長(zhǎng)株潭地區(qū)果桑種植的安全性評(píng)價(jià)

蔣詩(shī)夢(mèng)，蔣勇兵，黃仁志，曹 慧，李章寶

（湖南省蠶桑科學(xué)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410127）

2014年以來(lái)，湖南省在長(zhǎng)株潭地區(qū)實(shí)施種植結(jié)構(gòu)調(diào)整試點(diǎn)，蠶桑產(chǎn)業(yè)作為可持續(xù)發(fā)展的特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)受到了廣泛關(guān)注。栽植桑樹，不僅僅具有較高的生態(tài)價(jià)值，同時(shí)也能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)收益。研究表明，在Cd含量為2.93 mg/kg的耕地污染區(qū)種植桑樹，春季桑樹吸收的Cd有51%集中在根部，38%集中在枝干，11%集中在葉片中[1]；用鎘污染土壤中種植的桑葉養(yǎng)蠶，蠶的全繭量、繭層率與對(duì)照（用正常土壤中種植的桑葉養(yǎng)蠶）相比無(wú)顯著差異[2]，經(jīng)檢測(cè)，繭絲中的Cd含量均值為0.183 mg/kg，符合生態(tài)紡織品技術(shù)要求（GB/T 18885—2009），蠶蛹中的Cd含量均值為0.035 mg/kg[3]，符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB2762—2017）。ZHANG等[4]的研究表明，在Cd濃度均值為1.03 mg/kg的農(nóng)田中種植飼料桑，桑葉年產(chǎn)量可達(dá)4665.6 kg/667m2，地上部枝葉Cd含量均值低于飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB 13078—2017）中的Cd限量值（1.0 mg/kg）。這些數(shù)據(jù)表明，蠶桑產(chǎn)業(yè)是污染區(qū)替代種植的適宜產(chǎn)業(yè)。隨著長(zhǎng)株潭種植結(jié)構(gòu)調(diào)整區(qū)面積的擴(kuò)大，以果桑為主的休閑采摘模式悄然興起，但果桑在污染耕地安全利用的研究尚未見報(bào)道，因此對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)十分必要。

根據(jù)用途桑樹可分為蠶桑、飼料桑、果桑、菜用桑等。桑葚為桑樹的果穗，以收獲桑葚為主、果葉兼用的桑樹品種即為果桑[5]。高產(chǎn)果桑品種的桑葚產(chǎn)量可達(dá)1600 kg/667m2，目前各地選育出的果桑品種已超過(guò)30個(gè)[6]。桑葚含有豐富的酚類、黃酮類、花青素類等活性物質(zhì)[7]，用途廣泛，可以作為天然色素的原料，也可以做成桑葚汁、桑葚酒、桑葚醋等食品。研究表明，桑葚提取物或桑葚凍干粉具有抗氧 化[8]、抗菌[9]、降糖[10]、抑制腫瘤生長(zhǎng)[11]等功效。因此，果桑是一種食藥用價(jià)值極高的經(jīng)濟(jì)作物。

筆者調(diào)查了長(zhǎng)株潭地區(qū)現(xiàn)有果桑基地的土壤污染狀況，并采集了多處土壤和桑葚樣品，測(cè)定了不同污染程度土壤中種植出的桑葚Cd含量，以期為果桑在重金屬污染耕地的安全利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

調(diào)查作物為果桑，共3個(gè)品種，分別為大10（圖1A）、白玉王（圖1B）和長(zhǎng)果桑（圖1C）?；刂猩浒凑諏捫忻苤暝瓌t栽植，行距3 m，株距1 m。定期做好桑園除草、施肥、治蟲等工作，春季發(fā)芽前離地面35~40 cm處剪掉干端，養(yǎng)成主干，第二年春季桑樹發(fā)芽前，離地面60 cm處剪枝，每株培育8~10根枝條。

