杭州市主要農作物對鎘的富集差異及其影響因素

石一珺，徐穎菲，倪中應，王京文，李丹，章明奎*

(1.桐廬縣農業和林業技術推廣中心，浙江 桐廬 311500； 2.浙江大學 環境與資源學院，浙江 杭州 310058;3.杭州市植保土肥總站, 浙江 杭州 310020)

土壤是農產品中重金屬的主要來源[1-2]。眾多研究表明，土壤污染的加劇可增加農產品中重金屬的積累[2-3]。但土壤污染程度并非是影響農作物吸收重金屬的唯一因素，農產品吸收土壤中重金屬的數量可因土壤性狀、農作物種類的不同而發生變化[4-6]。富集系數是指植物某一器官與生長土壤中特定重金屬元素含量的比值，可反映作物對土壤中重金屬元素的吸收能力[7]。有人根據農作物對不同重金屬吸收富集的差異，把植物分為重金屬低積累型、中等積累型和高積累型[8-9]，用以根據土壤重金屬的污染程度指導選擇種植的作物，保障農產品的安全[6,10]。由于在自然條件下污染土壤中重金屬通過生物地球化學過程自行消減常常需要較長的時間，因此如何改變土壤性狀或合理選擇農作物來控制農產品中重金屬的富集、降低重金屬進入食物鏈的風險是目前重金屬污染治理實踐中常用的手段[11-14]。近年來的調查表明，杭州市農業土壤重金屬的污染呈增加趨勢，其中較為突出的是鎘、汞、砷等的污染[15-17]，對區內農產品的安全生產構成了一定的威脅。已有研究表明，杭州市內不同蔬菜品種對重金屬的富集能力有較大差異[18-19]，但關于其他農作物對重金屬富集的研究報道較少。為了全面了解杭州市主要農作物對重金屬吸收的差異及土壤性狀對其的影響，在杭州市域范圍同時采集了不同種類糧食、果蔬等農作物的可食部位與對應耕層的土壤樣品，分析、計算了鎘在各類農產品中的富集系數，探討影響作物鎘富集的土壤因素，旨在為重金屬污染農田土壤的合理利用提供理論依據。

1 材料與方法

在杭州市域選擇203塊代表性農田，同時采集各類糧食、果蔬等農作物的可食部位與對應的耕層土壤樣品。采樣地覆蓋桐廬縣、蕭山區、江干區、西湖區、富陽區、余杭區、臨安區、建德市和淳安縣等9個縣(市、區)。采集的植物樣品為農作物的可食部分，包括葉菜(n=31)、根莖蔬菜(n=22)、茄果蔬菜(n=24)、豆類蔬菜(n=17)、瓜類蔬菜(n=13)、稻米(n=37)、大小麥籽粒(n=16)、玉米(n=13)、花生(n=7)和水果(n=23)。土樣采集深度為0～15 cm，每一采樣地的土壤和植物樣品在相同的9 m2范圍內采集，各由9個分樣混合而成。

所有植物樣按食用習慣用去離子水清洗或除殼，取可食部分用于分析。鮮樣經105 ℃殺青1 h，然后在65 ℃下烘干后粉碎，用高氯酸消化法消化，石墨爐-原子吸收分光光度法測定鎘。土壤樣品經自然風干后，磨碎過0.125 mm尼龍篩，用鹽酸-硝酸-高氯酸消解[20]，石墨爐-原子吸收分光光度法測定鎘含量。土壤有機質含量和pH值采用常規分析方法測定[21]。土壤質地用指測法確定類型。

2 結果與分析

2.1 不同農作物對鎘的富集

對所有107個蔬菜樣(包括瓜類蔬菜、豆類蔬菜、茄果蔬菜、葉菜、根莖蔬菜)的統計表明(表1)，蔬菜中鎘的富集系數在0.012～1.138，平均為0.297，變異系數為73.73%。所有66個糧食作物樣品(包括稻米、大小麥籽粒和玉米)的統計表明，糧食作物中鎘的富集系數在0.034～1.214，平均為0.285，變異系數為67.02%。總體上，糧食作物中鎘的平均富集系數略低于蔬菜。

表1 各類農作物可食部分鎘的富集系數

注：同列數據后無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。表2～3同。

由表1可知，5類蔬菜中鎘的富集系數以瓜類蔬菜最低，豆類蔬菜也較低，葉菜和根莖蔬菜鎘的富集系數較高，茄果蔬菜居中。其中，葉菜、根莖蔬菜鎘的富集系數顯著高于豆類蔬菜、瓜類蔬菜。茄果蔬菜與其他蔬菜、葉菜與根莖蔬菜，以及豆類蔬菜與瓜類蔬菜之間鎘的富集系數差異不顯著。糧食作物中鎘的富集系數以玉米最低，稻米最高，大小麥居中。其中，玉米中鎘的富集系數顯著低于稻米。

