杭州市主要農(nóng)作物對鎘的富集差異及其影響因素

石一珺，徐穎菲，倪中應(yīng)，王京文，李丹，章明奎*

(1.桐廬縣農(nóng)業(yè)和林業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 桐廬 311500； 2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058;3.杭州市植保土肥總站, 浙江 杭州 310020)

土壤是農(nóng)產(chǎn)品中重金屬的主要來源[1-2]。眾多研究表明，土壤污染的加劇可增加農(nóng)產(chǎn)品中重金屬的積累[2-3]。但土壤污染程度并非是影響農(nóng)作物吸收重金屬的唯一因素，農(nóng)產(chǎn)品吸收土壤中重金屬的數(shù)量可因土壤性狀、農(nóng)作物種類的不同而發(fā)生變化[4-6]。富集系數(shù)是指植物某一器官與生長土壤中特定重金屬元素含量的比值，可反映作物對土壤中重金屬元素的吸收能力[7]。有人根據(jù)農(nóng)作物對不同重金屬吸收富集的差異，把植物分為重金屬低積累型、中等積累型和高積累型[8-9]，用以根據(jù)土壤重金屬的污染程度指導(dǎo)選擇種植的作物，保障農(nóng)產(chǎn)品的安全[6,10]。由于在自然條件下污染土壤中重金屬通過生物地球化學(xué)過程自行消減常常需要較長的時間，因此如何改變土壤性狀或合理選擇農(nóng)作物來控制農(nóng)產(chǎn)品中重金屬的富集、降低重金屬進(jìn)入食物鏈的風(fēng)險是目前重金屬污染治理實踐中常用的手段[11-14]。近年來的調(diào)查表明，杭州市農(nóng)業(yè)土壤重金屬的污染呈增加趨勢，其中較為突出的是鎘、汞、砷等的污染[15-17]，對區(qū)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)構(gòu)成了一定的威脅。已有研究表明，杭州市內(nèi)不同蔬菜品種對重金屬的富集能力有較大差異[18-19]，但關(guān)于其他農(nóng)作物對重金屬富集的研究報道較少。為了全面了解杭州市主要農(nóng)作物對重金屬吸收的差異及土壤性狀對其的影響，在杭州市域范圍同時采集了不同種類糧食、果蔬等農(nóng)作物的可食部位與對應(yīng)耕層的土壤樣品，分析、計算了鎘在各類農(nóng)產(chǎn)品中的富集系數(shù)，探討影響作物鎘富集的土壤因素，旨在為重金屬污染農(nóng)田土壤的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

在杭州市域選擇203塊代表性農(nóng)田，同時采集各類糧食、果蔬等農(nóng)作物的可食部位與對應(yīng)的耕層土壤樣品。采樣地覆蓋桐廬縣、蕭山區(qū)、江干區(qū)、西湖區(qū)、富陽區(qū)、余杭區(qū)、臨安區(qū)、建德市和淳安縣等9個縣(市、區(qū))。采集的植物樣品為農(nóng)作物的可食部分，包括葉菜(n=31)、根莖蔬菜(n=22)、茄果蔬菜(n=24)、豆類蔬菜(n=17)、瓜類蔬菜(n=13)、稻米(n=37)、大小麥籽粒(n=16)、玉米(n=13)、花生(n=7)和水果(n=23)。土樣采集深度為0～15 cm，每一采樣地的土壤和植物樣品在相同的9 m2范圍內(nèi)采集，各由9個分樣混合而成。

所有植物樣按食用習(xí)慣用去離子水清洗或除殼，取可食部分用于分析。鮮樣經(jīng)105 ℃殺青1 h，然后在65 ℃下烘干后粉碎，用高氯酸消化法消化，石墨爐-原子吸收分光光度法測定鎘。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，磨碎過0.125 mm尼龍篩，用鹽酸-硝酸-高氯酸消解[20]，石墨爐-原子吸收分光光度法測定鎘含量。土壤有機質(zhì)含量和pH值采用常規(guī)分析方法測定[21]。土壤質(zhì)地用指測法確定類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同農(nóng)作物對鎘的富集