圖1 果桑品種

1.2 樣品采集

2018年底，前往長(zhǎng)株潭地區(qū)已栽種果桑的部分基地（見表1）隨機(jī)采集耕作層（0~20 cm去掉表土）土樣，同一個(gè)基地最少取3個(gè)點(diǎn)的土壤樣品，每個(gè)點(diǎn)取土樣1 kg，于實(shí)驗(yàn)室自然晾干后，挑除雜質(zhì)，研磨后送檢，檢測(cè)土壤中鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、砷（As）、汞（Hg）的含量，以評(píng)價(jià)果桑基地土壤污染狀況。

2019年5月上旬待桑葚成熟后，前往部分試驗(yàn)基地（見表1）采集桑樹種植后第2年的土壤及成熟桑葚樣品；2020年5月上旬待桑葚成熟后，前往部分試驗(yàn)基地（見表1）采集桑樹種植第3年的土壤及成熟桑葚樣品。2019和2020年采集的桑葚樣品用于Cd含量檢測(cè)，以評(píng)價(jià)果桑在污染耕地種植的安全性；土壤樣品檢測(cè)pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全Cd和有效Cd含量，用于相關(guān)性分析。

表1 取樣基地基本信息

1.3 樣品檢測(cè)方法

土壤樣品的pH值參照NY/T 1121.2—2006中的方法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量參照NY/T 1121.6—2006中的方法測(cè)定，鉛、鎘含量參照GB/T 17141—1997中的方法測(cè)定，有效態(tài)鎘參照GB/T 23739-2009中的方法測(cè)定，鉻含量參照HJ 491—2009中的方法測(cè)定，汞含量參照GB/T 22105.1—2008中的方法測(cè)定，砷含量參照22105.2—2008中的方法測(cè)定；桑葚樣品的鎘含量參照GB 5009.268—2016中的方法測(cè)定。

1.4 評(píng)價(jià)方法

采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對(duì)取樣點(diǎn)土壤進(jìn)行污染評(píng)價(jià)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—2018）與食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量（GB 2762—2017）對(duì)取樣點(diǎn)桑葚進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，成熟桑葚中Cd含量的限定值參考GB 2762—2017中的標(biāo)準(zhǔn)（0.05 mg/kg）。

單因子污染指數(shù)（Pi）、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)（P綜）和生物富集系數(shù)（BCF）分別使用公式（1）、（2）、（3）計(jì)算。

式中，Ci為農(nóng)作物或土壤中污染物的濃度（mg/kg）；Si為農(nóng)作物或土壤中污染物的標(biāo)準(zhǔn)值，該文采用GB 15618—2018中的數(shù)值。

式中，Pmax為土壤中重金屬污染指數(shù)最大值；Pave為土壤中各污染指數(shù)的平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，以2019年和2020年采集的土壤和桑葚樣品所測(cè)得的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)株潭地區(qū)果?；赝寥乐亟饘傥廴緺顩r

2018年底，隨機(jī)采集長(zhǎng)株潭已栽植果桑的10個(gè)基地34個(gè)樣點(diǎn)的耕作層土樣進(jìn)行鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、砷（As）、汞（Hg）5種重金屬含量的檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。由表2計(jì)算可知，果?；赝寥绬我蜃游廴局笖?shù)PCd最大值為2.43，PCd最小值為0.30，平均值為0.90；PPb最大值為1.01，PPb最小值為0.37，平均值為0.66；PPb最大值為0.49，PPb最小值為0.18，平均值為0.32；PAs最大值為1.11，PAs最小值為0.25，平均值為0.53；PH值g最大值為0.66，PH值g最小值為0.09，平均值為0.33。

