不同类型蔬菜重金属镉低积累品种筛选

倪中应， 苏瑶， 汪亚萍， 黄窈军， 王云龙， 贾生强*

(1.桐庐县农业技术推广中心，浙江 桐庐 311500； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

近年来，经济社会的飞速发展加剧了生态环境的污染，重金属污染已是当下全球重点关注的环境问题之一。镉(Cd)是土壤重金属中主要的污染物之一，有研究表明，重金属 Cd 经食物链进入农产品中，对农产品安全及人体健康产生严重威胁，痛痛病和骨痛病等均是由于长期食用 Cd 含量超标的食物[1-3]。目前有关粮食作物重金属污染修复安全利用的相关研究不断增多，而蔬菜的 Cd 超标情况，同样需要引起重视[4]。当前已有大量关于我国蔬菜中重金属污染的调查报道，周根娣等[5]对上海市主要蔬菜作物的重金属污染残留物进行了分析与检测，得出结论Pb、Cd 是该地区主要的污染元素。有研究[6]发现，不同蔬菜品种对重金属吸收累积差异明显，相同蔬菜品种不同基因型之间对重金属的吸收累积差异也很明显。Zhou等[7]研究报道了不同蔬菜可食用部位中Cd含量的顺序为叶类蔬菜>茄果类蔬菜>茎类蔬菜>根类蔬菜>豆类蔬菜>瓜果类蔬菜。童磊等[8]抽取市场上常售卖的20份辣椒样品，检测结果显示，Cd超标率高达 85%。崔正旭[3]在镉轻度污染土壤中，从19种萝卜中筛选出春不老、北京心里美、西南红帅、红皮马桩等Cd低积累品种。

众多研究表明，不同蔬菜品种对重金属的吸收存在明显差异, 人们通过种植合适的品种, 即使是重金属轻度污染的土壤, 也能生产出安全的产品，这也是面对重金属污染农田修复方法中，最为简单、快捷、安全的。为此, 我们试图通过盆栽试验，设置不同镉污染水平，从不同类型蔬菜中筛选重金属低积累品种以外，研究各类蔬菜在不同镉污染水平的生长反应及镉积累效应，以期为指导蔬菜种植布局和保障蔬菜质量安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

盆栽供试用土采自金华金东区孝顺镇受污染菜地耕层(0～20 cm)(29°11′56.3″N，119°55′10.56″E)，经风干、粉碎、过筛、充分混合后备用。土壤的基本理化性质如下：pH为5.32，有机质18.41 g·kg-1，速效磷335.05 mg·kg-1，有效钾478.5 mg·kg-1，碱解氮158.42 mg·kg-1，总镉0.65 mg·kg-1。

1.2 供试蔬菜

供试叶菜类蔬菜共5个品种，分别为青菜(六月慢、冬青、德高冬将)、菠菜(速生虎耳菠菜)和芥菜(金丝芥菜)。供试萝卜品种为红心红皮和春不老。供试辣椒品种为贵族辣椒和杭椒1号。所有种子均购于浙江省杭州市上城区笕桥农贸批发市场。

1.3 试验方法

1.3.1 污染土壤的配置

根据国家标准GB/T 18407.1—2001《农产品质量安全 无公害蔬菜产地环境要求》，供试土壤属于重金属镉轻度污染土壤。设置不同土壤Cd浓度梯度，通过加入一定浓度的Cd(NO3)2·4H2O溶液，将土壤的Cd浓度分别调至 0.65(T1)、1.5(T2)和3.0(T3)mg·kg-1，按照污染指数的判定方法, T1、T2和T3 对应于轻度、中度和重度污染的水平。不同类型蔬菜品种均种植在对应3种浓度土壤盆栽中，且每个处理设置5个重复。

