叶菜类蔬菜对重金属富集特征研究

查 燕，汤 婕，牛天新

（1.杭州市农业科学研究院 农作物（生态）所，浙江 杭州 310024；2.安徽农业大学 环境与资源学院，安徽 合肥 210036）

【研究意义】近年来，随着城市化和工业化的迅猛发展，不仅导致土壤环境状况不容乐观，而且引发的大气颗粒物污染也被广泛认定为突出的环境问题[1-2]。众所周知，土壤、大气环境质量与农作物安全生产密切相关，农作物安全生产已引起了人们的高度重视。【前人研究进展】大气颗粒物负载的重金属已成为我国蔬菜中重金属积累的重要来源之一[3-7]，其中25%～40%的植物重金属来源于受污染区域大气沉降颗粒物[8-9]，如工业污染密集区域大气沉降往往成为农作物中Pb、Cd、As、Hg等重金属的主要来源[8]。叶菜叶片重金属含量存在超标现象[9]，相关学者为了弄清大气干沉降对蔬菜叶片中重金属的影响，通过模型计算出大多露天种植蔬菜叶片中Zn、Pb、Cu 等重金属主要来源于大气沉降[3]，通过模拟大气颗粒物暴露实验发现，卷心菜和菠菜叶片能够吸收大量Cd、Sb、Zn 和Pb[10]。需要引起重视的是，大气颗粒物中重金属不仅直接影响作物叶片，还能够通过污染作物周围的土壤和水体，被根系吸收进入农作物体内[11-12]。因此，沉降于叶菜表面的重金属颗粒物，最终会通过食物链传递和富集，对人类健康造成严重危害。【本研究切入点】《中国居民膳食指南（2016）》推荐餐餐有蔬菜，保证每天摄入300～500 g蔬菜（中华人民共和国国家发展改革委员会，2012）。蔬菜作为一种特殊的绿色植物，其对重金属的吸收和富集一直是人们关注的热点问题[13-15]。研究发现，叶片作为叶菜类蔬菜重要的可食部分，同时也是植物器官中具有较为吸收敏感的一个器官。因此，研究叶菜类蔬菜对重金属吸收累积差异及综合富集能力，对于筛选重金属低积累型叶菜品种，合理分配生产布局具有重要的现实意义。【拟解决的关键问题】本研究以当地消费习惯，选取6种常见叶菜类蔬菜作为研究对象，选取铅（Pb）、镉（Cd）、铜（Cu）、锌（Zn）、铬（Cr）和镍（Ni）作为分析对象，揭示叶菜叶片重金属含量的空间差异及种间差异，综合评估叶菜叶片对重金属的富集能力。本研究不仅为保障叶菜安全生产具有重要意义，还能为环境污染严重区域农业生态系统可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据杭州市居民日常消费叶菜类蔬菜情况，供试叶菜确定为以下6种，分别为青菜（Brassica chinensisL.）、菠菜（Spinacia oleraceaL.）、生菜（Lactuca sativavar.crispa）、苋菜（Amaranthus tricolorL.）、杭白菜（Brassica chinensisvar.oleifera）、叶用番薯（Ipomoea batatas），蔬菜种子均由杭州市农科院农作物（生态）所提供。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 本研究在杭州市境内选择3 个蔬菜基地，分别为杭州市农科院（120°4′38.778″E，30°9′35.853″N）、杭州市临安区板桥基地（119°47′15.716″E，30°10′48.221″N）和杭州市富阳区新迪蔬菜基地（119°44′21.317″E，30°0′1.837″N），采样点如图1 所示。杭州市农科院位于杭州市西湖区，该区域人流量和车流量较大。杭州市临安区位于杭州市郊区，环境优美，周边有小型水泥厂。杭州市富阳区新迪基地位于杭州市郊区，远离交通区，人流量及车流量较小。本研究在2019 年9 月选择晴朗天气，在每个蔬菜基地分别采取随机播种方式，每种叶菜种植12 颗。栽培期间添加适当自来水以保持土壤湿度，未对叶片进行喷洒，以保证叶片表面颗粒物的完整性。在叶菜成熟期统一进行采集，于2019 年11 月选择叶面积指数相近、生长状况良好的健康叶片作为样本，采样前2 周内无降雨和大风事件，3 个基地采样工作保证在同一天内完成。样品小心装入自封袋中带回实验室，置于4 ℃冰箱中保存备用待分析。