對所有107個蔬菜樣(包括瓜類蔬菜、豆類蔬菜、茄果蔬菜、葉菜、根莖蔬菜)的統(tǒng)計表明(表1)，蔬菜中鎘的富集系數(shù)在0.012～1.138，平均為0.297，變異系數(shù)為73.73%。所有66個糧食作物樣品(包括稻米、大小麥籽粒和玉米)的統(tǒng)計表明，糧食作物中鎘的富集系數(shù)在0.034～1.214，平均為0.285，變異系數(shù)為67.02%?？傮w上，糧食作物中鎘的平均富集系數(shù)略低于蔬菜。

表1 各類農(nóng)作物可食部分鎘的富集系數(shù)

注：同列數(shù)據(jù)后無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。表2～3同。

由表1可知，5類蔬菜中鎘的富集系數(shù)以瓜類蔬菜最低，豆類蔬菜也較低，葉菜和根莖蔬菜鎘的富集系數(shù)較高，茄果蔬菜居中。其中，葉菜、根莖蔬菜鎘的富集系數(shù)顯著高于豆類蔬菜、瓜類蔬菜。茄果蔬菜與其他蔬菜、葉菜與根莖蔬菜，以及豆類蔬菜與瓜類蔬菜之間鎘的富集系數(shù)差異不顯著。糧食作物中鎘的富集系數(shù)以玉米最低，稻米最高，大小麥居中。其中，玉米中鎘的富集系數(shù)顯著低于稻米。

花生對鎘的富集能力較強，對鎘的平均富集系數(shù)顯著高于豆類蔬菜、瓜類蔬菜、玉米、水果。水果中鎘的富集系數(shù)最低，顯著低于葉菜、根莖蔬菜、稻米、花生。

2.2 土壤性狀對農(nóng)作物中鎘富集的影響

將土壤樣本按pH分為堿性(≥8.5)、微堿性(7.5～<8.5)、中性(6.5～<7.5)、微酸性(5.5～<6.5)、酸性(4.5～<5.5)和強酸性(pH<4.5)，分別統(tǒng)計相應(yīng)的農(nóng)作物可食部分的鎘富集系數(shù)(表2)。隨著土壤酸度增加，對應(yīng)的農(nóng)作物鎘富集系數(shù)呈增加趨勢，酸性、強酸性土壤的農(nóng)作物可食部分鎘富集系數(shù)顯著高于堿性和微堿性土壤。這是因為土壤pH值可影響土壤鎘的溶解度，隨著土壤pH值的下降，土壤中難溶態(tài)鎘可逐漸被溶解、釋放，成為有效態(tài)鎘，從而增加作物對鎘的吸收。

表2 不同土壤pH范圍下農(nóng)作物可食部分的鎘富集系數(shù)

黏土上生長的農(nóng)作物可食部分鎘富集系數(shù)顯著低于砂土與壤土，而砂土與壤土之間的差異不顯著(表3)。這可能與黏土包含較多的帶負(fù)電荷的土壤膠體有關(guān)，這些帶負(fù)電荷的土壤膠體可借助靜電引力吸附固定土壤中的鎘，降低土壤中鎘的活性。另外，黏土中還常常含有較高量的氧化物，亦可增加對鎘的固定，降低土壤中鎘的遷移性和有效性。

表3 土壤質(zhì)地對農(nóng)作物可食部分鎘富集系數(shù)的影響

如圖1所示，農(nóng)作物可食部分鎘富集系數(shù)隨土壤有機質(zhì)升高呈現(xiàn)減小的趨勢，表明有機質(zhì)較高的土壤中鎘的危害相對較低。土壤有機質(zhì)的主要成分為腐殖質(zhì)，對金屬離子有很強的表面吸附和螯合作用，可改變土壤溶液中重金屬的活性，降低作物的吸收。有研究表明，在重金屬污染土壤中，添加腐質(zhì)酸等有機質(zhì)可抑制土壤汞、鎘進(jìn)入蔬菜[22]，施用有機肥亦可明顯降低土壤中有效態(tài)鎘含量，減少植物對鎘的吸收[23]。

