同部位對Cd 的富集遷移規律，利用相關性分析和多元線性回歸分析等方法研究Cd 積累遷移的關鍵制約環境因子，根據GB 2762－2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》[17]中根莖類蔬菜Cd 含量限值（0.10 mg·kg-1），推導出樹仔菜安全生產的產地土壤Cd 安全閾值，為樹仔菜的安全生產及農田土壤Cd 環境質量標準的細化提供理論支撐和參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤：盆栽試驗用土壤采自海南省五指山市暢好鄉樹仔菜基地土壤（0～20 cm），土壤類型為紅砂壤土。供試作物：海南五指山市廣泛栽培的馬來西亞品種樹仔菜，由五指山市匯通農業綜合開發有限公司提供幼苗，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試驗。

主要試劑：高純液氬（99.999%）、100 mg?L-1鎘標準溶液[壇墨質檢標準物質中心，編號GBM（E）082822]，重鉻酸鉀和硫酸亞鐵均為分析純，其他試劑均為優級純。儀器與設備：植物粉碎機（飛利浦電子公司）、水浴恒溫振蕩器（SHZ-B，常州諾基儀器有限公司）、熱風循環式烘箱（FD53，德國Binder 賓得公司）、離心機（上海安亭科學儀器廠）、電子天平[AE200，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]、pH計（FE20 實驗室pH 計，METTLER TOLEDO 公司）、凱氏定氮儀（Kjeltec 8420，FOSS 公司）、電感耦合等離子體質譜儀（ICP Mass Spectrometer NexlON 300X，美國PerkimElmer 公司）。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 在溫室大棚內開展盆栽試驗，試驗地點為海南省海口市中國熱帶農業科學院，試驗時間為2020 年8—12 月，試驗盆為內徑17.5 cm、高16 cm 的塑料花盆，選用體積比為1∶1 的紅壤土和椰糠混合土樣作為盆栽土壤，每盆3 kg 土壤。盆栽土基本理化性質如下：pH 值5.2、有機質含量（OMC）（w，后 同）73.8 g · kg-1、陽離子交換量（CEC）9.2 cmol（+）·kg-1、堿解氮含量103.3 mg·kg-1、速效鉀含量1.33 g·kg-1、有效磷含量59.4 mg·kg-1、交換性鈣含量20.7 cmol·kg-1、交換性鎂含量1.90 cmol·kg-1、重金屬Cd 含量0.10 mg·kg-1、鋅（Zn）42.9 mg·kg-1。

Cd 脅迫的外源Cd 濃度設定為0.00 mg·kg-1（水平1）、0.30 mg·kg-1（水平2）、0.60 mg·kg-1（水平3）、1.50 mg·kg-1（水平4）、3.00 mg·kg-1（水平5），含量范圍在中國土壤環境報告中被認為是實際存在的[18]。計算配置相應濃度所需試劑質量和土壤60%田間持水量所需水量，采用噴霧的方式將CdCl2水溶液分別以5 個濃度梯度均勻噴灑至土壤中，用扎有細孔的保鮮膜蓋住瓶口，在室溫下老化兩周，期間采用稱質量法補充丟失的水分，老化平衡后取少量樣品測定重金屬總量和重金屬有效態含量，重金屬實際濃度以老化平衡后為準（表1）。老化平衡后施入質量比為15∶15∶15 的復合肥（1.25 g·kg-1），1周后移栽樹仔菜苗，每盆種植1 株，種樹仔菜的處理為試驗組，不種樹仔菜的處理為對照組，試驗組和對照組各5 個水平，每個水平各3 株，試驗進行3 次重復。種植4 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，分別過60 目和100目篩，保存待測；植物樣品洗凈后，分成根、莖、葉、可食用部位嫩梢（莖頂部前10 cm）4 個部分，在60 ℃烘24 h 后，稱量其干質量，再粉碎后備用。

