杭州市主要农作物对镉的富集差异及其影响因素

石一珺，徐颖菲，倪中应，王京文，李丹，章明奎*

(1.桐庐县农业和林业技术推广中心，浙江 桐庐 311500； 2.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058;3.杭州市植保土肥总站, 浙江 杭州 310020)

土壤是农产品中重金属的主要来源[1-2]。众多研究表明，土壤污染的加剧可增加农产品中重金属的积累[2-3]。但土壤污染程度并非是影响农作物吸收重金属的唯一因素，农产品吸收土壤中重金属的数量可因土壤性状、农作物种类的不同而发生变化[4-6]。富集系数是指植物某一器官与生长土壤中特定重金属元素含量的比值，可反映作物对土壤中重金属元素的吸收能力[7]。有人根据农作物对不同重金属吸收富集的差异，把植物分为重金属低积累型、中等积累型和高积累型[8-9]，用以根据土壤重金属的污染程度指导选择种植的作物，保障农产品的安全[6,10]。由于在自然条件下污染土壤中重金属通过生物地球化学过程自行消减常常需要较长的时间，因此如何改变土壤性状或合理选择农作物来控制农产品中重金属的富集、降低重金属进入食物链的风险是目前重金属污染治理实践中常用的手段[11-14]。近年来的调查表明，杭州市农业土壤重金属的污染呈增加趋势，其中较为突出的是镉、汞、砷等的污染[15-17]，对区内农产品的安全生产构成了一定的威胁。已有研究表明，杭州市内不同蔬菜品种对重金属的富集能力有较大差异[18-19]，但关于其他农作物对重金属富集的研究报道较少。为了全面了解杭州市主要农作物对重金属吸收的差异及土壤性状对其的影响，在杭州市域范围同时采集了不同种类粮食、果蔬等农作物的可食部位与对应耕层的土壤样品，分析、计算了镉在各类农产品中的富集系数，探讨影响作物镉富集的土壤因素，旨在为重金属污染农田土壤的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

在杭州市域选择203块代表性农田，同时采集各类粮食、果蔬等农作物的可食部位与对应的耕层土壤样品。采样地覆盖桐庐县、萧山区、江干区、西湖区、富阳区、余杭区、临安区、建德市和淳安县等9个县(市、区)。采集的植物样品为农作物的可食部分，包括叶菜(n=31)、根茎蔬菜(n=22)、茄果蔬菜(n=24)、豆类蔬菜(n=17)、瓜类蔬菜(n=13)、稻米(n=37)、大小麦籽粒(n=16)、玉米(n=13)、花生(n=7)和水果(n=23)。土样采集深度为0～15 cm，每一采样地的土壤和植物样品在相同的9 m2范围内采集，各由9个分样混合而成。

所有植物样按食用习惯用去离子水清洗或除壳，取可食部分用于分析。鲜样经105 ℃杀青1 h，然后在65 ℃下烘干后粉碎，用高氯酸消化法消化，石墨炉-原子吸收分光光度法测定镉。土壤样品经自然风干后，磨碎过0.125 mm尼龙筛，用盐酸-硝酸-高氯酸消解[20]，石墨炉-原子吸收分光光度法测定镉含量。土壤有机质含量和pH值采用常规分析方法测定[21]。土壤质地用指测法确定类型。

2 结果与分析

2.1 不同农作物对镉的富集

对所有107个蔬菜样(包括瓜类蔬菜、豆类蔬菜、茄果蔬菜、叶菜、根茎蔬菜)的统计表明(表1)，蔬菜中镉的富集系数在0.012～1.138，平均为0.297，变异系数为73.73%。所有66个粮食作物样品(包括稻米、大小麦籽粒和玉米)的统计表明，粮食作物中镉的富集系数在0.034～1.214，平均为0.285，变异系数为67.02%。总体上，粮食作物中镉的平均富集系数略低于蔬菜。

表1 各类农作物可食部分镉的富集系数

注：同列数据后无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。表2～3同。

由表1可知，5类蔬菜中镉的富集系数以瓜类蔬菜最低，豆类蔬菜也较低，叶菜和根茎蔬菜镉的富集系数较高，茄果蔬菜居中。其中，叶菜、根茎蔬菜镉的富集系数显著高于豆类蔬菜、瓜类蔬菜。茄果蔬菜与其他蔬菜、叶菜与根茎蔬菜，以及豆类蔬菜与瓜类蔬菜之间镉的富集系数差异不显著。粮食作物中镉的富集系数以玉米最低，稻米最高，大小麦居中。其中，玉米中镉的富集系数显著低于稻米。

