组配改良剂对铅胁迫萝卜营养品质及铅积累的影响

胡丽萍，周国兴，刘光敏，王亚钦，何洪巨，*

(1.北京市农林科学院 蔬菜研究中心，北京 100097； 2.农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，北京 100097； 3.北京恒源嘉达科技有限公司，北京 100080)

蔬菜含有丰富的维生素、矿质元素、膳食纤维等多种营养成分，是人类膳食的重要组成部分。但是，随着现代经济的发展，尤其是工业废水的排放、矿产开采冶炼等工业活动、污泥及劣质化肥的施用，我国土壤环境质量堪忧。2014年公布的统计数据显示，我国土壤总的污染超标率为16.1%，其中80%以上属于重金属污染[1]。铅的超标点位数占全国土壤超标点位数的1.5%，是最为突出的一种重金属元素[1]。铅进入菜田土壤后被蔬菜根系吸收并在植株体内迁移，不仅导致蔬菜品质和产量的降低，并可在蔬菜食用部位大量富集，最终通过食物链进入人体，对人类尤其是儿童的健康产生较大危害[2-3]。一些地区的蔬菜铅污染问题已不容忽视，如北京市蔬菜铅的综合超标率已高达9.2%[2]。

萝卜(RaphanussativusL.)是一种在我国广泛栽培和食用的根类蔬菜，不仅营养丰富，还具有较高的药用食疗价值。萝卜抗铅污染能力较差，易被污染[2]，如湖南长沙市萝卜铅含量超标率高达66.7%[4]，并且铅在肉质根中的积累量远高于茎叶[5-6]。因此，对于萝卜生产基地，尤其应该严防铅污染，并加强对铅污染土壤的修复。目前，有关重金属铅在萝卜体内的富集特征、铅胁迫对萝卜种子萌发、幼苗生长及生理生化特征的不利影响已有一些报道[5-8]，而如何缓解这些不利影响的研究鲜见报道。

已有的研究结果表明，本实验采用的组配改良剂对土壤中水溶态铅和镉的含量具有明显降低作用[9]，但尚不清楚其是否适用于铅污染萝卜土壤的修复。本文采用盆栽实验，针对组配改良剂对铅污染萝卜土壤的修复效果进行了研究，重点探讨了外源施用组配改良剂对萝卜食用安全性和营养品质的影响，以期为重金属铅污染土壤的蔬菜质量安全保障提供参考。

1　材料与方法

1.1　供试材料

萝卜品种选用京研红樱桃。供试土壤选取北京市大兴区蔬菜基地耕层土壤(0～20 cm)，土壤经风干、过2 mm筛后备用。供试土壤有机质含量11.70 g·kg-1，全氮0.69 g·kg-1，全盐0.48 g·kg-1，速效钾105.00 mg·kg-1，有效磷8.20 mg·kg-1，碱解氮87.90 mg·kg-1，pH值8.12，铅含量 10.63 mg·kg-1。实验所用组配改良剂来自四川大学化学工程学院，含腐殖质、磷矿粉、正铵盐和有机质等成分。

1.2　实验方法

实验于2015年4月至6月在北京夏至农业科技有限公司塑料大棚内进行。重金属铅以Pb(NO3)2的形式加入土壤。将分析纯Pb(NO3)2配成溶液，取一定量溶液加入到风干的供试土壤中，使Pb(NO3)2的施入浓度分别为800、1 200 mg·kg-1(不包括土壤铅背景值)，充分搅拌混匀。加水，再次充分搅拌，使土壤田间持水量在60%～65%，用塑料薄膜覆盖后室温下平衡20 d。之后向处理过的土壤中施入浓度分别为0、600、900、1 200 mg·kg-1的组配改良剂，混匀后装盆。每个盆装5 kg土壤，将称好的土装入25 cm×20 cm的塑料花盆中。5月4日将萝卜种子直播在盆中，每个处理重复3次。待幼苗长至3～4片真叶时进行间苗，每盆留10株，6月7日收获。

