不同类型土壤-小白菜中Hg转移的主控因素和预测模型

高 艺，郑向群，杨 波

（农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191）

Hg是一种毒性极强的污染物，会造成全球环境和人类健康风险[1]。作为全球污染物关注的重点，Hg是最毒污染物之一，它能通过生物积累和生物识别机制导致不利的生态和毒理学影响[2]。高等植物中的Hg积累导致生物量减少和细胞功能改变，这可能导致相关的人类健康风险[3]。

蔬菜是人类主要食物来源之一，蔬菜Hg污染日益受到人们的关注[4]。胡昌弟等[5]对湖南省部分地区蔬菜基地进行抽检，其中浏阳、株洲抽检的21批蔬菜中Hg、As、Pb全部超标。郑顺安等[6]深入研究后发现叶菜类蔬菜对重金属Hg的富集一般要大于根茎类和茄果类，在叶菜类中又以小白菜对Hg的富集作用较强。刘泓等[7]综合评价了福州市郊蔬菜地土壤Hg污染，结果表明福州市郊蔬菜地土壤Hg平均含量为0.79 mg·kg-1，土壤Hg含量超标率达77%。程炯等[8]在福建省沿海地区不同用地土壤重金属污染研究中发现；Hg是最严重的菜园地污染重金属。曾希伯等[9]对中国不同类型的菜地土壤Hg含量进行分析，结果表明工矿/污灌菜地土壤Hg含量最高，平均含Hg量达2.36 mg·kg-1。另外，考虑到小白菜在我国栽培十分广泛，南北各地都有分布，因此选择小白菜作为本次试验的研究对象。

植物吸收金属的能力主要通过测定植物的重金属含量或从土壤到植物的金属转移因子来评估[10]。从土壤到植物的Hg转移因子主要取决于其在土壤中的生物有效性。土壤重金属生物有效性受到重金属元素形态和环境因子的影响，也与土壤理化性质如pH、有机物（OM）含量、土壤质地、阳离子交换量（CEC）以及Fe、Al氧化物和硫酸盐含量有很大关系[11]。已有学者提出仅根据重金属总浓度进行风险评估通常会导致对实际风险评估的不准确[12]。土壤重金属总量可以反映土壤污染状况，但并不足以预测重金属在土壤-蔬菜系统中的迁移转化及通过食物链对人体造成的健康风险。因此风险评估应考虑重金属的生物有效性而不是仅考虑重金属的总含量。目前，针对农业的大多数土壤质量标准没有充分考虑土壤性质对作物吸收汞效率的影响，并且各标准在不同国家之间有很大差异[13]。之前的研究通常集中在Hg的土壤-植物转移微观特征，然而这些研究中的土壤类型和取样区域通常仅限于较小的范围，而我国是一个跨越了热带气候带、亚热带气候带和温带气候带等5种气候类型的国家，主要的土壤发生类型可概括为红壤、棕壤、褐土、黑土、栗钙土、漠土、潮土（包括砂姜黑土）、灌淤土、水稻土、湿土（草甸、沼泽土）、盐碱土、岩性土和高山土等12系列，因此进一步开展Hg在土壤-蔬菜系统中的迁移转化研究，并根据结果开发预测模型，是评估复杂土壤类型中Hg污染风险的关键[14]。因此，本研究选取全国具有代表性的18种土壤类型，通过对土壤添加外源Hg，并种植蔬菜（小白菜），探究不同土壤中控制小白菜吸收累积Hg的主要因素，推导出的适用于各种土壤环境的Hg转移模型将会具有更广泛的代表性。

1 材料与方法

1.1 土壤样品

在全国各地采集了18种不同理化性质的土壤，涵盖了10种不同土壤类型。每个样本点使用不锈钢铲采取土壤剖面顶部20 cm土壤样品，将土壤彻底混合带回实验室后室温下风干，研磨过2 mm筛，用于小白菜种植。各理化性质采用常规分析方法测定。18个土壤样品的物理和化学特征如表1所示。

