诸暨市不同作物对土壤镉铅吸收的研究：富集系数和安全阈值

张耿苗，赵钰杰

（浙江省诸暨市农业技术推广中心，浙江诸暨 311800）

0 引言

农产品中重金属主要来源于土壤[1-2]，其积累量常随土壤污染程度的增加而增加[2-3]。为了有效防治土壤污染，保障农产品安全生产，维护人体健康，中国于1995年制定了土壤环境质量标准(GB 15618—1995)，并于2018年对该标准进行了修订(GB 15618—2018)。该标准在指导农作物安全生产、开展土壤环境质量评价及土壤环境质量类别划分上起到了重要的作用。但由于该标准是一个综合性标准，在标准值确定上没有考虑农作物种类、品种差异及区域土壤条件的变化，在实际应用时经常会出现农产品卫生质量状况与土壤环境质量类别不一致的现象[4-7]。因此，如何在现行土壤环境质量标准的基础上，根据区域农作物的特点，分类细化农作物安全生产的土壤重金属阈值，是一项目需要加强研究的工作[8-10]。已有研究表明，农作物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[11-13]，并可用富集系数来衡量农作物之间吸收土壤重金属能力的差异[14-16]；同时，富集系数也是筛选重金属低吸收农作物品种的方法之一[14,17]，是合理选择农作物来降低重金属进入食物链的主要手段[18-19]。为此，本研究于2020年在诸暨市范围内采用成对采样方法开展了农产品与农田土壤重金属镉、铅的协同污染调查，统计分析了镉、铅在该市各类农产品中的富集系数，在此基础上通过土壤与农产品中重金属污染情况的对比分析，探讨了谷物、果蔬、叶蔬等3类该市主要农产品安全生产的土壤镉铅阈值，目的是为污染耕地安全利用提供科学依据。

1 材料与方法

诸暨市位于浙江省中北部，钱塘江支流浦阳江中游，属亚热带季风气候区，到2018年底耕地保有量51670 hm2，相对集中分布在北部“湖田”河网平原、中南部浦阳江河谷平原及东、西部低丘区，土壤质地以水稻土为主，占总耕地面积的86.3%，2019年全市粮食播种面积33883 hm2，其中水稻23553 hm2。2020年，作者在诸暨市域内安全利用和严格管控类农田中设置489个点位的代表性农田，同时采集各类粮食、蔬菜等农作物的可食部位与对应耕层土壤样品。采集的植物样品为农作物的可食部分，包括稻谷(n=216)、叶菜（包括青菜、空心菜、苋菜、包心菜、芹菜等；n=111）、瓜茄果蔬菜（包括丝瓜、茄子、南瓜、蒲瓜、番茄、辣椒等；n=72）、根茎蔬菜（包括萝卜、莴笋等；n=23）、豆类蔬菜（包括毛豆、长豇豆等；n=16）、玉米(n=21)、番薯(n=14)、其他（花生、水果、番薯藤、南瓜藤；n=16）。土样采集深度为0～15 cm，每一采样地的土壤和植物样品各由多个分样混合而成。

所有农作物样均按食用习惯取可食部分用于分析，用去离子清洗或除壳后粉碎；土壤样品经自然风干后，磨碎过0.125 mm尼龙筛。土壤和植物样中镉和铅采用国标法测定。土壤pH采用常规分析方法测定[20]。文中富集系数指可食部分与土壤重金属含量的比值。数据采用Microsoft Excel 2003处理分析。

2 结果与分析

2.1 土壤中镉和铅的含量

据统计，489个点位农田土壤的镉和铅的含量有较大的变化，分别在0.068～10.00、10.60～1530.00 mg/kg之间，覆盖优先保护类、安全利用类和严格管控类农田；中值分别为0.30、40.90 mg/kg，平均含量分别为0.75、57.71 mg/kg，变异系数分别高达186.67%和183.04%。土壤在pH 4.00～8.25之间，平均为pH 5.86，供试农田主要为微酸性和酸性土壤。

