不同品种白菜对Cd的吸收富集特征与安全限值研究

柴冠群，杨娇娇，陈晓燕，刘桂华，罗沐欣键，范成五

(1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵阳 550006；2.开阳县硒产业发展中心，贵阳 550300)

【研究意义】随着农田重金属累积污染的日益加重，农田污染带来的农产品安全性问题受到越来越多人的重视[1]。筛选耐重金属的安全型作物品种，可有效控制重金属通过食物链转移到人体[2]，是轻中度重金属污染土壤进行农作物安全生产的有效途径，因而进行低累积品种的筛选研究对保障当地农产品质量安全具有重要意义[3]。【前人研究进展】Cd是一种生物非必须元素，容易被植物吸收，通过食物链富集作用危害人类健康[4-5]，被视为重金属中最具有危害性的一种污染元素，对农业生产布局和食品卫生安全造成严重影响[6-7]，因此，土壤中Cd的累积及其对农作物安全是影响环境可持续发展的重大问题。Cd在植物体内的积累及分布因作物品种而异，不同品种间对Cd的吸收和累积表现出较大的差异[8-9]。农作物中重金属超标问题可以通降低土壤中重金属的有效性和筛选重金属低累积品种加以解决。重金属低富集作物品种能降低中轻度重金属污染耕地土壤上农产品的人体健康风险[8]，因而许多学者针对不同的重金属污染土壤进行了低累积作物品种的筛选研究[10-13]。【本研究切入点】白菜是我国重要蔬菜之一，栽培面积大，容易受重金属污染。关于白菜镉污染的研究较多，主要集中在白菜对重金属的累积特征、重金属对植物体的毒害和生理影响、植物对重金属胁迫的耐性机制等方面[14-16]，但有关白菜对镉吸收、积累、筛选低累积品种方面报道较少。【拟解决的关键问题】探讨不同品种白菜农艺性状对Cd污染的响应，研究不同白菜品种对Cd的累积和转运差异，并经相关性与回归分析，获得栽培土壤中Cd安全限量值，以期筛选出Cd低累积白菜品种。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自贵州中部的刘官乡，土壤类型为典型黄壤，为减少试验误差，原土壤经风干、捣碎后，去除植物根系及石块，过4 mm筛储存备用。供试土壤pH 4.73，有机质29.8 g/kg，全氮0.142%，全磷0.116%，全钾0.84%，碱解氮193.6 mg/kg，有效磷10.1 mg/kg，速效钾349 mg/kg；土壤Cd初始含量为0.11 mg/kg。供试白菜品种6个，分别为中青麻叶、麻叶火锅菜、高抗100、抗病大麻叶、鸡窝趴地白和厚叶早熟5号。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，在贵州省农业科学院土肥所大棚内进行。Cd浓度以分析纯氯化镉(CdCl2·2.5H2O)配制，设置6个浓度梯度，分别为0(CK)、0.3、0.6、1.2、2.4、4.8 mg/kg，每个处理12盆，3次重复，共108盆。外源添加的Cd与土壤充分混合均匀，自然状态老化2个月后加入在塑料盆(直径26.5 cm，高17.6 cm)中，每盆加4 kg土样。白菜种子先用清水悬浮法去除不实粒，用30% H2O2浸种30 min，清水洗干净，再用无重金属污染育苗基质在育秧板上育苗，待幼苗高5～6 cm，选取大小一致的幼苗移栽至施入相同量氮磷钾底肥的塑料盆中，每盆移栽3株，缓苗后每盆定植1株。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤样品指标测定 四分法取土样风干、研磨、过筛置于自封袋中保存备用。土壤全镉含量采用压力消解罐(HNO3∶HClO4∶HF=3∶3∶2)消解法，消解液用ICP-MS(iCap Q电感耦合等离子体质谱仪，赛默飞世尔科技公司)测定。

1.3.2 白菜可食部分Cd含量测定 采集盆栽作物样品可食部分，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，压力消解罐(5 mL HNO3与2～3 mL H2O2)消解法，消解液用ICP-MS(iCap Q电感耦合等离子体质谱仪，赛默飞世尔科技公司)。

1.3.3 白菜可食部位Cd安全限量值 采用回归分析的方法对作物可食部分Cd含量(y)与土壤中Cd含量(x)建立回归方程，依据“土壤—农产品”污染物含量的回归方程，以《食品安全国家标准食品中污染物限量(GB 2762—2017)》[31]和基于THQ(THQ指靶器官危害系数，是由美国环保署(USEPA)推荐采用的健康风险评价模型，用于评估人体通过食物摄取重金属风险的常用方法)取值方法[18]计算的新鲜作物污染物限量值为依据，分别计算Cd污染土壤中种植不同作物的安全限量值，Logistic模型方程中对应的土壤Cd浓度即为引起白菜可食部Cd污染的土壤Cd临界值。当THQ值≤1，表明人体对目标区生长的蔬菜消费基本不产生健康风险；THQ值>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Cd的人体健康安全临界值(mg/kg)。