圖1 土壤有機質(zhì)與農(nóng)作物可食部分鎘富集系數(shù)的關(guān)系

如圖2所示，土壤全鎘與農(nóng)作物可食部分鎘富集系數(shù)間呈倒“U”形關(guān)系：當(dāng)土壤全鎘含量在1.0 mg·kg-1左右時，農(nóng)作物可食部分鎘富集系數(shù)達(dá)到較高的水平，而當(dāng)土壤全鎘含量在0.5 mg·kg-1以下或超過3.0 mg·kg-1時，農(nóng)作物可食部分鎘富集系數(shù)有降低的趨勢。這是因為當(dāng)土壤全鎘含量較低時，土壤中有效態(tài)鎘占全鎘的比例較低，植物能夠吸收的鎘相對較少；當(dāng)土壤中全鎘含量達(dá)到較高水平時，受植物本身生理的影響，其對鎘的吸收量并未隨土壤中有效態(tài)鎘含量的增加而線性增加，這時植物本身對鎘的吸收量決定了富集系數(shù)，因此，富集系數(shù)反而呈下降趨勢。

圖2 土壤全鎘含量與農(nóng)作物可食部分鎘富集系數(shù)的關(guān)系

3 討論

本研究表明，不同農(nóng)作物對鎘的吸收和積累存在較大差別。糧食作物中水稻籽粒對鎘的富集較為明顯，這可能與水稻對鎘有較強的生理耐受能力和富集能力有關(guān)[24]。本研究中葉菜、根莖蔬菜的鎘的富集系數(shù)顯著高于豆類蔬菜、瓜類蔬菜。姚春霞等[25]的研究也表明，蔬菜對鎘的吸收整體表現(xiàn)為葉菜類>花果類>塊根類。沈彤等[26]在長沙地區(qū)的比較研究發(fā)現(xiàn)，不同蔬菜對鎘的吸收能力表現(xiàn)為葉菜類>茄果類>豆類>根菜類>甘藍(lán)類>瓜類。

有關(guān)農(nóng)作物對重金屬吸收的差異，一般認(rèn)為與其根系形態(tài)、根對鎘的吸收能力和生理活性、根表氧化膜，以及鎘在植物體內(nèi)運輸?shù)牟煌嘘P(guān)[27]。根系是鎘等重金屬進(jìn)入植物的門戶，根系的形態(tài)和生理活性，以及根與土壤環(huán)境的相互作用都會影響植物對鎘的吸收[27]，但詳細(xì)機理還有待深入研究。

許多研究報道，同類作物不同品種對重金屬的積累也有很大的差異，本研究中同類作物對鎘的富集系數(shù)差異較大，可能也與品種有關(guān)。但本研究因采集樣本有限，未能對此進(jìn)行深入分析。

基于本研究的結(jié)果，在含鎘量較高的土壤中，應(yīng)避免種植葉菜、根莖蔬菜，宜種植豆類蔬菜、瓜類蔬菜；在鎘污染區(qū)，要慎重選擇種植水稻，可考慮用玉米替代水稻和大小麥；在鎘污染嚴(yán)重的糧田，可考慮改變利用方式，種植果樹。鑒于不同農(nóng)作物對重金屬吸收能力的差異，在實際生產(chǎn)中可利用可食部位鎘積累較低的農(nóng)作物來避免或減控鎘進(jìn)入食物鏈，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

本研究還表明，植物對鎘的富集系數(shù)隨土壤pH值下降而增加，隨黏粒和有機質(zhì)含量的增加而下降。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采用施用石灰和增施有機肥的方法可在一定程度上減緩農(nóng)產(chǎn)品中鎘的積累。