黑兒平,上官宇先,喻 華,秦魚生,曾祥忠,郭晶晶,伍燕翔
(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,成都 610066; 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,成都 611130;3.敘永縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,四川 瀘州 646499; 4.翠屏區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,四川 宜賓 644002)
據(jù)報(bào)道,近年來(lái),工業(yè)“三廢”的隨意排放和生活污水灌溉于農(nóng)田,以及大量工業(yè)肥料農(nóng)藥的施用,造成農(nóng)田土壤中重金屬富集和積累顯著增加[1-2]。蔬菜可以通過(guò)根系等吸收轉(zhuǎn)運(yùn)土壤重金屬到食用部分,重金屬進(jìn)而通過(guò)食物鏈危害人體身心健康[3]。趙小蓉等[4]在成都平原區(qū)研究表明葉菜類蔬菜對(duì)土壤重金屬富集能力較強(qiáng),而根莖類蔬菜則表現(xiàn)相對(duì)較弱。林君鋒等[5]在福建部分污染嚴(yán)重地區(qū)研究蔬菜對(duì)鎘、鋅、銅的富集能力,結(jié)果顯示蔬菜對(duì)鎘的富集能力相對(duì)較強(qiáng)。何江華等[6]研究廣州蔬菜生產(chǎn)基地的蔬菜,表明不同蔬菜對(duì)不同重金屬的富集存在很大差異,其吸收富集能力從大到小為Cd > Hg > As > Pb > Cr。有學(xué)者進(jìn)一步研究證實(shí)了不僅不同蔬菜對(duì)重金屬的富集能力存在明顯差異[7-8],同種蔬菜之間也存在差異。結(jié)果表明,不同蔬菜具有對(duì)重金屬不同的富集能力,可選擇性地栽培在相適宜的農(nóng)田土壤中,以減輕對(duì)重金屬的過(guò)度富集風(fēng)險(xiǎn)以及保證蔬菜生產(chǎn)安全[9-11]。成都平原是我國(guó)西部地區(qū)重要的蔬菜生產(chǎn)基地,近期有研究報(bào)道,成都平原個(gè)別地區(qū)農(nóng)田土壤已受到不同程度的重金屬污染[12-13]。筆者在成都平原農(nóng)田土壤重金屬污染區(qū)域,選擇面積較大、連續(xù)種植多年的蔬菜種植地和當(dāng)?shù)爻R姷木哂写硇缘?8 種蔬菜品種(蔬菜類型主要涉及葉菜類、果菜類、蔥蒜類、根莖類、甘藍(lán)類5 大類作物)進(jìn)行田間試驗(yàn),測(cè)定了土壤和蔬菜中Cd、Cr、Pb、Zn、Cu、Ni、Hg、As 8 種重金屬含量狀況,分析了不同蔬菜對(duì)重金屬的富集規(guī)律,并篩選了不同富集能力的蔬菜種類,為該地區(qū)種植蔬菜種類的選擇及種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供依據(jù)。
1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況試驗(yàn)區(qū)位于四川成都平原東北部,其中心地理位置坐標(biāo)為107°50′E,31°21′N,年均氣溫17.3℃,無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)300 d,年均降雨量1 185.2 mm,試驗(yàn)區(qū)土壤pH 均值6.48,偏酸性,土壤有機(jī)質(zhì)均值為32.30 g·kg-1。
