不同作物对土壤中Ni的富集特征及低累积品种筛选

白玉杰，陈小华，沈根祥，郭春霞，钱晓雍，付侃，王振旗

上海市环境科学研究院，上海 200233

城市建设用地快速扩张和市域面积有限的约束，导致生态用地空间急剧衰退、耕地流失严重、人均公共基础设施面积严重不足等突出问题（Gu et al.，2017；代兵，2010）。20世纪80年代中期，北美和欧洲各国开始把“棕地”再开发的目光从经济收益转向促进城市可持续发展和改善城市居民生活质量，“棕地”恢复为生态用地所产生的巨大生态、经济和社会效益也逐渐被认可和重视起来（Adamas et al.，2010；De Sousa et al.，2003；Nijkamp et al.，2002；Atkinson et al.，2014）。与国外“棕地”再开发为生态用地相似，中国以上海为代表的大都市郊区也出现了低效工业用地再复垦为生态用地的实践探索，称之为“低效工业用地减量化”，把利用效益不佳且有生态风险的工业用地恢复成生态或农业使用状态（谷晓坤等，2018）。在污染成分复杂的减量化复垦农用地块上种植什么作物显得尤其重要，许多学者已针对不同的重金属污染土壤进行了低累积作物品种筛选。大量研究也表明在重金属含量超标的土壤上筛选出安全型作物品种的可行性（顾燕青等，2015；邹素敏等，2017），但不同的品种具有各自的生态适栽区域，这导致了许多研究结果具有很强的区域性。

镍（Ni）是引起中国土壤污染的八大重金属之一，被列为优先控制污染物，农田土壤 Ni超标将影响农作物的产量和品质，对人体健康造成严重威胁。《全国土壤污染状况调查公报》显示，中国 Ni污染超标率为4.8%，仅次于镉（Cd），而《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018）中 Ni只有筛选值没有管控值。Ni是生物体内必不可缺的微量元素之一，它影响着某些酶的活性，对维持细胞的氧化还原状态十分重要，同时还参与多种生理、生化反应（Yusuf et al.，2011）。Ni长期在土壤中累积，不易迁移、难以降解，会导致土壤中的Ni浓度越来越高，直接造成经济损失以及损害人体健康。作物由于其高富集性是造成人体健康风险的主要暴露途径（Huang et al.，2008；Zhao et al.，2012）。因此，开展Ni低积累型作物品种筛选研究，实现轻中度Ni污染复垦土地的安全利用，对保障作物安全生产具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取上海市某低效工业场地（曾用于金属加工）减量化复垦后的原土，土壤类型为壤质土。为尽量减少试验误差和控制工作量，原土壤经风干、捣碎后，借用简易工程铁丝筛网（孔径4 mm左右）过筛，作为原有基质特征不变的供试土样。测定了供试土壤的理化性质（表1）和重金属初始含量（表2），其中Ni质量分数为126 mg·kg-1。供试作物品种选用上海本地餐桌常见的8种不同类型作物青椒（Capsicum annuumL.）、黄瓜（Cucumis sativusL.）、豇豆（Vigna unguiculataL.）、菠菜（Spinacia oleraceaL.）、花菜（Brassica oleraceaL.）、青菜（Brassica chinensisL.）、水稻（Oryza glaberrimaL.）、小麦（Triticum aestivumL.）。试验于2018—2019年在上海市青浦现代农业园智能化大棚内进行。

