重金属污染对蔬菜生产的危害以及缓解重金属污染措施的研究进展

（扬州大学水生蔬菜研究室，江苏扬州 225009）

重金属污染对蔬菜生产的危害以及缓解重金属污染措施的研究进展

韩承华 江解增*

（扬州大学水生蔬菜研究室，江苏扬州 225009）

重金属会影响蔬菜生长发育，导致其产量和品质的降低，最终危害人类健康。本文从水分代谢、光合作用、呼吸作用、抗氧化酶活性、抗坏血酸、谷胱甘肽、植物络合素、其他矿质元素吸收等方面，综述了重金属对蔬菜生长发育的影响及其生理生化反应，阐述了不同蔬菜种类、品种和器官对重金属的积累机理，总结了缓解土壤重金属污染的有效措施。结合研究现状，就蔬菜安全生产方面提出以下建议：应广泛开展不同蔬菜种类及其品种对重金属积累的差异化研究，针对现有国家无公害标准中土壤重金属临界值，开展蔬菜中低积累种类及其品种筛选，同时开发有效缓解土壤重金属污染的栽培调控措施，以保障蔬菜的安全生产。

蔬菜；重金属；积累机理；缓解措施

造成蔬菜污染的因素主要有农药污染、硝酸盐污染、增塑剂污染、生物性污染和重金属污染等（李淑梅，2000）。相比而言，重金属性质更加稳定，进入土壤后难以排除，过量的重金属会影响土壤肥力和农产品质量，通过食物链在人体内不断积累，危害人类健康。因此重金属污染危害更大。我国耕地重金属污染可分为农业外源污染和农业内源污染。农业外源污染主要是工业“三废”以及人类生活垃圾的不合理排放；农业内源污染主要是指肥料、农药以及污水灌溉等（史海娃 等，2008）。我国是世界第一大化肥消费国，化肥的投入占全部农业生产支出的50%左右（张北赢 等，2010）。但肥料中常含有重金属，化肥中以Pb和Cd为主，尤其磷肥中含量较高（周永锋 等，2006）。施用磷肥过多会导致生菜中Cd、Pb含量升高（刘启东 等，2005），长期施用畜禽粪肥会导致Cu、Zn和Cd在土壤中累积（刘赫 等，2009）。长期污水灌溉也会导致土壤和蔬菜重金属污染。北京凉水河污灌区土壤重金属出现不同程度累积，Cu和Pb污染较为严重（胡文 等，2008）；天津市郊主要蔬菜产地因长期污灌导致蔬菜普遍受重金属污染，Cd污染最严重（师荣光 等，2005）；上海张江镇污灌区土壤Cd污染最严重，生产的蔬菜Cd超标率达100%（姚春霞 等，2005）。波尔多液、代森锰锌等含重金属农药的长期使用也会导致土壤重金属污染（刘翀，2009）。蔬菜，尤其是叶菜类易受重金属污染和毒害（杜应琼 等，2003）。因此，应进一步加强蔬菜重金属污染的研究，只有了解蔬菜重金属伤害、抗性机理以及重金属在蔬菜中的积累分布规律，才能提出避免蔬菜重金属毒害的有效措施，促进蔬菜产业健康发展。

1 重金属对蔬菜生长的危害

1.1重金属对蔬菜生理代谢的影响

1.1.1 重金属对水分代谢的影响 首先，重金属通过抑制根的生长影响水分代谢。徐明岗等（2008）研究发现，当土壤中Cu、Zn和Pb的浓度均为50 mg·kg-1时，番茄根伸长抑制率分别为40.0%、21.0%和6.7%。Pb浓度为2 000 mg·kg-1时，根伸长抑制率达到97%，而Cu和Zn浓度分别为400 mg·kg-1和500 mg·kg-1时，番茄停止生长。其次，重金属通过干扰蒸腾作用影响水分代谢。低浓度重金属胁迫下，蒸腾作用升高；高浓度重金属胁迫导致气孔阻力增加甚至气孔关闭，蒸腾作用受阻（江行玉和赵可夫，2001）。

