几种重金属在不同生长部位食用竹笋中富集分布特征研究

贺义昌，吴妹杰，余 林，雷小林，李保同，谢谷艾

（1.江西农业大学国土资源与环境学院∕江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西南昌 330045；2.江西省林业科学院，江西南昌 330013）

【研究意义】食用竹笋营养丰富，是抗氧化剂和生物活性化合物的潜在丰富来源，广泛分布于江西、浙江、四川、广西等地[1]。随着人们对身体健康的越来越重视和对生活品质的追求越来越高，像食用竹笋这样富含蛋白质、纤维素、氨基酸、胡萝卜素、维生素及钙磷铁等营养物质的产品也越来越受到人们的青睐，据统计全球食用竹笋消费量以每年15%的速度递增，并且未来也将持续增长[2-3]。然而，由于食用竹笋的需求量迅速增长，食用竹笋的生长方式也日益受到人类的干涉，包括过量使用化肥，交通量的增加和工业发展等，都极大地影响了土壤重金属的积累[4-5]。沉积在土壤中的重金属不仅会影响食用竹笋的生长和质量，还会被富集在食物链中最终进入人体，使人们的生命安全受到威胁[6-7]。因此，食用竹笋质量安全与人类身体健康和安全紧密相关。【前人研究进展】大量文献对竹笋及其土壤的质量安全检测与评价、竹笋高产培育技术及加工技术和竹笋的病原菌与药物防治技术等方面进行研究[8-11]。【本研究切入点】目前，国内外对食用竹笋不同生长部位的重金属的监测鲜有报道。【拟解决的关键问题】以食用竹笋（毛竹春笋）为研究对象，测定其不同部位及其土壤中重金属砷（As）、汞（Hg）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）的含量，分析重金属在食用竹笋不同部位的迁移富集情况，以期探索食用竹笋在不同部位重金属含量规律，为判定食用竹笋重金属是否超标提供科学的理论支撑，为食用竹笋安全性评价提供精准数据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

研究样品采用随机采样的方法，采集于2019年4月在江西省的8个县（市、区）的25个毛竹春笋生产基地（抚州市宜黄县、抚州市南城县、抚州市崇仁县、抚州市黎川县、抚州市南丰县、鹰潭市贵溪市、江西省上饶市、赣州市全南县）。竹笋品种为毛竹春笋，在重金属污染区随机采集毛竹笋，竹笋剥除外壳（笋皮），切取可食部分顶端往下5 cm作为上部样品（笋尖），切取可食部分底端往上5 cm作为下部样品（笋根），切取可食部分中间部位作为中部样品（笋中）。在每个基地随机取5～10个点，每个点采集不少于1 kg非根际土壤，采集深度为0～30 cm。土壤样品采集后，在自然条件下风干，过2 mm筛并除去在土壤中的一些动植物残渣和石头。

竹笋生产基地土壤均为红壤，根据《中华人民共和国农业行业标准（NTY1121—2006）》[12]测得各类土壤基本理化性质如下:pH值在3.8～5.1，平均值为4.5；有机质含量在5.0～80.0 g∕kg，平均含量为41.6 g∕kg；全氮含量在0.5～1.5 g∕kg，平均含量为1.2 g∕kg；碱解氮含量在30.0～200.0 mg∕kg，平均含量为140.2 mg∕kg；全磷含量在0.1～0.5 g∕kg，平均含量为0.3 g∕kg；有效磷含量在0.5～2.5 mg∕kg，平均含量为2.1 mg∕kg；全钾含量在10.0～25.0 g∕kg，平均含量为23.1 g∕kg；速效钾含量在10.0～110.0 mg∕kg，平均含量为68.7 mg∕kg。

1.2 测定项目及方法

毛竹春笋样品主要重金属污染物测定方法参照国家标准。本实验主要测定砷（As）、汞（Hg）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）5种重金属元素的含量。毛竹春笋和土壤样品分析方法见表1。

