蓬莱仙界园区土壤-蔬菜系统重金属形态解析及关联特征

2018-04-16吴迪程志飞刘品祯杜启露张林

生态环境学报 2018年3期

吴迪，程志飞，刘品祯,，杜启露，张林

1. 贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州贵阳 550001；

2. 黔南民族师范学院化学化工学院，贵州都匀 558000；3. 贵州科学院生物研究所，贵州贵阳 550001

土壤是保障蔬菜安全的基本，也是重金属污染物的接纳地，而重金属的累积和迁移会改变土壤理化性质并影响微生物代谢，导致土壤生产质量降低（黄东风等，2017；Wiese et al.，1997）。土壤重金属具有隐蔽性且难降解，在微生物作用下易转化为毒性大且利于植物吸收的形态（邹素敏等，2017；林承奇等，2016），当土壤中重金属的可利用态含量超过蔬菜所需量和可耐受程度时，一定程度上会影响植物生长，严重的会造成环境公害病（痛痛病、水俣病）和重金属污染事件（临沂砷污染、凤翔铅污染、龙江镉污染、镉大米）。据调查，全国64.8%的土壤和1/5的耕地土壤受到重金属污染，其中以Hg和Cd污染面积最大（茹淑华等，2016；环境保护部，2014）。土壤中重金属易被蔬菜吸收累积进入食物链富集到人体（Bian et al.，2009；李如忠等，2013），造成直接性危害或潜在健康风险（血铅超标）（杨晶等，2014），故被列为蔬菜安全生产优先控制的污染物之一。因此，研究土壤-蔬菜系统中重金属的化学形态及关联特征极其重要。

贵阳市白云区是全国最大的铝工业基地和全省重要的新型工业化基地，矿产开采容易引发土壤重金属污染，导致土壤生产力降低，并被蔬菜富集吸收（Blaser et al.，2000；吴迪等，2013；Hu et al.，2013）。目前，有关土壤-蔬菜系统重金属污染研究主要集中在土壤和蔬菜中重金属总量的污染状况，然而仅从重金属总量上评价土壤-蔬菜的污染状况并不能准确反映其毒性效应（杨宏伟等，2011）。因此，笔者选取贵阳市白云区具有代表性的农业园区——蓬莱仙界园区为研究区域，对土壤-蔬菜系统中重金属的存在形态、生物有效性和关联特征等内在机制进行探究并规划蔬菜种植模式，为土壤-蔬菜系统安全研究提供参考，对促进农业的可持续发展，农产品安全保障具有一定意义。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

蓬莱仙界生态园区位于有“全国农业标准化示范县”之称的贵阳市白云区，该园区是以蔬菜、食用菌、珍稀植被为主的特色蔬菜产业基地，包含食用菌产业园、蔬菜产业带、花卉苗木产业带、休闲观光产业带，蔬菜种植以番茄Lycopersicon esculentum、胭脂萝卜Raphanus sativus、豌豆Pisum sativum、甘蓝 Brassica oleracea、红油菜 Brassica napus、白菜Spinacia oleracea为主。白云区位于东经 107°30′～108°13′，北纬 28°11′～29°05′，矿产资源丰富，分布有铝土矿、铁矿、原煤等，全区海拔1300 m左右，气温-4～33 ℃，年降雨量1170～1200 mm。

1.2　样品采集与分析方法

1.2.1样品采集

为确保样品始源性、地域性，以生态园区为研究区域进行系统采样。基于不同蔬菜种植区的环境背景污染程度的差异，设置了6个采样区，每个种植区选择500 m2区域按照“S”型布点法采集4～6个蔬菜样品和对应点位的表层土壤（0～20 cm），供试样区土壤 pH、有机质和阳离子交换量测定结果如表1所示。不同品种蔬菜样品经超纯水洗净，分别取根、茎、叶组织于 105 ℃下杀青，40 ℃下恒重粉碎，过2 mm尼龙筛待测；土壤样品自然风干、研磨后分别过20和100目筛，供测定土壤pH值和重金属含量。

表1　土壤酸碱度、阳离子交换量、有机质平均值统计Table 1　Means of soil pH, cation exchange and organic matter