2.2 不同农作物对镉和铅的富集

对所有489个农产品富集系数的统计，镉和铅的富集系数有很大的变化，分别在0.000300～4.692和0.000033～0.0168之间，平均分别为0.341和0.00238，变异系数分别为153.96%和79.83%。农产品对镉的富集明显高于对铅的富集，平均富集系数前者约为后者的143.28倍。表1可知，在所测试的农产品中稻谷对镉的富集最为明显，其平均富集系数高达0.621；花生也具有较高的镉富集系数，其富集系数平均约为稻谷的37.52%。与水稻和花生比较，玉米和番薯对镉的富集能力较弱，平均富集系数分别为0.027和0.042。番薯藤、南瓜藤、番薯根对镉的富集能力较弱，风险较小。在测试的几类蔬菜中，黄秋葵对镉具有较高的富集能力，其富集系数高达0.483；叶菜对镉的富集能力高于瓜茄果蔬菜、根茎蔬菜、豆类蔬菜。表1的结果还表明，水果或瓜子类农产品对镉的富集程度较小。农产品对铅的富集系数均较低，且不同农产品之间对镉的富集能力差异小于对镉的富集系数。但与镉相似，瓜茄果蔬菜和根茎蔬菜对铅的富集明显低于叶菜类；水果或瓜子类农产品对铅的富集明显低于其他农产品。但与镉不同，黄秋葵对铅的富集能力较弱。

表1 各类农作物可食部分镉、铅的富集系数

2.3 农产品中镉铅卫生质量状况与土壤环境质量状况的关系

为了理解现行的土壤环境质量标准(GB 15618—2018)是否适合指导诸暨市主要农作物的安全生产，选择样本量较多的稻谷、叶菜类蔬菜和瓜茄果类等3类农产品，通过对比分析方法，分析了农产品镉、铅卫生质量状况与土壤环境质量类别的相符程度。在中国土壤环境质量标准(GB 15618—2018)中，酸性(pH＜5.5)、微碱性(5.5＜pH＜6.5)和中性(6.5＜pH＜7.5)土壤镉的筛选值分别为0.30、0.40、0.60 mg/kg，铅的筛选值分别为80、100、140 mg/kg。理论上，当土壤重金属含量在筛选值以下时，农田中生产的农产品是安全的；但本次调查发现，二者之间存在一定的不协调。

图1为不同酸碱度下稻谷中镉、铅积累与土壤中镉、铅含量的关系。在216个样点中，酸性、微酸性和中性的土壤分别为100、83和33个。其中，酸性土壤中镉超标和不超标的样品分别为32个和68个，相应的稻谷镉超标分别为21个和9个，超标率分别为65.62%和10.84%。微酸性土壤镉超标和不超标的样品分别为23个和60个，相应的稻谷镉超标分别为17个和17个，镉的超标比例分别为73.91%和28.33%。中性土壤镉超标和不超标的样品分别为15个和18个，相应的稻谷镉超标分别为8个和2个，镉超标比例分别为53.33%和11.11%。酸性土壤中铅超标和不超标的样品分别为6个和94个，相应的稻谷铅超标分别为2个和4个，铅的超标比例分别为33.33%和4.25%。微酸性土壤中铅超标和不超标的样品分别为4个和79个，相应的稻谷铅超标分别为1个和5个，铅的超标比例分别为25.00%和6.33%。中性土壤中铅超标和不超标的样品分别为2个和31个，相应的稻谷铅超标分别为1个和2个，铅的超标比例分别为50.00%和6.45%。

