不同农作物对镉污染土壤富集情况的研究

张 磊，邢玉权

(1.唐山学院 土木工程学院，河北 唐山 063000；2.中节能大地环境修复有限公司，北京 100000)

土壤作为人类活动的基本场所，为人类的生存和发展提供了重要资源，但也是污染物容易聚集和传播的场地。2016年5月国务院正式发布了《土壤污染防治行动计划》，将土壤污染防治作为生态文明建设的重要举措之一。在土壤污染问题中，重金属污染问题尤为突出，尤其是20世纪以来，随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，土壤重金属污染问题日益严重[1]。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示：土壤重金属污染以镉、汞、砷、铜、铅等8种重金属为主[2]，其中镉是对植物和动物毒性最强的痕量重金属元素之一。镉是植物生长的非必需元素，当其进入作物体内并积累到一定程度时，作物就会表现出毒害症状，造成产量和质量下降。人食用该种作物后，镉被人体吸收，主要分布于肝和肾中，如积累过量，会对肾脏会造成巨大伤害，并损坏人体的神经系统、免疫系统和骨骼系统[3]。因此，镉是农田土壤重金属污染最为广泛和农作物可食用部分超标最为显著的重金属元素，一直是土壤和农作物重金属污染研究的重点和难点。

本次研究针对镉污染土壤，采集其上种植的谷物类、块根类、坚果类、水果类、蔬菜类5大类农作物，分别比较土壤中镉总量、镉有效态含量与农作物可食用部分中镉含量的关系，对不同类农作物的镉富集情况进行对比，并对同种作物不同部位的镉吸收富集情况进行比较，为镉污染土壤种植作物的选择及土壤的植物修复提供技术参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本研究采用大田试验的方法，对四川省某矿山镉污染地区的土壤及其种植的作物进行实地采样，其中有玉米、香蕉、白菜、芋头、花生等多种农作物样本，采样时间为2018年3至10月。将土壤和农作物样本进行风干，并于75～80 ℃烘箱中烘干，磨细过1 mm筛，于样品采集保存瓶(如图1所示)中密封保存。

图1 土壤及农作物样品采集保存瓶

1.2 试验方法

土壤及农作物体内镉含量的测定方法见表1。

表1 样品重金属分析方法

2 数据结果与分析

2.1 土壤镉总量与有效态含量关系

土壤中重金属总量可以作为环境污染的重要标志，但不能真正反映其潜在的生态危害性[4]，重金属的生物毒性不仅与其总量有关，而且在很大程度上由其形态分布所决定。不同形态产生不同的环境效应，直接影响到其毒性、迁移及在自然界中的循环[5]。对于土壤中重金属形态目前还没有统一的分类方式，常见的是将其划分为生物有效态、碳酸盐结合态、铁-锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态5种形态，其中生物有效态对环境变化敏感，易于迁移转化，能被植物吸收，反映重金属生物毒性作用[6]。因此，本研究对土壤中镉的总量及有效态含量分别进行测定和统计分析，结果如图2所示。

图2 土壤镉总量与有效态含量关系图

从图2中可以看出，研究区域的土壤中镉有效态含量随着镉金属总量的增加而增加，二者具有较好的正相关关系，相关系数为0.424 4，说明土壤中重金属有效态含量受总量变化的影响。

2.2 土壤镉总量与农作物可食用部分镉含量关系

本研究选择农作物样品采集数量较多的玉米、芋头、香蕉、白菜、花生几种作物作为研究对象，其分别对应于谷物类、块根类、水果类、蔬菜类、坚果类5大类农作物，分析比较土壤中镉总量与农作物可食用部分中镉含量的关系，如图3所示。

图3 土壤镉总量与农作物镉含量关系图

由图3可知，5类农作物的土壤中镉金属总量与农作物中镉金属含量均不成正相关关系，多数农作物镉金属含量上限通常有一个“阈值”，农作物镉金属含量值多数分布在该“阈值”之下。所测定的5类农作物玉米、芋头、香蕉、白菜、花生的“阈值”分别为0.62 mg/kg，1.18 mg/kg，0.47 mg/kg，0.87 mg/kg，0.78 mg/kg，农作物镉金属含量并不随着土壤镉金属总量的增加而增大，与农田土壤中镉金属总量没明显关系。