1.2 实验设计

盆栽实验在天津市农业农村部环境保护科研监测所大棚内进行。外源Hg[介质为Hg（NO3）2·1/2H2O]添加设置3个处理：对照处理（CK），不向土壤中添加外源Hg；低Hg处理，将0.3、0.5、1 mg·kg-1Hg分别加入pH＜6.5、6.5＜pH＜7.5和pH＞7.5的土壤中；高Hg处理，分别在酸性、中性和碱性土壤中加入0.6、1、2 mg·kg-1Hg。盆栽实验在聚乙烯塑料桶中进行，每盆5 kg土。按设计浓度添加外源Hg溶液后，保持75%的田间持水量，置于玻璃温室老化90 d。为了确保小白菜的正常生长和发育并排除营养缺乏的可能影响，播种前所有处理施用相同量的氮、磷、钾底肥，尿素0.15 g·kg-1、Ca（H2PO4）20.05 g·kg-1、K2SO40.10 g·kg-1。以上供试化学物质都是分析性试剂（AR）等级。将底肥与老化土壤混匀后，选择10颗饱满种子直接播种于桶表层，再覆上一层干土，生长一周后间苗，选择长势茁壮均匀的苗，每盆根据小白菜大小保留3株左右。小白菜生长期间隔日添加去离子水。小白菜生长期一般30～35 d，成熟后收获地上部分。供试小白菜为四季小白菜（Brassica chinensis），种子购于天津市农科院。盆栽实验设定3个重复。

1.3 土壤与植物分析

老化3个月后，收集土壤样品，风干，研磨过100目筛，土壤中总Hg含量用王水消化（GB/T 22105.1—2008）进行分析。具体方法为称量0.25 g土壤样品加入50 mL玻璃具塞比色管中，再加入10 mL王水静置一夜，添加超纯水定容到50 mL，然后置于消煮炉100℃消解，冷却后，取上清液测定其中总Hg含量。

在收获时，小白菜的可食用部分首先用自来水洗涤，然后用尼龙刷在去离子水中轻轻擦洗以除去粘附的土壤，最后用从Milli-Q系统获得的超纯水彻底冲洗。记录鲜质量后将小白菜样品在105℃下杀青30 min，然后置于75℃下干燥至恒质量。使用Retsch-研磨机（GM200，Germany）将样品粉碎完全后装入自封袋内备用。根据中国国家食品安全标准（GB/T 5009.17—2014）食品中总Hg和有机Hg的测定方法，在高压密封消解容器中用HNO3∶H2O2（4∶3）消化可食部分，冷却后，取上清液测定其中总Hg含量。

为保证分析质量，样品消解以及上机测定过程中带有菠菜标准物质（GBW10015）和土壤标准物质（GSS-27、GSS-28）进行质量控制。测Hg所需玻璃器皿均用20%稀硝酸浸泡24 h以上。

表1 供试土壤理化性质Table1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.4 数据分析

生物富集系数（BCF，也称为转移因子、累积因子、富集因子）用于评估金属从土壤到植物的转移潜力，并可在一定程度上消除区域环境差异[15]。其计算式为：

式中：BCF为小白菜的生物富集系数；C、Q分别为小白菜地上可食部分和土壤中Hg含量。

转移方程是Freundlich扩展方程的一种，常被用来分析微量元素在土壤-植物系统内的迁移特征，其计算方程为：

式中：a为各环境因子系数；X为土壤基本理化性质（土壤有机质、粒度、土壤阳离子交换量等）。

实验所用数据采用3次重复的平均值+标准差。用统计软件包SPSS 18.0和SigmaPlot 10.0分析数据，采用Origin Pro 9.1进行数据绘图。由于数据为非正态分布，所有数据在分析之前进行对数转换（pH除外）。

2 结果与分析

2.1 18种土壤不同Hg浓度处理对小白菜地上可食部分生物量的影响

不同土壤及Hg浓度处理对小白菜鲜质量的影响不同（图1）。在CK组中，新疆灰漠土小白菜鲜质量最大为52.35 g，海南砖红壤鲜质量最小为0.83 g，平均为16.35 g；低浓度下，新疆灰漠土小白菜鲜质量最大为50.91 g，广东江门红壤鲜质量最低为0.88 g；高浓度下，陕西垆土鲜质量最大为53.64 g，广东江门红壤鲜质量最低为0.58 g。外源重金属Hg处理下，与CK组相比，湖南水稻土、云南黄红壤、新疆灰漠土等土壤环境下，小白菜受重金属浓度变化的影响较为显著，生物量均有下降，其中湖南水稻土、新疆灰漠土高浓度Hg处理下生物量分别下降67.1%、41.1%。而黑龙江黑土、陕西垆土、河南潮土等土壤环境下小白菜鲜质量显著增加，其中河南潮土低浓度和高浓度处理下分别增加177.1%和314.5%。

图1 18种土壤不同Hg浓度处理下小白菜的地上可食部分生物量Figure1 Biomass of edible parts of Brassica chinensis on the ground under different Hg treatments in 18 soils