1.2 试验设计

每种作物盆栽试验设6个梯度，每个梯度设3个平行，共计144盆。以分析纯试剂Ni(NO3)2·6H2O作为污染土壤的 Ni源，配制成盐溶液加入到供试土中模拟 Ni污染土，土壤浓度梯度的设置依据为中国“十一五”期间土壤环境调查 Ni含量范围和《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》（GB 15618—2018）中土壤Ni的筛选值（100 mg·kg-1）。土壤Ni质量分数梯度设置为126、200、350、500、650、800 mg·kg-1，分别以 Ni-CK、Ni-1、Ni-2、Ni-3、Ni-4、Ni-5表示。根据试验设计称取相应质量Ni(NO3)2·6H2O分10份放入烧杯中，向烧杯中加入去离子水配成母液，保证每个烧杯中Ni(NO3)2·6H2O 完全溶解。将预先风干处理好的实验所需土量分开并在室温中平摊，把每个烧杯中的母液洒到土壤当中，边喷洒边搅拌以保证母液与土壤充分混合均匀，混合后的土壤放置在自然条件下平衡30 d，平衡过程中保持土壤含水量为田间持水量的80%。然后装入预先准备好的塑料盆进行后续盆栽土培试验，塑料盆直径30 cm，高25 cm，每盆装供试土壤5 kg，盆底加盆托防露土，各处理施加同等量氮、磷、钾作底肥，每盆加入尿素1.60 g，氯化钾1.20 g，磷酸二氢钾1.50 g配成的水溶液作为底肥。土壤稳定后进行育苗，每盆种植相同数量幼苗，作物生长期间保持土壤湿度为田间持水量60%。作物生长期间根据实际情况进行浇水、松土、除草、去害虫，试验开始后每天早上观察幼苗的生长发育状况，并记录异常情况。青椒、黄瓜、豇豆、花菜于9—15周进行采摘，称重确定生物量，菠菜、青菜于6—7周进行采摘，称重确定生物量。水稻、小麦于18—20周进行收获。

表2 供试土壤重金属平均含量Table 2 Heavy metal concentration of soil samples

1.3 样品采集与分析方法

土壤指标测定：四分法取供试土样风干、研磨、过筛。土壤 pH 值、有机质、CEC、N、P、K等均参照《土壤农业化学分析方法》进行测定（鲍士旦，2000）。土壤重金属使用王水-高氯酸混合消解，火焰原子吸收分光光度法测定（鲍士旦，2000）。为保证数据的可靠性和稳定性，每个样品测定2次，控制相对标准偏差（RSD）低于10%。

作物可食部分 Ni含量测定：按照 GB/T 5009.268—2016推荐的方法测定。采摘青椒、黄瓜、豇豆、菠菜、花菜、青菜样品可食部分，用自来水冲洗干净，再以去离子水冲洗，用滤纸吸去表面水分后用食品加工器粉碎，制成待测样放入塑料瓶中冷冻保存，水稻、小麦采摘后晒干、剥壳、磨粉制成待测样放入塑料瓶中冷冻保存，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Agilent 7900，USA）测定作物可食部分Ni含量。可食部分Ni含量测定时每个样品测2次，控制相对标准偏差（RSD）低于5%。

1.4 作物可食部位Ni安全限量值的取值方法

中国有关蔬菜、水果及粮食的卫生标准中还没有对 Ni的含量作出具体限定，本研究使用靶标危害指数法（Tanget hazand quotients，THQ）（Zeng et al.，2009；Khan et al.，2013）推算新鲜作物中Ni限量值（mg·kg-1）。具体计算公式为：

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil samples

式中，C为作物中污染物的平均质量分数（mg·kg-1）；EF 为暴露频率（365 d·a-1）；ED 为暴露年数（70 a）；IR为中国每日作物摄入率（成人摄入率按 335 g·d-1，儿童摄入率按 232 g·d-1）；BW 为中国人体的平均体重（成人体重按60 kg计，儿童体重按33 kg计）；AT为平均暴露时间（365 d·a-1×暴露年数 a）（郑娜，2007）。RfD为经口摄入参考剂量（Reference Dose），主要参考美国国家环保局（EPA）综合风险信息系统（IRIS）及其他来源针对主要污染指标的参考剂量，Ni为 0.02 mg·(kg·d)-1（USEPA，2008）。

当THQ≤1，表明目标区生长的作物消费基本不产生人体健康风险；THQ＞1时，可引起人体健康风险。因此，设置THQ=1时所推算出的C值即为作物可食部分中 Ni的人体健康安全临界值（mg·kg-1）。