1.3　样品采集及预处理

在萝卜收获期采集其肉质根，用自来水将泥土和灰尘冲洗干净，再经蒸馏水润洗后用吸水纸将植株表面水分吸干，称量后备用。在萝卜收获后采集根系附近的土壤，用于土壤化学指标测定和土壤微生物分析。

1.4　测定方法

土壤有机质含量以重铬酸钾-硫酸消煮，硫酸亚铁滴定法测定[10]；土壤pH采用酸度计测定(水土比为2.5∶1.0)[10]。土壤微生物数量测定采用稀释平板法，细菌、放线菌和真菌培养分别采用牛肉膏蛋白胨培养基、改良高氏一号培养基和马丁孟加拉红-链霉素选择性培养基[11]。微生物总量指三者数量之和。萝卜样品铅含量采用HNO3-HClO4混合酸法消解[12]，原子吸收(石墨炉)分光光度计法测定。萝卜肉质根维生素C、可溶性糖、可滴定酸和蛋白质含量分别采用2，6-二氯靛酚滴定法、蒽酮比色法、碱滴定法和考马斯亮蓝法测定，粗纤维含量和干物质量采用质量法测定[13]。

1.5　数据统计分析

数据结果均为3次重复的平均值±标准偏差。采用Microsoft Excel 2003软件进行数据处理、制表和绘图，显著性检验(P<0.05)采用SPSS 19. 0软件运用最小差异法(least-significant difference， LSD)比较。

2　结果与分析

2.1　组配改良剂对土壤化学性质的影响

由图1-A可知，外源添加1 200 mg·kg-1组配改良剂后，800、1 200 mg·kg-1两个浓度铅处理土壤的有机质含量增幅最大，但与组配改良剂施用量为900 mg·kg-1相比差异不显著。与外源添加0 mg·kg-1组配改良剂相比，施用900 mg·kg-1组配改良剂后800 mg·kg-1铅处理土壤有机质含量增加21.32%，1 200 mg·kg-1铅处理土壤有机质含量增加25.35%，差异均达显著水平(P<0.05)(图1-A)。值得一提的是，两个浓度铅处理萝卜土壤的pH值受组配改良剂添加量的影响较小，差异不显著(P>0.05)(图1-B)。

柱上同一铅处理浓度下不同组配改良剂施用量间无相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。Bars marked by different lowercase letters meant significant difference at P<0.05. The same as below.图1　组配改良剂对铅胁迫萝卜土壤化学性质的影响Fig.1　Effects of combined modifier on chemical properties of radish soil under lead stress

2.2　组配改良剂对铅污染萝卜土壤微生物种群数量的影响

微生物是土壤中具有生命力的有机胶体，它们比表面积大、吸附及络合能力强，对重金属在土壤中的有效性具有明显的降低作用[14-15]。从表1可知，不管施用组配改良剂与否及其施用量高低，两个浓度铅污染萝卜土壤中微生物均以细菌为主，占微生物总量的83.86%～85.20%；其次是放线菌，占微生物总量的14.63%～16.05%；真菌在微生物总量中所占百分比最低，仅为0.09%～0.56%。

外源添加组配改良剂对800、1 200 mg·kg-1两个浓度铅处理萝卜土壤细菌数量(图2-A)、放线菌数量(图2-B)和微生物总量(图2-D)具有明显提升作用，但会显著降低真菌数量(图2-C)。两种浓度铅处理萝卜土壤细菌数量、放线菌数量和微生物总量在施用900或1 200 mg·kg-1组配改良剂时达到最大值，且在这两种组配改良剂施用浓度下萝卜土壤的这三个微生物指标并无显著差异(图2-A、B、D)。与未添加组配改良剂相比，施用900 mg·kg-1组配改良剂后，800 mg·kg-1铅处理萝卜土壤细菌、放线菌数量和微生物总量分别增加了43.02%、45.17%和43.12%；1 200 mg·kg-1铅处理萝卜土壤这3个微生物指标分别增加了40.69%、52.38%和41.90%，差异均达显著水平(P<0.05)。

