环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (5): 720-727  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.03

引用本文  

李晓婧, 郑向群, 郑顺安. 叶菜对Cd的富集特征及敏感性分布[J]. 环境科学研究, 2017, 30(5): 720-727.
LI Xiaojing, ZHENG Xiangqun, ZHENG Shun'an. Accumulation and Sensitivity Distribution of Cadmium in Leafy Vegetables[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(5): 720-727.

基金项目

国家自然科学基金项目(41371463);公益性行业(农业)科研专项(200903015)

责任作者

郑向群(1974-), 男, 湖北武汉人, 研究员, 博士, 博导, 主要从事乡村环境污染研究, 25825260@qq.com

作者简介

李晓婧(1993-), 女, 上海人, 370397355@qq.com

文章历史

收稿日期:2016-05-18
修订日期:2017-01-26
叶菜对Cd的富集特征及敏感性分布
李晓婧1 , 郑向群2 , 郑顺安2     
1. 沈阳农业大学, 辽宁 沈阳 110866;
2. 农业部环境保护科研监测所, 天津 300191
摘要:为了解不同土壤中不同品种叶菜对Cd的吸收富集特征及敏感性分布规律,通过盆栽试验研究了10种叶菜(油菜、空心菜、茼蒿、苋菜、菠菜、油麦菜、芹菜、生菜、韭菜、小白菜)在江西红壤和天津潮土中,对不同处理Cd浓度[空白,0 mg/kg,CK;低浓度,0.3 mg/kg,C1;高浓度,0.6 mg/kg,C2]下对Cd的富集,并对Cd的富集系数进行了敏感性排序.结果表明:高浓度Cd会抑制叶菜生长,株高和鲜质量显著变化;低浓度Cd处理对叶菜的生长具有“刺激作用”,大部分叶菜株高显著上升. w(Cd)为0.3 mg/kg时,在天津潮土中,油菜对Cd的富集系数最高为0.336,茼蒿的富集系数最低为0.014,芹菜的富集系数最低为0.022,得出油菜对不同浓度的Cd最敏感,芹菜和茼蒿较不敏感.在江西红壤中,苋菜对Cd的富集系数最高为1.165,芹菜的富集系数最低为0.103,得出苋菜和油菜对不同浓度的Cd较敏感,芹菜较不敏感.因此,可在天津潮土中种植茼蒿和芹菜,在江西红壤中种植芹菜,将茼蒿和芹菜作为不易吸收较高浓度Cd的叶菜品种.
关键词叶菜        富集    敏感性分布    土壤    
Accumulation and Sensitivity Distribution of Cadmium in Leafy Vegetables
LI Xiaojing1 , ZHENG Xiangqun2 , ZHENG Shun'an2     
1. Shenyang Agriculture University, Shenyang 110866, China;
2. Ministry of Agriculture Environmental Protection Research Institute, Tianjin 300191, China
Abstract: In order to understand accumulation and senstivity distribution of cadmium in leafy vegetables, cadmium accumulation and senstivity distribution were studied by pot experiment with 10 species of leafy vegetables (i.e., rape, spinach, chrysanthemum, amaranth, spinach, leaf lettuce, celery, lettuce, leeks, Chinese cabbage) in two typical soils (red soil of Jiangxi Province and Tianjin fluvo aquic soil) with different treatments:blank (0 mg/kg, CK), low concentration (0.3 mg/kg, C1) and high concentration (0.6 mg/kg, C2). The results showed that high concentration of cadmium could inhibit the growth of leafy vegetables; plant height and fresh weight were significantly changed. Low concentration of cadmium had the effect of 'stimulus'; most of the leafy plant heights increased significantly. In Tianjin fluvo-aquic soil, the maximum cadmium accumulation coefficient of rape was 0.336, while the minimum cadmium accumulation coefficients of chrysanthemum and celery were 0.014 and 0.022. This indicated that rape was most sensitive to different concentrations of cadmium, while celery and chrysanthemum were less sensitive. In the red soil in Jiangxi province, cadmium accumulation of amaranth was the strongest, with accumulation maximum to 1.165, while celery had the weakest accumulation capability, with minimum accumulation coefficient of 0.103. This revealed that amaranth and rape were sensitive to different concentrations of cadmium, while celery was less sensitive to different concentrations of cadmium. Thus, chrysanthemum and celery can be selected to plant in fluvo aquic soil, while celery can be selected to plant in red soil.
Keywords: leafy vegetables    cadmium    accumulation    sensitivity distribution    soil    