1.5 低累积品种筛选方法

低累积作物品种筛选采用以下3种方式：

（1）关注对 Ni具有较高耐受性的作物。在高浓度 Ni的土壤中能正常生长且生物量无明显下降的品种优先作为低累积品种。

（2）计算农作物可食部分对土壤 Ni的富集系数（Bioaccumulation Coefficient，BCF）：

式中，BCF表示富集系数；Mc表示作物体内的重金属含量；Ms表示土壤中的重金属含量。优先选择富集系数低的农作物作为Ni低累积品种。

（3）构建各农作物可食部位的 Ni含量与土壤Ni含量之间的定量关系，并基于可食部位的Ni安全限量值，推算土壤中Ni的安全限量值。土壤Ni安全限量值大的农作物优先作为Ni低累积作物品种。

1.6 数据分析

运用Microsoft office Excel 2013对数据进行统计，运用SPSS 20.0进行分析，在95%置信水平下，采用 LSD法进行单因素方差分析（One-way ANOVA），以不同小写字母表示不同处理间的差异显著性（P＜0.05）。运用Origin 9.0进行线性回归分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种类作物对Ni污染耐受性

分析土壤中不同含量Ni对作物生物量的影响，结果显示（图1），随着土壤中Ni含量的增加，青椒、豇豆、菠菜、花菜、青菜生物量先增加后减少，黄瓜生物量持续增加。青椒在Ni-4处理中生物量最大，豇豆在Ni-4处理中生物量最大，菠菜Ni-CK、Ni-1、Ni-2、Ni-3处理中生物量变化不明显，Ni-4、Ni-5处理生物量显著下降，低于对照组生物量，花菜在 Ni-2处理中生物量最大，青菜 Ni-1、Ni-2、Ni-3处理中生物量变化不明显，Ni-4、Ni-5处理生物量显著增加。Ni-5条件下，豇豆、菠菜、花菜生物量低于对照组生物量，显现中毒症状，作物叶片失水、失绿萎缩、变黄。通过不同种类作物对 Ni污染耐受性发现，黄瓜、青菜耐受性最强，花菜耐受性最差，土壤中Ni含量低于50 mg·kg-1时，豇豆、菠菜、青菜生物量没有明显变化。

图1 不同Ni处理组的各类作物可食部分鲜重Fig. 1 Fresh weight of edible parts of crops under different Ni treatments

2.2 不同作物可食部分对土壤中Ni的富集特征

随着土壤中 Ni含量的增加，各种作物可食部分 Ni含量表现出显著差异，青椒为 0.6—5.35 mg·kg-1，黄瓜为 0.37—4.05 mg·kg-1，豇豆为 1.1—11.65 mg·kg-1，菠菜为 0.25—10.5 mg·kg-1，花菜为0.5—32.35 mg·kg-1，青菜为 1.4—16.85 mg·kg-1，水稻为 0.69—17.2 mg·kg-1，小麦为 0.6—31.95 mg·kg-1。

作物对重金属的吸收能力通过富集系数（Bioconcentration Coefficient，BCF）量化表现（Zu et al.，2004；Salt et al.，1995）。不同作物可食部分对Ni的富集特征表现出差异（表3）。青椒、菠菜实验组可食部分富集系数随着土壤中 Ni浓度增加而增加，Ni-5处理最大，分别为0.007、0.013。黄瓜、花菜、青菜可食部分富集系数先增加后减小，Ni-4处理最大，分别为0.006、0.043、0.040。豇豆可食部分富集系数减小，Ni-1、Ni-2最大，为0.017。水稻、小麦可食部分富集系数没有明显规律性变化，其中水稻在 Ni-1处理中富集系数最大，为0.032，小麦在 Ni-2、Ni-3处理富集系数最大，为0.042。

表3 作物可食部分Ni富集系数Table 3 Bioconcentration coefficient of Ni in the edible parts of different crops

富集系数平均值（图2）排序为：小麦 (0.032)＞花菜 (0.026)＞青菜 (0.021)＞水稻(0.020)＞豇豆(0.014)＞ 菠 菜 (0.0065)＞ 青 椒 (0.0054)＞ 黄 瓜(0.0042)。

图2 不同作物可食部分的Ni富集系数平均值Fig. 2 Average bioconcentration coefficient of Ni in the edible parts of different crops