1.3.2 种植方法

试验在浙江省农业科学院桑园科研温室进行，试验时间为2020年12月—2021年5月，其中2021年2月份，叶菜类收获；4月份根茎类收获；5月份茄果类收获。叶菜类蔬菜选用外口径18 cm，高15 cm，底径13 cm的塑料盆，每盆播入10粒种子，出苗后间苗，每盆保留长势相近的3株。根茎类蔬菜选用外口径40 cm，高34 cm，底径25 cm，底部留有排水孔的塑料盆，每盆点播8～10粒，覆土1 cm，播种后保持温室中白天温度在20～25 ℃以上，夜间温度不低于10 ℃; 于植株长出2～3片真叶时开始间苗，分2次间苗，留长势最好且相近的3株壮苗。茄果类蔬菜经过育苗后，选取长势良好、大小一致的3株辣椒幼苗移栽到外口径32 cm，高28 cm，底径21 cm的塑料盆中。定期浇水施肥，待植物完成生长期后收获并进行各项指标的测定。

1.4 样品采集

采集植株时，收获青菜、菠菜、芥菜、萝卜和辣椒新鲜蔬菜并称重。从盆中取出整株植物，用自来水洗涤根和茎(辣椒不包括果实)，并用去离子水冲洗3次。将收获的蔬菜分成可食和非可食两部分。将根、茎、叶和果实在105 ℃下干燥杀青30 min，进一步在 75 ℃下干燥至恒重，称重后经研磨后过 100 目筛装入自封袋中备用。收集的土壤样品经自然风干去除土壤中的杂草，将土壤压碎混匀后过100目筛备用。

1.5 测定与数据分析

植株收获后取部分鲜样保存于-80 ℃超低温冰箱中备用，Cd测定用研磨机将可食部分和非可食部分分别粉碎，并精确称重至0.300 0 g，然后加入浓硝酸(10 mL)、高氯酸(5 mL)，并使用石墨炉消化仪(SH230N，HanonInstruments，China)消解样品。过滤定容后，使用电感耦合等离子体发射光谱仪(AA700，PerkinElmer，USA)测定消解溶液中 Cd 浓度。土壤Cd前处理及重金属元素测定方法具体参照GB 5009.15—2014。

蔬菜各部位Cd富集系数(biological concentration factor，BCF)和可食部分转运系数(transfer factor，TF)，分别按照公式(1)和(2)计算：

BCF=组织中Cd含量/土壤中Cd含量；

(1)

TF=可食部Cd含量/非可食部Cd含量。

(2)

采用Execl2014进行数据初步处理，采用SPSS 20.0对试验结果进行单因素方差分析，采用SIGMAPLOT 8.0制图。

2 结果与讨论

2.1 不同类型蔬菜可食部位对Cd累积差异性分析

在重金属轻度(T1)污染土壤中，5种叶菜类蔬菜中六月慢、德高冬将、冬青和金丝芥菜可食部位Cd含量均未超标(GB 2762—2017)，而速生虎耳菠菜超标倍数为1.57～1.98倍(表1)；对5种叶菜类蔬菜产量进行单因素方差分析，德高冬将和冬青与其他3种叶菜类蔬菜相比产量最高，而速生虎耳菠菜产量相对最低。选用的2种萝卜品种重金属含量均未超标(表1)，表明萝卜具有较好的 Cd 污染生态安全性，其中春不老的产量要显著高于红心红皮。选用的2种辣椒品种重金属含量均超标(表2)，杭椒1号超标倍数为0.91～1.51倍，贵族辣椒超标倍数为0.08～0.32倍，其中贵族辣椒产量显著高于杭椒1号。比较3种类型蔬菜可食部位对Cd的累积差异，发现根茎类蔬菜对土壤Cd的积累能力最弱，叶菜类中速生虎耳菠菜对Cd的吸收积累最强，其次为茄果类蔬菜和其他叶菜类品种(青菜和芥菜)。