Cd是生物体非必需元素. Cd因其在环境中的强迁移特性及对人体的危害性而被列为《国家重金属污染综合防治“十二五”规划》重点关注的五大重金属污染元素之一[1].目前,随着农田重金属污染的加重,“Cd米”事件频繁发生.如杭州复合污染区稻米中Cd、Pb等重金属超标率达89%,出现严重的“Cd米”现象[2].高Cd叶菜及高Cd、Zn可能加剧Cd在叶菜体内长期积累,也是导致人类肾衰竭的病因之一[3].虽然土壤Cd污染对水稻的生态风险受关注已久,然而现行的土壤环境质量标准已难以对不同土壤类型的不同作物种类Cd污染进行有效控制.

富含多种维生素和矿物质的叶菜类蔬菜是最易受到重金属污染的农作物品种之一[3].杜应琼等[4]研究表明,重金属铅、镉和铬对叶菜的生长和产量有显著影响,随着重金属浓度升高,叶菜中可食部分的重金属含量也成比例提高.蔬菜吸收土壤重金属受到多种环境因素影响,如pH、有机质(OC)、CEC等[5].近年来,国内外关于土壤Cd污染对蔬菜的生态风险进行了大量的试验,如蔬菜(空心菜)不同部位对Cd的富集特征[6-7]、不同种类蔬菜对Cd的吸收累积特征及其与土壤Cd全量及有效态含量的相关性[8-9]、Cd诱导胁迫的生理生化特征及Cd污染土壤的生态修复[10-13]等方面进行了大量的研究.另外在通过拟合的方程确定安全种植不同种类蔬菜的土壤Cd污染阈值方面也进行了相关研究[14-15].目前,我国许多地区的耕地受到重金属的中度污染,而叶菜类中如菠菜、芹菜、小白菜等大多数蔬菜品种均是对重金属较为敏感的作物[16],为保障农产品安全而完全不在污染土壤上种植作物的措施不适合我国地少人多的国情.因此,通过开展叶菜类蔬菜对土壤重金属Cd的富集特征及敏感性分布规律的研究,可为农产品产地环境质量评价、农产品产地安全利用提供理论与技术支持[17],为蔬菜的品质安全提供有效保障[18].该研究以南方和北方两种典型土壤(潮土与红壤)和10种常见叶菜为研究对象,通过揭示叶菜对Cd的富集特征及敏感性分布,筛选对Cd不敏感、不易吸收较高浓度Cd的叶菜品种,为无公害叶菜类蔬菜生产和农产品种植区的选择提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试土壤确定江西鹰潭红壤和天津潮土两种土壤类型作为酸性土和碱性土的代表,开展叶菜类蔬菜敏感性试验研究.供试土壤理化性质见表 1.

表 1 供试土壤中不同类型土壤理化性质 Table 1 Selected properties of tested soil samples

供试叶菜类蔬菜为10种常见叶菜.分别为苏州青油菜(Brassica campestris L.)、大叶空心菜(Ipomoea aquatica Forsk)、光杆茼蒿(Chrysanthemum coronarium L.)、结球生菜(Lactuca sativa L.)、四季小白菜(Brassica rapa L.Chinensis Group.)、大叶菠菜(Spinacia oleracea L.)、高产油麦菜(Lactuca sativa L. var. Crispa)、实心芹菜(Apium graveolens L.)、花红苋菜(Amaranthus mangostanus L.)、汉中韭菜(Allium tuberosum).