1.4 数据处理

数据处理与差异分析采用Excel和SPSS进行，作图采用Sigmaplot 13.0进行。

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫对不同品种白菜地上部分生物量的影响

如图1所示，随着土壤中Cd浓度的增加，高抗100、麻叶火锅菜、鸡窝趴地白、厚叶早熟5号、中青麻叶生物量先增加后减少，抗病大麻叶生物量持续增加。高抗100、中青麻叶在2.4 mg/kg处理中生物量最大，麻叶火锅菜在0、0.3、0.6、1.2 mg/kg处理中生物量变化不明显，在2.4、4.8 mg/kg处理生物量逐渐下降，低于对照组生物量；鸡窝趴地白在0、0.3、0.6、1.2 mg/kg处理中生物量变化不明显，2.4 mg/kg处理生物量显著增加，4.8 mg/kg条件下，显著低于对照。通过不同品种白菜对Cd污染耐受性发现，抗病大麻叶耐受性最强。

图1 不同Cd浓度处理不同品种白菜可食部分鲜质量Fig.1 Fresh weight of edible parts from different varieties of Chinese cabbage by different Cd concentration

2.2 不同品种白菜对Cd的富集特征

2.2.1 白菜可食部分的Cd含量 从表1看出，白菜可食部分Cd含量随着土壤中Cd添加浓度的增加而增加，镉污染越重，白菜地上部分镉积累量越高，说明白菜对Cd有较强的吸收能力。不同品种白菜中，高抗100、麻叶火锅菜、抗病大麻叶、鸡窝趴地白、厚叶早熟五号和中青麻叶地上部Cd含量分别为0.1～4.84、0.1～3.62、0.13～6.00、0.05～2.95、0.14～4.73和0.12～5.23 mg/kg，在Cd添加浓度为0～0.6 mg/kg时，除抗病大麻叶和中青麻叶外，可食部分Cd含量间差异不显著；在浓度为0.6～4.8 mg/kg时Cd含量显著增加(P<0.05)。

表1 不同Cd浓度下白菜可食部分的Cd含量

2.2.2 白菜可食部分Cd的富集系数 从图2看出，随着Cd处理浓度的增加，不同品种白菜可食部分对Cd的富集特征表现出一定的差异。其中，高抗100可食部分富集系数随着土壤中Cd浓度的增加而减小，以CK处理最大(1.467)；麻叶火锅菜和抗病大麻叶可食部分的富集系数先增加后减小，均以Cd浓度为1.2 mg/kg最大，分别为1.11和1.59；鸡窝趴地白富集系数以Cd浓度为2.4 mg/kg的最大，为0.753；厚叶早熟五号、中青麻叶可食部分富集系数先增加后减小，在0.6 mg/kg处理最大，为1.611、2.139。富集系数平均值排序为中青麻叶(1.61)>抗病大麻叶(1.38)>厚叶早熟五号(1.30)>高抗100(1.02)>麻叶火锅菜(0.76)>鸡窝趴地白(0.64)，富集系数小于1的品种有麻叶火锅菜和鸡窝趴地白。

图2 不同Cd浓度处理白菜可食部分Cd的富集系数Fig.2 Cd enrichment coefficient of edible parts from different varieties of Chinese cabbage

2.3 土壤Cd浓度与白菜可食部分Cd含量的相关性

从图3看出，土壤Cd浓度增加，白菜可食部分Cd含量也随之增加。土壤Cd浓度与白菜可食部分Cd含量呈显著正相关，抗病大麻叶、中青麻叶可食部分Cd含量增加明显，当外源Cd添加量为0.3 mg/kg 时，可食部分Cd含量超标，分别为0.76和0.80 mg/kg；外源Cd增加至4.8 mg/kg时，可食部分Cd含量高达6.00和5.23 mg/kg。鸡窝趴地白可食部分Cd含量增加趋势较缓慢，外源Cd增加至4.8 mg/kg时，可食部分Cd含量为2.95 mg/kg。

图3 白菜土壤Cd浓度与白菜可食部分Cd含量相关性Fig.3 Correlation between Cd concentration in soil and Cd content in edible part of cabbage

2.4 白菜及土壤中Cd的安全限量值

根据作物可食部分Cd含量(y)与土壤中Cd含量(x)回归方程(表2)，6个白菜品种可食部分Cd含量与土壤Cd含量符合Logistic模型方程(R2>0.99，P<0.05)。6个白菜品种中，可食部分Cd含量与土壤中Cd含量均呈显著相关(P<0.05)，相关系数为：中青麻叶(0.9981)>麻叶火锅菜(0.9979)>高抗100(0.9976)>抗病大麻叶(0.9968)>鸡窝趴地白(0.9949)>厚叶早熟5号(0.9949)，中青麻叶对Cd的富集能力最强。6个品种白菜土壤的Cd临界值为鸡窝趴地白(0.30 mg/kg)>高抗100(0.24 mg/kg)>麻叶火锅菜(0.17 mg/kg)>厚叶早熟5号(0.12 mg/kg)>抗病大麻叶(0.09 mg/kg)>中青麻叶(0.06 mg/kg)，Cd临界值范围为 0.06～0.30 mg/kg，以鸡窝趴地白、高抗100对土壤Cd安全限量值要求相对宽松，可作为Cd的低累积品种。