图1 不同酸碱度下稻谷中镉、铅积累与土壤中镉、铅含量的关系

图2为不同酸碱度下瓜茄果蔬菜中镉、铅积累与土壤中镉、铅含量的关系。在72个样点中，酸性、微酸性和中性的土壤分别为35、19和18个。其中，酸性土壤镉超标和不超标的样品分别为13个和22个，相应的瓜茄果蔬菜镉超标分别为1个和0个，镉的超标比例分别为7.69%和0%。微酸性土壤镉超标和不超标的样品分别为13个和6个，相应的瓜茄果蔬菜镉超标分别为1个和0个，镉的超标比例分别为7.69%和0%。中性土壤镉超标和不超标的样品分别为12个和6个，相应的瓜茄果蔬菜镉超标分别为0个和0个，超标率均为0%。酸性土壤铅超标和不超标的样品分别为3个和32个，相应的瓜茄果蔬菜铅超标分别为0个和0个，铅均不会发生超标。微酸性土壤铅超标和不超标的样品分别为2个和17个，相应的瓜茄果蔬菜铅超标分别为0个和0个。在中性土壤铅超标和不超标的样品分别为1个和17个，相应的瓜茄果蔬菜镉超标分别为0个和1个，铅超标率分别为0%和5.88%。

图2 不同酸碱度下瓜茄果蔬菜中镉、铅积累与土壤中镉、铅含量的关系

图3为不同酸碱度下叶菜中镉、铅积累与土壤中镉、铅含量的关系。在111个样点中，酸性、微酸性和中性的土壤分别为35、44和32个。酸性土壤镉超标和不超标的样品分别为12个和23个，相应的叶菜镉超标分别为2个和0个，镉超标比例分别为16.67%和0%。微酸性土壤中，土壤镉超标和不超标的样品分别为23个和21个，相应的叶菜镉超标分别为2个和0个，镉超标比例分别为8.70%和0%。中性土壤镉超标和不超标的样品分别为15个和17个，相应的叶菜镉超标分别为3个和0个，镉超标比例分别为20.00%和0%。酸性土壤铅超标和不超标的样品分别为1个和34个，相应的叶菜铅超标分别为0个和4个，超标比例分别为0%和11.76%。微酸性土壤铅超标和不超标的样品分别为1个和43个，相应的叶菜铅超标分别为0个和1个，超标比例分别为0%和2.33%。中性土壤铅超标和不超标的样品分别为1个和31个，相应的叶菜铅超标分别为0个和1个，超标比例分别为0%和3.23%。

图3 不同酸碱度下叶菜中镉、铅积累与土壤中镉、铅含量的关系

3 结论

对诸暨市域内代表性农田典型农作物可食部位镉、铅富集系数及稻谷、瓜茄果菜和叶菜等3类主要农产品安全生产的土壤镉、铅阈值研究表明：

（1）不同农作物对镉、铅的吸收和积累存在较大的差别，农作物对镉的富集能力明显高于对铅的富集；市内农田土壤镉污染风险较高，发生铅污染的风险较小。

（2）水稻谷物中镉的富集较为明显，高于其他作物；叶菜的镉的富集系数明显高于根茎蔬菜、豆类蔬菜、瓜茄果类蔬菜。因此，认为在镉污染农田，应选择镉低积累水稻品种种植，并可考虑玉米和番薯替代水稻；在镉污染严重的粮田，可考虑改变利用方式，种植果树等镉低积累农作物。在污染农田中种植蔬菜，应优先考虑种植瓜茄果蔬菜、根茎蔬菜或豆类蔬菜。

（3）对比分析表明，市内农产品镉、铅卫生质量状况与土壤环境质量类别存在明显的交错现象；稻谷积镉能力较强，在土壤环境质量筛选值以下仍然存在稻谷镉超标的风险。但瓜茄果类蔬菜和叶菜安全生产的镉和铅阈值低于筛选值，酸性、微酸性和中性土壤中当镉含量分别在1.00、1.40、4.20 mg/kg以下及铅含量分别在141、448、1530 mg/kg以下时，没有发现瓜茄果蔬菜重金属超标；土壤镉含量分别在0.32、0.50、2.00 mg/kg以下和铅含量分别在87.30、121.00、164.00 mg/kg以下时，没有发生叶菜重金属超标现象。

