重金属Cd 在树仔菜-土壤系统中的富集迁移及安全阈值研究

范 琼，冯 剑，邹冬梅，酒元达，苏初连，吴小芳，吴 彬，赵 敏

（中国热带农业科学院分析测试中心·海南省热带果蔬产品质量安全重点实验室·农业农村部亚热带果品蔬菜质量安全控制重点实验室 海口 571101）

镉（Cd）是广泛存在于环境中的毒性较大的重金属之一，Cd 在土壤-植物系统中相对移动较强且易被农作物吸收，Cd 在植株内累积后会干扰正常的细胞功能和代谢，造成一系列不良反应，如生长迟缓、中断植物水分关系、抑制光合作用、抑制部分酶的合成、造成游离自由基的形成和各级超微结构的改变，严重影响作物的品质和产量[1-3]。尤其是作物中过量Cd 积累后，作物中可食用组织的Cd 会转移到食物链，虽然人体摄入Cd 后的吸收量只有3%～5%，但由于Cd 的生物半衰期很长，在人体肾脏和肝脏中能够有效保留10～30 年，Cd 的长期暴露会导致人体许多疾病，如肾功能不全、骨质疏松症甚至癌症等，严重威胁了食品安全和人体健康[4-6]。

树仔菜（Sauropus androgynusL. Merr.）为大戟科守宫木属植物，又名守宫木，别名天绿香、泰国枸杞、五指山野菜等[7]。在我国海南、云南、广东、广西、福建和台湾等地栽培或者野生[8]。树仔菜色泽翠绿、口感清香嫩脆、野味浓香、独具风味，且树仔菜营养价值高，含有丰富的蛋白质、维生素、钙、铁等元素[9-10]。树仔菜四季均可采收，耐旱、生命周期长，栽培过程中几乎无病虫害，无需农药防治，具有天然野生的特点，是最具有特色的海南野菜之一[7]。但是，2005 年华南农业大学报道树仔菜含有超出国家标准4 倍的重金属Cd，随后有不少研究表明树仔菜比其他蔬菜确实更容易富集Cd[8]。李永忠等[11]研究表明，树仔菜的Cd 含量显著高于其他蔬菜的Cd 含量；杨奕等[8]研究表明，树仔菜土壤Cd 含量在国家标准限定值范围内，但树仔菜的地上部比其他蔬菜更容易富集Cd、Zn、Cu 3 种重金属。由此可见，树仔菜比其他蔬菜更易富集土壤中Cd，因此采用与其他蔬菜同样的重金属安全阈值指导树仔菜种植不是很准确。近年来，有不少研究者针对不同作物种植系统进行土壤重金属安全阈值的推导。穆德苗等[12]推导出适合绝大部分蔬菜种植的西南地区产地土壤Pb安全阈值为100 mg·kg-1；孟媛等[13]研究出7 种叶类蔬菜土壤Cd 和As 安全临界值分别为0.33～17.11、62.31～105.06 mg·kg-1。目前对土壤重金属安全阈值的研究越来越全面，推导土壤重金属安全阈值要综合考虑作物种类、品种、土壤类型、重金属总量及有效态含量等因素[14-16]。因此，研究Cd 在树仔菜-土壤中的迁移积累规律，建立树仔菜安全种植的土壤Cd 安全阈值，是保障树仔菜安全生产的一道重要屏障。

笔者通过人工添加不同浓度的Cd 进行树仔菜土壤盆栽试验，研究树仔菜不同部位对Cd 的富集迁移规律，利用相关性分析和多元线性回归分析等方法研究Cd 积累迁移的关键制约环境因子，根据GB 2762－2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》[17]中根茎类蔬菜Cd 含量限值（0.10 mg·kg-1），推导出树仔菜安全生产的产地土壤Cd 安全阈值，为树仔菜的安全生产及农田土壤Cd 环境质量标准的细化提供理论支撑和参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土壤：盆栽试验用土壤采自海南省五指山市畅好乡树仔菜基地土壤（0～20 cm），土壤类型为红砂壤土。供试作物：海南五指山市广泛栽培的马来西亚品种树仔菜，由五指山市汇通农业综合开发有限公司提供幼苗，选择苗龄40 d 左右、大小均匀、无病虫害、无损伤的幼苗进行盆栽试验。