2.3　组配改良剂对萝卜肉质根铅积累量的影响

从图3可以看出，萝卜肉质根铅富集量与土壤中铅含量成正相关，这与付庆灵等[16]的研究结果一致。与未添加组配改良剂相比，添加900 mg·kg-1组配改良剂可明显减少萝卜肉质根铅富集量，800 mg·kg-1铅处理土壤萝卜肉质根铅富集量降低了20.35%；1 200 mg·kg-1铅处理降低了27.69%，差异均达显著水平(P<0.05)(图3)。

表1铅污染萝卜土壤中细菌、放线菌和真菌在微生物总量中所占比率

Table1Proportion of bacteria， actinomycetes and fungi in total number of microorganism of radish soil under lead stress

改良剂添加量Amendmentadded/(mg·kg-1)铅处理Leadtreatment/(800mg·kg-1)细菌Bacteria/%放线菌Actinomycetes/%真菌Fungi/%铅处理Leadtreatment/(1200mg·kg-1)细菌Bacteria/%放线菌Actinomycetes/%真菌Fungi/%084.53±1.14a15.21±1.14a0.27±0.011a84.74±0.44a14.70±0.49b0.56±0.048a60085.20±0.62a14.63±0.64a0.17±0.014b84.83±0.65a14.77±0.65b0.41±0.007b90084.45±0.85a15.44±0.85a0.11±0.004c83.99±0.51a15.82±0.50a0.20±0.014c120085.06±1.42a14.84±1.42a0.10±0.003c83.86±0.54a16.05±0.55a0.09±0.010d

同列中数据不同小写字母表示同一铅处理浓度下不同组配改良剂施用量间差异显著(P<0.05)。

Data marked with different letters in each column indicated significant difference atP<0.05.

图2　组配改良剂对铅胁迫萝卜土壤微生物数量的影响Fig.2　Effects of combined modifier on microorganism quantity of radish soil under lead stress

铅含量以鲜质量计。Lead content was calculated based on fresh weight.图3　组配改良剂对铅胁迫萝卜肉质根铅积累量的影响Fig.3　Effects of combined modifier on lead content in the fleshy root of the radish under lead stress

2.4　组配改良剂对萝卜肉质根营养品质的影响

在不施用组配改良剂的情况下，1 200 mg·kg-1铅处理土壤中萝卜肉质根维生素C、可溶性糖和干物质量明显低于800 mg·kg-1铅处理土壤(图4-A、B、F)，可见土壤中高浓度铅明显降低了萝卜的营养品质。施用900 mg·kg-1组配改良剂可显著提高两种浓度铅处理土壤中萝卜肉质根这3个营养指标的含量，且与施用1 200 mg·kg-1组配改良剂无显著差异(图4-A、B、F)。与未添加组配改良剂相比，施用900 mg·kg-1组配改良剂后，800 mg·kg-1铅处理土壤萝卜肉质根维生素C、可溶性糖含量和干物质量分别提高29.34%、22.22%和17.09%，差异均达显著水平(P<0.05)(图4-A、B、F)；1200 mg·kg-1铅处理土壤萝卜肉质根这3个营养指标分别提高34.03%、23.88%和25.66%，差异也均达显著水平(P<0.05)(图4-A、B、F)。施用组配改良剂对两种浓度铅处理萝卜肉质根可滴定酸含量无显著影响(图4-C)。

与上述4个营养指标不同，在不施用组配改良剂的情况下1 200 mg·kg-1铅处理土壤中萝卜肉质根粗纤维和蛋白含量明显高于800 mg·kg-1铅处理土壤(图4-D、E)。高浓度重金属导致植株体内积累粗纤维和蛋白在叶类蔬菜中已有相关报道[17]。与未添加组配改良剂相比，添加900 mg·kg-1组配改良剂可明显减少萝卜肉质根粗纤维和蛋白质含量，且降低幅度与施用1 200 mg·kg-1组配改良剂无显著差异，800 mg·kg-1铅处理土壤萝卜肉质根粗纤维和蛋白质含量分别下降了22.67%和26.89%，差异均达显著水平(P<0.05)；1 200 mg·kg-1铅处理土壤萝卜肉质根粗纤维和蛋白质含量分别下降了26.50%和31.87%，差异也均达显著水平(P<0.05)(图4-D、E)。