表2 長(zhǎng)株潭地區(qū)果桑基地土壤重金屬污染狀況

根據(jù)GB 15618—2018中的規(guī)定，農(nóng)用地土壤中Cd、Pb、Cr、As、Hg的最低污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值分別為0.3、70、150、20和0.5 mg/kg。根據(jù)計(jì)算，調(diào)查點(diǎn)Cd、 Pb、Cr、As、Hg的單因子污染指數(shù)平均值分別為0.90、0.66、0.32、0.53和0.33，平均污染指數(shù)均小于1，屬于清潔水平，但根據(jù)元素不同污染程度的點(diǎn)位占比和綜合污染指數(shù)（表3）可知，綜合污染指數(shù)Cd＞As＞ Pb＞Hg＞Cr，已栽果?；夭淮嬖贑r和Hg的污染情況；2.9%的點(diǎn)位Pb、As的單因子污染指數(shù)大于1，Pb、As綜合污染指數(shù)大于0.7，處于警戒水平；5.9%的點(diǎn)位Cd的單因子污染指數(shù)大于2，Cd元素綜合污染指數(shù)大于1.0，屬于輕度污染狀態(tài)。上述結(jié)果表明，果桑基地的Cd、Pb、As污染應(yīng)引起重視，需嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，防范土壤Cd、Pb、As含量的持續(xù)累積；果?；谻d的綜合污染指數(shù)為1.76，達(dá)到輕度污染水平，需要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)成熟桑葚中的Cd含量。

表3 果?；赝寥乐亟饘傥廴境潭?/p>

2.2 Cd污染耕地種植果桑第2年土壤及成熟桑葚中的Cd含量

由表4可知，在23個(gè)取樣點(diǎn)中，土壤pH值≤ 5.5的共有10個(gè)，其中土壤全Cd含量＜0.3 mg/kg（該pH值條件下的風(fēng)險(xiǎn)篩選值）的有7個(gè)，屬于優(yōu)先保護(hù)類農(nóng)田。但檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，7個(gè)取樣點(diǎn)中有2個(gè)點(diǎn)的桑葚PCd＞1（分別為1.54和1.92），處于輕度污染等級(jí)。而pH值≤5.5、土壤全Cd含量＞0.3 mg/kg的3個(gè)取樣點(diǎn)，桑葚PCd分別為2.10、7.50和1.74，分別處于輕、中、重度污染等級(jí)。

表4 2019年各取樣點(diǎn)土壤與成熟桑葚中的Cd含量

取樣點(diǎn)中，土壤pH值處于（5.5，6.5]范圍的共有7個(gè)，其中土壤全Cd含量＜0.4 mg/kg（該pH值條件下的風(fēng)險(xiǎn)篩選值）的6個(gè)點(diǎn)屬于優(yōu)先保護(hù)類農(nóng)田，其桑葚PCd均＜1，處于清潔等級(jí)；而pH值處于（5.5，6.5]、土壤全Cd含量＞0.4 mg/kg的1個(gè)取樣點(diǎn)，其桑葚PCd也低于1，處于清潔等級(jí)。

取樣點(diǎn)中，土壤pH值處于（6.5，7.5] 范圍的共有3個(gè)，其中1個(gè)點(diǎn)土壤全Cd含量高于此pH值條件下的風(fēng)險(xiǎn)篩選值（0.6 mg/kg），桑葚PCd為3.30，處于重度污染等級(jí)；另外2個(gè)點(diǎn)土壤全Cd含量高于此pH值條件下的風(fēng)險(xiǎn)管制值3.0 mg/kg，桑葚PCd分別為1.84和2.90，分別處于輕、中度污染等級(jí)。

土壤pH值≥7.5的有3個(gè)取樣點(diǎn)，其土壤全Cd含量均低于此pH值條件下的風(fēng)險(xiǎn)篩選值（0.8 mg/kg），屬于優(yōu)先保護(hù)類農(nóng)田，3個(gè)取樣點(diǎn)的桑葚PCd均低于1，處于清潔等級(jí)。

綜合來(lái)看，23個(gè)取樣點(diǎn)的桑葚BCF均值為0.18（＜1），但桑葚中的Cd含量是否超標(biāo)不能通過(guò)土壤Cd含量是否超標(biāo)來(lái)判斷，取樣點(diǎn)1和樣點(diǎn)3的土壤PCd均＜1，處于清潔等級(jí)，但是其桑葚PCd顯示有輕度污染；取樣點(diǎn)13的土壤PCd顯示達(dá)重度污染等級(jí)，但其桑葚PCd卻＜1，處于清潔等級(jí)。

