土壤-蚕豆重金属污染特征及环境效应

林小兵, 黄天宝, 彭君, 邱祥凤, 何波, 石丽萍, 武琳, 朱德彬*

(1.江西省红壤及种质资源研究所 国家红壤改良工程技术研究中心, 江西 南昌 331717; 2.江西农业大学 国土资源与环境学院,江西 南昌 330045; 3.萍乡市农业科学研究中心, 江西 萍乡 337000; 4.萍乡市农业农村产业发展服务中心, 江西 萍乡 337000)

随着城市化、工业化和集约化农业的发展, 工业 “三废”、交通活动、大气沉降、污水灌溉、化肥及农药等进入环境, 导致重金属污染日益严峻[1-2]。土壤重金属污染也是全球性的环境问题,严重影响人类健康和社会经济的可持续发展。报道显示[3], 我国土壤总的点位超标率达到16.1%,其中土壤重金属镉 (Cd)、砷 (As)、汞 (Hg)、铅 (Pb) 和铬 (Cr) 等点位超标率分别为7.0%、2.7%、1.6%、1.5%和1.1%。重金属污染不仅严重威胁着生态环境、农作物生长和品质安全等, 还通过食物链对人类健康造成严重影响[4-5]。

蚕豆 (ViciafabaL.), 又称胡豆、南豆、佛豆等, 属豆科、野豌豆属, 是一种粮、菜、饲、肥兼用的经济作物[6-7], 也是长江下游地区重要的冬季作物, 世界上五大食用豆类之一[7-8]。蚕豆营养丰富, 富含蛋白质、膳食纤维、微量元素、维生素等人体必需元素[9], 近年来食用蚕豆在江苏、上海、浙江等地获得较快的发展, 受到广大消费者的青睐[10]。目前, 已有大量研究针对蔬菜地土壤—蔬菜进行重金属污染调查, 特别是在城郊地区[11-12]。国内外对叶菜类蔬菜等研究较多, 蚕豆作为一类重要的蔬菜, 研究主要集中在Cd 对蚕豆生理生态的影响[13], 而关于重金属对蚕豆重金属富集和转运效率研究较少, 因此, 开展蚕豆作物重金属安全性研究具有重要的现实意义。

萍乡作为江南煤炭生产的重要基地, 煤炭开采同时也带来了许多的环境问题[14], 廖冲等[15]研究发现, 在萍乡市布置的29 个观测点中, 其中有14 个观测点的重金属含量超标。随着城市化发展, 在有限的农用地上种植安全的蔬菜, 对于保障人类身体安全具有重要意义。本研究选择江西省萍乡市3 个县市区的15 个有代表性的蚕豆种植园为调查对象, 调查蚕豆种植园土壤和蚕豆的重金属Cd、As、Hg、Pb 和Cr 含量, 及其蚕豆对重金属的转运和富集特征, 以期为当地蚕豆种植安全利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与测试

于2021 年4 月中旬蚕豆收获期在萍乡市上栗县彭高镇、萍乡市芦溪县源南乡、萍乡市芦溪县芦溪镇、萍乡市芦溪县宣风镇和萍乡市湘东区荷尧乡等地选取15 个有代表性的蚕豆种植园进行土壤和植株采集。采用五点采样法随机选取长势一致的5株蚕豆植株混合成一个样, 同时采集0～20 cm 土层土壤样品。将取回的蚕豆植株进行风干待测, 采集的样品自然风干磨碎过筛, 用于测定土壤基本理化性质。土壤pH 值、有机质含量、阳离子交换量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量等理化性质采用常规分析方法测定[16]。土壤和蚕豆植株中重金属Cr、Pb 和Cd 采用电感耦合等离子体发射光谱法 (仪器和型号: 电感耦合等离子体质谱仪iCAP-RQ) 测定, 重金属As 和Hg 采用原子荧光光谱法 (仪器和型号分别为: 原子荧光光度计AF-640A 和XGY-1011A) 测定。

1.2 数据处理

运用Excel 2016 和R 语言软件对试验数据进行描述性统计分析、方差分析和相关性分析等, 文中制图通过R 语言软件程序包ggplot2 完成。富集系数=蚕豆植株各部位重金属含量/土壤重金属含量; 转移系数=蚕豆植株各部位重金属含量/蚕豆植株前一部位重金属或土壤重金属含量。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质和重金属含量描述性分析

蚕豆种植区土壤理化性质描述性统计分析见表1。研究区土壤pH 值范围为 6.10～7.54, 均值为7.11±0.58, 有机质含量均值为53.39 g·kg-1, 阳离子交换量均值为11.74 cmol·kg-1, 有效磷、碱解氮、速 效 钾 含 量 均 值 分 别 为44.01、155.39、183.93 mg·kg-1, 总体上调查区土壤属中性, 肥力水平较高。从变异系数[17]来看, 土壤pH 值变异系数小于10%, 属弱变异, 其他指标变异系数在10%～100%, 均属中等变异。