1.2.2样品处理

蔬菜组织的消解（鲁如坤，2000）：采用浓HNO3-30% H2O2微波消解法（美国CEM公司Mars 6）消解。土壤Pb、Cd和Cr的消解：称取0.2000 g样品于聚四氟乙烯罐中，用HNO3-HClO4-HF混酸处理，静置过夜，置于电热板上消解。土壤 Hg、As的消解：取0.2000 g土样于50 mL具塞比色管中，加入10 mL 50%王水，水浴浸提2 h，开盖赶酸至约1 mL，加入5 mL 10%硫脲（m/V）和5 mL浓盐酸定容。

采用BCR连续分级提取法（林承奇等，2016）对每个蔬菜种植区土壤（采自同一种蔬菜种植区的土壤充分混合）中重金属元素的酸可提取态、可还原态、可氧化态和残渣态进行连续分级提取。步骤如下，（1）酸可提取态：称取1 g土样于100 mL离心管中，加入40 mL 0.11 mol·L-1CH3COOH溶液，于 25 ℃、200 r·min-1摇床上连续振荡 16 h，4000 r·min-1离心15 min，收集上清液，即得酸可提取态。向残渣中加入20 mL去离子水振荡15 min后，弃去洗涤液，残渣供下一步试验用。（2）氧化结合态：向残渣中加入 0.5 mol·L-1盐酸羟胺和 0.05 mol·L-1HNO3混合液 40 mL，于 25 ℃、200 r·min-1摇床上连续振荡16 h，4000 r·min-1离心15 min，收集上清液，即得氧化结合态。残渣供下一步试验用。（3）有机结合态：向残渣中加入10 mL H2O2（30%），用HNO3调节pH至2～3，松开盖子，室温下放置1 h，85 ℃恒温水浴 1 h，开盖，继续加热至体积不多于3 mL，添加10 mL H2O2，85 ℃恒温水浴1 h，开盖加热至体积为1 mL，冷却，加50 mL 1.0 mol·L-1醋酸铵溶液（pH=2），连续振荡16 h，离心过滤，收集滤液，即得有机结合态。（4）残渣态：残渣态重金属含量为重金属总量与其他3种形态重金属含量之差。

1.2.3样品分析与质量控制

采用原子吸收分光光度法（德国耶拿公司ZEEnit 700P）测定 Pb、Cd、Cr；原子荧光光谱法（北京吉天AFS-933）测定Hg、As。pH采用2.5∶1水土比电位法。试验药品均为优级纯，测定过程采用GBW-07456和 GBW10020、双空白、20%平行样质控，相对偏差均小于 5%，加标回收率在95.2%～114.6%之间，测定结果均在允许误差范围内。

1.3　计算与评价方法

1.3.1土壤重金属污染评价方法

本研究采用Nemero综合污染指数评价土壤重金属污染状况（夏芳等，2017）：

式中，P为土壤重金属综合污染指数；Ci为重金属 i的实测值（mg·kg-1）；Si为贵州省土壤重金属 i的背景值；Ci/Si为土壤重金属i的单因子污染指数。土壤重金属综合污染指数分级标准如表2所示。

1.3.2土壤-蔬菜系统重金属的综合质量评价方法

本研究采用农田土壤重金属复合影响中的综合质量影响指数（IICQ）评价研究区土壤-蔬菜系统重金属的综合污染状况，综合质量影响指数为土壤综合质量影响指数（IICQs）和蔬菜综合质量影响指数（IICQv）之和，公式如下：

表2　综合污染指数分级标准Table 2　Grading standards of integrated pollution index

式中，Ci为土壤中i种重金属的实测值；Csi为i种重金属的国家土壤环境质量Ⅱ类标准限值（GB15618—1995，6.5＜pH＜7.5）；CBi为贵州省i种重金属的土壤背景值；n为测定i种重金属的氧化数；N是测定重金属的数目；Cvi是土壤相应点位蔬菜中 i种重金属的实测值；CLSi是无公害蔬菜（GB18406.1—2001）中i种重金属的限量标准；X、Y分别为土壤重金属实测值超过国家Ⅱ类标准值和背景值的数目；Z为蔬菜中超过无公害蔬菜限量标准的重金属元素数目；k=5为校正因子。土壤-蔬菜系统综合质量影响指数分级标准如表3所示。