1.2 试验设计

将外源重金属Cd(3CdSO4·8H2O)分别设定为三种浓度,依次为0、0.3、0.6 mg/kg,编号对应为CK、C1、C2.根据GB 15618—1995《土壤环境质量标准》设定浓度梯度〔二级标准,pH<7.5,w(Cd)为0.3 mg/kg〕, 设定低浓度为1倍×二级标准(0.3 mg/kg,C1),高浓度为2倍×二级标准(0.6 mg/kg,C2).每个浓度梯度设置为3个重复.外源重金属按照设置的浓度与土壤混匀后进行老化,时间为2个月,温度保持在20 ℃左右.土壤老化后将土壤转移至花盆中进行盆栽试验,在每盆土壤中加入底肥,分别为尿素0.15 g/kg,磷肥0.05 g/kg〔Ca(H2PO4)2〕,钾肥0.10 g/kg(K2SO4).底肥与土壤混匀后,将15~20颗饱满菜籽直接播种在花盆5~10cm处.浇水,水分模式采用干湿交替法,开始时保持大约80%的田间持水量,自然风干后定期添加去离子水. 7 d后,进行第一次间苗,选择健壮、长势均匀的苗,每盆留苗3~10株.生长期为45~50 d,收获地上部分整株用作生物量和重金属含量测定.

1.3 测定指标 1.3.1 叶菜的生物量测定

叶菜生长过程中记录其生长情况(鲜质量、株高等),叶菜长至可食用时测定生物量,即剪取地上可食用部分,先用自来水冲洗干净,然后用去离子水冲洗3遍,用滤纸吸去表面水分后,称取鲜质量,测量株高.鲜样在105 ℃杀青20 min,然后在70 ℃烘干至恒质量(一般2~4 d),记录干质量,将植株烘干后进行粉碎过0.3 mm筛,然后装入纸袋中储于干燥器内.

1.3.2 叶菜及土壤中重金属含量测定

将采集的土壤样品混匀后用四分法缩分至约100 g.缩分后的土壤样品经自然风干后,除去土样中石子和动植物残体等异物,研磨后过0.15 mm尼龙筛,备用.准确称取1 g土样于50 mL坩埚中,采用硝酸-氢氟酸-高氯酸体系进行消解,消解后的液体定容于25 mL容量瓶中.土壤中总Cd的测定参考GB/T 17141—1997《土壤质量Cd的测定石墨炉原子吸收分光光度法》,并用标准样品进行质量控制,分析仪器为美国Varian公司AA220Z火焰-石墨炉自动切换原子吸收分光光度计.

将植物样品放入烘箱中,105 ℃杀青15 min,于70 ℃烘干.准确称取1 g植物干样于50 mL坩埚中采用硝酸-高氯酸体系进行消解,消解后的液体定容于25 mL容量瓶中.植株样品中重金属含量的测定参考GB 5009.15—2014《食品安全国家标准食品中镉的测定》,采用石墨炉原子吸收分光光度法,并用标准样品进行质量控制.

1.3.3 叶菜对重金属的物种敏感性分布拟合

根据王小庆等[29]的研究方法,利用中国农业科学院农业资源与农业区划研究所马义兵提供的SSD拟合Excel宏文件,将叶菜对Cd富集的敏感性部分做了一个初步的拟合,制作叶菜类蔬菜对Cd敏感性的分布曲线.

1.4 数据处理及统计
$\begin{align} & \rm{BCF}\mathit{=a/b} \\ & \rm{Fr}\mathit{=}\rm{1}\mathit{/}\rm{BCF} \\ \end{align}$

式中:BCF为生物富集系数;a为叶菜可食部分w(Cd),mg/kg;b为土壤w(Cd),mg/kg;Fr为累计分布频率,%.

叶菜类蔬菜对土壤Cd的富集及敏感性分析数据处理采用Excel 2010软件.

叶菜株高和鲜质量数据的差异显著性分析用LSD方法进行多重比较, 采用SPSS 3.2软件.采用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行差异显著性分析.