图2 不同Hg浓度处理下小白菜地上可食部分的Hg含量Figure2 The content of Hg in edible parts of Brassica chinensis under different Hg treatments

2.2 不同土壤类型及Hg处理对小白菜Hg含量及富集系数的影响

不同土壤及Hg处理对小白菜可食部分Hg含量影响不同（图2）。根据中国国家食品卫生标准（GB 2762—2012），蔬菜中总Hg的最大限量值为0.01 mg·kg-1，供试土壤中CK处理小白菜Hg含量均未超标，低浓度处理有16.7%的土壤超标，高浓度处理下有33.3%的土壤超标。结果表明，当土壤Hg浓度超过土壤标准时，小白菜可食部分的Hg浓度不一定超过食品卫生标准。因此，目前的国家土壤质量标准可能高估了小白菜生产的相关风险。其中，CK土壤中小白菜Hg含量最高的是广东江门红壤（0.009 2 mg·kg-1），黑龙江黑土最低（0.006 0 mg·kg-1），CK土壤中小白菜Hg含量平均值为0.002 8 mg·kg-1。低浓度处理下，Hg含量最高的是安徽黄棕壤（0.027 5 mg·kg-1），最低值为黑龙江黑土（0.000 2 mg·kg-1），低浓度Hg处理土壤小白菜Hg含量平均值为0.005 7 mg·kg-1，是相应CK组的2倍。在高浓度处理下，Hg含量最高为安徽黄棕壤（0.021 5 mg·kg-1），最低值为黑龙江黑土（0.000 4 mg·kg-1），高浓度Hg处理土壤小白菜Hg含量平均值为0.007 0 mg·kg-1，是相应CK组的2.5倍。

外源Hg处理下不同类型土壤中小白菜可食部分Hg的BCF不同（图3）。由于CK处理中土壤背景Hg浓度与外源添加相比低得多，大部分土壤中添加外源Hg的处理BCF显著降低。然而，对于大多数土壤，低Hg和高Hg处理之间BCF的差异可以忽略不计。在CK组中，新疆灰漠土对Hg的富集能力最强为0.039 7，湖北咸宁水稻土对Hg的富集能力最差为0.002 7，小白菜的平均BCF为0.013 4。在低Hg和高Hg处理下，安徽黄棕壤中小白菜对Hg的富集能力均最强，分别为0.108 1和0.444 3，而黑龙江黑土中小白菜对Hg的富集能力均最差，分别为0.000 7和0.001 2。低Hg处理下小白菜的平均BCF为0.018 3，高Hg处理下为0.015 1。广东江门红壤（pH=4.91）和宁夏高钙土（pH=8.89）两种土壤虽然pH相差3.98，但BCF差异不显著。这可能是由于两土壤OM（46.32 g·kg-1和3.31 g·kg-1）、黏粒（39.94%和12.52%）和游离的铝氧化物（1.37 g·kg-1和0.31 g·kg-1）之间的差异所造成的。

图3 不同Hg浓度处理下小白菜地上可食部分的生物富集系数Figure3 Bioconcentration factors in edible part on the ground of Brassica chinensis under different Hg treatments

2.3 Hg从土壤转移到小白菜的预测模型

模型的预测可以很好地体现土壤理化性质对叶菜富集Hg的影响，为今后土壤-叶菜重金属阈值研究提供了基础。利用SPSS 18.0逐步回归，拟合18种土壤理化性质（pH、OM、CEC、AlOx、TN、TK、黏粒等）和小白菜生物量与小白菜BCF的关系，结果如表2。

可以看出，logBCF与土壤的pH和OM呈显著的负相关。其他因子如CEC、EC、AlOx等未能显著改善方程性能因此将其排除。通过将测量的小白菜BCF和相应计算得出的BCF作图来确定预测模型的准确度（图4）。模型1和模型2预测和测量的BCF值之间的比率都在2倍的间隔内并且接近1∶1的关系，但模型1相比模型2有更多的点落在95%的置信区间内，因此我们选取模型1作为最优的预测模型。

表2 小白菜Hg的富集系数逐步回归方程Table2 Stepwise regression equation for the enrichment factor of Hg in Brassica chinensis

图4 模型1和模型2实测BCF和预测BCF之间的相关性Figure4 Correlation between model 1 and model 2 measured BCF and predicted BCF