表2 不同品种白菜对Cd的吸收回归方程及安全限量值

3 讨 论

郭利敏等[19-20]研究表明，低浓度Cd促进作物生长，高浓度Cd抑制作物生长[19-20]。本研究表明，在设定的Cd浓度范围内，抗病大麻叶表现为促进生长，低浓度Cd对其余5个品种起促进作用，在Cd浓度达4.8 mg/kg时均表现为抑制作用，但抑制效果因品种而异。6种白菜可食部分鲜重在低中浓度表现出增加趋势，这与韩超等[21-22]的白菜有较强的耐Cd能力研究结论一致。不同品种作物对Cd的耐受性、吸收能力不同，一旦超过某个限值作物的生长就会表现出不同的影响作用，不同品种白菜地上部生物量有不同程度的升高或降低[23]，本研究结果呈现相同规律，当土壤Cd含量达4.8 mg/kg时，抗病大麻叶与中青麻叶显著高于对照，鸡窝趴地白显著低于对照。说明不同品种白菜对重金属的耐性存在明显差异。

受遗传特性影响，随着土壤中Cd含量的增加，作物不同品种对Cd的敏感程度存在很大差别，直接决定了吸收重金属能力的差异[24-25]。白菜可食部分Cd含量随着Cd浓度增加而增加，且不同品种白菜可食部分对Cd的富集均存在差异，如鸡窝趴地白Cd含量为0.05～2.95 mg/kg，抗病大麻叶Cd含量为0.13～6.00 mg/kg；中青麻叶的Cd富集系数为1.61，鸡窝趴地白Cd富集系数为0.64，这与弭宝彬等[26]研究的结论一致。陈瑛等[27]种植60个小白菜品种统计结果表明，在土壤Cd浓度为0.6 mg/kg时，小白菜Cd含量超过国家标准的8.33%，而在土壤Cd浓度为1.2 mg/kg时其超标率为66.67%，表明白菜容易受到Cd污染，而本研究的土壤Cd浓度为仅为0.3 mg/kg时其超标率已达100%，表现出高度一致性。只有在土壤Cd含量很低(即对照处理)时，白菜可食部分Cd含量小于0.2 mg/kg，符合国家食品安全标准。

作物安全生产的土壤重金属临界值可通过采用添加重金属进行栽培实验的方法获得[28]。本研究通过Cd胁迫试验对白菜Cd含量和土壤Cd添加量的回归分析表明，6个品种白菜可食部分对土壤Cd的吸收符合Logistic模型(R2>0.99，P<0.05)，当白菜Cd含量等于国家卫生标准限量值(0.2 mg/kg)时，6个品种白菜种植土壤 Cd 临界值范围为0.06～0.30 mg/kg，而徐丽红等[29]研究发现，重金属投加浓度不同获得的安全限量值有差异，与本研究结果相似。本研究获得的土壤Cd安全限量值较低，且小于相应的土壤环境质量标准限值(GB15618—2018)，一方面表明对于不同作物、不同土壤的土壤重金属限制标准可能不同，为更精准实现土壤重金属安全利用，需要制定更为细化的重金属管控标准；另一方面表明Cd投加梯度范围可能太大，可通过多次重复实验，缩小添加浓度的梯度，以获得更为准确的安全限量值数据。

4 结 论

6种白菜对重金属Cd的耐受性表现出明显的品种间差异，以抗病大麻叶对Cd的耐受性最强。可食部分鲜重随土壤中Cd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。6种白菜对重金属Cd富集能力存在种间差异。富集系数表现为：中青麻叶(1.61)>抗病大麻叶(1.38)>厚叶早熟五号(1.30)>高抗100(1.02)>麻叶火锅菜(0.76)>鸡窝趴地白(0.64)，富集系数小于1的品种有麻叶火锅菜和鸡窝趴地白。6种白菜土壤中Cd的安全限量值为：鸡窝趴地白(0.30 mg/kg)>高抗100(0.24 mg/kg)>麻叶火锅菜(0.17 mg/kg)>厚叶早熟5号(0.12 mg/kg)>抗病大麻叶(0.09 mg/kg)>中青麻叶(0.06 mg/kg)。

综合考虑不同品种白菜对土壤中Cd的耐受性、富集能力以及食用安全限量值，6种白菜中的Cd低累积白菜品种为麻叶火锅菜、鸡窝趴地白和高抗100。