徐溫新，李 艷，代允超，呂家瓏*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.陜西省農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，西安 710003）

鉛（Pb）由于其在土壤中的溶解性和遷移性較大，是一種危害性很大的微量重金屬元素[1-2]，土壤和蔬菜已受到一定程度的Pb污染，大多數(shù)重金屬可以通過食用蔬菜很容易地進(jìn)入食物鏈[3-4]，因此農(nóng)業(yè)土壤的重金屬污染是一個(gè)嚴(yán)重的問題。有研究表明，單獨(dú)使用金屬總量不足以準(zhǔn)確評估重金屬的風(fēng)險(xiǎn)，在評價(jià)生物有效性時(shí)應(yīng)側(cè)重于重金屬生物活性而不是總量[5]。但是目前土壤中的金屬總含量仍被中國和歐盟等國家用作制定土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基本指標(biāo)，近年來，很多相關(guān)研究也是采用重金屬總量來構(gòu)建重金屬風(fēng)險(xiǎn)評估的預(yù)測模型[6]。土壤性質(zhì)如土壤質(zhì)地、pH、有機(jī)碳（OC）、碳酸鈣（CaCO3）、陽離子交換量（CEC）、氧化鋁（Alox）和氧化鐵（Feox）都會(huì)影響Pb在土壤中的遷移率和生物有效性[7-8]。然而，這些土壤性質(zhì)之間的相互關(guān)系使得影響土壤中Pb生物有效性的主要變量難以確定。因此，可以通過逐步多元線性分析來確定土壤性質(zhì)和Pb生物有效性之間的關(guān)系。故本研究利用土壤中總Pb含量結(jié)合土壤基本理化性質(zhì)，對Pb在土壤中的生物有效性及其向植物中的運(yùn)移特性展開研究。

除了土壤因素，Pb的生物有效性與作物的種類也有一定關(guān)系，研究表明，小白菜對Pb具有較高的吸收能力[9]。雖然許多研究調(diào)查了各種植物攝取Pb的機(jī)制，但大多數(shù)集中在具有單一土壤或性質(zhì)相似的土壤中，這限制了結(jié)果的普遍應(yīng)用性[10]。中國地域廣闊，土壤性質(zhì)差異很大，因此，在進(jìn)行土壤Pb生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)時(shí)需要考慮土壤性質(zhì)對Pb生物有效性的影響，但仍然缺乏在不同種類土壤上普遍適用的評價(jià)Pb生物有效性的方法，構(gòu)建適用于各種土壤類型的預(yù)測模型至關(guān)重要。因此，本研究選取我國15種理化性質(zhì)差異很大的土壤，以小白菜為研究對象，旨在測定其在不同性狀土壤上對Pb的吸收特征，評估影響小白菜對Pb生物有效性的主要因素，構(gòu)建小白菜在不同的土壤類型吸收Pb的預(yù)測模型。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

采集我國15個(gè)省份理化性質(zhì)差異較大的土壤，采樣深度為0～20 cm，土壤樣品風(fēng)干后過20目尼龍篩，供土壤基本理化性質(zhì)測定。分析方法參照《土壤農(nóng)化分析》[11]。使用濕酸消解法（HNO3-HF-HClO4）對供試土壤樣品進(jìn)行消解處理，浸提液使用原子吸收分光光度計(jì)（Hitachiz-2000，日本）測量其中的總Pb含量。供試土壤基本理化性質(zhì)見表1，可以看出，其pH變化范圍為4.90～8.80；OC含量范圍為6.78～20.70 g·kg-1；CaCO3含量范圍為0～53.57 g·kg-1；CEC含量范圍為 8.70～31.11 cmol·kg-1；黏粒含量范圍為 6.66%～42.91%；Feox和Alox含量范圍分別為0.72～2.34 g·kg-1和0.05～0.26 g·kg-1，15種供試土壤包含了酸性土、中性土和堿性土，其理化性質(zhì)變化很大。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Selected soil properties