1.1.2 重金属对光合作用的影响 重金属对光合作用的影响主要有4个方面。第一，破坏叶绿体结构。导致叶绿体膨大，类囊体排列不规则，叶绿体膜系统破坏（刘延盛 等，2007）。第二，导致光合色素含量下降。Mobin和Nafees（2007）以及Hattab等（2009）发现Cd会抑制叶绿素和胡萝卜素的合成。第三，影响光合气体交换和光合荧光参数。王林和史衍玺（2008）发现Cd、Pb能显著降低萝卜Pn、Tr和Gs。Tukaj等（2007）发现，重金属会导致绿色微藻Fv/Fm、φPSⅡ和qP的下降。第四，影响光合相关酶活性。核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）具有催化Calvin循环中RuBP固定CO2的作用，重金属会降低其活性，抑制光合作用（Rodriguez et al.，2012）。

1.1.3 重金属对呼吸作用的影响 重金属对呼吸作用的影响主要体现在对线粒体结构以及呼吸酶活性的影响。50 mg·L-1Pb2+会导致豌豆幼苗线粒体空泡化，200 mg·L-1Pb2+会导致线粒体严重受损且数量明显减少（刘延盛 等，2007）。K+是呼吸作用关键酶，如苹果酸脱氢酶（MDH）、琥珀酸脱氢酶（SDH）、丙酮酸激酶（PK）等的激活剂，高浓度Cd能导致细胞K+外渗而抑制呼吸作用（Andreu et al.，2000）。重金属还能影响淀粉酶、MDH和细胞色素氧化酶（COD）的表达而影响水稻呼吸作用（葛才林 等，2005）。Cd2+会影响小麦幼苗SDH、异柠檬酸脱氢酶（IDH）、COD、MDH的活性或同工酶表达，导致呼吸作用下降（马丽娟 等，2007）。

1.1.4 重金属对其他矿质元素吸收的影响 重金属干扰矿质元素的种类因作物的不同而不同。Cd抑制玉米对K的吸收（Nocito et al.，2002），但能促进对S的吸收（Fabio et al.，2002）。Cd抑制番茄对N、P、K的吸收，但能提高黑麦草对P的吸收（Chaffei & Gorbel，2003）。重金属对同一作物不同部位影响吸收的主要元素不同。Cd处理能增加叶用莴苣叶片中Ca含量，Pb处理结果则恰好相反，Cd和Pb均能抑制Ca在根部的积累（付庆灵 等，2006）。Cd能增加小麦地上部Zn2+含量，地上部、地下部Mn2+含量则随Cd浓度的升高而不断降低（朱志勇等，2011）。

1.1.5 重金属对抗氧化系统的影响 不同抗氧化酶对重金属的耐性不同。油菜幼苗POD和CAT对Sr的耐性高于SOD（敖嘉 等，2010）。玉米幼苗SOD和CAT对Cd的耐性高于POD（黄辉 等，2010）。重金属胁迫下抗氧化酶同工酶的表达不同。随Cu2+浓度的增加，紫花苜蓿幼苗SOD活性无显著变化，但Fe-SOD活性逐渐增强，其他SOD同工酶活性与对照无明显差异。GR同工酶谱的5条带中，只有GR-3、GR-4和GR-5的表达随Cu2+浓度的升高而逐渐增强，GR-1和GR-2无明显变化（王松华 等，2011）。

重金属对抗氧化非酶系统的影响也各有不同。抗坏血酸能显著提高Cd胁迫下石竹幼苗的生物量、抗氧化酶活性和谷胱甘肽（GSH）的含量（丁继军 等，2013）。GSH能还原S-S键，保护酶和结构蛋白的SH-基团，在维持生物膜结构的完整性和防御膜脂质过氧化方面作用重大（Mates，2002）。GSH可合成植物络合素（PCs），与游离重金属离子螯合，降低其毒性（Cobbett，2000），也能通过AsA-GSH抗氧化循环系统清除H2O2（Paradiso et al.，2008）。PCs能与Cu2+、Zn2+等必需金属离子结合，并将其转运至液泡或目标酶等部位（Tennstedt et al.，2008），也能与Cd2+、Pb2+等非必需金属离子螯合，减缓重金属毒害（Alberich et al.，2008；黄凯丰和江解增，2011）。不同重金属对PCs合成的诱导能力不同，其中Cd2+是最强的激活剂（Zenk，1996）。

低浓度Cd处理下，PCs能有效防止Cd毒害，高浓度、长时间Cd处理下，PCs含量显著下降，抗氧化酶活性升高。因此PCs被称为“第一道防线”，抗氧化酶被称为“第二道防线”（Sanita et al.，2008）。