主要试剂：高纯液氩（99.999%）、100 mg·L-1镉标准溶液[坛墨质检标准物质中心，编号GBM（E）082822]，重铬酸钾和硫酸亚铁均为分析纯，其他试剂均为优级纯。仪器与设备：植物粉碎机（飞利浦电子公司）、水浴恒温振荡器（SHZ-B，常州诺基仪器有限公司）、热风循环式烘箱（FD53，德国Binder 宾得公司）、离心机（上海安亭科学仪器厂）、电子天平[AE200，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]、pH计（FE20 实验室pH 计，METTLER TOLEDO 公司）、凯氏定氮仪（Kjeltec 8420，FOSS 公司）、电感耦合等离子体质谱仪（ICP Mass Spectrometer NexlON 300X，美国PerkimElmer 公司）。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 在温室大棚内开展盆栽试验，试验地点为海南省海口市中国热带农业科学院，试验时间为2020 年8—12 月，试验盆为内径17.5 cm、高16 cm 的塑料花盆，选用体积比为1∶1 的红壤土和椰糠混合土样作为盆栽土壤，每盆3 kg 土壤。盆栽土基本理化性质如下：pH 值5.2、有机质含量（OMC）（w，后 同）73.8 g · kg-1、阳离子交换量（CEC）9.2 cmol（+）·kg-1、碱解氮含量103.3 mg·kg-1、速效钾含量1.33 g·kg-1、有效磷含量59.4 mg·kg-1、交换性钙含量20.7 cmol·kg-1、交换性镁含量1.90 cmol·kg-1、重金属Cd 含量0.10 mg·kg-1、锌（Zn）42.9 mg·kg-1。

Cd 胁迫的外源Cd 浓度设定为0.00 mg·kg-1（水平1）、0.30 mg·kg-1（水平2）、0.60 mg·kg-1（水平3）、1.50 mg·kg-1（水平4）、3.00 mg·kg-1（水平5），含量范围在中国土壤环境报告中被认为是实际存在的[18]。计算配置相应浓度所需试剂质量和土壤60%田间持水量所需水量，采用喷雾的方式将CdCl2水溶液分别以5 个浓度梯度均匀喷洒至土壤中，用扎有细孔的保鲜膜盖住瓶口，在室温下老化两周，期间采用称质量法补充丢失的水分，老化平衡后取少量样品测定重金属总量和重金属有效态含量，重金属实际浓度以老化平衡后为准（表1）。老化平衡后施入质量比为15∶15∶15 的复合肥（1.25 g·kg-1），1周后移栽树仔菜苗，每盆种植1 株，种树仔菜的处理为试验组，不种树仔菜的处理为对照组，试验组和对照组各5 个水平，每个水平各3 株，试验进行3 次重复。种植4 个月后收获，分别采集土壤和植物样品，其中土壤样品经自然风干、磨细，分别过60 目和100目筛，保存待测；植物样品洗净后，分成根、茎、叶、可食用部位嫩梢（茎顶部前10 cm）4 个部分，在60 ℃烘24 h 后，称量其干质量，再粉碎后备用。

表1 盆栽试验土壤Cd 总量和有效态浓度

1.2.2 测定方法 采用去离子水按照V水∶V土=2.5∶1 浸提后，用pH 计测定土壤pH 值；采用重铬酸钾容量法[19]测定土壤OMC；采用标准HJ 889—2017 中的三氯化六氨合钴浸提-分光光度法[20]测定阳离子交换量（CEC）；采用钼锑抗比色法[21]测定土壤有效磷含量；采用蒸馏法[22]测定土壤速效氮含量；采用1 mol·L-1乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法[23]测定土壤速效钾含量，总镉含量采用湿法消解-电感耦合等离子体质谱仪测定[24][土壤标 准 物 质 GBW07457（GSS28）和 GBW07428（GSS14）为质控样品，植物标准物质以GBW10022（GSB13）和GBW10047（GSB25）为质控样品]；土壤镉有效态采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）以V土∶V液=1∶5 进行浸提，室温下振荡2 h 后离心过滤，滤液采用电感耦合等离子体质谱仪测定[标准物质GBW07416a（ASA-5a）为质控样品]。

1.3 数据处理及分析

1.3.1 数据分析 使用Excel 2007 进行作图，采用SPSS22.0 软件进行数据的相关性分析和逐步回归分析，Spearman 相关性分析用来评估土壤属性与重金属含量在蔬菜中的相关性。

1.3.2 富集系数计算 富集系数（BCF）反映重金属从土壤向树仔菜转移的有效系数，是植物上部重金属含量和土壤中重金属含量的比值，也是评价树仔菜从土壤中吸收重金属能力的指标之一[25]。

式（1）中，BCFTotal表示重金属全量在树仔菜中的富集系数；Cplant为地上部植物中重金属含量（mg · kg-1）；Ctotal为 土 壤 中 金 属 元 素 的 含量（mg·kg-1）。