表1 盆栽試驗土壤Cd 總量和有效態濃度

1.2.2 測定方法 采用去離子水按照V水∶V土=2.5∶1 浸提后，用pH 計測定土壤pH 值；采用重鉻酸鉀容量法[19]測定土壤OMC；采用標準HJ 889—2017 中的三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法[20]測定陽離子交換量（CEC）；采用鉬銻抗比色法[21]測定土壤有效磷含量；采用蒸餾法[22]測定土壤速效氮含量；采用1 mol·L-1乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法[23]測定土壤速效鉀含量，總鎘含量采用濕法消解-電感耦合等離子體質譜儀測定[24][土壤標 準 物 質 GBW07457（GSS28）和 GBW07428（GSS14）為質控樣品，植物標準物質以GBW10022（GSB13）和GBW10047（GSB25）為質控樣品]；土壤鎘有效態采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）以V土∶V液=1∶5 進行浸提，室溫下振蕩2 h 后離心過濾，濾液采用電感耦合等離子體質譜儀測定[標準物質GBW07416a（ASA-5a）為質控樣品]。

1.3 數據處理及分析

1.3.1 數據分析 使用Excel 2007 進行作圖，采用SPSS22.0 軟件進行數據的相關性分析和逐步回歸分析，Spearman 相關性分析用來評估土壤屬性與重金屬含量在蔬菜中的相關性。

1.3.2 富集系數計算 富集系數（BCF）反映重金屬從土壤向樹仔菜轉移的有效系數，是植物上部重金屬含量和土壤中重金屬含量的比值，也是評價樹仔菜從土壤中吸收重金屬能力的指標之一[25]。

式（1）中，BCFTotal表示重金屬全量在樹仔菜中的富集系數；Cplant為地上部植物中重金屬含量（mg · kg-1）；Ctotal為 土 壤 中 金 屬 元 素 的 含量（mg·kg-1）。

1.3.3 轉運系數計算 轉運系數（TF）是指重金屬從植物某組織通過植物生長轉運的方式在植物其他部位積累的有效系數[25]。

式（2）中TF為生物轉運系數，Ci為樹仔菜某組織部位中重金屬含量（mg·kg-1）；Cj為樹仔菜其他組織部位中重金屬的含量（mg·kg-1）。

2 結果與分析

2.1 不同Cd濃度土壤對樹仔菜生物量的影響

由圖1 可以看出，土壤鎘濃度5 個處理水平下樹仔菜的生物量分別為16.40、16.00、15.74、15.95、15.96 g·株-1，各處理間差異不顯著，說明土壤中Cd含量為0.10～2.18 mg·kg-1對樹仔菜的生長影響不顯著，即使Cd 含量為2.18 mg·kg-1，超過土壤Cd 的風險篩選值（0.30 mg·kg-1）的情況下，樹仔菜的生長表觀仍沒有顯著差異，說明了樹仔菜對重金屬Cd 具有一定的抗逆性。