表1 不用类型蔬菜产量与可食部分Cd含量

2.2 不同类型蔬菜在不同镉污染梯度下对镉吸收的差异

2.2.1 土壤镉含量与蔬菜可食部分镉含量的相关性

根据国家标准GB 2762—2017，在土壤Cd浓度为0.65 mg·kg-1条件下，叶菜类中只有速生虎耳菠菜可食部分Cd含量超出标准限量；而在Cd浓度1.5～3.0 mg·kg-1土壤中，5种叶菜类蔬菜可食部分Cd含量均超出国家安全限定范围(表2)。茄果类的2种辣椒在Cd浓度0.65～3.00 mg·kg-1土壤中，植株富集Cd含量均超过国家标准限量。根茎类蔬菜中春不老可食部分在Cd浓度0.65～3.00 mg·kg-1土壤中均处于标准范围，而红心红皮仅在Cd浓度为0.65 mg·kg-1土壤中植株本身Cd含量低于安全限定标准。

表2 不同土壤Cd浓度下蔬菜可食与非可食部分的Cd含量

将土壤Cd浓度与蔬菜可食部分Cd含量进行相关性分析，结果如表3所示。试验选用的3种类型蔬菜可食部位的Cd含量与土壤重金属镉含量之间均达到显著或极显著正相关，说明叶菜类、根茎类和茄果类蔬菜可食部分中Cd的吸收积累量与土壤Cd含量密切相关，土壤重金属污染越严重，种植蔬菜中Cd含量也越高，安全风险就越高。

表3 蔬菜可食部分重金属含量与土壤中重金属含量的相关性

2.2.2 不同类型蔬菜对土壤镉的富集系数

蔬菜从土壤中吸收、富集的重金属能力大小，可以用富集系数(BCF)来表征。富集系数BCF指蔬菜体内某种重金属元素含量与土壤中该元素含量的比值，反映了蔬菜对土壤中重金属的富集能力，富集系数越小，则蔬菜对重金属的富集能力越弱，抗土壤重金属污染的能力越强。

在土壤Cd浓度低于1.5 mg·kg-1时，试验选用的3种类型蔬菜除春不老萝卜外，其他蔬菜可食部分BCF系数随土壤中Cd浓度的增加而增加，但当土壤Cd浓度超过1.5 mg·kg-1，蔬菜可食部分BCF系数则有所下降，这可能是由于土壤中过高的Cd浓度对蔬菜生长形成了侵害，进而影响了蔬菜对各类元素，包括重金属的吸收。各类型蔬菜对土壤Cd的富集系数有一定的差异性，土壤Cd浓度0.65 mg·kg-1时，除菠菜外，BCF系数排序由高到低为茄果类>叶菜类>根茎类；但当土壤Cd浓度增加至1.5 mg·kg-1后，BCF系数排序由高到低则为叶菜类>茄果类>根茎类，这与Zhou等[7]的研究结果相近。由此表明，茄果类和根茎类蔬菜相较于叶菜类对土壤Cd耐受性更强。

叶菜类蔬菜中，速生虎耳菠菜可食部分的BCF均显著高于其他4个品种(表4)。土壤Cd浓度0.65 mg·kg-1时，冬青的BCF相对较低；土壤Cd浓度1.5 和3.0 mg·kg-1时，5种蔬菜中速生虎耳菠菜BCF最高，金丝芥菜最低，冬青、德高冬将和六月慢居中，且三者无显著性差异(P>0.05)。相比之下，在三种Cd浓度梯度下，5种叶菜类蔬菜中，金丝芥菜的富集系数最低，表明其对Cd富集能力最差，对Cd的耐受性相对其他叶菜品种更强。

表4 各种蔬菜食用部分对 Cd 富集系数

根茎类蔬菜在土壤Cd浓度0.65 mg·kg-1下，两种萝卜的BCF无显著性差异(P>0.05)，当土壤Cd浓度增加至1.5 和3.0 mg·kg-1时，红心红皮的BCF显著高于春不老，表明在高浓度的Cd土壤中，红心红皮可食部位对Cd的吸收能力强于春不老。春不老萝卜的BCF系数随土壤Cd浓度增加而下降，表明春不老萝卜对土壤Cd污染具有较强的耐受能力，其对重金属Cd的吸收与富集不随土壤Cd浓度的增加而增加。