表3　综合质量指数分级标准Table 3　Grading standards of comprehensive quality impact index

1.3.3土壤重金属的生物有效性和环境风险程度

根据重金属与土壤结合力的强弱和土壤中重金属迁移至食物链能力的大小，采用 RAC风险评估指数（杜晓林，2012）表征，公式如下：

式中，Ci表示重金属i酸可提取态的实测值；C表示对应重金属不同形态的总量。土壤重金属的生物可利用性及环境风险程度等级，如表4所示。

1.3.4蔬菜重金属富集系数

富集系数（Bio-accumulation factor，BAF）能大致反映蔬菜某组织或器官在相同土壤重金属含量条件下对该重金属元素的富集能力，BAF值越大，表明蔬菜吸收重金属的能力越强，抗土壤重金属污染的能力越弱（Cheng et al.，2011）。计算公式如下：

表4　生物可利用度和环境风险程度RAC值Table 4　Bioavailability and environment risks of different RAC

式中，BAF为蔬菜某组织或器官的富集系数；Cv表示蔬菜某组织或器官中重金属的含量（mg·kg-1）；Cs为蔬菜对应点位土壤中重金属的含量（mg·kg-1）。

1.4　数据处理

重金属污染指数、质量影响指数和富集系数采用Excel 2016计算分析，，图形采用Origin 6.0绘制。

2　结果与讨论

2.1　土壤重金属含量特征

研究区土壤-蔬菜重金属含量统计结果如表 5所示。由表5可知，蔬菜种植区整体表现为土壤中Pb和Hg含量均高于贵州省背景值，其中Hg超标最为严重；不同蔬菜受重金属污染程度不同，蔬菜均表现为受Hg和Cd污染，对比土壤-蔬菜受污染程度发现：土壤受某重金属污染时不一定会导致蔬菜受到相同元素的污染；研究区表现为以Hg为主的多种重金属混合污染。。

2.2　土壤重金属污染评价

2.2.1不同蔬菜种植区土壤的重金属单因子污染指数

不同蔬菜种植区土壤中重金属单因子污染指数如表6所示。结合表5发现：除Cd外，土壤中Pb、Cr、Hg和As含量几乎都高于贵州省背景值（Pb：35.2 mg·kg-1、Cr：95.9 mg·kg-1、Cd：0.659 mg·kg-1、Hg：0.11 mg·kg-1、As：20 mg·kg-1)。Hg 的单因子污染指数最大，其含量高于贵州省背景值2～3倍，外源污染严重并且存在累积现象，其大小顺序为：番茄地（3.91）＞甘蓝地（3.82）＞豌豆地（3.00）=红油菜地（3.00）＞白菜地（2.71）＞胭脂萝卜地（2.27）。Pb、Cr和As次之，单因子污染指数相差不大。不同蔬菜种植区土壤中Cd的单因子污染指数最小，均未超过贵州省背景值，潜在危害较小。其大小顺序为：番茄地（0.96）＞甘蓝地（0.76）＞胭脂萝卜地（0.68）＞白菜地（0.63）＞红油菜地（0.53）＞豌豆地（0.49）。综上可知，不同蔬菜种植区重金属累积情况存在差异，园区土壤受到不同程度的Pb、Cr、Cd、Hg、As污染，但污染程度不明显。

表5　土壤和蔬菜中重金属含量Table 5　Content of heavy metals in soil and vegetables　　　　　　　　　mg·kg-1

图6　不同蔬菜种植区土壤的重金属单因子污染指数Table 6　The single factor pollution index of heavy metals in vegetable area

2.2.2不同蔬菜种植区土壤的重金属综合污染指数

考虑到Pb、Cr、Cd、Hg和As的综合效应，本研究分析了不同蔬菜种植区土壤的重金属综合污染指数，结果如图1所示。结果表明，番茄土壤和甘蓝土壤污染最为严重，属于中污染级别，胭脂萝卜土壤污染最轻，属于轻污染范畴，研究区域的土壤重金属综合污染指数大小为：番茄地（2.98）＞甘蓝地（2.90）＞红油菜地（2.36）＞豌豆地（2.33）＞白菜地（2.18）＞胭脂萝卜地（1.85），综合污染指数大小顺序与单因子污染指数顺序不同，表明不同蔬菜利用类型对土壤重金属的富集能力不同。

2.3　土壤-蔬菜系统土壤重金属赋存形态解析

2.3.1土壤重金属形态特征

图1　不同蔬菜种植区土壤的重金属综合污染指数Fig. 1　Comprehensive pollution index of heavy metals in soils of different vegetable areas