1.3.3 转运系数计算 转运系数（TF）是指重金属从植物某组织通过植物生长转运的方式在植物其他部位积累的有效系数[25]。

式（2）中TF为生物转运系数，Ci为树仔菜某组织部位中重金属含量（mg·kg-1）；Cj为树仔菜其他组织部位中重金属的含量（mg·kg-1）。

2 结果与分析

2.1 不同Cd浓度土壤对树仔菜生物量的影响

由图1 可以看出，土壤镉浓度5 个处理水平下树仔菜的生物量分别为16.40、16.00、15.74、15.95、15.96 g·株-1，各处理间差异不显著，说明土壤中Cd含量为0.10～2.18 mg·kg-1对树仔菜的生长影响不显著，即使Cd 含量为2.18 mg·kg-1，超过土壤Cd 的风险筛选值（0.30 mg·kg-1）的情况下，树仔菜的生长表观仍没有显著差异，说明了树仔菜对重金属Cd 具有一定的抗逆性。

图1 Cd 胁迫下树仔菜的生物量

2.2 树仔菜土壤在Cd 胁迫下理化性质和Cd 含量变化特征

从表2 中可以看出，树仔菜土壤Cd 胁迫4 个月后，与表1 结果相比，对照组的5 个Cd 胁迫浓度水平的土壤Cd 总量虽然下降（水平5 除外），但是有效态Cd 含量均增加了，表明经过农艺措施后土壤的Cd 活性增强；而试验组土壤Cd 总量和有效态含量均有所下降，土壤Cd 总量分别下降了20.00%、39.29%、27.69%、23.02%、1.83%，Cd 有效态含量下降率分别为20.00%、46.67%、16.0%、5.26%、25.14%，这可能与树仔菜吸收了土壤中的Cd 有关。试验组中，随着土壤中Cd 浓度的增加，土壤pH 值和CEC 总体呈先下降再上升再下降趋势，OMC 总体呈现了增加趋势，与水平1 相比，水平5的土壤pH 和CEC 分别下降了6.33%和14.42%，有机质含量显著增加了39.94%，而对照组各水平之间土壤pH 值和有机质含量差异不显著。从植株Cd总量可以看出，随着土壤中Cd 浓度的增加，树仔菜中Cd 含量也逐渐增加，并且超过了土壤中Cd含量，水平5 中树仔菜土壤Cd 含量为2.14 mg·kg-1，有效态Cd 含量为1.37 mg·kg-1时，树仔菜植株中总Cd 含量达69.45 mg·kg-1，表明了树仔菜有富集土壤中Cd 的特性。在土壤Cd 水平1 条件下树仔菜嫩梢Cd 含量为0.069 mg·kg-1，未超过现行食品污染物限量标准（根茎类蔬菜Cd≤0.1 mg·kg-1），但是当土壤Cd 浓度达到水平2 后，树仔菜嫩梢Cd 含量分别为0.40、1.24、3.38、1.90 mg·kg-1，均超过限量标准，表明了土壤Cd 浓度较高时树仔菜嫩梢存在食用安全风险。

表2 Cd 胁迫下树仔菜土壤理化性质和Cd 含量

2.3 树仔菜各部位对Cd迁移和积累特征

由表3 可知，当土壤中Cd 浓度较低时（水平1），树仔菜Cd 主要积累在叶中，积累系数大小为叶>茎>根>嫩梢，但是当土壤Cd 浓度升高至水平2后，积累系数大小顺序发生了改变，为根>叶>茎>嫩梢，表明树仔菜中的Cd 主要集中在根部位。迁移系数包括了根转运到茎（TF1）、根转运到叶（TF2）、茎转运到叶（TF3）、根转运到嫩梢（TF4），当土壤Cd浓度在水平1 时，树仔菜各部位对Cd 的迁移系数为TF2>TF3>TF1>TF4，随着土壤Cd 浓度升高达到水平3 时，树仔菜各部位对Cd 的迁移系数为TF1>TF3>TF2>TF4，这说明随着Cd 浓度的增加，Cd 从根部向叶子迁移系数能力下降，在根部富集较多。