表1 毛竹春笋和土壤样品分析方法Tab.1 Analysis methods of bamboo shoots and soil samples

主要仪器设备:微波消解仪（Multiwave PRO，奥地利安东帕），原子吸收分光光度仪（Z2000，日本日立），原子荧光分光光度仪（AFS-230E，北京科创海光），电感耦合等离子体质谱仪（PQMS，德国耶拿）。

主要试剂:As、Hg、Pb、Cd、Cr标准溶液（1 000µg∕mL，国家有色金属研究院），氢氧化钠、硼氢化钾、氢氧化钾、磷酸二氢铵（500 g，国药集团），抗坏血酸（500 g，阿拉丁），高纯氩气、乙炔（≥99.999%，江西国源）。

1.3 重金属富集系数及迁移系数计算

用Agoramoorthy等[13]和Usman等[14-15]提出的公式，计算富集系数（BCF）和迁移系数（BTF）。富集系数（BCF，FC）来表示竹笋对重金属富集能力，FC1、FC2、FC3、FC4、FC5、FC6分别表示笋皮、笋尖、笋中、笋根、可食部分（笋尖+笋中+笋根）、全笋（笋皮+可食部分）的重金属富集能力。当FC＞1时，说明竹笋富集重金属的能力较强[16]。用计算公式:公式（1）。

式（1）中，Cp笋皮、Cp笋尖、Cp笋中、Cp笋根分别为竹笋的笋皮、笋尖、笋中、笋根中重金属含量，mg∕kg；Cs为土壤中重金属含量，mg∕kg。

用迁移系数（BTF，FT）来表示竹笋中重金属迁移能力，用FT1、FT2、FT3分别表示笋根-笋中、笋中-笋尖、笋皮-可食部分的迁移能力。当FT＞1时，说明竹笋体内运输重金属的能力很强；当FT＞0.5时，说明竹笋体内运输重金属的能力一般[17]。计算公式:公式（7）～（9）。

1.4 数据处理

数据处理与分析采用Excel 2019和Origin 2018制图，利用SPSS Statistics 22.0软件进行差异显著性分析，显著水平为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 竹笋不同生长部位及土壤中重金属分布特征

25个毛竹生产基地的竹笋不同生长部位及土壤中重金属含量分布情况见表2。同一重金属在竹笋各部位中含量分布不同。Pb、Hg在笋皮中的含量最高，但与笋尖、笋中、笋根无显著差异；笋根中Cd的含量最高，显著多于笋皮、笋尖、笋中；Cr、As规律一致，从大到小依次为笋皮、笋尖、笋中和笋根，而竹笋各部位的Cr含量差异不显著，笋皮中As含量显著高于笋尖、笋中、笋根，笋尖中As含量与笋中差异不显著（表2）。

从表2中可以看出，不同重金属在土壤中的含量是不同的，从大到小依次为Pb、Cr、As、Hg和Cd。在竹笋可食部分（笋尖+笋中+笋根），不同重金属的含量有所不同，其中Cr含量最高，其次是Pb、Cd、As、Hg（表2）。不同重金属在竹笋不同生长部位的含量分布也有所差异。其中，在笋皮和笋尖中规律一致，从大到小依次为Cr、Pb、As、Cd和Hg；在笋中和笋根中规律一致，Cr含量最高，Hg含量最低（表2）。此外，Hg在竹笋各部位中的含量明显低于其他重金属，可能是由于Hg在土壤中的含量较低和竹笋中的富集能力较弱2个因素导致的。同时，竹笋各部位中重金属含量与土壤中的规律有一定差异，可能是由于不同重金属的迁移能力不同。因此，土壤中重金属含量和重金属本身的富集迁移能力，是影响竹笋中重金属含量的因素，这与前人的研究结论一致[18-19]。

表2 竹笋不同生长部位及土壤中重金属含量分布Tab.2 Distribution of heavy metal content in different growing parts of bamboo shoots and soilmg∕kg