1.2重金属在蔬菜中的积累

1.2.1 不同蔬菜对重金属的积累能力不同 刘景红和陈玉成（2004）发现不同种类蔬菜Cd污染程度为：叶菜类＞茄果类＞豆类＞瓜果类，叶菜类易积累Cd。祖艳群等（2003）和韩承华等（2013）也发现叶菜类最容易积累重金属。在土壤Cd未超标的情况下，叶菜类产品也可能出现Cd超标现象（江解增 等，2006）。因此，叶菜类蔬菜生产中更要注意Cd的污染。

1.2.2 同种蔬菜的不同品种对同种重金属的吸收积累能力不同 不同大白菜品种对Cd的积累存在显著差异，土壤Cd含量为5.0 mg·kg-1时，20个品种中仍有3个品种地上部Cd含量未超标（茹淑华等，2010）。普通白菜对Zn的积累也存在品种差异（陈秀灵 等，2010）。

1.2.3 同一蔬菜不同器官中重金属积累量不同 蒌蒿不同器官Cd含量为根＞茎＞叶（潘静娴 等，2006）。南瓜根中As、Pb和Hg含量均高于叶片（阮美颖 等，2008）。萝卜叶片中Pb和As的平均含量是根中的10倍（王晓芳和罗立强，2009）。

1.2.4 同一蔬菜对不同重金属的吸收能力不同 苋菜对Cd的积累高于Pb和Cr（杜应琼 等，2003）。大白菜对重金属的积累为Zn＞Pb＞Cu＞Cd（杨庆娥 等，2007）。菜薹（菜心）对重金属的积累为Cd＞Cr＞As＞Pb（文典 等，2012）。

1.2.5 蔬菜对重金属吸收的季节性差异 温度和光照的变化会影响植物对重金属的吸收。水生植物Elodea canadensis和Potamogeton natans中Pb、Cd、Cu、Zn含量随温度的升高而增加（Fritioff et al.，2005）。温度在25～38℃时，藻类对Ni的积累随温度的升高而增加；光强在3 000 lx时，积累量高于低光照（李秋华 等，2007）。对海滨滩芦苇和海三棱藨草中Cd、Cu、Pb、Zn含量研究发现，芦苇和海三棱藨草分别在夏季和春季富集重金属（毕春娟 等，2003）。

2 缓解重金属污染的措施

2.1化学缓解措施

2.1.1 土壤改良剂 有机肥具有大量的官能团，能与重金属离子络合，减少植物对重金属的吸收（张亚丽 等，2001）。吴清清等（2010）通过施用鸡粪和垃圾有机肥显著降低了苋菜中Pb和Cd含量。硅肥被列为继N、P、K之后的第四大元素肥料，具有缓解重金属毒害的作用（许建光 等，2006）。

2.1.2 有机物 一方面，有机物通过调节作物的生理指标增强植株对重金属的耐性；另一方面，有机物能抑制重金属由根向地上部的转运，降低重金属在蔬菜地上部的积累。水杨酸（SA）能提高水稻抗氧化酶活性，从而缓解Cd的胁迫（Sanjib & Hemanta，2007），还可通过调节光合效率来增强植物对重金属的抗性（陈珍和朱诚，2009）。外源ABA能有效降低普通白菜地上部Cd含量（钱海胜等，2008）。叶面喷施低浓度乙酰水杨酸（ASA）可增加油菜抗氧化酶活性及叶片中叶绿素、类胡萝卜素含量，降低MDA含量（张佩 等，2008）。

2.1.3 稀土元素 Ce、Nd、La和Pr能抑制油菜对Cd的吸收，其效果为Ce＞Nd＞La＞Pr（马建军等，1998）。适宜浓度的Pr能增加水稻根系长度、根系表面积和根系体积，提高根系活力，且随处理时间的延长，其缓解Cd胁迫的效果也越明显（任艳芳 等，2010）。

2.1.4 矿质元素以及其他化学物质 利用元素间的拮抗作用可以抑制植物对重金属的吸收。Cd胁迫条件下，一定浓度的Se能提高油菜的生理活性，说明Se与Cd呈现拮抗作用（刘燕和蒋光霞，2008）。张海英等（2011）研究发现，一定浓度的Se处理能显著降低Cd和Pb在草莓中的积累。通过提高抗氧化酶活性也可以增强植物对重金属的耐性。一定浓度的S能抑制水稻根部对Cu的吸收，还可提高抗氧化酶活性，降低Cu2+毒害（王海鸥等，2008）。外源NO供体硝普钠（SNP）能明显缓解Cd对绿豆根生长的抑制，提高根尖APX和SOD活性，降低根尖中MDA含量（王松华 等，2011）。外源亚精胺（SPD）能提高黄瓜的抗氧化酶活性，减少MDA的生成（汪天 等，2005）。Cd胁迫条件下，精胺（SPM）能显著提高苎麻叶绿素、可溶性蛋白质含量，增强苎麻抗氧化能力（刘云国等，2007）。