表1 研究区域土壤理化性质描述性统计

从表2 可知, 研究区土壤重金属Cd、Cr、As、Hg 和 Pb 的 平 均 含 量 分 别 为 (0.48 ± 0.36)、(38.03±3.75)、(10.03±2.81)、(0.16±0.07) 和(19.10±5.56) mg·kg-1, 仅有重金属Cd 高于GB 15618—2018 《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》 中 Cd 限量标准[18], 其超标率为60.00%。研究区5 种重金属元素的变异系数由大到小依次为Cd>Hg>Pb>As>Cr, 土壤Cr 变异系数小于10%, 属弱变异, 其他重金属元素在10% ～100%, 均属中等变异。

表2 研究区域土壤重金属含量描述性统计 单位: mg·kg-1

2.2 蚕豆重金属富集特征

重金属As 含量在蚕豆根系、茎秆、叶片、豆 荚 和 籽 粒 中 分 别 为1.45、0.43、1.75、0.06和0.23 mg·kg-1(图1 中a); 重金属Cd 含量在蚕豆根系、茎秆、叶片、豆荚和籽粒中分别为0.60、0.31、0.72、0.05 和0.12 mg·kg-1(图1中b); 重金属Cr 含量在蚕豆根系、茎秆、叶片、豆 荚 和 籽 粒 中 分 别 为6.85、2.51、6.67、0.32和0.83 mg·kg-1(图1 中c); 重金属Hg 含量在蚕豆根系、茎秆、叶片、豆荚和籽粒中分别为0.009 4、0.004 1、0.039 2、0.001 5 和0.003 7 mg·kg-1(图1 中d); 重金属Pb 含量在蚕豆根系、茎 秆、叶 片、豆 荚 和 籽 粒 中 分 别 为3.49、1.53、5.91、0.03 和0.60 mg·kg-1(图1 中e)。但存在部分地区蚕豆籽粒中重金属Cd、Pb 高于食品安全国家标准食品中污染物限量中食品的Cd、Pb 限 量 标 准[19](GB 2762—2022, Cd: 鲜豆为0.1 mg·kg-1, 干豆为0.2 mg·kg-1; Pb:鲜豆为0.2 mg·kg-1, 干豆为0.25 mg·kg-1),其超标率分别为60.00%和20.00%。从图1 中f还可以看出, 蚕豆不同部位中重金属含量均表现叶片>根系>茎秆>籽粒>豆荚。

图1 蚕豆不同部位重金属含量

从图2 可知, 蚕豆对重金属Cd 富集系数最大,其次为Pb 和Cr, 最后为As 和Hg。蚕豆不同部分对As 元素的富集系数依次表现为: 叶片 (0.19)>根系 (0.15) >茎秆 (0.04) >籽粒 (0.03) >豆荚 (0.01); 对Cd 元素的富集系数依次表现为:叶片 (1.52) >根系 (1.32) >茎秆 (0.59) >籽粒 (0.25) >豆荚 (0.11); 对Cr 元素的富集系数依次表现为: 根系 (0.18) >叶片 (0.18) >茎秆(0.07) >籽粒 (0.02) >豆荚 (0.01); 对Hg 元素的富集系数依次表现为: 叶片 (0.29) >根系(0.07) > 籽 粒 (0.03) > 茎 秆 (0.03) > 豆 荚(0.01); 对Pb 元素的富集系数依次表现为: 叶片(0.33) > 根 系 (0.18) > 茎 秆 (0.09) > 籽 粒(0.03) >豆荚 (0.001)。

图2 蚕豆对重金属元素的富集系数

调查区蚕豆对重金属的转运系数见图3, 蚕豆对重金属Cd 转运系数最大, 其次为Pb 和Hg, 最后为Cr 和As。蚕豆不同部分对As 元素的转运系数依次表现为: 豆荚-籽粒 (4.81) >茎秆-叶片(4.11) >根系-茎秆 (0.30) >土壤-根系 (0.15) >茎秆-豆荚 (0.14) >叶片-豆荚 (0.04); 对Cd 元素的转运系数依次表现为: 豆荚-籽粒 (7.15) >茎秆-叶片 (3.19) >土壤-根系 (1.32) >根系-茎秆 (0.46) > 茎 秆-豆 荚 (0.14) > 叶 片-豆 荚(0.10); 对Cr 元素的转运系数依次表现为: 茎秆-叶片 (3.42) >豆荚-籽粒 (3.42) >根系-茎秆(0.38) >土壤-根系 (0.18) >茎秆-豆荚 (0.10) >叶片-豆荚 (0.05); 对Hg 元素的转运系数依次表现为: 茎秆-叶片 (10.52) >豆荚-籽粒 (2.67) >根系-茎秆 (0.49) >茎秆-豆荚 (0.42) >土壤-根系 (0.07) >叶片-豆荚 (0.04); 对Pb 元素的转运系数依次表现为: 豆荚-籽粒 (26.690) >茎秆-叶片 (3.920) >根系-茎秆 (0.520) >土壤-根系(0.180) > 茎 秆-豆 荚 ( 0.020) > 叶 片-豆 荚(0.005)。