2 结果与讨论 2.1 土壤Cd胁迫对叶菜株高和鲜质量的影响

Cd处理对10种叶菜株高和鲜质量的影响见图 12.由图 1可见,潮土中,相比CK,w(Cd)为0.3 mg/kg时,油菜、菠菜、生菜、空心菜、苋菜、小白菜、油麦菜、韭菜株高显著上升;生菜、空心菜、苋菜鲜质量显著上升.红壤中,C1的生菜、苋菜、小白菜、油麦菜株高显著上升;茼蒿、生菜、油麦菜、韭菜鲜质量显著上升.即大部分叶菜的株高显著上升,部分叶菜鲜质量显著上升;这种低含量重金属对植物生长产生的低“刺激作用”在其他研究[19]中也有报道,原因是植物在低重金属胁迫下应激产生保护作用,通过加速生理生化活动,产生大量的代谢产物,低剂量的重金属可提高植物体内的过氧化氢酶和酸性磷酸酶等的活性,从而促进植物的生长.潮土中,相比CK,高浓度Cd下茼蒿、苋菜、韭菜、芹菜、小白菜株高显著下降.另外,C2的油菜、芹菜、苋菜、油麦菜等在成长后期均出现了生长受阻的现象,从叶心向叶脉失绿、叶片边缘失水、叶面呈现出灰白色并出现灰黄色圆斑,症状随着外源重金属Cd浓度的增加而加重.在吴琦[20]的研究中也得出空心菜在w(Cd)为0.6和0.9 mg/kg处理时生长受阻,Cd显著抑制根系生长.红壤中,w(Cd)为0.3 mg/kg时, 相比于CK,C1的生菜,苋菜,小白菜,油麦菜株高显著上升;w(Cd)为0.6 mg/kg时,相比CK,C2的油麦菜、油菜、苋菜、芹菜株高显著下降.

图 1 Cd处理对叶菜株高的影响 Figure 1 The effect of cadmium on height of vegetable plant

图 2 Cd处理对叶菜鲜质量的影响 Figure 2 The effect of cadmium on leaf fresh weight of vegetable plant

图 2可见,潮土中,w(Cd)为0.6 mg/kg时,相比CK,C2的芹菜、小白菜、油麦菜鲜质量显著下降.红壤中,相比CK,C2的茼蒿、油菜、苋菜、小白菜、油麦菜鲜质量显著下降,即抑制了植物生长. Cd胁迫会对植物生长发育造成伤害,抑制其生长.赵国华等[21]研究表明,土壤w(Cd)为1.5 mg/kg,使黑叶白菜、羽衣甘蓝等生物量显著性降低,分别减少20%、55%.有研究[22]表明,水培条件下,外源w(Cd)为0.1和0.5 mg/L时,均阻碍叶菜的生长发育,各生物量也相应降低,且随着浓度的加大影响越为显著,与该试验结果一致.

另外,由于该试验选取了不同酸碱性的两种土壤,由于土壤的理化性质不同,叶菜品种各异,不同浓度Cd处理对叶菜生长的抑制程度不同,生长抑制表现也不同.因此在一定条件下,高浓度Cd胁迫会抑制叶菜生长,株高和鲜质量均有显著变化,这将不利于农业蔬菜的种植,影响蔬菜产量.

2.2 叶菜对Cd的富集特征

试验叶菜对Cd的生物富集系数(BCF)见图 3.由图 3可见,在潮土中,将CK组10种叶菜对Cd的富集能力排序后得出,油菜的富集系数最高为0.214,茼蒿的富集系数最低为0.014,十种叶菜的平均富集系数为0.099 5;低浓度Cd胁迫下,其中油菜的富集系数最高为0.336,芹菜的富集系数最低为0.022,十种叶菜的平均富集系数为0.151,中值为0.138;高浓度Cd胁迫下,油菜的富集系数最高为0.267,芹菜的富集系数最低为0.029,十种叶菜的平均富集系数为0.146,中值为0.134.可见在潮土中,油菜对Cd的富集能力最强,茼蒿和芹菜富集能力最弱.

图 3 叶菜对Cd的生物富集系数 Figure 3 The cadmium bioaccumulation coefficient of vegetables

图 3可见,在红壤中,CK组十种叶菜对Cd的富集能力排序后得出,油菜的富集系数最高为0.931,芹菜的富集系数最低为0.103,十种叶菜的平均富集系数为0.379,中值为0.309;低浓度Cd胁迫下,苋菜的富集系数最高为1.165,芹菜的富集系数最低为0.109,十种叶菜的平均富集系数为0.617,中值为0.736;高浓度Cd胁迫下,苋菜的富集系数最高为0.949,芹菜的富集系数最低为0.117,十种叶菜的平均富集系数为0.544,中值为0.634.可见在红壤中,苋菜、油菜对Cd的富集能力较强,芹菜的富集能力最弱.由此可得出,大部分叶菜随Cd浓度的上升,生物富集系数升高,即叶菜对Cd的吸收加剧,从而导致叶菜中的Cd含量超标,在高浓度Cd条件下,叶菜中的Cd含量随即超标严重.

