甘薯對低濃度鎘、鋅的分配累積特征及土壤安全臨界值研究

周振明 劉創一 陳朝述 蔣 瑜

（廣西師范大學環境與資源學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

2014年自然資源部和生態環境部聯合發布的全國土壤污染狀況調查公報顯示，我國19.4%的耕地遭受重金屬污染［1］。尤其是某些特殊行業，如鉛鋅礦開采造成土壤鎘（Cd）、鋅（Zn）等重金屬污染［2］。此外，隨著種植年限增加，耕地表層土壤中Cd、Zn含量也會增加，造成土壤重金屬含量超標［3］。受重金屬污染的土壤種植的作物也會被污染，長期食用重金屬超標的食物，會嚴重危害人體健康［4］。

我國南方喀斯特地貌分布區土壤具有較高的Cd含量，其中廣西壯族自治區（以下簡稱廣西）的喀斯特地貌區土壤Cd含量又高于其他地區［5］。桂林市為典型的喀斯特巖溶地貌，當地土層淺薄，一旦遭受重金屬污染，治理難度極大［6］。而甘薯耐旱、耐貧瘠、產量高，在桂林市廣泛種植。通過盆栽試驗，研究不同質量濃度條件下，甘薯可食用部位（莖、塊根、葉）對重金屬Cd、Zn的累積特征，探討重金屬Cd、Zn在產地土壤環境的安全臨界值，為桂林市農產品質量安全及產地環境安全評價提供理論依據和技術參數。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物為桂粉2號甘薯，生長周期100～110 d，購于廣西桂林市種子公司。

供試土壤為正常耕作的表層土壤，選自廣西桂林市雁山區甘薯地。在樣地中畫出5個大小一致的正方形（2 m×2 m）樣方，去除表土，再在耕作層（5～20 cm）采集土樣，將土壤樣品裝入編織袋，帶回實驗室。按照《土壤農化分析》分析土壤的理化性質［7］。該地土壤pH值5.14，有機質含量41.0 g/kg，全氮含量1.79 g/kg，全磷含量0.082 g/kg，陽離子交換量7.06 cmol/kg。

1.2 試驗設計

土壤樣品采回后，自然風干，過孔徑為2.00 mm的尼龍篩備用。盆栽容器為長40 cm、寬30 cm、高25 cm的泡沫箱，裝入風干土20 kg/箱，施入氮、磷、鉀肥（氮肥為尿素，以N計質量分數為200 mg/kg；磷肥為過磷酸鈣，以P2O5計質量分數為150 mg/kg；鉀肥為硫酸鉀，以K2O計質量分數為150 mg/kg）作為底肥。

試驗設置6個質量濃度水平，分別為T（0Cd 0 mg/kg，Zn 0 mg/kg）、T1（Cd 0.1 mg/kg，Zn 30 mg/kg）、T2（Cd 0.2 mg/kg，Zn 60 mg/kg）、T3（Cd 0.4 mg/kg，Zn 90 mg/kg）、T4（Cd 0.8 mg/kg，Zn 120 mg/kg）、T5（Cd 1.0 g/kg，Zn 150 mg/kg）。Cd、Zn 以 CdCl2、ZnSO4溶液形式加入，每箱澆水至田間持水量的60%，放置10 d后栽插甘薯。選擇生長狀態基本一致的甘薯苗進行栽插，每箱種植4株，所有處理重復3次。

栽插100 d后收獲。將甘薯的莖、葉、塊根分開收獲，用去離子水洗凈晾干后，塊根切片后與莖、葉一起置于烘箱，在85 ℃條件下殺青30 min，在60 ℃條件下烘干至恒重，粉碎后備用。

1.3 樣品分析

土樣和甘薯的莖、葉、塊根中鎘、鋅元素采用王水（濃硝酸∶濃鹽酸=1∶3）-高氯酸消煮，采用原子吸收分光光度法測定［8］。

1.4 數據處理

富集系數指植物地上部Cd、Zn含量與相應土壤中Cd、Zn含量的比值。富集系數越大，表明重金屬越容易被植物吸收［9-10］。富集系數（BCF）=植物各部位Cd、Zn含量/土壤中Cd、Zn含量。