3 讨论

本研究中全国18种土壤上种植的小白菜在CK土壤中Hg含量全未超标，低浓度处理下，有16.7%的土壤中小白菜Hg含量超标，高浓度处理下，有33.3%超标。但是未超标的土壤中如湖南水稻土和新疆灰漠土等，在高Hg条件下，小白菜的生物量显著下降，表明Hg污染会在一定程度上诱导地上部产生生理毒害作用。土壤Hg污染对小白菜的毒性机制之一是产生氧化胁迫，当Hg的浓度过高时，小白菜体内的膜脂过氧化加剧，膜结构受损程度加深，此外高Hg环境下，Hg进入小白菜体内之后与巯基结合，能直接降低小白菜体内的抗氧化酶活性，使小白菜出现了肉眼可见的毒害作用。在黑龙江海伦黑土和浙江嘉兴土等未超标土壤上，添加Hg没有效果，甚至刺激了小白菜的生长，可能原因是小白菜在低浓度Hg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Hg可提高小白菜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[16]。Pérez-Sanz等[17]也发现了类似的结果，他们在两种土壤上种植白玉草后发现外源添加Hg对植物没有显著影响，低Hg和高Hg处理之间植物生长没有显著差异。另外，CK处理和高低浓度Hg处理下，红壤的小白菜生物量都是最低，Ding等[10]在江西红壤和山东潮土上种植根茎类蔬菜的研究中也有类似结论，红壤上4个胡萝卜品种的生物量全低于潮土。这可能是因为酸性土壤中矿质元素铝的毒害和磷、钙、镁的缺乏限制了作物的生长，在酸性条件下（pH＜5）原固定于晶格中的铝可逐渐解离并以离子态Al3+的形式释放到溶液中，在小白菜幼苗期间抑制根细胞的伸长与分裂，影响根系发育和对水分的吸收，从而对小白菜地上部分产生抑制作用。这些研究结果表明，与其他易于转移的重金属如Cd相比，Hg可能更加倾向于生态风险评估而不是对受Hg污染的农业土壤中生长的小白菜进行食品安全评估。未来需要更多毒理学实验来进一步探索与Hg植物毒性相关的土壤因素。

图5 pH对小白菜地上可食部分Hg含量的影响Figure5 Effect of pH on the content of Hg in edible parts of Brassica chinensis

图6 OM、CEC、AlOx对小白菜BCF的影响Figure6 Effect of OM，CEC and AlOxon BCF of Brassica chinensis

土壤中重金属的生物有效性对植物吸收和积累的重要性要超过土壤中总的金属浓度[18]。大量研究表明，许多因素会影响土壤中重金属的生物有效性，包括土壤pH、OM、CEC、作物栽培品种和植物年龄。不同添加Hg水平下小白菜可食部分Hg含量与土壤pH及BCF与OM、AlOx、CEC的关系如图5、图6所示。由图5可知，当6.5＜pH＜7.5时，随着pH的上升，小白菜可食部分Hg含量呈降低趋势，而当pH＜6.5和pH＞7.5时，则呈现非线性关系。土壤pH通常被称为主土壤变量，因为它控制金属固相的溶解和沉淀、金属离子的络合和酸碱反应以及金属吸附[19]。pH变化的直接影响是它对土壤溶液中Hg形态的影响，土壤酸化导致简单的离子态的Hg溶解增加，以及生物利用率的相应增加[20]。pH不仅通过影响重金属化合物在土壤溶液中的溶解度从而影响重金属的行为，还可通过影响土壤颗粒表面交换性能而影响其有效性。一般来说，酸度较高即pH越低的土壤，越有利于Hg化合物的溶解，土壤Hg的生物有效性越高。土壤pH值增高，土壤固相Hg的吸附量和吸附能力加强，生成沉淀，从而Hg的生物有效性降低[21]。有关学者研究指出，在酸性条件（pH=3～5）下，由于Hg的氢氧化物形式比HgCl2形式更易被吸附，Hg的氢氧化物浓度随pH增大而呈指数升高，土壤中吸附的Hg2+含量提高，土壤Hg的生物有效性降低[22]。但也有学者[23]表明，在pH＞8条件下，Hg2+与OH-形成的络合物溶解度很大，提高了Hg的迁移率。