1.2 實(shí)驗(yàn)布置和樣品分析

在陜西省楊凌區(qū)進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)。按照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中Pb的限量，pH＜6.5時(shí)，250 mg·kg-1；pH為6.5～7.5時(shí)，300 mg·kg-1；pH＞7.5時(shí)，350 mg·kg-1。將外源Pb（PbNO3）以0、150 mg·kg-1和300 mg·kg-1的標(biāo)準(zhǔn)分別施用于含有1 kg土壤的盆中，分別記為對照（CK），Pb1和Pb2。將Pb溶解在水中以確保混合均勻，每個(gè)處理重復(fù)三次，自然條件下放置三個(gè)月使其老化。期間土壤水分保持在最大持水量的80%，并且每周稱重并補(bǔ)水。在土壤老化后，向每盆土壤中加入含有0.30 g氮（尿素），0.10 g磷[Ca（H2PO4）2]和0.20 g鉀（K2SO4）的基肥。然后將小白菜種子（金旱生，陜西秦興種苗有限公司）直接播種在盆栽土壤中，并且在發(fā)芽后，根據(jù)長勢每盆定苗兩株。在整個(gè)生長期間土壤水分都保持在最大持水量的80%，白天和晚上的溫度分別控制在20℃和15℃，空氣濕度為60%～70%。

生長60 d后將小白菜收獲，將收獲小白菜后的土壤樣品風(fēng)干并過0.15 mm尼龍篩，經(jīng)HNO3-HF消煮。新鮮植物樣品用蒸餾水沖洗，100℃烘箱干燥，并在密封的高壓系統(tǒng)下用HNO3-H2O2消化。用石墨爐原子吸收光譜儀（日立Z-2000，日本）測量消煮液中土壤樣品和植物樣品中的總Pb含量。每個(gè)樣品重復(fù)三次，用GBW10015作標(biāo)準(zhǔn)參考材料，以確保測試的準(zhǔn)確性。

1.3 數(shù)據(jù)分析

生物富集系數(shù)（BCF）是植物樣品中金屬含量與土壤中金屬含量的比值。目前有兩種常見的計(jì)算生物富集系數(shù)的方法。第一種方法稱為全量法，計(jì)算方程式如下：

式中：Cplant和Csoil分別代表植物中和土壤中的Pb含量。

第二種方法為外源法，它是由第一種方法全量法引申而來，具體計(jì)算方程式如下[12]：

式中：Cplant和Cplant-CK分別代表添加Pb處理和對照處理的植物中Pb含量；Csoil和Csoil-CK分別代表添加Pb處理和對照處理的土壤中Pb含量。

Freundlich方程可用于預(yù)測重金屬從土壤到植物系統(tǒng)轉(zhuǎn)移[13]，其方程式如下：

式中：Cplant和Csoil分別是植物和土壤中的Pb含量；a和b是常數(shù)。

基于土壤的基本理化性質(zhì)，采用逐步多元線性回歸（SMLR）預(yù)測小白菜對Pb的吸收量。除了pH之外的所有數(shù)據(jù)在分析之前進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)化以獲得正態(tài)分布。數(shù)據(jù)分析和作圖分別采用SPSS和Excel軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理?xiàng)l件下植物中Pb含量之間的關(guān)系