图1 叶菜采样点Fig.1 The sampling sites of leafy vegetable

每个种植模式地块各设3 个小区，每个小区采取S 形布点取样，每5 个点为一个混合样，采样时先清除地表杂物，均匀采集0～20 cm 的土壤，多点混合后的样品按四分法取舍，保留10 g 左右，用塑料袋装好带回实验室。土壤样品经风干、研磨、去除石砾、作物根系残渣后，按要求研磨过2 mm 筛，用于测定土壤重金属指标，每个样品均重复测定3次。

1.2.2 测定指标及方法 采摘叶片样品首先用自来水，再用超纯水冲洗干净。自然晾干水分后经105 ℃杀青2 h后在65 ℃下烘干48 h至恒重，然后粉碎。准确称取0.500 g叶片和土壤样品，加入5∶1的HNO3和HClO4，放入消解罐中。在180 ℃条件下消解2 h 冷却后，利用加热板赶酸。剩最后一滴再用HNO3（2%）定容于50 mL 的比色管中，过夜沉淀后取上清液上机测试。用石墨炉法测定Cr、Pb、Cu 和Cd，用火焰法测定Zn 和Ni（原子吸收光谱仪HITACHI Z-5000）。部分叶片样品不用清洗采样后直接测定重金属含量用于测定清洗前叶菜叶片重金属含量。

1.3 数据分析

采用重金属积累指数（metals accumulation index，MAI）法[16]，计算每种叶菜叶片对不同重金属的综合积累能力，具体见式 （1）：

式 （1）中，N代表分析的重金属种类数目，变量Ij=x/δX，x/δX为每种金属含量平均值（x）与其标准偏差（δX）的比值.本研究共评价了6种重金属，故N=6。

捕获率（capturing rate，CR）计算公式如下：

式（2）中，Xunwashed-leaf表示未清洗叶片重金属浓度，Xwashed-leaf表示经清洗后叶片重金属浓度。

富集系数是指植物体内某种重金属含量与土壤中该元素含量的比值，它反映了植物对土壤中重金属元素的积累能力。富集系数（bioconcentration factors，BF）计算公式如下：

式（3）中，[C]leaf表示叶片中重金属浓度，[C]soil表示土壤重金属浓度。

数据处理分析应用SPSS 19.0 软件，计量采用均数±标准差表示。为验证不同叶菜叶片富集重金属的区域和种间差异，对上述参数进行了单因素方差分析（One-way，ANOVA），并采用了最小显著性差异法（least significant difference，LSD，P＜0.05）进行检验。为比较不同区域和品种对重金属含量的影响，进行了双因素裂区方差分析（Two-way，ANOVA），在分析过程中，分别进行了Shapiro-Wilk’s 检验与Levene’s 检验，以检验数据是否分别满足正态分布及方差齐性。运用Origin9.0对分析结果做图。

2 结果与分析

2.1 叶菜类蔬菜对重金属积累的空间差异

由表1可知，农科院、板桥和新迪基地叶菜叶片中Cd、Cr和Pb含量无显著差异。农科院叶菜叶片Cu含量显著高于板桥和新迪（P＜0.05），新迪叶菜叶片Ni含量显著高于农科院和板桥（P＜0.05），农科院叶菜叶片Zn 含量显著高于板桥（P＜0.05），但与新迪无显著差异。总体上，除Ni 之外，农科院基地叶菜中5 种重金属含量略高于板桥和新迪基地，表明板桥和新迪基地叶菜类蔬菜品质较好。究其原因可能是由于农科院位于交通发达的市区，造成其土壤和大气中重金属含量相对较高；而板桥和新迪基地位于车流量较少的郊区，因此土壤和大气中重金属含量较低，相对安全。

表1 叶菜叶片重金属富集的空间差异Tab.1 Spatial differences of heavy metal accumulation on leafy vegetables mg/kg

2.2 叶菜类蔬菜对重金属积累的种间差异

由表2 可知，6 种叶菜叶片中Cd、Cr、Cu、Pb、Ni 和Zn 含量介于0.011～0.050，0.017～0.129，0.783～2.777，0.036～0.131，0.011～0.047，3.963～8.610 mg/kg，均低于叶菜类蔬菜重金属污染物限量值（GB 2762—2012）。叶菜叶片中Cd、Cr和Cu含量由大到小依次为苋菜、菠菜、叶用番薯、生菜、青菜和杭白菜；叶菜叶片中Ni 和Pb 的含量由大到小依次为苋菜、生菜、菠菜、叶用番薯、青菜和杭白菜；叶菜叶片中Zn 含量由大到小依次为苋菜、菠菜、生菜、青菜、杭白菜和叶用番薯。进一步通过统计学分析发现，6种叶菜对重金属的积累具有显著的种间差异（P＜0.05），苋菜叶片中6 种重金属含量均显著高于其他5 种叶菜，说明苋菜对重金属的累积能力最强。杭白菜对重金属的累积能力最弱，可能与叶菜生理特征、生长周期及对重金属污染物的敏感程度等多种因素有关。