2.2物理缓解措施

物理缓解措施主要有改土修复、土壤淋洗、电热修复和电动修复等。改土修复主要有客土、换土、去表土、深耕翻土等。土壤淋洗是利用淋洗液将土壤固相中的重金属转移到土壤液相中，再将富含重金属的废水回收处理。电热修复用于可挥发重金属污染土壤的修复。利用高频电压加热土壤，Hg、Se等重金属受热挥发，从而净化土壤（崔德杰和张玉龙，2004）。电动修复是利用电子迁移，对土壤中可溶性重金属阳离子Pb2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+等进行定向迁移，集中回收（Denisov et al.，1996）。

2.3生物缓解措施

2.3.1 植物修复 植物修复主要指3个方面。第一，植物提取。利用超富集植物吸收土壤中的重金属。如As超富集植物大叶井口边草（韦朝阳 等，2002），Cd超富集植物忍冬（刘周莉 等，2013），Cu超富集植物海州香薷和鸭跖草（施积炎 等，2004），Mn超富集植物商陆（薛生国 等，2008），Ni超富集植物Alyssum bertolonii（亢希然 等，2007），Zn超富集植物东南景天（杨肖娥和傅承新，2002）。第二，植物固定。植物生长过程产生的特殊分泌物将重金属转化为低毒或无毒物质。小麦根系分泌的有机酸可螯合土壤中离子态的Cd，有效降低Cd的毒性（万敏 等，2003）。一些植物可以将Cr6+还原为毒性较低的Cr3+，以降低Cr6+毒害（Lytle et al.，1998）。第三，植物挥发。植物可以将土壤或废水中重金属转化为可挥发态重金属，从而降低土壤或废水中重金属含量。如，湿地植物能吸收Se污染炼油废水中89%的Se，其中植物挥发可移除10%～30%（Lytle et al.，1998）。转Hg还原酶基因的植物可将植物吸收的具有较高毒性的Hg2+转化为可通过植物挥发的低毒单质Hg（Heaton et al.，1998）。

2.3.2 微生物 向Cd污染土壤中添加透光球囊酶菌根菌能显著降低玉米幼苗地上部Cd含量（胡振琪 等，2007）。接种丛枝菌根真菌（AMF）能降低重金属在紫羊茅体内的积累（刘茵 等，2004），也能增强三叶草抗氧化酶活性（Azcon et al.，2009）。深色有隔内生真菌（DSE）也具有缓解重金属毒害的作用（张玉洁 等，2012）。

2.3.3 转基因手段 10 mol·L-1Cd可明显抑制烟草的生长，而表达MT基因的烟草在200 mol·L-1Cd处理下仍能正常生长（张晓钰 等，2000）。转小麦PC基因的烟草比野生型对重金属的耐性有明显增强（Gisbert，2003）。转细菌汞代谢基因mer A和mer B以及转金属转运蛋白基因也能提高植物对重金属的抗性（刘晓峰 等，2006）。

3 小结与展望

不同蔬菜种类及其品种对重金属的敏感度不同，对重金属的积累能力也不同，由于转基因食品的安全性问题一直存有争议，我国《农业转基因生物安全管理条例》对转基因农产品的生产也有严格规定。因此在土壤重金属含量接近国家标准限值或者土壤出现重金属轻微污染的状况时，如何选择合适的蔬菜种类和品种，并通过合理的栽培调控措施来缓解蔬菜重金属污染，可望在提高土壤利用率的同时也能保证蔬菜的安全生产。针对研究现状，提出以下研究建议：

第一，加强蔬菜，尤其是叶菜类对重金属的吸收积累机理研究。相对其他蔬菜，叶菜类更容易积累重金属，更容易出现重金属超标的现象。无公害蔬菜产地环境要求国家标准中，对土壤重金属限量有明确规定。但长期不当的栽培管理可能会增加土壤中重金属含量，对蔬菜的安全生产带来潜在危害，因此应加强蔬菜对重金属、尤其是农业内源性重金属的吸收积累机理的研究。