2.2 竹笋不同生长部位中重金属富集能力

竹笋各部位积累重金属在一定程度上受土壤重金属含量影响（表3）。竹笋各生长部位对不同重金属吸收能力差异较大，在笋皮、笋尖、可食部分、全笋中富集系数平均值大小规律相同，由大到小依次为Cd、Cr、Hg、As和Pb，其中笋皮中Cr与Hg富集能力平均值差异不显著，笋尖中Hg与As差异不显著。在竹笋的笋皮、笋尖、笋中、笋根、可食部分和全笋中As与Pb之间的差异均不显著，而Cd与Cr、Hg、As、Pb均有显著差异。从表3中还可以看出，笋中富集能力（FC）由大到小依次为Cd、Hg、Cr、As和Pb，其中Cd最强，其FC3在0.003 6～0.281 4，平均值为0.070 1；其次是Hg和Cr，其FC3范围分别为0.007 1～0.032 4和0.000 1～0.050 1，平均值分别为0.005 7和0.003 5；而As和Pb富集能力最弱。此外，Pb、Cd、Cr、As、Hg在竹笋的笋皮、笋尖、笋中、笋根、可食部分和全笋中的富集系数FC远小于1，由此说明Pb、Cd、Cr、As、Hg富集能力很弱。

表3 竹笋不同生长部位重金属富集系数（FC）Tab.3 Enrichment coefficients of heavy metals in different growing parts of bamboo shoots

2.3 竹笋不同生长部位中重金属迁移能力

竹笋的不同生长部位中不同重金属迁移能力有一定的差异。从表4可知，笋中与笋根间迁移能力（FT1）由大到小依次为Hg、As、Cr、Pb和Cd，其中Hg、As、Cr的FT均大于1，说明笋中与笋根间重金属的迁移能力很强；而Pb和Cd的FT分别为0.772 2和0.758 8，迁移能力一般。笋中与笋尖间的迁移能力（FT2）由大到小依次为Cr、As、Pb、Cd和Hg，其中Cr的FT2值最大，为5.344 8，即迁移能力最强；其次As的FT2值为1.298 0，迁移能力很强；最后Pb、Cd、Hg的FT2值分别为0.854 9、0.822 4、0.699 6，迁移能力一般。笋皮与可食部分的迁移能力（FT3）由大到小依次为Hg、As、Cr、Pb和Cd，其中Hg的FT3＞1，说明迁移能力很强；As、Cr的FT3值分别为0.989 1、0.910 4，迁移能力一般；而Pb、Cd的FT3值分别为0.596 5、0.282 0，迁移能力很弱。

表4 竹笋各部位重金属迁移系数（FT）Tab.4 Heavy metal migration coefficients of bamboo shoots

2.4 竹笋不同生长部位及土壤中重金属迁移特征

Cr是动物和人体必不可少的微量营养素之一，但进入植物体内，会对植物造成一定的危害，其在竹笋及土壤中的分布特征由大到小顺序依次为土壤、笋皮、笋尖、笋中和笋根，迁移系数由大到小依次为FT2、FT1和FT3，且FT之间差异显著。土壤中Cr含量是笋皮的44.40倍，表现为很弱的富集作用；而笋尖中Cr含量是笋中的5.35倍，笋中Cr含量是笋根的1.21倍，均表现出很强的富集作用，其FT2和FT1高达5.344 8和1.244 6，说明Cr进入竹笋体内后在笋尖-笋中、笋中-笋根的传输非常通畅。此外，FT3为0.910 4，说明笋皮与可食部分的传输也比较通畅。由此可见，竹笋对土壤中的Cr的富集能力较弱，而Cr进入竹笋体内后迁移能力较强。

As对植物生长有一定的危害，其在竹笋及土壤中的分布特征从高到低依次为土壤、笋皮、笋尖、笋中和笋根，迁移系数由大到小依次为FT2、FT1和FT3，除FT2和FT3差异显著，其余FT间差异均不显著。笋皮中As含量仅是土壤中的0.58%，说明富集能力很弱。而FT1和FT2均大于1，表现为较强的富集能力，体现出As在笋中-笋根、笋尖-笋中的传输非常通畅；FT3为0.989 1，说明笋皮与可食部分的传输也比较通畅。因此，竹笋对土壤中的As的富集能力较弱，而As进入竹笋体内后迁移能力较强。