表2 叶菜叶片重金属富集的种间差异Tab.2 Interspecific differences in heavy metal accumulation on leafy vegetable mg/kg

2.3 区域和品种对叶菜类蔬菜中重金属积累的影响

进一步通过双因素方差分析表明，叶菜叶片各重金属元素受区域、品种、区域和品种交互作用影响显著（表3）。叶菜叶片中Cd、Cu、Pb和Zn含量受区域、品种、区域和品种交互作用影响极显著（P＜0.01）；叶菜叶片中Cr 含量受区域影响显著（P＜0.05），受品种影响极显著（P＜0.01），但受区域和品种交互作用影响不显著。叶菜叶片中Ni 含量受区域和品种影响极显著（P＜0.01），但受区域和品种交互作用影响不显著。

表3 区域和品种对叶菜重金属的影响Tab.3 Effects of regions and varieties on heavy metals in leafy vegetables

2.4 叶菜类蔬菜对重金属的富集系数及综合累积指数

采用富集系数表示叶菜类蔬菜叶片对土壤重金属含量的富集能力，其值为叶片重金属含量与土壤中相应重金属含量的比值，能在一定程度上可反映叶菜-土壤系统中重金属迁移的难易程度。6 种叶菜的重金属富集系数由大到小的排序依次为Cd、Zn、Cu、Ni、Cr 和Pb（表4），其中Cd 和Zn 富集系数平均值远高于其他4 种重金属，说明Cd 和Zn 在蔬菜-土壤系统移动性较强。本研究中6 种叶菜对Cd 的富集系数较高，造成该现象的原因可能是蔬菜生长区域大气中Cd 含量较高有关。总体上，以菠菜对Cd 的富集能力最强，苋菜对Zn的富集能力最强。

MAI 指数可用来描述植物对多种金属元素的综合累积能力，植物MAI 越高则其对多种金属元素的综合累积能力越强[17]。如表4 所示，6 种叶菜MAI 值由大到小依次为叶用番薯（4.77）、苋菜（3.78）、生菜（3.33）≈菠菜（3.26）、杭白菜（2.67）≈青菜（2.65）。本研究结果表明叶用番薯、更适合评价采样区域的重金属污染状况。

表4 叶菜重金属富集系数和综合累积指数Tab.4 The BF and MAI values of heavy metal in leafy vegetables

2.5 叶菜类蔬菜对重金属的捕获率

通过计算捕获率可知（图2），6种叶菜对Cd的捕获率由大到小依次为菠菜、杭白菜、苋菜、叶用番薯、生菜和青菜；6种叶菜对Cr的捕获率依次为杭白菜、叶用番薯、菠菜、生菜、苋菜和青菜；6种叶菜对Cu的捕获率依次为杭白菜、叶用番薯、菠菜、苋菜、生菜和青菜；6 种叶菜对Ni 的捕获率依次为青菜、杭白菜、生菜、菠菜、叶用番薯和苋菜；6种叶菜对Pb的捕获率依次为杭白菜、生菜、青菜、叶用番薯、菠菜和苋菜；6种叶菜对Zn 的捕获率依次为叶用番薯、苋菜、杭白菜、生菜、青菜和菠菜。综上所述，6种叶菜均对Pb、Cr有较强的捕获率，其中杭白菜对Pb和Cr的捕获率分别高达60.36%和51.19%，说明大气颗粒物是杭白菜叶片中Pb和Cr的重要来源；青菜对Ni的捕获率高达69.94%，说明大气颗粒物是青菜叶片中Ni的重要来源；青菜和菠菜对Zn的捕获率较低，分别为3.84%和3.77%，说明两者不易吸附大气颗粒物中Zn元素。尽管杭白菜对大气细颗粒物中Pb和Cr的捕获率较强，但其叶片中Pb、Cr含量较低，可能与生长区大气细颗粒物中Pb、Cr污染较轻有关。