1.2 樣 品的采集與處理于2017 年10 月 至2019 年5 月在研究區(qū)域具有代表性的蔬菜生產(chǎn)基地選擇有一定規(guī)模的田塊進(jìn)行田間試驗(yàn)。為全面比較不同蔬菜對(duì)重金屬吸收累積的差異性 ,供試作物類型包括葉菜類、果菜類、蔥蒜類、根莖類、甘藍(lán)類5 大類作物 ,即白菜(Brassica rapa var.glabra Regel)、白蘿卜(Raphanussativus)、白菜型油菜(Brassia campestris L.)簡(jiǎn)稱白油菜、菠菜(Spinacia oleracea L.)、蓮 白 與 包 心 菜(Brassica oleracea var.capitata Linnaeus)、小白菜(Brassica campestrisL.ssp.chinensis Makino var.communis Tsen et Lee)、胡蘿卜(Daucus carota var.sativa Hoffm.)、小蔥(Allium fistulosuml.)、紅蘿卜(Salvia bowleyana Dunn)、紅油菜(Brassica campestris L.ssp.chinensis var.utilis)、青菜[Brassica rapa var.chinensis(Linnaeus) Kitamura]、蒜苗(Allium sativum)、豌豆尖(Pisum sativum L.)、萵筍葉(Lactuca sativa L.)、香 菜(Coriandrum sativum L.)、小 青 菜(Brassica chinensis L.)、油 菜(Brassica rapa var.oleifera DC.)等18 種當(dāng)?shù)爻R姷闹饕卟似贩N。將每個(gè)品種蔬菜分別種植在不同的試驗(yàn)小區(qū)內(nèi),小區(qū)面積為20 m2(5 m×4 m),周圍設(shè)置保護(hù)行(30 cm),農(nóng)田管理均采取當(dāng)?shù)仄綍r(shí)農(nóng)作習(xí)慣。在成熟期筆者課題組安排專人到試驗(yàn)基地負(fù)責(zé)采集蔬菜測(cè)定部位。白菜、白油菜、菠菜、蓮白、包心菜、小白菜、紅油菜、青菜、豌豆尖、萵筍葉、香菜、小青菜、油菜采集測(cè)定部位為葉片;白蘿卜、胡蘿卜、紅蘿卜采集測(cè)定部位為根;小蔥、蒜苗采集測(cè)定部位為莖。
每個(gè)采樣點(diǎn)小區(qū)取 3~5 個(gè)樣品,然后混合均勻,現(xiàn)場(chǎng)去除腐爛葉或根部土壤,其混合樣1 kg 左右。土樣保持與蔬菜樣在同一樣點(diǎn)同步采取,采樣深度為0~20 cm,每份混合樣不少于1 kg,共54 個(gè)土樣。土樣按NY/T395—2012《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求進(jìn)行,剔除石塊、植物根莖等雜質(zhì),風(fēng)干后、將其置于60 ℃恒溫干燥箱內(nèi),烘干至恒重,取出后用瑪瑙研磨機(jī)研磨、過(guò)1 mm 尼龍篩,樣品保存于玻璃瓶中備用。蔬菜樣品經(jīng)離子水沖洗干凈后,65 ℃烘干,磨碎后過(guò)0.84 mm 孔徑尼龍網(wǎng)篩。
1.3 測(cè)定方法蔬菜每個(gè)品種混合樣品以及其混合土樣經(jīng) HNO3-HCIO4 消化處理后,Hg、As 原子熒光分光光度法測(cè)定,Pb、Cd、Cu、Cr、Zn、Ni 利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定,土壤pH 值的測(cè)定使用電位法,土壤有機(jī)質(zhì)采用高溫外熱重Cr 酸鉀氧化-容量法測(cè)定[14]。
1.4評(píng)價(jià)方法
1.4.1單項(xiàng)污染指數(shù)法根據(jù)公式計(jì)算單項(xiàng)污染指數(shù),依據(jù)GB2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》[15]制定限量標(biāo)準(zhǔn),Pi≤1 為安全,1.0<Pi≤2.0 為輕微污染,2.0<Pi≤3.0 為輕度污染,3.0<Pi≤5.0 為中度污染,Pi>5.0 為重度污染。
