土壤及肥料类型对蔬菜重金属累积的影响

高丽 杨欣悦 赵家印 席运官

摘要 为探索不同重金属含量的土壤和不同施肥对不同蔬菜重金属累积的影响，开展了铜镉超标的昆明市周边蔬菜地土壤和不超标的南京市周边蔬菜地土壤，在施用有机肥和化肥的情况下，辣椒、番茄、菜薹、芥蓝的可食部分对铜镉累积的盆栽试验。结果表明，铜作为作物的必需营养元素，在一定范围内，土壤铜的含量不会显著影响番茄、菜薹、芥蓝对铜的累积，相比化肥，有机肥的施用能够促进番茄、辣椒对铜的累积（分别高54.0%、45.9%），但降低菜薹、芥蓝对铜的累积;镉是作物的有害元素，在化肥施用条件下，菜薹、芥蓝、辣椒、番茄Cd累积都是重金属超标土壤显著高于非超标土壤（分别提高50.1%、51.3%、155.0%和11.1%），叶菜的累积高于茄果类，相比化肥，重金属超标土壤中有机肥的施用可抑制菜薹和辣椒对Cd的吸收与累积（分别降低22.8%和34.9%）。

关键词 蔬菜;土壤;施肥;重金属累积;影响

中图分类号 X503.231文献标识码 A文章编号 0517-6611（2021）02-0059-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.02.018

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Soil and Fertilizer Types on the Accumulation of Heavy Metals in Vegetables

GAO Li，YANG Xinyue，ZHAO Jiayin et al

（Nanjing Institute of Environmental Sciences， Ministry of Ecology and Environment， Nanjing， Jiangsu 210042）

Abstract In order to explore the effects of vegetable heavy metal accumulation in different heavy metal content soil and different fertilizer application， the pot experiment was carried out， which was taking the soil with cadmium and copper polluted from Kunming suburban area and the soil with no heavy metal pollution from Nanjiing suburban area to test and compare the cadmium and copper accumulation in the edible part of Capsicum annuum，Solanum lycopersicum，Brassica parachinensis and Brassica alboglabra in the condition of applying chemical fertilizer and organic fertilizer. The results showed that copper as the essential nutrient element for crop cant impact the accumulation of Solanum lycopersicum，Brassica parachinensis and Brassica alboglabra with a certain range and compared with chemical fertilizer， organic fertilizer could promote the accumulation of Solanum lycopersicum and Capsicum annuum （ increasing 54.0% and 45.9%），but decreased the accumulation of Brassica parachinensis and Brassica alboglabra.Cadmium as the harmful element to crop， the accumulation of Brassica parachinensis，Brassica alboglabra，Capsicum annuum and Solanum lycopersicum was higher in Kunming suburban soil （50.1%，51.3%，155.0%and 11.1% respectively） in the condition of chemical fertilizer， and the content of leaf vegetable was higher than solanum vegetable; compared with chemical fertilizer， organic fertilizer applying in Kunming suburban soil could restrain the accumulation of Brassica parachinensis and Capsicum annuum （ decreasing 22.8% and 34.9%）.

Key words Vegetable;Soil;Fertilization;Heavy metal accumulation;Effect

土壤重金屬污染和农产品中重金属超标问题引起越来越多的关注[1-3]。土壤和肥料是影响蔬菜累积重金属的关键因素[4-6]。同一土壤通过施用不同肥料、不同钝化剂等对土壤和作物重金属累积影响已经有大量的研究[7-10]，但对重金属超标与不超标的土壤，通过不同施肥，比较其对不同蔬菜重金属累积影响的研究鲜见报道。为探索不同重金属含量的土壤和不同施肥对不同蔬菜重金属累积的影响，开展了该试验研究，为认识重金属在作物中的累积行为和对土壤的修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