花生对镉的富集能力较强，对镉的平均富集系数显著高于豆类蔬菜、瓜类蔬菜、玉米、水果。水果中镉的富集系数最低，显著低于叶菜、根茎蔬菜、稻米、花生。

2.2 土壤性状对农作物中镉富集的影响

将土壤样本按pH分为碱性(≥8.5)、微碱性(7.5～<8.5)、中性(6.5～<7.5)、微酸性(5.5～<6.5)、酸性(4.5～<5.5)和强酸性(pH<4.5)，分别统计相应的农作物可食部分的镉富集系数(表2)。随着土壤酸度增加，对应的农作物镉富集系数呈增加趋势，酸性、强酸性土壤的农作物可食部分镉富集系数显著高于碱性和微碱性土壤。这是因为土壤pH值可影响土壤镉的溶解度，随着土壤pH值的下降，土壤中难溶态镉可逐渐被溶解、释放，成为有效态镉，从而增加作物对镉的吸收。

表2 不同土壤pH范围下农作物可食部分的镉富集系数

黏土上生长的农作物可食部分镉富集系数显著低于砂土与壤土，而砂土与壤土之间的差异不显著(表3)。这可能与黏土包含较多的带负电荷的土壤胶体有关，这些带负电荷的土壤胶体可借助静电引力吸附固定土壤中的镉，降低土壤中镉的活性。另外，黏土中还常常含有较高量的氧化物，亦可增加对镉的固定，降低土壤中镉的迁移性和有效性。

表3 土壤质地对农作物可食部分镉富集系数的影响

如图1所示，农作物可食部分镉富集系数随土壤有机质升高呈现减小的趋势，表明有机质较高的土壤中镉的危害相对较低。土壤有机质的主要成分为腐殖质，对金属离子有很强的表面吸附和螯合作用，可改变土壤溶液中重金属的活性，降低作物的吸收。有研究表明，在重金属污染土壤中，添加腐质酸等有机质可抑制土壤汞、镉进入蔬菜[22]，施用有机肥亦可明显降低土壤中有效态镉含量，减少植物对镉的吸收[23]。

图1 土壤有机质与农作物可食部分镉富集系数的关系

如图2所示，土壤全镉与农作物可食部分镉富集系数间呈倒“U”形关系：当土壤全镉含量在1.0 mg·kg-1左右时，农作物可食部分镉富集系数达到较高的水平，而当土壤全镉含量在0.5 mg·kg-1以下或超过3.0 mg·kg-1时，农作物可食部分镉富集系数有降低的趋势。这是因为当土壤全镉含量较低时，土壤中有效态镉占全镉的比例较低，植物能够吸收的镉相对较少；当土壤中全镉含量达到较高水平时，受植物本身生理的影响，其对镉的吸收量并未随土壤中有效态镉含量的增加而线性增加，这时植物本身对镉的吸收量决定了富集系数，因此，富集系数反而呈下降趋势。

图2 土壤全镉含量与农作物可食部分镉富集系数的关系

3 讨论

本研究表明，不同农作物对镉的吸收和积累存在较大差别。粮食作物中水稻籽粒对镉的富集较为明显，这可能与水稻对镉有较强的生理耐受能力和富集能力有关[24]。本研究中叶菜、根茎蔬菜的镉的富集系数显著高于豆类蔬菜、瓜类蔬菜。姚春霞等[25]的研究也表明，蔬菜对镉的吸收整体表现为叶菜类>花果类>块根类。沈彤等[26]在长沙地区的比较研究发现，不同蔬菜对镉的吸收能力表现为叶菜类>茄果类>豆类>根菜类>甘蓝类>瓜类。

有关农作物对重金属吸收的差异，一般认为与其根系形态、根对镉的吸收能力和生理活性、根表氧化膜，以及镉在植物体内运输的不同有关[27]。根系是镉等重金属进入植物的门户，根系的形态和生理活性，以及根与土壤环境的相互作用都会影响植物对镉的吸收[27]，但详细机理还有待深入研究。

许多研究报道，同类作物不同品种对重金属的积累也有很大的差异，本研究中同类作物对镉的富集系数差异较大，可能也与品种有关。但本研究因采集样本有限，未能对此进行深入分析。

基于本研究的结果，在含镉量较高的土壤中，应避免种植叶菜、根茎蔬菜，宜种植豆类蔬菜、瓜类蔬菜；在镉污染区，要慎重选择种植水稻，可考虑用玉米替代水稻和大小麦；在镉污染严重的粮田，可考虑改变利用方式，种植果树。鉴于不同农作物对重金属吸收能力的差异，在实际生产中可利用可食部位镉积累较低的农作物来避免或减控镉进入食物链，达到安全生产的目的。

本研究还表明，植物对镉的富集系数随土壤pH值下降而增加，随黏粒和有机质含量的增加而下降。因此，在农业生产中采用施用石灰和增施有机肥的方法可在一定程度上减缓农产品中镉的积累。