第二，开展不同蔬菜种类、尤其是品种间重金属吸收积累差异性研究。无公害蔬菜产地环境要求国家标准中，对所有蔬菜安全生产土壤重金属限量的标准是统一的，但蔬菜不同种类、不同品种对重金属吸收、积累能力存在差异。因此应在土壤重金属安全标准临界值上下，开展不同种类、不同品种蔬菜吸收积累重金属差异性的研究，以探求不同种类及品种蔬菜对重金属积累能力的异同，为蔬菜的安全生产提供理论依据。

第三，筛选和培育重金属低积累蔬菜品种。期望在土壤重金属含量接近限值或出现轻微污染时，选择重金属低积累蔬菜进行种植，在保证食品安全的同时，对提高土壤利用率和经济效益有一定的积极意义。

第四，关注不同蔬菜对重金属吸收的季节性差异研究。温度和光照的变化会导致植物对重金属的吸附积累产生差异。在生产上表现为栽培季节不同，植物对重金属的积累能力不同。国家标准中土壤重金属的限值没有季节性差异。因此应开展不同季节蔬菜重金属积累规律的研究，为不同季节蔬菜的安全生产提供参考依据。

第五，关注缓解重金属危害的栽培措施研究。关于缓解土壤重金属危害的研究已有众多报道，发现具有缓解作用的物质也有众多。在此基础之上，应开展具体的缓解措施研究。针对不同蔬菜，开发适合其生产中缓解重金属污染的栽培调控措施，为其安全生产提供一定的理论依据和实践指导。

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本刊常用计量单位表示法

1. 时间：用a（年）、d（天）、h（小时）、min（分）、s（秒）表示。

2. 面积：用km2（平方千米）、hm2（公顷）、m2（平方米）、cm2（平方厘米）表示，不用亩，可暂用667 m2代替。

3. 质量（原为重量）：用g（克）、kg（千克）、t（吨）表示。

4. 浓度：可用%表示质量分数和体积分数。质量浓度用kg·L-1（千克每升）、g·L-1（克每升）、mg·L-1（毫克每升）、μg·L-1（微克每升）表示。ppm并非单位符号，不能使用，可根据具体情况改写成质量分数mg·kg-1、体积分数μL·L-1或质量浓度mg·L-1，数值保持不变。

5. 组合单位：

① 组合单位中不能插入其他信息，如“VC含量25 mg/100 g鲜重”，应为“VC含量250 mg·kg-1（鲜样质量）”；“施肥量140 kg N/hm2”应为“施N肥量140 kg·hm-2”。

② 组合单位书写错误，如“mg/kg·d”，应写为“mg·kg-1·d-1”。

Research Progress on Effects of Heavy Metal on Vegetable Production and Measures for Releasing Heavy Metal Stress

HAN Cheng-hua，JIANG Jie-zeng*

（Institute of Aquatic Vegetable Research，Yangzhou University，Yangzhou 225009，Jiangsu，China）

Heavy metals can affect vegetable growth and development，lead to decline of vegetable yield and quality，and finally，affect human health．This paper analyzed the effects of heavy metal on vegetable growth，physiological and biochemical activities from the respects of water metabolism，photosynthesis，respiration，anti-oxidase activity，ascorbic acid，glutathione，phytochelatins and other mineral elements absorption．The paper also expounded the accumulation mechanism of heavy metals in different vegetable crops，varieties and vegetable organs，and summarized effective measures to alleviate soil heavy metal pollution．Besides，the paper suggested to carry out the following studies on： heavy metal accumulation differences in different vegetable varieties and species，screen and selection of vegetable species and varieties with low level heavy metal accumulation，development of effective measures to relieve soil heavy metal pollution，so as to ensure safe vegetable production.

Vegetable；Heavy metal；Accumulation mechanism；Mitigation measure

韩承华，男，博士研究生，专业方向：农产品安全与环境，E-mail：360885829@163.com

*通讯作者（Corresponding author）：江解增，教授，博士生导师，专业方向：水生蔬菜栽培，E-mail：jzjiang@yzu.edu.cn

2013-09-22；接受日期：2013-12-30

江苏省农业三项工程项目〔SXGC（2013）338〕，“十二五”农村领域国家科技计划项目（2012BAD27B02）