郑向群等[23]研究表明,在潮土中叶菜对Cr的富集能力比红壤更强.而该研究得出在红壤中典型的十种叶菜对Cd的富集能力比潮土更强,不同Cd浓度条件下,油菜对潮土和红壤的富集能力均较强,茼蒿和芹菜对潮土和红壤的富集能力较弱.陈同斌等[24]认为,蔬菜Cd的富集系数能大致反映蔬菜对Cd的吸收能力.由试验数据得出,苋菜、油菜对Cd的吸收能力较强,茼蒿和芹菜对Cd的吸收较弱,因此,可在土壤Cd浓度较高地段适当种植诸如芹菜和茼蒿类对Cd吸收较弱的叶菜更为有利,由于其叶菜可食部分的Cd含量不易超标.

叶菜对重金属的富集能力对叶菜的种植和生产的影响较大,也是后续得出阈值的基础,研究其影响因素和实际状况非常必要.文典等[25]研究表明,菜薹对重金属的富集能力顺序为Cd>Cr>As>Pb,小白菜对重金属的富集能力顺序为Cd>(Cr、As、Hg)>Pb.杨菲等[26]研究表明,小白菜可食部分对Cd的累积量随处理浓度的增加呈递增趋势,同一处理水平下,水稻土中的Pb和Cd比潮土中的更易被植物富集.研究表明,叶菜对重金属富集能力较强,与该研究结论一致.另外本试验通过测定土壤的各种理化性质与叶菜富集系数得出的叶菜的生物富集能力与不同Cd浓度、土壤类型有关,随其呈现不同程度的显著影响.另外,造成这种富集吸收差异的原因也可能受环境影响,与不同土壤质地、pH、CEC、有机碳含量以及叶菜自身的生物特性(基因)等因素有关.

2.3 叶菜对Cd的敏感性分布(SSD)

利用Burr Ⅲ函数拟合归一化到不同土壤及浓度条件下分别建立SSD曲线,表明叶菜对重金属的敏感性分布(见图 45).潮土中,w(Cd)为0.3 mg/kg时,油菜对低浓度的Cd较敏感,处于SSD曲线下段;芹菜和茼蒿对Cd较不敏感,处于SSD曲线上段;生菜和韭菜处于中等敏感程度(见图 4). w(Cd)为0.6 mg/kg时,油菜对高浓度的Cd较敏感,处于SSD曲线下段;芹菜和茼蒿对高浓度的Cd较不敏感,但空心菜比油麦菜更为敏感,生菜比小白菜敏感,韭菜比生菜不敏感(见图 5).红壤中,w(Cd)为0.3 mg/kg时,苋菜和油菜对低浓度的Cd较敏感,处于SSD曲线下段,芹菜较不敏感, 处于SSD曲线上段,茼蒿和生菜处于中等敏感程度(见图 4). w(Cd)为0.6 mg/kg时,油菜、苋菜和油麦菜对高浓度的Cd较敏感,芹菜较不敏感.但茼蒿比韭菜不敏感,油麦菜比空心菜敏感,生菜比韭菜不敏感(见图 5).由此得出,潮土中,油菜对不同浓度的Cd均敏感;芹菜和茼蒿对Cd均不敏感;红壤中,苋菜和油菜对不同浓度的Cd均较敏感,芹菜对Cd均较不敏感.油菜在潮土中更敏感,苋菜在红壤中更敏感.