分别选择南京市周边无重金属污染蔬菜地

土壤（简称NJ）和昆明市周边铜镉污染蔬菜地土壤（简称KM）作为供试土壤（采样深度0～20 cm），土壤经风干、磨碎、过2 mm筛后备用。NJ基本理化性状为pH 6.31、有机质27.5 g/kg、全氮1.44 g/kg、速效磷118 mg/kg，土壤有效态Cu和Cd含量为4.44和0.08 mg/kg;KM基本理化性状为pH 636、有机质36.8 g/kg、全氮2.55 g/kg、速效磷96 mg/kg，土壤有效态Cu和Cd含量分别为9.69和0.30 mg/kg。NJ和KM土壤中重金属含量如表1所示。

试验用有机肥来自江阴联合生物科技有限公司，试验用化肥（尿素和磷酸二氢钾）购于国药集团化学试剂有限公司。供试辣椒（Capsicum annuum L.）、番茄（Solanum lycopersicum）、菜薹（Brassica parachinensis L.H.Bailey）、芥蓝（Brassica alboglabra L.H.Bailey）种子购自江苏省仪征江扬生态农业有限公司，蔬菜苗培育20 d后，选择生长状况相同、大小大致相等的苗用于盆栽。

1.2 试验设计

试验共设置16个处理组，每个处理3个重复，具体见表2。添加KM或NJ土壤到盆中（Φ=17 cm，H=12 cm，1.75 kg/盆），向盆中添加1%有机肥或等量NPK用量化肥作为基肥，混匀，平衡14 d。2018年3月18日，将培育20 d 后的作物幼苗移栽到盆中（2株/盆），置于温室（温室环境：自然光照，环境温度：20～35 ℃），定期记录植株长势，根据盆中缺水情况，灌溉自来水。移栽7 d后，为保证土壤养分供应充足，盆中仅保留生长状况较好的植株一棵。

1.3 样品采集及分析

蔬菜收获时，将其可食部分采摘（番茄果实、辣椒果实、菜薹茎叶、芥蓝茎叶）并用干净的湿布擦拭掉泥土污垢，称量其鲜重并记录，将鲜样在 105 ℃杀青1 h后，于60 ℃烘箱中烘至恒重后称量其干重，然后磨碎过100目筛，备用。

蔬菜样品采用硝酸-高氯酸法进行消解。称样前将蔬菜样品粉末置于60 ℃烘箱中烘4 h，然后称取1.000 g样品，放入玻璃消化管中并编号，加入10 mL浓硝酸，与样品进行冷消化反应，隔夜取出将编号好的玻璃管放入石墨消解炉，调至120 ℃进行消解，2 h再调至 130 ℃继续消解1 h后，取出稍加冷却，加入9 mL 硝酸、1 mL高氯酸，然后放入石墨消解炉中150 ℃消解2 h，直至玻璃管中剩余1 mL左右溶液。将所有玻璃管取出冷却，添加5 mL的盐酸（2 mol/L），再将样品定容至25 mL容量瓶中，利用电感耦合等离子体发射光谱仪检测其重金属含量（测试仪器为 Thermo Fisher 公司生产，型号为iCAP7000 Series）。

1.4 数据分析及处理

试验数据用 Microsoft Excel 2007 软件整理后制作成相关图表，数据均为各处理数据的平均值。运用 SPSS 20.0 统计软件进行单因素方差分析，顯著性差异水平P取0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤对植物可食部分重金属Cu和Cd含量的影响

土壤重金属浓度是植物重金属累积的重要影响因素，一般来说，土壤重金属浓度越高，植物重金属累积越高。从重金属浓度高低不同的KM和NJ土壤对植物地上部Cu和Cd含量的影响（图1）可以看出，无论是施用化肥还是施用有机肥，尽管KM土壤Cu的全态和有效态含量分别是NJ土壤的2.32 和2.18倍，但2种土壤栽培的蔬菜地上部分Cu含量均无显著差异（除辣椒外）。化肥处理中，植物Cu含量从高到低依次为菜薹、辣椒、番茄、芥蓝，有机肥处理中植物Cu含量从高到低依次为辣椒、菜薹、番茄、芥蓝。上述结果表明，Cu作为植物的必需元素，土壤Cu含量在一定范围内不会影响多数蔬菜对Cu的吸收与积累。这与杨丽丽[12]的研究结果一致，即在0.3和250.0 μmol/L的Cu浓度胁迫下，甜菜叶部Cu含量无显著差别。张敏[13]研究认为在50～800 mg/kg的Cu污染土壤中，油菜地上部Cu含量无显著差别，表明在一定范围内对油菜地上部Cu浓度起决定作用的并非土壤重金属浓度。