花生對鎘的富集能力較強，對鎘的平均富集系數顯著高于豆類蔬菜、瓜類蔬菜、玉米、水果。水果中鎘的富集系數最低，顯著低于葉菜、根莖蔬菜、稻米、花生。

2.2 土壤性狀對農作物中鎘富集的影響

將土壤樣本按pH分為堿性(≥8.5)、微堿性(7.5～<8.5)、中性(6.5～<7.5)、微酸性(5.5～<6.5)、酸性(4.5～<5.5)和強酸性(pH<4.5)，分別統計相應的農作物可食部分的鎘富集系數(表2)。隨著土壤酸度增加，對應的農作物鎘富集系數呈增加趨勢，酸性、強酸性土壤的農作物可食部分鎘富集系數顯著高于堿性和微堿性土壤。這是因為土壤pH值可影響土壤鎘的溶解度，隨著土壤pH值的下降，土壤中難溶態鎘可逐漸被溶解、釋放，成為有效態鎘，從而增加作物對鎘的吸收。

表2 不同土壤pH范圍下農作物可食部分的鎘富集系數

黏土上生長的農作物可食部分鎘富集系數顯著低于砂土與壤土，而砂土與壤土之間的差異不顯著(表3)。這可能與黏土包含較多的帶負電荷的土壤膠體有關，這些帶負電荷的土壤膠體可借助靜電引力吸附固定土壤中的鎘，降低土壤中鎘的活性。另外，黏土中還常常含有較高量的氧化物，亦可增加對鎘的固定，降低土壤中鎘的遷移性和有效性。

表3 土壤質地對農作物可食部分鎘富集系數的影響

如圖1所示，農作物可食部分鎘富集系數隨土壤有機質升高呈現減小的趨勢，表明有機質較高的土壤中鎘的危害相對較低。土壤有機質的主要成分為腐殖質，對金屬離子有很強的表面吸附和螯合作用，可改變土壤溶液中重金屬的活性，降低作物的吸收。有研究表明，在重金屬污染土壤中，添加腐質酸等有機質可抑制土壤汞、鎘進入蔬菜[22]，施用有機肥亦可明顯降低土壤中有效態鎘含量，減少植物對鎘的吸收[23]。

圖1 土壤有機質與農作物可食部分鎘富集系數的關系

如圖2所示，土壤全鎘與農作物可食部分鎘富集系數間呈倒“U”形關系：當土壤全鎘含量在1.0 mg·kg-1左右時，農作物可食部分鎘富集系數達到較高的水平，而當土壤全鎘含量在0.5 mg·kg-1以下或超過3.0 mg·kg-1時，農作物可食部分鎘富集系數有降低的趨勢。這是因為當土壤全鎘含量較低時，土壤中有效態鎘占全鎘的比例較低，植物能夠吸收的鎘相對較少；當土壤中全鎘含量達到較高水平時，受植物本身生理的影響，其對鎘的吸收量并未隨土壤中有效態鎘含量的增加而線性增加，這時植物本身對鎘的吸收量決定了富集系數，因此，富集系數反而呈下降趨勢。

圖2 土壤全鎘含量與農作物可食部分鎘富集系數的關系

3 討論

本研究表明，不同農作物對鎘的吸收和積累存在較大差別。糧食作物中水稻籽粒對鎘的富集較為明顯，這可能與水稻對鎘有較強的生理耐受能力和富集能力有關[24]。本研究中葉菜、根莖蔬菜的鎘的富集系數顯著高于豆類蔬菜、瓜類蔬菜。姚春霞等[25]的研究也表明，蔬菜對鎘的吸收整體表現為葉菜類>花果類>塊根類。沈彤等[26]在長沙地區的比較研究發現，不同蔬菜對鎘的吸收能力表現為葉菜類>茄果類>豆類>根菜類>甘藍類>瓜類。

有關農作物對重金屬吸收的差異，一般認為與其根系形態、根對鎘的吸收能力和生理活性、根表氧化膜，以及鎘在植物體內運輸的不同有關[27]。根系是鎘等重金屬進入植物的門戶，根系的形態和生理活性，以及根與土壤環境的相互作用都會影響植物對鎘的吸收[27]，但詳細機理還有待深入研究。

許多研究報道，同類作物不同品種對重金屬的積累也有很大的差異，本研究中同類作物對鎘的富集系數差異較大，可能也與品種有關。但本研究因采集樣本有限，未能對此進行深入分析。

基于本研究的結果，在含鎘量較高的土壤中，應避免種植葉菜、根莖蔬菜，宜種植豆類蔬菜、瓜類蔬菜；在鎘污染區，要慎重選擇種植水稻，可考慮用玉米替代水稻和大小麥；在鎘污染嚴重的糧田，可考慮改變利用方式，種植果樹。鑒于不同農作物對重金屬吸收能力的差異，在實際生產中可利用可食部位鎘積累較低的農作物來避免或減控鎘進入食物鏈，達到安全生產的目的。

本研究還表明，植物對鎘的富集系數隨土壤pH值下降而增加，隨黏粒和有機質含量的增加而下降。因此，在農業生產中采用施用石灰和增施有機肥的方法可在一定程度上減緩農產品中鎘的積累。