4 讨论

4.1 重金属低积累农作物的筛选

以上结果表明，不同农作物对镉、铅的富集能力有很大的差异，总体上农作物对镉的富集能力明显高于对铅的富集，这与土壤中镉具较高的生物活性有关。这一结果也表明土壤镉污染对农产品的风险明显高于铅污染的风险。在测试的农作物中，稻谷对镉具有较高的富集系数，表明污染农田中种植水稻镉污染风险较高，这已被众多研究所证实[21-23]。花生对镉也具有较高的富集能力，因此从安全利用的角度污染农田也不适合种植花生。而玉米和番薯对镉的富集能力较弱，其对镉的富集系数明显低于水稻和花生，因此在镉污染农田中种植玉米和番薯以替代水稻是一种有效的安全利用方式。番薯藤、南瓜藤、番薯根为农副产品，常被用作饲料。以上研究表明，番薯藤、南瓜藤、番薯根对镉的富集能力较弱，表明在污染农田中生产的这些农副产品可作为饲料利用，风险较小。本调查发现，黄秋葵对镉具有较高的富集能力，其富集系数高达0.483，明显高于其他蔬菜作物，表明在污染农田中不适合种植黄秋葵。结果表明，叶菜对镉的富集能力明显高于瓜茄果蔬菜、根茎蔬菜、豆类蔬菜，表明在污染农田中种植叶菜具较高的污染风险，而种植瓜茄果蔬菜和根茎蔬菜则可减免这种污染风险，因此，在污染农田中种植蔬菜，应优先考虑种植瓜茄果蔬菜、根茎蔬菜或豆类蔬菜。此外，本研究的调查也表明，水果或瓜子类农产品对镉的富集较低，因此，在污染农田中种植水果或瓜子类农产品的安全性较高。

由于诸暨市耕地土壤铅污染程度较低，且多数农作物对土壤铅的富集能力较弱，特别是瓜茄果蔬菜和根茎蔬菜及水果和瓜子类农产品；黄秋葵对铅的富集能力也较弱，因此，在铅轻度污染的耕地上种植常规农产品一般不会产生明显的污染风险。

一般情况下，镉、铅等重金属的生物活性随土壤pH的下降而增加[24]。但表2结果表明，除少数情况下，主要农作物对镉、铅的富集系数与土壤pH的相关不明显，这可能是土壤pH对富集系数的影响被其他因素所掩盖，即无论是镉还是铅，相同类别的农产品对镉或铅的富集也可因农产品品种、土壤性状的差异发生较大的变化。

表2 农作物可食部分镉、铅的富集系数与土壤pH的相关性

根系是重金属进入植物的门户，有研究认为，农作物对镉、铅吸收的差异与其根系的形态、根对重金属的吸收能力及生理活性、根表氧化膜以及重金属在体内运输的不同有关[25]，但有关机理还缺乏深入研究。

4.2 主要农作物安全生产的土壤镉铅阈值探讨

以上对稻谷、叶菜类蔬菜和瓜茄果类蔬菜等3类农产品卫生质量状况与土壤环境质量类别的交错分析表明，农产品卫生质量状况与土壤环境质量类别之间存在明显的不一致现象。总体上看，在污染农田上种植水稻存在明显的风险，水稻安全生产的土壤镉、铅阈值可能低于相应的筛选值；而叶菜类蔬菜和瓜茄果类蔬菜存在风险较低，它们的安全生产的土壤镉、铅阈值可能略高于相应的筛选值。