轉移系數則是植物地上某部位Cd、Zn含量與地下部Cd、Zn含量的比值。富集系數和轉移系數綜合反映植物對土壤重金屬的吸收和轉移能力［11］。轉移系數（TF）=植物某部Cd、Zn含量/地下根部Cd、Zn含量。

試驗所有數據用Microsoft Office Excel 2010進行處理。

2 試驗結果與分析

2.1 重金屬在甘薯可食用部位含量

重金屬Cd、Zn在甘薯可食用部位的含量見表1。由表1可知，甘薯可食用部位重金屬Zn的含量為莖＞葉＞塊根，Cd的含量為塊根＞葉＞莖。隨著重金屬Zn質量濃度增大，甘薯葉和塊根中的Zn含量逐漸增加，莖的Zn含量則是先增加再降低，然后逐漸增加。隨著重金屬Cd質量濃度的增大，甘薯莖、葉、塊根的Cd含量隨著處理濃度增加先增加后減少再增加。

表1 重金屬Cd、Zn在甘薯可食用部位的含量 mg/kg

2.2 重金屬在甘薯可食用部位富集系數和轉移系數

Cd和Zn在甘薯可食用部位的富集系數和轉移系數見表2和表3。

表2 Cd和Zn在甘薯可食用部位的富集系數

表3 Cd和Zn在甘薯可食用部位的轉移系數

由表2、表3可知，在不同處理下，甘薯莖對Zn的富集系數差異較大，最高在T5（為1.07），最低在T0（為0.33），表明甘薯莖在T5處理下對Zn的富集能力很強；葉對Zn的富集系數范圍為0.22～0.84，塊根對Zn的富集系數范圍為0.16～0.43。甘薯可食用部位對Zn的轉移能力較弱，T5處理條件下轉移系數最大，為0.58。甘薯莖、葉、塊根對Cd富集系數范圍為0.15～0.84，轉移系數在0.18～0.75，均小于1。甘薯可食用部位對Zn的富集能力、轉移能力為莖＞葉＞塊根，對Cd富集能力、轉移能力為塊根＞葉＞莖。

2.3 甘薯產地土壤Cd、Zn的安全臨界值

根據土壤重金屬Cd、Zn含量和甘薯中可食用器官Cd、Zn含量的測定結果，采用回歸分析方法［12］，擬合土壤Cd、Zn含量（Y）和甘薯中Cd、Zn含量（X）的相關關系，建立線性回歸模型。查詢《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB/T 2762—2017）［13］，可知甘薯中Cd的最大允許量為0.1 mg/kg，將Cd的最大值0.1 mg/kg帶入擬合公式，模擬求出安全種植甘薯的土壤Cd臨界值（見表4）。由表4可知，種植甘薯的土壤Cd安全臨界值為莖0.602 mg/kg、塊根0.342 mg/kg、葉0.522 mg/kg。查詢《糧食（含谷物、豆類、薯類）及制品中鉛、鉻、鎘、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》（NY 861—2004）［14］可知，甘薯中Zn的最大限量為50 mg/kg。將Zn的最大值50 mg/kg分別帶入擬合公式，模擬求出種植甘薯的土壤Zn安全臨界值（見表4）。由表4可知，種植甘薯的土壤Zn安全臨界值為莖125 mg/kg、塊根178 mg/kg、葉 151 mg/kg。

表4 Cd、Zn在甘薯可食用部位的含量（X）與土壤中的含量（Y）相關分析及土壤安全臨界值

根據《食用農產品產地環境質量評價標準》（HJ/T 332—2006）［15］中土壤環境質量評價指標限值規定，在pH值＜6.5條件下，總Cd≤0.3 mg/kg，總Zn≤200 mg/kg。此次試驗模擬結果限值Zn在規定范圍內，Cd超過規定限值，表明國家的產地土壤環境安全標準與食物安全標準存在一定差異，在產地環境劃定中，需要同時考慮土壤與作物標準的差異，以便科學地指導產地環境安全劃定。

3 結論

根據此次試驗研究可知，甘薯可食用部位對Zn的富集能力為莖＞塊根＞葉，對Cd的富集富集能力為塊根＞葉＞莖；種植甘薯的土壤重金屬Cd的安全臨界值分別為莖0.602 mg/kg、塊根0.342 mg/kg、葉0.522 mg/kg，種植甘薯的土壤重金屬Zn的安全臨界值分別為莖125 mg/kg、塊根178 mg/kg和葉151 mg/kg。