式中,Pi為污染物的單項(xiàng)污染指數(shù);Ci為農(nóng)產(chǎn)品中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg.kg-1;Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值,mg.kg-1。
1.4.2內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法根據(jù)公式計(jì)算內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù),PN值越大,說(shuō)明重金屬污染越嚴(yán)重,PN<0.7為安全,0.7<PN≤1.0 為輕微污染,1.0<PN≤2.0 為輕度污染,2.0<PN≤3.0 為中度污染,PN>3.0 為重度污染。
式中,PN表 示某區(qū)域綜合污染指數(shù);Pmax表示單因子污染指數(shù)最大值;pave為單因子污染指數(shù)平均值。
1.5 生物富集系數(shù)為了比較不同蔬菜品種對(duì)土壤重金屬的吸收和累積特性的差異,利用富集系數(shù)來(lái)衡量蔬菜可食用部分對(duì)土壤中重金屬元素的吸收能力。富集系數(shù)愈大,表明愈易從土壤中吸收該元素,即對(duì)該元素的富集能力愈強(qiáng)。
式中,BCF 為蔬菜可食部分中重金屬生物富集系數(shù),CG為蔬菜可食部分中重金屬含量,CT為對(duì)應(yīng)的土壤中重金屬含量,mg.kg-1。
1.6 數(shù)據(jù)處理對(duì)土樣和蔬菜樣中的8 種重金屬含量采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,相關(guān)性分析用SPSS 軟件,富集能力分析圖用OriginPro 8.5統(tǒng)計(jì)軟件完成。
2.1 蔬菜地土壤重金屬含量特征供試土壤樣本的重金屬含量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差詳見表1。參照GB15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》[16],土樣中Cd 含量有15 個(gè)超標(biāo),超標(biāo)率達(dá)31.91%,最大超標(biāo)值是限值的2.18 倍,其余元素均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。土壤Cd、Cr、Pb、Zn、Cu、Ni、Hg、As 的平均值分別為四川省土壤背景值的4.05 倍、0.91 倍、1.19 倍、1.18 倍、0.90 倍、1.00 倍、1.80 倍、0.82 倍。
表1 菜地土壤重金屬含量的情況
2.2 蔬菜可食部分重金屬含量參照上述蔬菜重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),蔬菜樣品中除了Zn、Cu 未超標(biāo)外,其余6 種重金屬Cd、Cr、Pb、Ni、Hg、As 含量超標(biāo)率分別為4.39%、26.37%、6.59%、12.09%、5.49%、1.10%。其中,香菜中的Cd、Cr、Pb、Zn、Cu、Ni、Hg 的平均含量,菠菜中的Cd、Cr 的平均含量,胡蘿卜中的Cd 的平均含量,紅油菜中的Cr 的平均含量,蒜苗中的Cr 的平均含量,豌豆尖中的Cr 的平均含量,萵筍葉中的Cr 的平均含量,油菜中的Cr 的平均含量均超過(guò)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量,但其他均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。不同蔬菜中重金屬含量具體詳見圖1。