从图6可以看出，外源添加高、低浓度Hg的土壤中，黑龙江黑土对小白菜的BCF都为最低，这与其土壤中有机质含量最高有很大关系。有机质对Hg具有较强的富集能力，有研究表明，土壤有机质增加1%，Hg的固定率提高30%[24]。土壤有机质组成中与Hg结合的主要是腐殖质，尽管土壤中腐殖质含量很低，但与Hg元素有极强的螯合力，因此对土壤中的Hg表现出极大的亲合性[25]。AlOx、CEC与小白菜的BCF之间没有显著的相关性，表明这些因素对Hg的生物有效性的影响较小。本研究中，在低pH酸性土壤观察到的BCF平均要高于在碱性土壤上的BCF，而在有机质含量最高的黑龙江黑土上得到了最低的BCF值，这些发现与之前的结果一致，Ding等[10]得出了21个土壤上土壤Hg浓度、pH值和AlOx含量是对胡萝卜中Hg浓度直接影响的三个最重要的变量。

土壤矿物是土壤最基本的物质成分，一般约占干物质量的95%以上，是土壤最基本的物质成分。不同土壤类型对Hg吸附能力为黏土＞壤土＞砂土。典型的土壤矿物吸附剂主要有黏土矿物和铁锰氧化物。黏土矿物对Hg的吸附能力为伊利石＞蒙脱石＞高岭石。西班牙Almadén汞矿区炉渣中的Hg与Fe-Mn之间存在正相关性，反映了汞与铁锰氧化物的结合[26]。此外硫化物还是良好的汞吸附剂，Hg2+甚至能夺取土壤中FeS或CaS中的S2-生成稳定的HgS。Hg2+是参与土壤吸附解析的最主要形态，研究表明[23]Hg2+对S2-以及有机配体的还原性巯基团有很强的亲和性，可形成稳定的复合物，降低Hg的生物有效性。

制定科学合理的Hg污染土壤管理策略最重要的是如何估算人类从作物消耗中摄入的Hg。为此，开发描述从土壤到作物的Hg转移模型至关重要。目前已经开发出经验模型和机械模型来描述土壤到作物的重金属转移过程[27]。自由离子活动模型[28]和生物配体模型[29]等由于提取分析土壤溶液方法复杂并且尚未标准化、植物毒性终点不确定等在实际应用当中仍需要进一步改进。而Freundlich型土壤-植物转移关系的一个优点是其简单性和适用性。大多数方程可使用土壤调查中获得的变量，例如总金属含量、pH、OM或Fe/Al氧化物。但是，这些方程不可用于金属浓度超出回归分布范围的土壤[30]。

在本研究中，通过多级逐步回归研究了土壤中小白菜的两个添加水平的预测模型，以检测小白菜吸收Hg与土壤pH、OM、CEC和AlOx之间的关系。在不同的Hg水平下，模型1和模型2之间没有显著差异。其他研究者先前也采用了类似的预测方法，通常应用对数转换的Freundlich模型，如表3。Ding等[10]研究了21种全国土壤中Hg在胡萝卜中的积累和转移以及胡萝卜与土壤Hg含量与土壤总Hg含量、pH、AlOx的关系。Hu等[31]研究了从广泛的我国土壤到玉米粒（栽培品种郑单958）的Hg转移特征，结果表明，土壤pH值是影响土壤中Hg向玉米粒转移的最重要因素。杨玉峰等[32]研究中国长江三角洲快速工业化地区土壤Hg在水稻中的积累和转移，以及水稻Hg含量与土壤总Hg浓度、pH、OM的关系，结果表明水稻Hg含量与土壤pH、OM显著相关。而Rodrigues等[33]研究9种植物Hg含量与土壤中Hg含量和pH并无明显相关性，可能是这9种植物来自同一矿区，土壤的pH值范围太窄。

本研究中的预测模型可用于通过小白菜消耗来计算区域人类对Hg的吸收暴露。除了土壤中Hg的有效性之外，在处理风险评估时还需要考虑蔬菜品种之间的差异[34]。本实验的结果对田间条件的评价和对不同品种的适应仍需要进一步研究。

表3 文献中Hg从土壤转移到植物中的预测模型Table3 Predictive models for the transfer of mercury from soil to plants in the literature

4 结论

（1）不同土壤理化性质、不同浓度Hg处理对小白菜生长表现出多样性，或促进（黄棕壤、黑土、垆土、潮土）、或抑制（灰漠土、湖南水稻土）、或没有显著影响（红壤、砖红壤）。

（2）通过逐步回归分析得出，pH和OM是影响Hg从土壤转移到小白菜中最重要的两个变量。酸性土壤安徽黄棕壤表现出最高的BCF，而有机质含量最高的黑龙江黑土在21种土壤中表现出最低的BCF。