在酸性、微酸性和中性土壤中，土壤镉超过筛选值时，稻谷镉超标率分别为65.62%、73.91%和53.33%，这一结果表明当土壤镉超过筛选值，确实对水稻的安全生产带来极大的影响。但同时调查结果也表明，在酸性、微酸性和中性土壤中，即使土壤镉在筛选值以下，稻谷存然存在一定的镉污染风险，镉超标率分别为10.84%、28.33%和11.11%，这些超标土壤的镉含量分别在0.13～0.26、0.12～0.35、0.38～0.50 mg/kg之间，这可能与诸暨市杂交水稻种植面积较大有关，后者对土壤镉有较强的吸收能力有关。这一结果也表明，直接应用土壤环境质量标准来指导水稻安全生产还是存在一定的风险。对铅而言，在酸性、微酸性和中性土壤中当铅筛选值以上时，稻谷铅超标率分别为33.33%、25.00%和50.00%，表明当土壤铅超过筛选值，对水稻的安全生产也有较高的超标风险，但这种风险明显低于镉的污染。调查也表明，在酸性、微酸性和中性土壤中，当土壤铅在筛选值以下时，稻谷铅超标率分别为4.25%、6.33%和6.45%，超标率相对较低，这些超标土壤的铅含量分别在 17.80～42.30、38.90～62.80、44.10～53.00 mg/kg之间。总体上，中国土壤环境质量标准铅筛选值比镉筛选值更适合水稻的安全生产。

与稻谷不同，在酸性、微酸性和中性土壤中，土壤镉超过筛选值时，瓜茄果蔬菜镉超标率均较低，分别为7.69%、7.69%和0%，这一结果表明当土壤镉超过筛选值，绝大部分瓜茄果蔬菜镉并不超标；同时，调查结果也表明，在酸性、微酸性和中性土壤中，当土壤镉在筛选值以下，瓜茄果蔬菜均达标。对比土壤镉含量和瓜茄果蔬菜镉超标情况，酸性、微酸性和中性土壤中，当土壤镉含量在1.00、1.40、4.20 mg/kg以下时均可实现瓜茄果蔬菜安全生产。本调查中，在酸性、微酸性情况下，土壤铅含量分别在141、448 mg/kg以下时，均没有发生瓜茄果蔬菜铅超标现象；在中性情况下，当土壤铅含量分别为972、1530 mg/kg时，其上生长的南瓜和辣椒铅均没有超标，表明瓜茄果蔬菜普遍对铅具低吸收特点，同时也可能与研究土壤铅的生物有效性较低有关。但调查也发现，在研究土壤中有一个铅含量只有46.4 mg/kg的中性土壤（铅明显低于筛选值140 mg/kg），其上生长的南瓜发生了轻微的铅超标(0.11 mg/kg)，其原因有待进一步调查。

叶菜中镉、铅积累明显低于稻谷，但高于瓜茄果蔬菜。在酸性、微酸性和中性土壤中，土壤镉超过筛选值时，叶菜镉超标率均较低，分别为16.67%、8.70%和20.00%，这一结果表明当土壤镉超过筛选值，部分叶菜可发生镉的超标；对比土壤镉含量和叶菜镉超标情况，酸性、微酸性和中性土壤中，当土壤镉含量在0.32、0.50、2.00 mg/kg以下时均可实现叶菜安全生产。

在本调查的酸性、微酸性和中性土壤中，当土壤铅超标到87.30、121.00、164.00 mg/kg时，均没有发生叶菜超标问题，表明其安全阈值高于相应的筛选值（分别为80、100、140 mg/kg）。但奇怪的是，当铅含量低于筛选值时无论是酸性、微酸性还是中性土壤上均出现个别叶菜铅超标现象，其相应的铅含量分别为38.30～69.10、79.50、77.40 mg/kg，土壤铅含量在筛选值以上时叶菜不超标而在筛选值以下时出现个别超标，推测其超标的铅可能不是来源于土壤，而是大气沉降的结果。近年来的研究发现，大气沉降可能是叶菜及茶叶等以叶为收获物农产品重金属的来源之一[26-27]。