圖1 不同蔬菜中重金屬的含量
2.3 蔬菜可食部位重金屬污染評(píng)價(jià)由上述重金屬污染評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果(表2)可知,各種蔬菜主要受重金屬Cr 污染,受污染蔬菜達(dá)到55.56%,其次是 Hg、Cd 和 Pb 分 別 為 16.67%、22.22%和11.11%,而As 無(wú)污染。綜合污染程度處于安全范圍內(nèi)的蔬菜有白菜、白蘿卜、白油菜、蓮白、包心菜、小白菜、胡蘿卜、小蔥、紅蘿卜、紅油菜、青菜、豌豆尖、萵筍葉、小青菜,其中白油菜、小蔥、紅油菜、青菜、萵筍葉和小青菜均受到不同程度的Cr 污染,胡蘿卜受到Cd 和Hg 污染;輕微污染的蔬菜有蒜苗和油菜,均受到Cr 污染,綜合污染指數(shù)分別為0.789 和0.874;而輕度污染的蔬菜有菠菜和香菜,均受到Hg、Pb、Cd 和Pb 污染,綜合污染指數(shù)分別為1.185 和1.373。
表2 蔬菜重金屬污染評(píng)價(jià)
2.4 蔬菜可食部位對(duì)重金屬的富集能力根據(jù)相關(guān)性分析表明,蔬菜中重金屬含量與土壤中重金屬含量具有一定的顯著性相關(guān),因此,為了比較不同蔬菜品種對(duì)土壤重金屬的吸收和累積特性的差異,利用富集系數(shù)來(lái)衡量蔬菜可食用部分對(duì)土壤中重金屬元素的吸收能力,富集系數(shù)愈大,表明愈易從土壤中吸收該元素,即對(duì)該元素的富集能力愈強(qiáng)。由生物富集系數(shù)結(jié)果(圖2)可見,總體而言,18 種蔬菜對(duì)Cd、Zn、Hg 3 種元素的富集系數(shù)平均值均超過(guò)0.04,表現(xiàn)出富集能力相對(duì)較強(qiáng),而對(duì)其余元素則表現(xiàn)出富集能力相對(duì)較弱的趨勢(shì)(圖3)。
圖2 蔬菜對(duì)重金屬的富集系數(shù)平均值
圖3 不同蔬菜對(duì)重金屬的富集系數(shù)
蔬菜可食部分對(duì)重金屬Cd、Cr、Pb、Zn、Cu、Ni、Hg、As 元素的富集系數(shù)(圖2)具體規(guī)律表現(xiàn)如下:(1)不同蔬菜對(duì)Cd 的富集規(guī)律:不同蔬菜對(duì)Cd 的富集系數(shù)平均值為0.201 1,由高到低依次是菠菜>香菜>胡蘿卜>青菜>紅油菜>萵筍葉>白油菜>油菜>蒜苗>白菜>小蔥>小青菜>小白菜>蓮白>紅蘿卜>豌豆尖>白蘿卜>包心菜;其中,菠菜對(duì)Cd 的富集能力相對(duì)較強(qiáng),富集系數(shù)為1.121 6,而包心菜則相對(duì)較弱,富集系數(shù)僅為0.025 8。(2)不同蔬菜對(duì)Cr 的富集規(guī)律:不同蔬菜對(duì)Cr 的富集系數(shù)平均值為0.006 3,由高到低依次是香菜>油菜>蒜苗>菠菜>紅油菜>豌豆尖>萵筍葉>青菜>小蔥>白油菜>小青菜>白菜>蓮白>小白菜>胡蘿卜>白蘿卜>紅蘿卜>包心菜;其中,香菜對(duì)Cr 的富集能力相對(duì)較強(qiáng),富集系數(shù)為0.014 8,而包心菜則相對(duì)較弱,富集系數(shù)僅為0.001 7。(3)不同蔬菜對(duì)Pb 的富集規(guī)律:不同蔬菜對(duì)Pb 的富集系數(shù)平均值為0.003 1,由高到低依次是香菜>菠菜>萵筍葉>紅油菜>油菜>豌豆尖>蒜苗>青菜>白油菜>白菜>白蘿卜>紅蘿卜>小蔥>蓮白>胡蘿卜>小青菜>小白菜>包心菜;其中,香菜對(duì)Pb 的富集能力相對(duì)較強(qiáng),富集系數(shù)為0.018 0,而包心菜則相對(duì)較弱,富集系數(shù)僅為0.000 1。