图2 不同种类叶菜对重金属的捕获率Fig.2 The capture rates of heavy metals in different leaf vegetables

2.6 清洗对叶菜叶片中重金属含量的影响

通过对清洗和未清洗的叶菜叶片中重金属含量进行测定，清洗过的叶菜样品中6 种Cd 重金属含量均低于未清洗叶菜样品。进一步通过统计学分析发现，清洗前后对6种叶菜叶片中Cu和Cd含量无显著影响，但清洗过的叶菜样品中Cu 和Cd 含量均低于未清洗叶菜样品。叶用番薯叶片中Cr和Zn 含量在清洗前后分别呈极显著差异（P＜0.01）和显著差异（P＜0.05），青菜和叶用番薯叶片中Pb 含量在清洗前后呈极显著差异（P＜0.01），杭白菜叶片中Pb、Cr 含量在清洗前后呈极显著差异（P＜0.01），生菜和青菜叶片中Ni含量在清洗前后呈显著差异（P＜0.05）。综上所述，叶菜中重金属可以通过清洗显著降低，即主要来源于叶片表面。大气颗粒物分别是叶用番薯叶片中Cr和Zn，杭白菜中Pb和Cr，青菜和叶用番薯中Pb及生菜、青菜叶片中Ni的主要来源。

另发现清洗对叶用番薯中Cr、Zn，青菜和叶用番薯中Pb、杭白菜中Pb、Cr及青菜中Ni有着较为显著的去除效果。整体来看，清洗对杭白菜、苋菜和菠菜清洗后去中除重金属的去除效果最为理想，即通过清洗可以大量减少蔬菜中各重金属元素的含量，能够有效降低人类食用风险。然而，简单清洗对青菜、叶用番薯和生菜中重金属并不能达到很好的去除效果，可能是与其叶表面沉降吸附的颗粒物较少有关。综上所述，大气沉降中Cr、Pb和Zn对叶用番薯有较大影响，大气沉降中Pb和Cr对杭白菜有较大影响，大气沉降中Pb 和Ni对青菜有较大影响，大气沉降中Ni对生菜有较大影响。综上所述，叶菜叶片重金属可以通过清洗的方式达到显著降低，即主要来自于叶片表面。

图3 清洗与未清洗叶菜样品重金属含量对比Fig.3 Comparison of heavy metal concentrations in vegetables between washed and unwashed samples

3 讨论

通过本研究发现，6 种叶菜叶片中重金属含量存在显著的种间差异，苋菜叶片中6 种重金属含量均显著高于其他品种叶菜。周雅[18]和李其林[19]研究发现，苋菜对重金属Cd、Zn、Pb 和Cu 的富集能力最大，与本研究结论一致。郑路等[20]认为，不同品种蔬菜对Pb的吸收程度与叶片粗糙程度有关，Zhou等[21]通过研究发现苋菜对Cd的积累特性是基因型依赖的。此外，相关研究指出不同品种蔬菜对重金属积累的种间差异是由于蔬菜品种间的生物机制不同，还可能与蔬菜自身生理及遗传特性有关[22-25]，因此对重金属表现出不同的吸收能力[26-27]。本研究中发现6种叶菜对Zn具有较高的富集能力，说明Zn在蔬菜-土壤系统中移动性较强。究其原因可能是由于Zn作为植物生长的必需元素，通常以主动吸收的方式在植物体内累积。Pb在叶菜体内的富集能力明显低于其他重金属元素，这是由于Pb在进入土壤后易与土壤中矿物质和有机物相结合，形成难溶性物质，使得Pb积累在土壤表层。

Nabulo等[28]研究指出，清洗与未清洗蔬菜中含量差别不大的重金属可能主要来源于根部吸收。本研究中清洗与未清洗叶菜叶片中Cd 和Cu 含量无显著差异，仅个别蔬菜叶片中的Cr、Ni、Zn 和Pb 存在显著差异。究其原因是由于Cd 的迁移性强，菜地土壤中可交换态Cd 的含量较高[29]。蔬菜可食部分中的Cd主要通过根系从土壤中吸收，然后被迁移到蔬菜的地上组织中。因此，叶面降尘对Cd 这类主要通过根系吸收的重金属影响较小。此外，通过清洗可以降低蔬菜中35%的Pb 含量，其中Pb、Cr 和Ni 为植物生长的非必需元素，根系对其吸收较少，吸附在大气颗粒物中的这类元素沉降到叶菜叶片表面，部分通过气孔进入叶菜中富集[23]，大部分仍以颗粒态的形式吸附在叶片表面。程珂等[11]研究表面叶菜类蔬菜中Pb主要来源于大气降尘和土壤扬尘。进一步研究表明，生长在Pb 污染空气中的蔬菜，可以有其植株叶片吸收大气中的Pb[13,20]。本研究中杭白菜、青菜和叶用番薯叶片Pb含量在清洗前后呈显著差异，说明这3种叶菜叶片表面易吸附大气颗粒物中Pb。