施用化肥条件下，KM土壤菜薹、芥蓝、辣椒、番茄可食部分Cd含量显著高于NJ土壤，分别高50.1%、51.3%、1550%和11.1%。施用有机肥条件下，KM土壤菜薹、芥蓝植物地上部Cd含量显著高于NJ土壤，分别高13.4%和110.0%，但辣椒和番茄2种处理无显著差异。以上结果表明，KM土壤Cd全态和有效态含量分别是NJ土壤的4.73和3.75倍，不管施用有机肥还是化肥，多数蔬菜的Cd累积都是显著增加的，而且叶菜的累积高于茄果类。刘春梅等[14]研究表明，土壤Cd含量越高，水稻各器官中Cd的累积随之增加。

2.2 肥料类型对植物可食部分重金属Cu、Cd含量的影响

从图2可以看出，相同土壤条件下，肥料类型对不同植物重金属含量影响不同。对于NJ土壤来说，有机肥处理组番茄可食部分Cu含量显著高于化肥处理组（高44.1%），而其他植物可食部分Cu含量无显著差异。对于KM土壤来说，番茄和辣椒可食部分Cu含量有机肥处理组显著高于化肥处理组（分别高54.0%和45.9%），与之相反，芥蓝可食部分Cu含量有机肥处理组显著低于化肥处理组（低29.0%），菜薹也是有机肥处理组低于化肥处理组（低8.51%），但无显著差异。以上结果表明，有机肥既可能提高蔬菜对Cu的吸收，也可能降低植物地上部Cu含量。之前的研究也证明了这一现象。赵家印等[15]研究发现施用有机肥能够降低生菜地上部Cu累积，而茹淑华等[16]连续7年施用高量猪粪有机肥后，小麦籽粒Cu含量提高27.18%～49.87%。

对于NJ土壤来说，有机肥和化肥处理组不同植物可食部分Cd含量均无显著性差异。对于KM土壤来说，有机肥处理组菜薹和辣椒地上部Cd含量显著低于化肥处理组（分别低22.8%和34.9%），而芥蓝和番茄地上部Cd含量有机肥和化肥处理组无显著性差异。上述结果表明，肥料类型对蔬菜重金属累积的影响作用与蔬菜种类密切相关，有机肥可抑制一些蔬菜对Cd的吸收与累积。赵家印等[15]研究发现施用有机肥能够降低生菜地上部Cd含量，周艳等[17]研究发现施用有机肥能够降低水稻中Cd含量，其原因可能在于有机肥中富含腐殖酸等大分子络合剂，可与Cd结合成稳态化合物，降低其生物有效性，从而抑制了其在植物体内的累积[18-20]。

3 结论

通过对NJ土壤及KM铜镉超过筛查值的土壤施加有机肥和化肥栽培菜薹、芥蓝、番茄、辣椒4种不同蔬菜的盆栽试验，从蔬菜可食部分重金属 Cu、Cd 的结果得出以下结论：

（1）Cu作为植物的必需营养元素，土壤Cu含量在一定范围内不会影响多数蔬菜对Cu的吸收与积累，施用有机肥可以促进茄果类蔬菜对Cu的吸收与累积，但抑制叶菜类蔬菜对Cu的吸收与累积。不同蔬菜由于对Cu的需求不同，吸收与积累的含量也不同。

（2）Cd是植物的有害元素，土壤Cd含量越高，蔬菜吸收与积累的量也随之增加，叶菜比茄果类更易累积。因此，高Cd含量的土壤，如果进行修复，降低土壤Cd含量，则生产的蔬菜会更安全。化肥和有机肥对蔬菜Cd的吸收与累积的影响与蔬菜种类密切相关，有机肥可抑制一些蔬菜对Cd的吸收与累积。

（3）有机肥可以促进一些蔬菜对Cu的累积而抑制一些蔬菜对Cd的累积，其机理值得进一步的深入研究。

参考文献

[1] 樊霆，叶文玲，陈海燕，等.农田土壤重金属污染状况及修复技术研究[J].生态环境学报，2013，22（10）：1727-1736.