(4)不同蔬菜對(duì)Zn 的富集規(guī)律:不同蔬菜對(duì)Zn 的富集系數(shù)平均值為0.056 5,由高到低依次是菠菜>香菜>豌豆尖>胡蘿卜>蓮白>紅油菜>青菜>白油菜>小青菜>小蔥>蒜苗>包心菜>油菜>萵筍葉>小白菜>白菜>白蘿卜>紅蘿卜;其中,菠菜對(duì)Zn 的富集能力相對(duì)較強(qiáng),富集系數(shù)為0.268 7,而紅蘿卜則相對(duì)較弱,富集系數(shù)僅為0.020 2。(5)不同蔬菜對(duì)Cu 的富集規(guī)律:不同蔬菜對(duì)Cu 的富集系數(shù)平均值為0.020 7,由高到低依次是香菜>菠菜>豌豆尖>小蔥>萵筍葉>胡蘿卜>紅油菜>小青菜>油菜>蒜苗>白油菜>青菜>小白菜>蓮白>白菜>包心菜>紅蘿卜>白蘿卜;其中,香菜對(duì)Cu 的富集能力相對(duì)較強(qiáng),富集系數(shù)為0.045 3,而白蘿卜則相對(duì)較弱,富集系數(shù)僅為0.005 7。(6)不同蔬菜對(duì)Ni 的富集規(guī)律:不同蔬菜對(duì)Ni 的富集系數(shù)平均值為0.017 8,由高到低依次是香菜>豌豆尖>油菜>紅油菜>萵筍葉>蓮白>小青菜>蒜苗>青菜>白油菜>菠菜>小蔥>白菜>胡蘿卜>紅蘿卜>包心菜>小白菜>白蘿卜;其中,香菜對(duì)Ni 的富集能力相對(duì)較強(qiáng),富集系數(shù)為0.031 1,而白蘿卜則相對(duì)較弱,富集系數(shù)僅為0.006 0。(7)不同蔬菜對(duì)Hg 的富集規(guī)律:不同蔬菜對(duì)Hg 的富集系數(shù)平均值為0.048 1,由高到低依次是菠菜>香菜>胡蘿卜>小蔥>豌豆尖>青菜>白油菜>蓮白>油菜>小白菜>紅油菜>小青菜>蒜苗>萵筍葉>紅蘿卜>白菜>包心菜>白蘿卜;其中,菠菜對(duì)Hg 的富集能力相對(duì)較強(qiáng),富集系數(shù)為0.116 4,而白蘿卜則相對(duì)較弱,富集系數(shù)僅為0.010 8。(8)不同蔬菜對(duì)As 的富集規(guī)律:不同蔬菜對(duì)As 的富集系數(shù)平均值為0.009 5,由高到低依次是紅油菜>小青菜>白油菜>萵筍葉>香菜>青菜>紅蘿卜>豌豆尖>白菜>菠菜>油菜>小蔥>蒜苗>胡蘿卜>白蘿卜>蓮白>小白菜>包心菜;其中,紅油菜對(duì)As 的富集能力相對(duì)較強(qiáng),富集系數(shù)為0.027 1,而包心菜則相對(duì)較弱,富集系數(shù)僅為0.002 2。
總體而言,蔬菜可食部分對(duì)Cd、Hg 和Cr 的富集能力規(guī)律表現(xiàn)為葉菜類>蔥蒜類>果菜類>根菜類>甘藍(lán)類;對(duì)Pb、As 和Ni 的富集能力規(guī)律表現(xiàn)為葉菜類>果菜類>蔥蒜類>根莖類>甘藍(lán)類;對(duì)Cu、Zn 的富集能力規(guī)律表現(xiàn)為葉菜類>果菜類>蔥蒜類>甘藍(lán)類>根莖類,顯然,葉菜類蔬菜對(duì)重金屬元素的富集能力相對(duì)較強(qiáng),而甘藍(lán)類和根莖類則相對(duì)較弱。這表明不同蔬菜對(duì)同一種重金屬元素的富集能力存在差異,或同一種蔬菜對(duì)不同重金屬元素的富集能力存在差異,特別是還存在種內(nèi)差異,即同種蔬菜的不同品種對(duì)重金屬的富集能力也有所差異,該種內(nèi)差異主要內(nèi)容有待進(jìn)一步深入研究。