图2　研究区土壤重金属的不同赋存形态占比Fig. 2　Percentage of different forms of heavy metals

重金属在土壤-蔬菜之间的生物毒性受元素形态影响，不同形态重金属的毒性和迁移速率不同。由图2可知，蔬菜种植区土壤Cr、Hg和As不同赋存形态总体表现为：残渣态＞可氧化态＞可还原态＞酸可提取态，其中，Cr和As以残渣态所占比例最大，分别为89.63%和98.82%，远大于其他3种形态之和；就Pb和Cd而言，其残渣态和可氧化态相差不大，可能存在相同的污染来源；Pb、Cr和 As酸可提取态占比较低，分别为 0.73%、0.02%和0.23%。除Hg可氧化态与残渣态相差不大外，Pb、Cr、Cd和As均主要以残渣态形式存在，不同元素各形态分配比例差异显著，可能与有机质含量（13.58 g·kg-1）和阳离子交换量（13.82 cmol·kg-1）有关（陈玉成等，2003）。结合不同蔬菜种植区土壤基本理化性质（表 1）可知，研究区土壤呈弱酸性，豌豆区pH最大（6.90）；白菜区pH最小（4.92），酸化严重，容易导致土壤中的金属离子释放，使重金属结合态的含量下降。土壤阳离子交换量（CEC）直接反映土壤胶体所能吸附阳离子的能力，是施肥保蓄的重要参考；不同蔬菜样区土壤 CEC差异明显，其大小顺序为：胭脂萝卜＞番茄＞甘蓝＞白菜＞红豌豆＞油菜，变幅为 8.48～15.82 cmol·kg-1。有机质为蔬菜生长提供营养外，对土壤结构、改善土壤物理性状具有一定的作用，对重金属的络合和富集能力强（Baize，2000），不同蔬菜种植区有机质含量大小顺序为：白菜＞红油菜＞胭脂萝卜＞番茄＞甘蓝＞豌豆，白菜种植区土壤有机质含量最大为 19.72 g·kg-1，相对于其他蔬菜品种，其对重金属有效态的生物可利用度能得到一定程度的减弱。

2.3.2重金属的活性态和非活性态

重金属的活性态是酸可提取态、可还原提取态、可氧化提取态之和。活性态与重金属危害程度关系密切，易被植物体吸收放大，参与生物链循环并累积。由表7可知，重金属元素活性态所占比例大小顺序为：Hg＞Cd＞Pb＞Cr＞As。研究区总土中 Hg、Cd和Pb能被蔬菜吸收参与生物链进行物质循环的活性态含量较高，分别为48.98%、44.44%、39.40%，潜在危害性较高。不同重金属元素对生态系统的危害能力存在差异，仅从活性态所占比例评价重金属元素的危害性不够全面。

表7　重金属活性态和非活性态的比例Table 7　The proportion of active and residual fractions of heavy metals%

2.3.3重金属的生物有效性与环境风险

从表8可知，Cd的风险程度最高，处于中等风险水平；Hg次之，处于低风险水平，Pb、Cr和As的生物可利用度极低，均处于无风险水平。虽然Hg和Pb的酸可提取态较低，但土壤中有机物种类及含量会影响酸可提取态的变化（Horiguchi et al.，2004；郑顺安等，2013），因此，Hg和Pb可能存在一定的潜在风险。

2.4　土壤-蔬菜系统重金属综合质量评价

土壤-蔬菜系统重金属综合质量评价结果如图 3所示。由图可知，不同蔬菜种植区土壤-蔬菜系统中重金属 IICQ指数大小顺序为：番茄（3.92）＞红油菜（3.37）＞白菜（3.33）＞胭脂萝卜（3.32）＞甘蓝（3.25）＞豌豆（2.74），其中，除土壤-豌豆蔬菜系统属于轻度污染外，其余土壤-蔬菜系统均属于中度污染。对比不同土壤-蔬菜系统重金属综合质量影响指数发现，胭脂萝卜、红油菜和白菜土壤-蔬菜系统重金属综合质量影响指数基本一致，但不同蔬菜种植区土壤重金属含量和各种形态存在很大差异，从而导致不同蔬菜重金属富集系数不同。就土壤综合质量而言，其IICQS大小顺序为：红油菜（1.45）＞番茄（1.42）＞白菜（1.41）＞胭脂萝卜=豌豆（1.40）＞甘蓝（1.36），研究区土壤综合质量指数整体表现为：1＜IICQs＜2，属于轻微污染，表明研究区自然背景相似，受人为影响破坏较小。就蔬菜综合质量影响指数而言：番茄IICQv最大，为2.50，污染最严重，对重金属的富集能力最强；胭脂萝卜、甘蓝、红油菜、白菜的IICQv值在1.90上下波动，污染较轻；豌豆的IICQv最小，受污染最轻，抵抗重金属污染的能力最强，建议该研究区种植豌豆。