维生素C、可溶性糖、蛋白质含量均以鲜质量计。Contents of vitamin C， soluble sugar and protein were calculated based on fresh weight.图4　组配改良剂对铅胁迫萝卜肉质根营养品质的影响Fig.4　Effects of combined modifier on nutritional quality of fleshy root of radish under lead stress

3　讨论

农产品是人们日常生活中的必需品，其质量安全是关系到国计民生、社会稳定的重大问题，而土壤重金属污染是导致农产品安全隐患的重要影响因素之一。越来越多的研究表明，农作物从土壤中吸收重金属的量并非由土壤中重金属全量决定，而主要取决于土壤中有效态重金属的量[18-19]。研究表明，土壤中有效态重金属的含量不仅与土壤pH值及有机质含量有关[19-21]，同时还受土壤微生物数量及种类的调节[14-15]。在同一重金属浓度下，水稻土中萝卜根的镉含量是潮土中的2.26倍，铅含量是潮土中的21.58倍[6]，充分说明了土壤性质对重金属毒性强弱的巨大影响。

重金属污染土壤中有机质含量对重金属元素的有效性具有重要影响[20]。童方平等[22]通过盆栽实验研究了鸡粪、牛粪和猪粪3种有机肥对污染土壤中铅的形态及其有效性的影响，结果表明，不同类型有机肥的施用促使易被植物吸收的离子交换态、碳酸盐结合态铅向不易被植物吸收的铁锰氧化物结合态、有机硫化物结合态和残渣态铅转化，从而显著降低了重金属铅的生物活性。王坤等[23]分别向土壤中添加2%、4%和6%的有机质，发现随着外源有机质添加量的增加，土壤中有效态镉含量逐渐降低，龙葵植株地上、地下部镉积累量相应降低。李雪芳等[24]的研究表明，土壤中有效态镉、砷的含量与小白菜、小青菜食用部位镉、砷富集量分别呈正相关关系，而土壤有机质含量与2种蔬菜对镉、砷的富集能力均呈负相关关系。这些研究结果表明，有机质可通过吸附、螯合等作用与镉、铅、铜、汞、砷等重金属形成难溶性金属有机络合物，从而降低了它们的生物可利用性[20，25-26]。本实验结果表明，在800、1200 mg·kg-1两个浓度铅处理土壤中添加900 mg·kg-1组配改良剂使萝卜土壤的有机质含量分别提高21.32%和25.35%，且对土壤pH值无显著影响。

根系区域的微生物除了可以为植物提供营养物质，还可以降低污染土壤中重金属的生物有效性[14-15]。本实验结果表明，施用900 mg·kg-1组配改良剂可明显提高铅污染萝卜土壤细菌、放线菌数量和微生物总量，其原因可能是外源添加组配改良剂后土壤有机质含量增加，增加的有机质能够直接供给微生物生长所需的碳素营养[27]。本实验中，在800、1200 mg·kg-1铅处理土壤中施用900 mg·kg-1组配改良剂后，萝卜肉质根铅含量分别降低了20.35%和27.69%，萝卜的食用安全性显著提升。

铅胁迫对萝卜的毒害是多方面的，如会对萝卜的根系、光合系统、细胞膜系统及活性氧代谢系统造成一定的伤害，并可导致萝卜基因组DNA甲基化程度的改变[7，28-30]，从而对萝卜植株的生长发育和营养品质产生不利影响[16，31]。本实验发现，外源添加900 mg·kg-1组配改良剂后，800 mg·kg-1铅处理土壤种植萝卜肉质根维生素C、可溶性糖和干物质量分别提高了29.34%、22.22%和17.09%；1 200 mg·kg-1铅处理土壤种植萝卜肉质根这3个营养指标分别提高34.03%、23.88%和25.66%，明显提高了萝卜的营养品质。

综上所述，外源添加组配改良剂可使重金属铅污染土壤种植萝卜的食用安全性及营养品质得到明显提升，其原因可能是施用该改良剂后土壤有机质含量及微生物数量明显增加，增加的有机质和微生物可改变铅在土壤中的形态，从而降低了土壤中重金属铅的生物可利用性。

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