本調(diào)查發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)域土壤Cd 元素超標(biāo)較嚴(yán)重,且蔬菜對(duì)Cd 元素的富集能力相對(duì)較強(qiáng)。土壤有機(jī)質(zhì)可參與土壤重金屬的氧化還原反應(yīng)、絡(luò)合與螯合作用,影響重金屬的存在形態(tài),進(jìn)而干擾遷移、轉(zhuǎn)化過(guò)程。通常土壤Cd 的有效態(tài)含量隨pH 值的下降而增加,這是因?yàn)橥寥纏H 值降低可促進(jìn)Cd 的絡(luò)合態(tài)與殘?jiān)鼞B(tài)向有效態(tài)轉(zhuǎn)化[17-20]。而本試驗(yàn)區(qū)域土壤呈偏酸性,土壤有機(jī)質(zhì)含量較豐富,平均值為32.30 g.kg-1(二級(jí)),屬偏上等水平,有利于增加Cd 的活性,因而作物較容易吸收積累Cd[11]。
本試驗(yàn)區(qū)域蔬菜主要受重金屬Cr、Hg、Cd 污染,但除了Cd 外,Cr、Hg 在農(nóng)田土壤采樣中并未發(fā)現(xiàn)含量超標(biāo)的現(xiàn)象,因而可以認(rèn)定為蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中受到污染,污染物主要來(lái)源是外源,如農(nóng)田施肥、灌溉以及農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)和工業(yè)廢氣等工業(yè)活動(dòng),因而建議密切監(jiān)督當(dāng)?shù)毓I(yè)活動(dòng)和嚴(yán)格制定農(nóng)藥化肥的使用規(guī)格。葉菜類蔬菜對(duì)重金屬的富集能力相對(duì)較強(qiáng),而根莖類和甘藍(lán)類蔬菜則相對(duì)較弱,以及同種蔬菜種內(nèi)存在差異,利用這個(gè)特性,可以選擇性地去完善種植制度和規(guī)劃種植區(qū)域,減少甚至避免蔬菜受重金屬的污染,保證蔬菜生產(chǎn)安全和降低重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)[21-23],這一項(xiàng)研究具有重大的意義。
(1)本試驗(yàn)區(qū)域土壤Cd、Cr、Pb、Zn、Cu、Ni、Hg、As 含量平均值分別為四川省土壤背景值的4.05 倍、0.91 倍、1.19 倍、1.18 倍、0.90 倍、1.00 倍、1.80 倍、0.82 倍,其中土壤Cd 含量超標(biāo)率達(dá)31.91%,最大超標(biāo)值是限值的2.18 倍,Cd 是主要污染物,其余元素均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
(2)本研究區(qū)域蔬菜主要受重金屬Cr、Hg、Cd 污染;綜合污染程度為輕微污染的有蒜苗和油菜,輕度污染的有菠菜和香菜;通過(guò)富集系數(shù)發(fā)現(xiàn),18 種蔬菜對(duì)8 種重金屬元素的富集系數(shù)平均值 從 高 到 低 依 次 為Cd>Zn>Hg>Cu>Ni>As>Cr>Pb,且18 種蔬菜對(duì)同一種元素的富集系數(shù)也表現(xiàn)顯著性差異。總體上,葉菜類蔬菜如香菜對(duì)Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、Zn、Cu 和菠菜對(duì)Cd、Hg、Zn、Pb、Cu 以及紅油菜對(duì)As、Pb 富集能力相對(duì)較強(qiáng),而甘藍(lán)類和根莖類如包心菜對(duì)Cd、Hg、Cr、Pb、As、Ni、Cu 和 白 蘿 卜 對(duì)Cd、Cr、Zn、Cu、Ni、Hg 及紅蘿卜對(duì)Zn、Cr、Cu 的富集能力則相對(duì)較弱。這表明研究區(qū)域香菜和菠菜不宜在被Cd、Hg、Pb、Cr、Ni、Zn、Cu 污染的土壤上栽培;紅油菜不宜在被As、Pb 污染的土壤上栽培;包心菜、白蘿卜和紅蘿卜可作為被 Cd、Hg、Cr、Pb、As、Ni、Cu、Zn 污染的土壤優(yōu)先選種的蔬菜品種。