2.3 Cd污染耕地種植果桑第3年土壤及成熟桑葚中的Cd含量

由表5可知，8個(gè)取樣點(diǎn)中，土壤pH值≤5.5的有2個(gè)，其土壤全Cd含量均位于該pH值條件下風(fēng)險(xiǎn)篩選值（0.3 mg/kg）與風(fēng)險(xiǎn)管控值（1.5 mg/kg）之間，桑葚PCd分別為2.80、3.98，分別處于中、重度污染等級(jí)。

8個(gè)取樣點(diǎn)中，土壤pH值處于（5.5，6.5]范圍的共有6個(gè)，其中土壤全Cd含量＞0.4 mg/kg的有3個(gè)，這3個(gè)取樣點(diǎn)中有2個(gè)點(diǎn)的桑葚PCd＜1，處于清潔等級(jí)；另外1個(gè)點(diǎn)的桑葚PCd為1.18，處于輕度污染等級(jí)。而土壤pH值處于（5.5，6.5]、全Cd含量＞風(fēng)險(xiǎn)管控值（2.0 mg/kg）的3個(gè)取樣點(diǎn)桑葚PCd均＞1，處于輕、中度污染等級(jí)。

綜合來(lái)看，8個(gè)取樣點(diǎn)的土壤PCd均大于1，處于不同程度污染等級(jí)，但桑葚中Cd的富集系數(shù)均值為0.09（＜1），其中僅有2個(gè)點(diǎn)的桑葚PCd＜1，該結(jié)果同樣表明桑葚中的Cd含量是否超標(biāo)不能通過(guò)土壤Cd含量是否超標(biāo)來(lái)判斷。

2.4 土壤全Cd、有效Cd、pH值、有機(jī)質(zhì)對(duì)桑葚Cd含量的影響

由表4和表5可知，土壤樣品的pH值范圍為4.37~8.23，平均值為5.88，土壤整體偏酸性；全Cd含量范圍在0.11~7.91 mg/kg之間，平均為1.50 mg/kg；有效Cd含量范圍為0.03~5.79 mg/kg，平均為1.03 mg/kg；有機(jī)質(zhì)含量范圍為11.9~47 g/kg，平均為29.33 g/kg；桑葚BCF范圍為0.01~1.01，平均為0.16，桑葚Cd含量范圍為0.01~0.38 mg/kg，平均為0.07 mg/kg。如表6所示，桑葚中的Cd含量與土壤中有效Cd/全Cd顯著正相關(guān)，桑葚對(duì)Cd的BCF與土壤pH值極顯著負(fù)相關(guān)。

表5 2020年各取樣點(diǎn)土壤與成熟桑葚中的Cd含量

表6 土壤全Cd、有效Cd、pH值、有機(jī)質(zhì)、桑葚Cd含量的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果顯示，長(zhǎng)株潭地區(qū)果桑基地的土壤pH值最低為4.37，最高為8.23，變化范圍大；各種金屬綜合污染指數(shù)由高到低排列依次為Cd（1.76）＞As（0.87）＞Pb（0.81）＞Hg（0.61）＞Cr（0.52），存在不同程度的Cd、As、Pb污染，應(yīng)引起關(guān)注，嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，防范土壤Cd、Pb、As含量的持續(xù)累積。

相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤pH值與桑葚中Cd含量無(wú)顯著相關(guān)性，但土壤pH值與桑葚Cd的BCF表現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)性，即桑葚對(duì)Cd的BCF表現(xiàn)出隨pH值升高而逐漸降低的趨勢(shì)，這與藍(lán)莓果實(shí)在pH值2.5~8.5的基質(zhì)中對(duì)Cd的BCF從0.06降低至0.03的變化趨勢(shì)一致[12]，表明土壤pH值越低，桑葚對(duì)Cd的富集能力越強(qiáng)。