本研究中6 种叶菜对重金属Cd 的富集系数最大，均超过富集系数1，表明叶菜类蔬菜吸收累积Cd能力较强。涂春艳等研究发现所有蔬菜可食部位Cd 的富集系数最大，其中以叶菜类对Cd 的富集能力最强。Yang 等[30]发现叶菜类蔬菜对重金属的吸收能力强于其他品种蔬菜，尤其是对Cd 的吸收能力最强，上述研究结论均与本研究结论一致。此外，邹素敏等[14]研究发现，蔬菜对不同重金属富集能力由大到小依次为Cd、Hg、Pb、Cr 和As，魏云潇等[31]研究发现同一种蔬菜吸收不同重金属的能力不同，富集元素的规律为Cd＞Zn，Cu＞Pb，也与本研究结论一致。相关研究表明，蔬菜对重金属的累积与各重金属在土壤-作物生态系统中的迁移转化特点有关[24-25]。即使在Cd 污染较轻的土壤上，叶菜品种对Cd 具有较强的吸附能力，导致部分叶菜中出现Cd 含量超标的情况[32]。因此，在Cd 污染严重的地区应尽量避免种植叶菜类蔬菜，且在某种重金属元素污染程度较高的区域，也应尽量避免种植对该元素积累能力较强的蔬菜。通过本研究可知，应在中轻度污染区域优先种植苋菜，以降低其产生的生态风险及人体健康风险；且在中轻度重金属复合污染土壤中，应当优先选择对Cd、Cr、Cu、Ni 和Pb 富集能力较弱的杭白菜进行种植。

4 结论

农科院、板桥和新迪基地叶菜叶片中Cd、Cr和Pb无显著差异。除Ni之外，农科院基地叶菜中5种重金属含量略高于板桥和新迪基地，可能与农科院位于交通发达的市区，造成其土壤和大气中重金属含量较高有关。苋菜叶片中6种重金属含量均显著高于其他5种叶菜，杭白菜叶片中6种重金属含量最低，可能与叶菜生理特征、生长周期及对重金属污染物的敏感程度等多种因素有关。通过双因素方差分析表明，叶菜叶片各重金属受区域、品种、区域和品质交互作用影响显著。6种叶菜的重金属富集系数由大到小依次为Cd、Zn、Cu、Ni、Cr和Pb，其中Cd 富集系数平均值大于1，Pb 在叶菜体内的富集能力明显低于其他重金属元素。总体上，以菠菜对Cd 的富集能力最强，苋菜对Zn 的富集能力最强。6 种叶菜MAI 值由大到小依次为叶用番薯（4.77）、苋菜（3.78）、生菜（3.33）≈菠菜（3.26）、杭白菜（2.67）≈青菜（2.65）。本研究结果表明叶用番薯、更适合评价采样区域的重金属污染状况。6 种叶菜均对Pb、Cr 有较强的捕获率，其中杭白菜对Pb和Cr的捕获率分别高达60.36%和51.19%，说明大气颗粒物是杭白菜叶片中Pb和Cr的重要来源。尽管杭白菜对大气细颗粒物中Pb和Cr的捕获率较强，但其叶片中Pb、Cr含量较低，可能与生长区大气细颗粒物中Pb、Cr污染较轻有关。清洗对叶用番薯中Cr、Zn，青菜和叶用番薯中Pb、杭白菜中Pb、Cr及青菜中Ni有着较为显著的去除效果。整体来看，清洗对杭白菜、苋菜和菠菜清洗后去中除重金属的去除效果最为理想。本研究建议在中轻度污染区域优先种植苋菜，在中轻度重金属复合污染土壤中，优先选择对Cd、Cr、Cu、Ni和Pb富集能力较弱的杭白菜进行种植，在大气Pb和Cr污染较高的风险区域避免叶菜露天种植。

致谢：杭州市农业科学研究院科技创新基金（2019HNCT-32）同时对本研究给予了资助，谨致谢意！