表3 树仔菜各部位对Cd 的积累系数和迁移系数

2.4 土壤理化性质与树仔菜Cd 迁移积累变化的关系

从表4 可以看出，树仔菜各部位的Cd 含量与种植土壤的Cd 含量和Cd 有效态含量均呈极显著正相关，表明Cd 总量和有效态含量易于从土壤向树仔菜体内迁移转运。树仔菜中根和茎Cd 含量与土壤pH 呈极显著负相关，树仔菜中各部位Cd 含量与土壤CEC 呈极显著负相关，与OMC 呈极显著正相关，说明土壤pH 值和OMC 以及阳离子交换量能够对Cd 生物有效性及迁移积累产生影响。为进一步阐明土壤重金属Cd 污染对树仔菜迁移积累的影响，探究土壤属性和树仔菜各部位中重金属Cd的关系，利用SPSS22.0 逐步回归，拟合树仔菜各部位Cd 含量及其富集系数与土壤理化性质（pH 值、OMC、CEC、土壤Cd 含量、土壤Cd 有效态含量），构建树仔菜各部位Cd 及其富集系数的逐步回归方程。结果显示（表5），树仔菜根和茎中的Cd 含量与土壤中的OMC 和Cd 含量相关，相关系数R2均为0.998，说明在土壤理化性质指标中，OMC 和土壤Cd 含量是控制根和茎中Cd 含量的重要影响因子。而叶和嫩梢中Cd 含量主要受到土壤中OMC、Cd 含量、Cd 有效态含量3 个因子影响，逐步回归方程的确定系数R2分别为0.983、0.975。树仔菜各部位Cd 富集系数的逐步回归方程结果显示土壤pH是控制树仔菜各部位富集Cd 的一个重要影响因子，此外，OMC 也是影响树仔菜根部Cd 富集的主要因素之一，土壤Cd 有效态含量是影响树仔菜茎、叶和嫩梢中的Cd 富集的重要因素。由此可以看出，除了土壤Cd 总量外，土壤中pH 值以及Cd 有效态含量也是影响Cd 在树仔菜-土壤系统中积累迁移的重要因素。

表4 土壤理化性质与树仔菜各部位Cd 含量的相关性

表5 树仔菜各部位Cd 和Cd 富集系数的逐步回归方程

2.5 树仔菜土壤生态安全阈值的推算

树仔菜主要食用的是嫩梢部位，笔者的研究中，树仔菜种植4 个月后虽然可以采摘嫩梢部位，但是整个植株仍处于生长发育的前期，茎部依然娇嫩，因此对树仔菜嫩梢和茎中Cd 分别采用回归分析方法建立其与土壤Cd 总量之间的线性、多项式、指数和对数等回归模型，选择拟合相关系数R2最大的方程，确定为拟合最优方程（表6），根据GB 2672－2017《食品中污染物限量》[17]中规定的根茎类Cd 限量值为0.10 mg·kg-1，对应带入表6 的回归方程中，推导出树仔菜土壤中Cd 总量的安全阈值。结果显示，根据嫩梢和茎中的Cd 含量推导的土壤安全阈值分别为0.087 mg·kg-1和0.086 mg·kg-1，二者之间差异不显著，说明了回归模型能很好地预测树仔菜土壤Cd 安全阈值。

表6 树仔菜嫩梢和茎与土壤Cd 总量的回归方程及安全阈值

3 讨论与结论

3.1 树仔菜对重金属Cd的富集迁移规律

当土壤中Cd 含量为0.28 mg·kg-1，经过4 个月种植后，土壤Cd 含量变为0.17 mg·kg-1，树仔菜可食部位嫩梢的Cd 含量为0.40 mg·kg-1，超出了GB 2762－2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》的根茎类蔬菜Cd≤0.10 mg·kg-1限值，也就是说树仔菜种植土壤Cd 含量在未超过GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中对6.5

3.2 树仔菜-土壤系统中Cd 迁移积累与土壤理化性质的关系

土壤的理化性质也是影响重金属迁移积累的关键因素，其中pH 值、OMC 和CEC 这3 种性质的影响最为显著[26]。本研究中基于土壤性质、Cd 总量和有效态含量构建了树仔菜各部位Cd 含量及Cd积累吸收模型，显示除了Cd 总量的影响外，pH 值和OMC、Cd 有效态含量是影响树仔菜Cd 积累和迁移的关键因子。这是由于pH 值增加后土壤胶体表面负电荷增加，导致土壤中Fe、Mn 氧化物形成增多，对重金属的吸附能力增强从而降低了重金属有效态含量[27]。而OMC 从两方面对土壤中重金属有效性和迁移性产生重要的作用，一是OMC 通过吸附或者与腐殖质形成稳定的络合物，降低土壤中重金属的生物有效性[28]；另一方面是有机质参与了向土壤溶液提供有机化学物质的过程，这些化学物质可以作为螯合物，提高植物对重金属的利用率[14]。Zeng 等[14]对pH 值和OMC 对重金属有效性和迁移性研究中显示重金属有效态含量与pH 值之间存在显著负相关，与OMC 存在显著正相关；窦韦强等[26]研究叶菜类蔬菜和土壤中Cd 与土壤基本理化性质之间的关系，结果表明，蔬菜Cd 总量与pH 值呈极显著负相关，与OMC 呈极显著正相关，与本研究结果一致。

3.3 树仔菜地土壤重金属Cd安全阈值

本研究用树仔菜茎和嫩梢中Cd 含量与土壤Cd 总量构建回归模型，推导出树仔菜种植系统中土壤Cd 总量的安全阈值分别为0.086、0.087 mg·kg-1，远低于GB 15618－2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中对6.5