图3 蚕豆对重金属元素的转运系数

2.3 土壤与蚕豆籽粒重金属相关性

为了探索蚕豆籽粒中重金属来源, 将土壤理化性质pH 值、有机质含量、阳离子交换量、有效磷含量、速效钾含量、碱解氮含量以及土壤、籽粒中重金属Cd、Pb、As、Hg 和Cr 含量进行相关性分析 (图4), 相关分析表明, 籽粒中重金属Cr 含量与土壤AN、Cd、Pb 含量均呈显著正相关, 其相关系数分别为0.91、0.97 和0.81; 籽粒中重金属As含量与土壤碱解氮、速效钾、Cd 含量的相关性均达显著水平, 其相关系数分别为0.84、0.88 和0.91; 籽粒中重金属Cd 含量与土壤碱解氮和Cd含量呈显著正相关, 其相关系数分别为0.88 和0.92; 籽粒中重金属Hg 含量与土壤As 含量呈显著负相关 (r=-0.93,P<0.05), 而与有机质含量呈显著正相关 (r=0.96,P<0.05); 籽粒中重金属Pb 含量与土壤碱解氮和Cd 含量的相关性均达显著水平, 其相关系数分别为0.82 和0.88。此外, 籽粒中重金属Cr 含量与As 含量 (r= 0.93,P<0.05)、Cd 含量 (r=0.96,P<0.05) 和Pb 含量 (r=0.92,P<0.05) 均呈显著负相关, 同时籽粒中重金属Cd 含量与Pb 含量的相关性均达显著水平, 其相关系数为r=0.99。

图4 土壤理化性质、重金属与蚕豆籽粒重金属的相关性分析

3 结论与讨论

重金属污染土壤是关系粮食安全和人类健康风险的全球性问题[12]。本研究发现, 蚕豆种植园土壤中重金属Cd 含量0.48 mg·kg-1, 为标准值的1.6 倍, 超标率为60.00%, 籽粒中Cd、Pb 均高于标准值, 其超标率分别为60.00%和20.00%。苏辉跃等[12]研究表明, Cd 是广州城郊土壤-蔬菜的主要污染因子, 黑儿平等[20]研究也发现, 重金属Cd 是成都平原蔬菜重金属的主要污染物, 其超标率达31.91%, 对江西某地区调查发现, 研究区蔬菜地土壤Cd、Hg 污染程度较重, 均超过江西背景值, 其中土壤重金属Cd 超过国家标准值[21]。本研究还发现, 蚕豆对重金属Cd 富集系数和转运系数最大, 汪玉磊等[22]研究浙江省供试蔬菜样品整体对Cd 的富集系数最大, 与本结果类似。富集系数越大, 说明作物对该种重金属吸收能力也越强[21],蚕豆土壤-植株均表现为Cd 是该地区主要污染物。研究中蚕豆叶片和根系对Cd 元素的富集系数>1,王艳兰等[23]研究也表明, 蚕豆营养器官具有较高的Cd 富集能力, 对土壤重金属Cd 污染的修复具有一定作用。

相关性表明, 土壤碱解氮和重金属Cd 是影响蚕豆籽粒中重金属富集的主要因子, 周成云等[24]研究发现, 猕猴桃中根和茎镉含量与土壤镉含量呈显著正相关。重金属主要通过根系进入蔬菜体内,随后通过木质部和韧皮部组织转运到其他部位[25],重金属可通过根系吸收在蔬菜体内富集, 也可以通过大气沉降污染土壤与蔬菜[26]。研究中土壤有机质和速效养分均较丰富, 说明研究区肥力丰富, 可能是由于施肥较多造成的影响。土壤碱解氮与蚕豆籽粒呈显著正相关, 一是施用有机肥、化肥、秸秆还田导致, 二是蚕豆本身是固氮作物, 可以改善土壤养分和提高土壤质量[27]。叶片是该地区蚕豆植株中重金属含量和富集系数最高的部位, 有可能跟该地区是典型工业城市和煤田较多, 大气污染严重, 同时研究区位于城郊, 受工业、交通运输、人类活动等影响大。

综上, 研究区蚕豆种植园土壤-蚕豆重金属污染较轻, 但存在部分地区重金属Cd 和Hg 超标现象。针对土壤重金属超标地区, 需要改变种植结构, 使用低积累品种; 避免农药、动物粪肥和含重金属化肥等的使用; 远离工厂、煤矿、道路, 降低大气污染影响; 有条件地区进行土壤重金属修复。