[2] MOHAMED I，AHAMADOU B，LI M，et al.Fractionation of copper and cadmium and their binding with soil organic matter in a contaminated soil amended with organic materials[J].Journal of soils and sediments，2010，10（6）：973-982.

[3] 徐明岗，刘平，宋正国，等.施肥对污染土壤中重金属行为影响的研究進展[J].农业环境科学学报，2006，25（Z1）：328-333.

[4] 孙海，张亚玉，孙长伟，等.不同肥料对栽参土壤中Cr、Cu、Pb和Zn全量及有效态的影响[J].吉林农业大学学报，2011，33（4）：411-417.

[5] 杨阳，李艳玲，陈卫平，等.蔬菜镉（Cd）富集因子变化特征及其影响因素[J].环境科学，2017，38（1）：399-404.

[6] 陈永，黄标，胡文友，等.设施蔬菜生产系统重金属积累特征及生态效应[J].土壤学报，2013，50（4）：693-702.

[7] 曾秀君，程坤，黄学平，等.石灰、腐植酸单施及复配对污染土壤铅镉生物有效性的影响[J].生态与农村环境学报，2020，36（1）：121-128.

[8] 袁兴超，李博，朱仁凤，等.不同钝化剂对铅锌矿区周边农田镉铅污染钝化修复研究[J].农业环境科学学报，2019，38（4）：807-817.

[9] 刘俊，朱宇，李志良，等.重金属污染土壤中施加荔枝木生物炭对向日葵植株吸收累积铅镉砷的影响[J].生态与农村环境学报，2019，35（12）：1610-1616.

[10] 谢运河，纪雄辉，黄涓，等.有机肥与钝化剂及其配施对土壤 Cd 生物有效性的影响[J].作物研究，2014，28（8）：890-895.

[11] 生态环境部，国家市场监督管理总局.土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）：GB15618—2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[12] 杨丽丽.铜胁迫对甜菜幼苗生长和光合特性的影响[D].济南：山东师范大学，2013.

[13] 张敏.Cu、Cd胁迫对油菜生长的影响及其生物有效性[D].呼和浩特：内蒙古大学，2014.

[14] 刘春梅，罗盛国，刘元英.硒对镉胁迫下寒地水稻镉含量与分配的影响[J].植物营养与肥料学报，2015，21（1）：190-199.

[15] 赵家印，席运官，代慧杰，等.钝化剂与有机肥配施对土壤有效态重金属及其在生菜中累积的影响[J].生态与农村环境学报，2019，35（11）：1460-1467.

[16] 茹淑华，徐万强，侯利敏，等.连续施用有机肥后重金属在土壤-作物系统中的积累与迁移特征[J].生态环境学报，2019，28（10）：2070-2078.

[17] 周艳，钟积东，吴晓燕，等.生物有机肥对水稻产量及重金属含量的影响[J].湖南农业科学，2018（3）：39-41.

[18] GRAY C W，DUNHAM S J，DENNIS P G，et al.Field evaluation of in situ remediation of a heavy metal contaminated soil using lime and redmud[J].Environmental pollution，2006，142（3）：530-539.

[19] CAO X D，WAHBI A，MA L N，et al.Immobilization of Zn，Cu，and Pb in contaminated soils using phosphate rock and phosphoric acid[J].Journal of hazardous materials，2009，164（2/3）：555-564.

[20] BASHIR S，RIZWAN M S，SALAM A，et al.Cadmium immobilization potential of rice strawderived biochar，zeolite and rock phosphate：Extraction techniques and adsorption mechanism[J].Bulletin of environment contamination and toxicology，2018，100（5）：727-732.