2.3 基于作物食用安全的土壤中Ni限量值及低累积品种筛选

采用回归分析的方法建立作物可食部分 Ni含量（y）与土壤中Ni含量（x）的回归方程，明确作物可食部分Ni含量与土壤Ni含量之间的关系（表4）。各类作物中可食部分Ni含量与土壤中Ni含量均呈极显著相关（P＜0.01）。拟合方程斜率大小为花菜 (0.050)＞小麦 (0.037)＞青菜 (0.032)＞水稻(0.019)＞豇豆 (0.014)＞青椒 (0.008)＞黄瓜 (0.006)，相关系数大小为豇豆 (0.972)＞花菜 (0.965)＞青椒(0.948)＞菠菜 (0.938)＞黄瓜 (0.926)＞小麦 (0.728)＞青菜 (0.721)＞水稻 (0.700)。

表4 不同作物食用安全对应土壤Ni限量值Table 4 Relationship between soil Ni contents and Ni contents in crops and soil threshold values

目前还没有 Ni的食品卫生标准，仅有油脂及其制品中镍的限量标准（GB 2762—2012）（1 mg·kg-1），以此标准应用于作物可食部分有失偏颇。美国国家环境保护署（USEPA）推荐 Ni的人体最大允许摄入量（RfDo）是 0.02 mg·kg-1·d-1，由此可推算出作物可食部分镍的含量限值（表4），依据“土壤-农产品”污染物含量的回归方程基于靶标危害指数（THQ）取值方法计算的作物可食部分污染物限量值，计算 Ni污染土壤中种植不同作物的安全限量值（表4）。为严格保证人体健康，推荐各农作物对应的土壤 Ni安全限量值分别为：青椒 439 mg·kg-1、黄瓜 561 mg·kg-1、豇豆 196 mg·kg-1、菠菜 513 mg·kg-1、花菜 203 mg·kg-1、青菜 190 mg·kg-1、水稻 147 mg·kg-1、小麦 105 mg·kg-1。黄瓜 Ni安全限量值最高，其次为菠菜和青椒，反映出这3种作物的Ni低累积特征，对土壤Ni安全限量值要求相对宽松，可作为Ni的低累积品种。

3 讨论

不同品种作物对Ni的耐受性、吸收能力不同，在一定浓度范围内土壤中 Ni不仅不会抑制作物生长，反而会促进作物生长，但一旦超过某个限值作物的生长就会表现出明显的抑制作用。本研究中，黄瓜、青菜耐受性最强，花菜耐受性最差，随着土壤中 Ni含量的增加，青椒、豇豆、菠菜、花菜、青菜生物量先增加后减少，黄瓜生物量持续增加，当土壤中Ni含量为800 mg·kg-1时，豇豆、菠菜、花菜生长受到明显影响。由于 Ni是植物生长所必需的微量营养元素（Liu，2001；Norton et al.，2009），土壤中低含量 Ni对作物生长有积极的“刺激作用”，可促进植物体内的过氧化氢酶、过氧化物酶和酸性磷酸酶等的活性，促进了作物生长（廖金凤，1998；Gerendás et al.，2015），但当土壤中 Ni含量超过某一阈值时，则会使作物的生长受到明显的抑制，表现出生长迟缓，叶片黄化，叶组织坏死形成枯斑，植株畸形等（胡欣欣，2010）。研究发现向土壤中补充适量的 Ni能改善小麦、水稻、豇豆、棉花(Gossypium herbaceumL.)、辣椒、番茄(Lycopersicon esculentumMiller)、马铃薯(Solanum tuberosumL. )等作物的生长发育状况，提高产量（扶惠华等，1996），土壤中Ni过量使白菜(Brassica rapaL.)、小麦、水稻、番茄体内Ni积累过剩导致作物体内酶活性受到影响，植株表现中毒症状、产量下降（Jian et al.，2003；Wang et al.，2001；Heidarian et al.，2017；胡泽友等，2007；Mosa et al.，2016）。