表8　土壤各重金属元素生物可利用性与风险程度Table 8　Bioavailability and risks of different heavy metals

图3　土壤-蔬菜系统重金属综合质量影响指数Fig. 3　Comprehensive quality index of heavy metals in soil-vegetable system

2.5　土壤-蔬菜系统不同蔬菜组织对Hg和Cd的富集特性

根据“2.3.2重金属的活性态和非活性态”中“重金属元素活性态所占比例大小顺序为：Hg＞Cd＞Pb＞ Cr＞As”和“2.3.3 重金属的生物有效性与环境风险”中“Cd处于中等风险水平，Hg处于低风险水平”可知，Cr、As、Hg的生物可利用性很低，故主要分析不同蔬菜对Hg、Cd和Pb的富集特性。不同蔬菜组织对土壤中Pb和Cd的富集能力如表9所示。

表9　不同蔬菜组织对Cd、Hg的富集能力Table 9　Accumulation ability of Pb, Cr, Cd, Hg, As in different vegetable tissues

由表9可知，番茄叶和白菜叶对Hg的富集系数均高于其他蔬菜的叶组织，表明并非仅叶菜类蔬菜叶部位对Hg富集敏感，番茄叶组织富集Hg的能力同样很强；胭脂萝卜的根和茎组织对Hg的富集能力相差不大，豌豆则表现为茎与叶富集Hg能力差异不大，但甘蓝根与茎对Hg的富集能力远大于其叶。

不同蔬菜组织对 Pb和 Cd的富集能力差异明显，番茄根和胭脂萝卜的不同组织对 Pb的富集系数大小顺序为：根＞茎＞叶，其中，根对土壤中 Pb的富集能力远高于对应蔬菜的茎叶对 Pb的富集能力；豌豆和甘蓝的不同组织对 Pb的富集系数差异不明显，Pb主要累积在豌豆和甘蓝的茎部，其次为根部；红油菜和白菜的不同组织对 Pb的富集系数大小顺序为：叶＞茎＞根，其中，叶对土壤中 Pb的富集系数远高于对应蔬菜的根茎，表明叶类蔬菜比其他种类的蔬菜更容易累积Pb。另外，发现红油菜和白菜的根部和茎部对土壤中 Pb的富集能力差异不大。总体而言，不同蔬菜对 Pb的富集能力表现为：番茄、红油菜和白菜的总富集能力较高，豌豆、甘蓝的富集能力最弱。

研究区蔬菜对Cd的富集能力均高于其他重金属元素，主要是因为Cd的活性较强，在酸性条件下容易被蔬菜作物吸收（李其林，2000）。叶菜类蔬菜甘蓝、白菜和红油菜可食用部分的富集能力较高，抗Cd富集能力最强的是豌豆，建议研究区种植豌豆和甘蓝，发展农业健康型蔬菜。

3　结论

（1）研究区土壤受Pb、Cr、Cd、Hg、As的污染差异明显，Hg的单因子污染指数最大；不同蔬菜种植区土壤-蔬菜系统中重金属IICQ指数大小顺序为：番茄（3.92）＞红油菜（3.37）＞白菜（3.33）＞胭脂萝卜（3.32）＞甘蓝（3.25）＞豌豆（2.74），除土壤-豌豆蔬菜系统属于轻度污染外，其余土壤-蔬菜系统均属于中度污染。

（2）土壤中Pb、Cr、Cd、As的形态分配比例和活性态差异显著。均以残渣态为主，Cr、Hg和As形态特征相似；Cd（14.81%）的酸可提取态占比远大于其他元素，应当引起重视；Hg、Cd和Pb的活性态含量较高，分别为 48.98%、44.44%和39.40%，潜在危害性较高。

（3）番茄叶和白菜叶对Hg的富集系数均高于其他蔬菜的叶组织，番茄根和胭脂萝卜根对 Pb的富集能力远高于茎叶，Pb主要累积在豌豆和甘蓝的茎部，其次为根部，红油菜叶和白菜叶对 Pb的富集系数高于其根茎；甘蓝、白菜和红油菜富集 Cd的系数较高；豌豆对 Cd的富集能力最弱，IICQv最小，受污染最轻，抵抗重金属能力最强。因此，建议研究区种植豌豆。

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