此外，相關(guān)性分析結(jié)果還顯示，土壤pH值與土壤有效Cd與全Cd的比值顯著正相關(guān)。土壤pH值是影響土壤Cd形態(tài)的重要因素之一[13]，土壤pH值與有效態(tài)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)[14]。土壤pH值升高導(dǎo)致土壤中有效Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，易溶性Cd向難溶態(tài)轉(zhuǎn)化，作物可吸收的Cd含量降低，故作物中的Cd含量隨之降低[15]；反之土壤pH值低，有效Cd占比高，作物可吸收的Cd含量高，故導(dǎo)致作物中Cd超標(biāo)[16]。因此，土壤pH值是通過(guò)影響土壤有效Cd的占比來(lái)影響作物中的Cd含量。由表4可知，pH值≤ 5.5的土壤中，隨著pH值的降低，土壤中有效Cd的占比增大，桑葚中的Cd濃度也隨之升高。當(dāng)土壤pH值≤5.5時(shí)，無(wú)論土壤Cd含量是低于還是高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值（0.3 mg/kg），桑葚中的PCd均有大于1的情況出現(xiàn)。由此可知，對(duì)于pH值≤5.5的農(nóng)田，pH值可能是影響桑葚Cd含量的主要因素，在該pH值背景的農(nóng)田中，栽種果桑的風(fēng)險(xiǎn)較大。

雖然土壤pH值與桑葚的富集能力有極顯著的負(fù)相關(guān)，但并不代表土壤pH值越高，桑葚對(duì)Cd的富集能力就越低，桑葚Cd含量就不存在超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)?，桑中Cd含量與土壤有效Cd占比也存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系，而土壤有效Cd含量與土壤全Cd含量極顯著正相關(guān)。對(duì)蜜柑果實(shí)[17]、臍橙果實(shí)[18]、草莓與藍(lán)莓[19]、無(wú)花果[20]的相關(guān)研究也表明，果實(shí)Cd含量與土壤或者基質(zhì)中Cd含量呈正相關(guān)。當(dāng)pH值＞ 5.5時(shí)，土壤中過(guò)高的Cd含量可能會(huì)造成桑葚Cd含量超標(biāo)，使PCd大于1。當(dāng)土壤pH值處于（5.5，6.5]范圍時(shí)，超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)篩值（0.4 mg/kg）的土壤，桑葚中的Cd含量有1個(gè)點(diǎn)超標(biāo)；當(dāng)土壤pH值處于（6.5，7.5]范圍時(shí)，超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)篩選值（0.6 mg/kg）的土壤，桑葚Cd含量均超標(biāo)。這表明在土壤pH值＞5.5、土壤Cd含量高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值的農(nóng)田，栽植果桑有Cd超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，當(dāng)農(nóng)田土壤pH值＞5.5時(shí)，土壤Cd含量是否低于對(duì)應(yīng)pH值范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)篩選值是評(píng)價(jià)桑葚風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，可用來(lái)初步判斷該農(nóng)田是否適宜栽種果桑。

相關(guān)性分析結(jié)果還顯示，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤全Cd含量、有效Cd含量及有效Cd占比均極顯著正相關(guān)。有文獻(xiàn)就土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤Cd積累及有效性的影響進(jìn)行了探討[21-22]，也有許多文獻(xiàn)探討過(guò)施加有機(jī)肥對(duì)土壤重金屬含量的影響，但研究結(jié)果因有機(jī)肥種類及作物不同而有所差異[23-25]。土壤天然的有機(jī)質(zhì)及人為添加有機(jī)肥對(duì)土壤及作物重金屬積累的影響是一個(gè)值得研究的課題，后期課題組也將開展相關(guān)試驗(yàn)，通過(guò)施加蠶沙有機(jī)肥，調(diào)查其對(duì)桑葚鎘含量的影響，以期為重金屬污染耕地中桑葚的安全栽培提供指導(dǎo)。