图 4 叶菜在低浓度Cd中的SSD曲线 Figure 4 The SSD curve of vegetables in low concentration of cadmium

图 5 叶菜在高浓度Cd中的SSD曲线 Figure 5 The SSD curve of vegetables in high concentration of Cd

物种敏感性分布(SSD)是基于不同物种对于污染物敏感性差异提出的,王印等[27]利用物种敏感性分布(SSD)进行生态风险评价的原理与步骤,构建了淡水生物对DDT和林丹的物种敏感性分布.用多种物种建立的SSD曲线降低了不准确性,体现了不同物种间的敏感性差异[27].李波[28]基于湖南红壤和山东潮土进行了不同物种对铜毒害敏感程度比较亦证明小白菜是较为敏感的物种.王小庆[29]等研究证明Burr Ⅲ函数拟合效果稳定且精确度较高,可用于SSD构建.该研究采用了比较可靠的Burr Ⅲ函数拟合归一化到不同土壤及浓度条件下建立了SSD曲线,在前人研究的基础上得出的敏感性分布结论有实际参考应用价值.史静等[30]研究得出在两类土壤中青椒、小白菜及芥菜均较敏感,而大麦处于中等敏感程度.该研究得出在同种潮土中,除少数品种叶菜,大部分叶菜敏感性顺序较一致,芹菜、茼蒿较不敏感,油菜最敏感,处于下段;在同种红壤中,除少数品种叶菜,大部分叶菜敏感性顺序较一致,芹菜、茼蒿较不敏感,油菜、苋菜较敏感,处于下段.由此说明,在不同土壤中,不同浓度Cd条件下,对叶菜的敏感性分布都有影响,但较敏感和不敏感的叶菜在不同土壤中敏感性表现较一致.另外,不同叶菜在相同Cd浓度和土壤条件下,其敏感性也各不同;而在相同土壤中,不同浓度Cd条件下,不同品种叶菜的敏感程度表现出或相似或不同.

对不同品种叶菜对Cd的敏感性分布进行研究有利于探索不易吸收Cd的品种叶菜,对人类选择安全的可食用叶菜品种有参考价值,由于叶菜中的Cd极易让人体吸收,选择对Cd较不敏感的叶菜会降低食用风险,对人类为食品安全做出的决策具有重要意义.师荣光等[31]研究得出随着土壤Cd含量的增加,其对人体健康的风险也随之增大,当土壤Cd含量高于0.6 mg/kg时,达到重污染水平.而该研究得出w(Cd)为0.3 mg/kg时, 部分叶菜的毒害性也很大,说明Cd污染超出土壤环境质量标准二级标准后风险就开始加剧.最后得出,在潮土上,油菜和苋菜对不同浓度的Cd较敏感,芹菜和茼蒿较不敏感,韭菜和生菜处于中等敏感程度;在红壤上,苋菜和油菜对不同浓度的Cd较敏感,茼蒿和芹菜较不敏感,韭菜、生菜处于中等敏感程度.

3 结论

a)不同Cd浓度处理下,对10种叶菜的株高、鲜质量均有不同程度的显著影响,或上升或下降,叶菜生长受阻现象随着Cd浓度的升高而加重.由此得出,一般高浓度条件下,Cd胁迫会抑制叶菜生长,叶菜的株高、鲜质量显著变化;但低含量重金属会对叶菜的生长产生”刺激作用”,大部分叶菜出现株高显著上升的现象.

b)叶菜对Cd的生物富集能力,在潮土中,w(Cd)为0.3 mg/kg时,油菜的富集系数最高至0.336,对Cd的富集能力最强,茼蒿的富集系数最低至0.014和芹菜的富集系数最低至0.022.在红壤中,w(Cd)为0.3 mg/kg时,苋菜、油菜对Cd的富集能力较强,苋菜的富集系数最高至1.165,芹菜的富集能力最弱,富集系数最低至0.103.叶菜的富集能力与不同Cd浓度、土壤类型, 不同品种叶菜的生物特性(基因)、土壤阳离子交换量、pH、有机碳含量等因素都有关.

c)不同品种叶菜对Cd的敏感性:天津潮土中,油菜对不同浓度的Cd最敏感;芹菜和茼蒿对不同浓度的Cd较不敏感;红壤中,苋菜和油菜对不同浓度的Cd较敏感,芹菜对不同浓度的Cd较不敏感.因此,可在潮土中种植茼蒿和芹菜,在红壤中种植芹菜,将茼蒿和芹菜作为不易吸收较高浓度Cd的叶菜品种.

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