圖1 Cd 脅迫下樹仔菜的生物量

2.2 樹仔菜土壤在Cd 脅迫下理化性質和Cd 含量變化特征

從表2 中可以看出，樹仔菜土壤Cd 脅迫4 個月后，與表1 結果相比，對照組的5 個Cd 脅迫濃度水平的土壤Cd 總量雖然下降（水平5 除外），但是有效態Cd 含量均增加了，表明經過農藝措施后土壤的Cd 活性增強；而試驗組土壤Cd 總量和有效態含量均有所下降，土壤Cd 總量分別下降了20.00%、39.29%、27.69%、23.02%、1.83%，Cd 有效態含量下降率分別為20.00%、46.67%、16.0%、5.26%、25.14%，這可能與樹仔菜吸收了土壤中的Cd 有關。試驗組中，隨著土壤中Cd 濃度的增加，土壤pH 值和CEC 總體呈先下降再上升再下降趨勢，OMC 總體呈現了增加趨勢，與水平1 相比，水平5的土壤pH 和CEC 分別下降了6.33%和14.42%，有機質含量顯著增加了39.94%，而對照組各水平之間土壤pH 值和有機質含量差異不顯著。從植株Cd總量可以看出，隨著土壤中Cd 濃度的增加，樹仔菜中Cd 含量也逐漸增加，并且超過了土壤中Cd含量，水平5 中樹仔菜土壤Cd 含量為2.14 mg·kg-1，有效態Cd 含量為1.37 mg·kg-1時，樹仔菜植株中總Cd 含量達69.45 mg·kg-1，表明了樹仔菜有富集土壤中Cd 的特性。在土壤Cd 水平1 條件下樹仔菜嫩梢Cd 含量為0.069 mg·kg-1，未超過現行食品污染物限量標準（根莖類蔬菜Cd≤0.1 mg·kg-1），但是當土壤Cd 濃度達到水平2 后，樹仔菜嫩梢Cd 含量分別為0.40、1.24、3.38、1.90 mg·kg-1，均超過限量標準，表明了土壤Cd 濃度較高時樹仔菜嫩梢存在食用安全風險。

表2 Cd 脅迫下樹仔菜土壤理化性質和Cd 含量

2.3 樹仔菜各部位對Cd遷移和積累特征

由表3 可知，當土壤中Cd 濃度較低時（水平1），樹仔菜Cd 主要積累在葉中，積累系數大小為葉>莖>根>嫩梢，但是當土壤Cd 濃度升高至水平2后，積累系數大小順序發生了改變，為根>葉>莖>嫩梢，表明樹仔菜中的Cd 主要集中在根部位。遷移系數包括了根轉運到莖（TF1）、根轉運到葉（TF2）、莖轉運到葉（TF3）、根轉運到嫩梢（TF4），當土壤Cd濃度在水平1 時，樹仔菜各部位對Cd 的遷移系數為TF2>TF3>TF1>TF4，隨著土壤Cd 濃度升高達到水平3 時，樹仔菜各部位對Cd 的遷移系數為TF1>TF3>TF2>TF4，這說明隨著Cd 濃度的增加，Cd 從根部向葉子遷移系數能力下降，在根部富集較多。

表3 樹仔菜各部位對Cd 的積累系數和遷移系數

2.4 土壤理化性質與樹仔菜Cd 遷移積累變化的關系

從表4 可以看出，樹仔菜各部位的Cd 含量與種植土壤的Cd 含量和Cd 有效態含量均呈極顯著正相關，表明Cd 總量和有效態含量易于從土壤向樹仔菜體內遷移轉運。樹仔菜中根和莖Cd 含量與土壤pH 呈極顯著負相關，樹仔菜中各部位Cd 含量與土壤CEC 呈極顯著負相關，與OMC 呈極顯著正相關，說明土壤pH 值和OMC 以及陽離子交換量能夠對Cd 生物有效性及遷移積累產生影響。為進一步闡明土壤重金屬Cd 污染對樹仔菜遷移積累的影響，探究土壤屬性和樹仔菜各部位中重金屬Cd的關系，利用SPSS22.0 逐步回歸，擬合樹仔菜各部位Cd 含量及其富集系數與土壤理化性質（pH 值、OMC、CEC、土壤Cd 含量、土壤Cd 有效態含量），構建樹仔菜各部位Cd 及其富集系數的逐步回歸方程。結果顯示（表5），樹仔菜根和莖中的Cd 含量與土壤中的OMC 和Cd 含量相關，相關系數R2均為0.998，說明在土壤理化性質指標中，OMC 和土壤Cd 含量是控制根和莖中Cd 含量的重要影響因子。而葉和嫩梢中Cd 含量主要受到土壤中OMC、Cd 含量、Cd 有效態含量3 個因子影響，逐步回歸方程的確定系數R2分別為0.983、0.975。樹仔菜各部位Cd 富集系數的逐步回歸方程結果顯示土壤pH是控制樹仔菜各部位富集Cd 的一個重要影響因子，此外，OMC 也是影響樹仔菜根部Cd 富集的主要因素之一，土壤Cd 有效態含量是影響樹仔菜莖、葉和嫩梢中的Cd 富集的重要因素。由此可以看出，除了土壤Cd 總量外，土壤中pH 值以及Cd 有效態含量也是影響Cd 在樹仔菜-土壤系統中積累遷移的重要因素。