茄果类蔬菜在3种Cd浓度梯度的土壤中，均表现为杭椒1号的BCF系数显著高于贵族辣椒，表明贵族辣椒对Cd的吸收富集更弱。

2.3 蔬菜对土壤镉的转运系数

可食部分转运系数(TF)指植物可食部分中的金属含量与非可食部分中的金属含量的比值，主要用以评价植物将重金属从可食部分向非可食部分的运输和富集能力。一般的，TF<1，说明蔬菜对该重金属主要富集在非可食部分；TF>1，则说明蔬菜对该重金属主要富集在可食部分。对叶菜类5种蔬菜TF值进行比较(图1)，结果显示，六月慢、德高冬将、冬青和金丝芥菜的TF<1，表明重金属Cd主要富集在非可食部分；而速生虎耳菠菜的TF>1，表明重金属Cd主要富集在其可食部分。随着土壤Cd浓度的增加，叶菜类蔬菜中除六月慢品种外，其他品种叶菜(德高冬将、冬青、金丝芥菜和速生虎耳菠菜)的TF值都显著下降，表明这类叶菜随土壤Cd浓度增加，吸收的Cd更多的向非可食部分迁移。

图中小写字母表示同一品种在不同Cd浓度土壤中TF的显著性差异(P<0.05)；大写字母表示不同品种在同种Cd浓度土壤中TF的显著性差异(P<0.05)。图2、3同。

根茎类蔬菜中(图2)，不同Cd浓度土壤中的两种萝卜的TF均大于1，表明Cd在萝卜中的迁移主要集中在可食部分(根)，在相同Cd浓度土壤中，春不老的TF值显著高于红心红皮。随土壤Cd浓度的增加，两种萝卜的TF值均增加，说明在高Cd浓度土壤中，不利于萝卜中Cd向非可食部分迁移。

图2 根茎类蔬菜在不同浓度Cd土壤中的可食部分转运系数

对茄果类两种辣椒不同Cd浓度土壤中TF对比(图3)，贵族辣椒均显著低于杭椒1号。在T1和T2范围内，贵族辣椒和杭州1号的TF值均小于1，且随Cd浓度增加，TF值减小，说明辣椒中Cd更多向非可食部分(根、茎和叶)迁移。而在T3中，杭椒1号TF值大于1，植物体内的Cd主要富集在可食部分(果实)中。在同种Cd浓度土壤中，杭椒1号的TF显著大于贵族辣椒，说明杭椒1号吸收的Cd在植株体内向可食部分迁移的能力强于贵族辣椒。

图3 茄果类蔬菜在不同浓度Cd土壤中的可食部分转运系数

3 小结

茄果类和根茎类蔬菜相较于叶菜类蔬菜更耐受土壤Cd污染；同类蔬菜中，叶菜类金丝芥菜、根茎类春不老和茄果类贵族辣椒相对其他品种更耐受土壤Cd污染，而速生虎耳菠菜最易吸收富集土壤Cd。

叶菜类蔬菜中除了六月慢品种，其他品种随土壤Cd浓度的增加，吸收的Cd更多的由可食部分向非可食部分迁移；根茎类蔬菜则随土壤Cd浓度的增加更多的富集在可食部分；而茄果类蔬菜在轻中度污染土壤中，吸收的Cd更多富集于非可食部分，在重度污染土壤中，则更多的向可食部分迁移。

菠菜和2种茄果类蔬菜不能够在轻度污染土壤中种植，可考虑种植春不老萝卜、冬青和六月慢等品种蔬菜；春不老萝卜种植在中重度污染地区时，可食部分的Cd含量未超过国家安全标准。