Hg是对生物体毒性很高的元素，其在竹笋及土壤中的分布特征从大到小依次为土壤、笋皮、笋中、笋根和笋尖，迁移系数由大到小依次为FT3、FT1和FT2，除FT2和FT3差异显著，其余FT间均无显著差异。Hg在笋中-笋根、笋皮与可食部分的传输非常通畅，其FT1和FT3分别为1.139 9和1.247 2；FT2仅为0.699 6，因而对笋尖吸收Hg有一定的阻碍作用。

Pb、Cd都是对生物体有毒性的元素，其在竹笋及土壤中的的分布特征由大到小依次为土壤、笋皮、笋根、笋中、笋尖，迁移系数由大到小依次为FT2、FT1和FT3，FT1与FT2之间无显著性差异。迁移系数在0.282 0～0.854 9，说明笋中-笋根、笋尖-笋中及笋皮-可食部分都会在一定程度上阻止竹笋对土壤中Pb、Cd的吸收，而FT3分别为0.596 5、0.282 0，显著低于FT1、FT2，表明阻止竹笋对Pb、Cd吸收的主要界面为笋皮-可食部分。

3 结论与讨论

土壤中的重金属迁移过程实质是重金属的化学形态发生转化的过程，然而，重金属化学形态受到土壤pH值、有机质及阳离子交换量等土壤理化性质的影响[18]。

重金属在竹笋不同生长部位及土壤中分布有一定的差异。Pb、Cd含量从大到小依次为笋皮、笋根、笋中、笋尖，笋根、笋中、笋皮和笋尖，表现为自笋根至笋尖逐渐下降的趋势，这与黄安香等[20]研究结果一致。由于植物对重金属的吸收和富集主要通过吸附在根的外围，转运进根系；再通过根系继续向上运输；随着时间的推移，笋皮分配比例会逐渐增大[21]。Cr、As含量顺序由大到小依次为笋皮、笋尖、笋中和笋根，表现出从笋根至笋尖逐渐上升的趋势，有研究表明植物对土壤中重金属的吸收量与土壤pH之间呈负相关[22-23]。本研究中竹笋采集地的土壤都是偏酸性，由于笋根对重金属的吸收量较少，而Cr、As在竹笋中的迁移能力较强，所以导致竹笋自上而下Cr、As含量呈下降趋势。Hg的含量由大到小依次为笋皮、笋中、笋根和笋尖，由于阻碍竹笋对Hg吸收的主要界面为笋尖-笋中，所以导致笋尖中Hg的含量最少。竹笋对不同重金属的吸收有所不同，可能因为土壤中多种元素共存而引起的拮抗或协同作用导致的[24]。

富集系数和迁移系数是衡量植物与植物器官对重金属的累积能力和迁移情况的指标，富集系数越高，富集能力越强，迁移系数越大，根系吸收的重金属迁移到地上器官的量越少，即迁移能力越弱[25]。植物种类也会影响植株对土壤中不同重金属吸收能力[26]。本研究中竹笋对土壤中不同重金属吸收能力存在差异，但在笋皮、笋尖、可食部分、全笋中富集系数平均值大小规律相同，由大到小依次为Cd、Cr、Hg、As和Pb，即Cd最强，Pb最弱，并且由于FC均远小于1，故竹笋对Pb、Cd、Cr、As、Hg的富集能力很弱。不同重金属在竹笋不同生长部位的迁移能力也有所不同，其中在笋尖-笋中间Cr的迁移能力最强，Pb、Cd一般，Hg在其间的运输存在一定的阻碍，表现为迁移能力最弱；在笋中-笋根间Cr、As、Hg迁移能力较强，Pb、Cd一般；在笋皮-可食部分之间，Hg的传输非常通畅，迁移能力较强，其余较弱，其中Cd最弱。竹笋不同生长部位吸收重金属的能力不同，可能与元素基本性质有关，同时也反映出污染源不同，土壤和大气是植物摄取某些重金属如Pb、Cd、Cr、As、Hg等的重要场所，在大气污染严重的地区，土壤污染可能不是农产品安全的最大威胁[27-28]。

综上，重金属在食用竹笋不同生长部位的富集和迁移能力都较弱，因此土壤中重金属对食用竹笋的威胁较小。