分析原因，镉的化学性质活泼，在土壤中的存在形态与土壤的理化性质比如pH值、有机质含量、土壤酶的活性等多种因素有关，尤其是pH值，是影响重金属形态的重要因素。本研究区域的土壤pH值在7.8～8.5之间，为碱性土壤。在镉的各种存在形态中，植物可以利用的主要是土壤中镉的水溶态和可交换态，二者通常被称为有效态，相关分析研究表明，土壤中有效态重金属含量随着pH值的升高而减少，呈极显著负相关，而碳酸盐结合态和铁锰化合物结合态重金属与pH值呈正相关[7]；另有研究表明，在碱性土壤中镉的存在形态多以碳酸盐结合态(CdHCO3+)形式为主，其他的存在形态相对较少[8]，此种形态主要分布于土壤固相之中，难以被植物利用。因此，本研究对土壤中镉有效态含量与农作物体内镉含量需要进一步测定，以确定土壤中镉有效态含量与农作物可食用部分镉含量的相关关系。

2.3 土壤镉有效态含量与农作物可食用部分镉含量关系

在对镉有效态含量与农作物可食用部分镉含量关系进行分析时，由于香蕉、白菜、花生采集的有效数据较少，因此选用样本数据较多的玉米和芋头两类农作物进行分析，结果如图4所示。

通过图4可以发现，土壤中镉有效态含量与农作物中镉含量不成正相关关系，但是玉米和芋头中镉含量上限均有一个“阈值”，这点和土壤中镉总量与农作物中镉含量的关系一致。

图4 土壤镉有效态含量与玉米、芋头镉含量关系图

一些文献曾得出土壤有效态重金属含量与作物体内重金属含量成正相关关系的试验结果[9]，但是本研究并不能得出此结论。分析原因，目前土壤中重金属的生物有效性评价在国际上还没形成一个统一的标准[8]，本次对镉有效态的测定采用了较常用的石墨炉原子吸收分光光度法(GB/T 23739-2009)，但是各种测定方法都要受到土壤理化性质的影响，都存在一定的使用范围及局限性，并且在有效态的测定过程中存在重金属再吸收再分配过程，因此导致试验研究的结果各异；另外，本研究是对作物果实部分重金属含量进行分析比较，而植物的不同部位对重金属的富集情况不相同，这也是不能得出正相关关系的原因之一。

分析农作物可食用部分镉含量呈现出“阈值”的原因可能有两个：一是农作物吸收重金属镉可能存在特定的机制，即作物体内重金属积累到一定程度含量就不会随着土壤重金属含量的增加而继续增大，但这一论断还有待进一步试验证明；二是富集时间的影响，农作物可食用部分吸收重金属镉的过程是随时间积累的过程，由于农作物可食用部分生长周期不会超过1年，在有限的生长周期中对重金属镉的吸收量也是有限的。

2.4 不同种类农作物镉富集情况比较

本研究统计了5类农作物的可食用部分镉富集系数，并取各类作物富集系数的平均值进行比较分析，结果如表2所示。

表2 5类农作物镉富集系数比较

从表2可知，对于金属镉的富集能力：块根类>坚果类>新鲜蔬菜类>水果类>谷物类。分析原因，作物的各个部位对重金属的富集能力不同，根部与土壤的接触面积最大，重金属通过作物的根部吸收后被转运到其他各个部位，本研究测定的坚果类作物花生、块根类作物芋头均生长在土壤中，因此二者的可食用部分镉的富集系数较高。另外通过比较数据结果可以看出，镉在如玉米、香蕉类作物体内从根部到可食用部分的转运路径越长，可食用部分的镉的含量越低，其在作物体内的分布一般为根>茎>叶片(或果实)。

3 讨论与结论

土壤中有效态重金属镉含量随着土壤中镉总量的增加而增加，且具有较好的正相关关系，但是农作物植株内的重金属镉含量与土壤镉总量和有效态含量均不成正相关关系，多数农作物重金属镉含量上限通常有一个“阈值”，农作物镉含量值多数分布在该“阈值”之下。

果实位于土壤内的作物，可食用部分对重金属的富集能力最强，因此在镉污染严重地区种植作物时，建议减少块根类、蔬菜类以及花生等坚果类作物的种植，如果有适宜的生长条件，尽量选取果树作物，以保障农产品的安全。