表4 土壤理化性質與樹仔菜各部位Cd 含量的相關性

表5 樹仔菜各部位Cd 和Cd 富集系數的逐步回歸方程

2.5 樹仔菜土壤生態安全閾值的推算

樹仔菜主要食用的是嫩梢部位，筆者的研究中，樹仔菜種植4 個月后雖然可以采摘嫩梢部位，但是整個植株仍處于生長發育的前期，莖部依然嬌嫩，因此對樹仔菜嫩梢和莖中Cd 分別采用回歸分析方法建立其與土壤Cd 總量之間的線性、多項式、指數和對數等回歸模型，選擇擬合相關系數R2最大的方程，確定為擬合最優方程（表6），根據GB 2672－2017《食品中污染物限量》[17]中規定的根莖類Cd 限量值為0.10 mg·kg-1，對應帶入表6 的回歸方程中，推導出樹仔菜土壤中Cd 總量的安全閾值。結果顯示，根據嫩梢和莖中的Cd 含量推導的土壤安全閾值分別為0.087 mg·kg-1和0.086 mg·kg-1，二者之間差異不顯著，說明了回歸模型能很好地預測樹仔菜土壤Cd 安全閾值。

表6 樹仔菜嫩梢和莖與土壤Cd 總量的回歸方程及安全閾值

3 討論與結論

3.1 樹仔菜對重金屬Cd的富集遷移規律

當土壤中Cd 含量為0.28 mg·kg-1，經過4 個月種植后，土壤Cd 含量變為0.17 mg·kg-1，樹仔菜可食部位嫩梢的Cd 含量為0.40 mg·kg-1，超出了GB 2762－2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》的根莖類蔬菜Cd≤0.10 mg·kg-1限值，也就是說樹仔菜種植土壤Cd 含量在未超過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6.5

3.2 樹仔菜-土壤系統中Cd 遷移積累與土壤理化性質的關系

土壤的理化性質也是影響重金屬遷移積累的關鍵因素，其中pH 值、OMC 和CEC 這3 種性質的影響最為顯著[26]。本研究中基于土壤性質、Cd 總量和有效態含量構建了樹仔菜各部位Cd 含量及Cd積累吸收模型，顯示除了Cd 總量的影響外，pH 值和OMC、Cd 有效態含量是影響樹仔菜Cd 積累和遷移的關鍵因子。這是由于pH 值增加后土壤膠體表面負電荷增加，導致土壤中Fe、Mn 氧化物形成增多，對重金屬的吸附能力增強從而降低了重金屬有效態含量[27]。而OMC 從兩方面對土壤中重金屬有效性和遷移性產生重要的作用，一是OMC 通過吸附或者與腐殖質形成穩定的絡合物，降低土壤中重金屬的生物有效性[28]；另一方面是有機質參與了向土壤溶液提供有機化學物質的過程，這些化學物質可以作為螯合物，提高植物對重金屬的利用率[14]。Zeng 等[14]對pH 值和OMC 對重金屬有效性和遷移性研究中顯示重金屬有效態含量與pH 值之間存在顯著負相關，與OMC 存在顯著正相關；竇韋強等[26]研究葉菜類蔬菜和土壤中Cd 與土壤基本理化性質之間的關系，結果表明，蔬菜Cd 總量與pH 值呈極顯著負相關，與OMC 呈極顯著正相關，與本研究結果一致。

3.3 樹仔菜地土壤重金屬Cd安全閾值

本研究用樹仔菜莖和嫩梢中Cd 含量與土壤Cd 總量構建回歸模型，推導出樹仔菜種植系統中土壤Cd 總量的安全閾值分別為0.086、0.087 mg·kg-1，遠低于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6.5