土壤重金属污染不仅影响作物生长繁殖，更重要的是重金属在其可食部分即地上部分积累，通过食物链危害人体健康。随着土壤中 Ni含量的增加作物对重金属富集能力因作物种类而异，不同种类作物对 Ni的敏感程度存在很大差别，从现有的研究成果分析，植物种类的差异直接决定了吸收重金属能力的差异（赵勇等，2006）。不同种类农作物可食部分对Ni的富集均存在着差异，植物对Ni的富集系数在0.01—1.0之间（罗丹，2009）。其中芥菜（Brassica junceaL.）、小白菜对Ni的富集能力较强，西红柿、青瓜、菠菜、花菜、油麦菜（Lactuca sativaL.）等蔬菜品种和菠萝（Ananas comosusL.）、香蕉（Musa paradisiacaL.）、橙子（Citrus sinensisL.）、甘蔗（SaccharumL.）等水果类对 Ni的富集能力则较低（关卉等，2007；蔡莎莎，2007）。通过对北京市蔬菜和菜地土壤 Ni含量状况进行大规模调查，云架豆Ni富集系数较高，黄瓜、小白菜、萝卜（Raphanus sativusL.）、甘蓝（Brassica oleraceaL.）、辣椒、白菜和冬瓜（Benincasa hispida(Thunb.)Cogn.）次之，而大葱（Allium fistulosum）、叶甜菜（Betavulgaris L.）、茄子（Solanum melongenaL.）、西红柿等Ni富集系数最低（陈同斌等，2006）。水稻、玉米、小麦中 Ni含量最高，果菜类和叶菜类Ni含量居中，根菜类Ni含量最低（罗丹，2009；白晓瑞等，2011）。本研究结果表明，不同作物可食部 Ni的富集系数由大到小依次为小麦＞花菜＞青菜＞水稻＞豇豆＞菠菜＞青椒＞黄瓜，与前人研究结果相一致。同时多数研究结果证实作物中重金属含量与土壤重金属含量间有较好的相关性（杜应琼等，2003；宗良纲等，2007），建立作物可食部分Ni含量（y）与土壤中Ni含量（x）的回归方程可为研究农田-植物系统中Ni安全限量值研究提供支撑。农作物 Ni的含量一方面与土壤的污染程度有关，另一方面还与农作物本身对Ni的选择吸收性能有关，Ni富集系数越小，表明其吸收Ni的能力越差，抗土壤Ni污染的能力较强。因此，可在轻中度Ni污染土壤中采取农艺调控和替代种植等措施改种食用部位污染物累积少的作物，降低农产品超标风险，对于重度Ni污染土壤，可以种植高富集Ni植物把污染土壤中的 Ni含量降到允许范围然后进行农用。重金属超量积累植物具有很高的吸收和积累重金属的能力，至今已发现400多种能够超量积累各种重金属的植物，其中就以超量积累 Ni的植物最多（Grant et al.，2008；Homer et al.，1991）。

4 结论

（1）6种作物对重金属Ni的耐受性表现出明显的种类间差异。黄瓜、青菜对 Ni耐受性最强，黄瓜鲜重随土壤中 Ni含量上升而增加，其他作物的生物量表现出先增加后减少趋势。花菜对 Ni抗性最差，当土壤中Ni质量分数大于350 mg·kg-1时，花菜生长开始受到抑制。

（2）8种农作物可食部分对Ni富集能力存在种间差异，富集系数为小麦 (0.032)＞花菜 (0.026)＞青菜 (0.021)＞ 水 稻 (0.020)＞ 豇 豆 (0.014)＞ 菠 菜(0.0065)＞青椒 (0.0054)＞黄瓜 (0.0042)。谷物类作物对Ni的富集能力较强，茄果类作物对Ni富集能力较弱，叶菜类作物因品种不同对Ni富集能力不同。

（3）基于农产品食用安全要求，推导出种植8种作物对应的土壤中Ni安全限量值大小为：黄瓜 (561 mg·kg-1)＞菠菜 (513 mg·kg-1)＞青椒 (439 mg·kg-1)＞花菜 (203 mg·kg-1)＞豇豆 (196 mg·kg-1)＞青菜 (190 mg·kg-1)＞水稻 (147 mg·kg-1)＞小麦 (105 mg·kg-1)。

（4）综合考虑不同农作物对土壤中 Ni的耐受性、富集能力以及食用安全限量值，筛选出筛选黄瓜、青椒、菠菜作为 Ni低累积作物品种，适宜在轻中度Ni污染复垦土地中实施替代种植。