如圖1所示，對照（CK）處理中植物Pb含量范圍為 0.008～0.019 mg·kg-1。Pb1處理植物Pb含量范圍為0.15～0.42 mg·kg-1，平均值為0.25 mg·kg-1。Pb2處理植物 Pb含量范圍為0.29～0.57 mg·kg-1，平均值為0.40 mg·kg-1。Pb1和Pb2處理中植物Pb含量均極顯著高于CK處理中植物Pb含量（p＜0.01）。在酸性土壤上生長的植物中的Pb含量（0.27 mg·kg-1）高于在堿性土壤上生長的Pb含量（0.18 mg·kg-1），這表明低pH可以提高Pb在植物中的富集量。如圖2A所示，土壤中的Pb含量（19.45～389.46 mg·kg-1）和植物Pb含量（0.01～0.57 mg·kg-1）表現(xiàn)出很大的變化，植物Pb含量與土壤Pb含量呈極顯著相關(guān)（R2=0.72，p＜0.01）。如圖2B所示，把植物Pb含量與土壤Pb含量經(jīng)對數(shù)化處理后，兩者之間相關(guān)性更高（R2=0.83，p＜0.01）。

圖1 不同Pb處理下小白菜的Pb含量Figure 1 Pb concentration in the Brassica chinensis under different Pb treatments

2.2 土壤理化性質(zhì)對植物吸收Pb的影響

圖2土壤Pb和植物Pb含量之間的關(guān)系（A和B分別表示正常和對數(shù)轉(zhuǎn)換）Figure 2 Relationships between Pb concentration in Brassica chinensis and soil in normal（A）and log-transformed（B）

圖3 A為用全量法計(jì)算的生物富集系數(shù)（BCFtotal）?？梢?，相比于對照CK，添加Pb的處理Pb1和Pb2顯著增加了不同土壤中的生物富集系數(shù)（BCF），但Pb1和Pb2處理之間的差異并不顯著。在酸性土壤中的BCFtotal值較高，表明Pb在酸性條件下更容易被植物富集。然而，相對于其他酸性土壤，土壤編號(hào)3、6、7的BCFtotal顯著降低，這可能是由于這三種土壤中有機(jī)碳（OC）含量（分別為19.87、20.70 g·kg-1和19.05 g·kg-1）較高。土壤編號(hào)12相對于其他土壤的BCFtotal值顯著降低，這可能是由于該土壤中CaCO3含量（53.57 g·kg-1）較高。與其他堿性土壤相比，土壤編號(hào)14的BCFtotal明顯較高，這可能是由于土壤中有機(jī)碳含量（6.87 g·kg-1）較低。如圖3B所示，用外源法計(jì)算的生物富集系數(shù)（BCFadded）在酸性土壤中最高，但在Pb1和Pb2處理之間沒有表現(xiàn)出顯著差異。與BCFtotal相比，相應(yīng)土壤的BCFadded略增大，其原因可能是在計(jì)算BCFadded時(shí)消除了土壤本底Pb的影響。

圖3 不同Pb處理下15種土壤中小白菜的富集系數(shù)（BCF）Figure 3 BCFtotal（A）and BCFadded（B）of Brassica chinensis in the 15 soils under different Pb treatments

2.3 影響植物Pb吸收的土壤因素

以植物中Pb含量為因變量，土壤中Pb含量、土壤pH、OC、CEC和黏粒含量等作為自變量進(jìn)行逐步多元線性回歸，可以得出土壤中Pb含量、土壤pH和OC與植物中Pb含量極顯著相關(guān)（p＜0.01）、其他土壤性質(zhì)如黏粒含量、CEC、CaCO3含量和Fe-或Al-氧化物含量也會(huì)對植物中Pb含量產(chǎn)生影響，但均未達(dá)到顯著相關(guān)（P＞0.05），因此沒有被回歸到預(yù)測方程中。從表2可以看出，基于土壤Pb含量的單因素預(yù)測方程估計(jì)精度最低（R2=0.83，p＜0.01），而基于土壤Pb含量、土壤pH和土壤OC含量的多變量預(yù)測方程估計(jì)精度最高（R2=0.94，p＜0.01），將土壤性質(zhì)納入逐步多元線性回歸分析改進(jìn)了Pb生物有效性的估計(jì)，因此在評價(jià)Pb的生物有效性時(shí)，需要考慮土壤pH和OC等因素。植物Pb含量與土壤pH和OC之間的簡單關(guān)系如圖4所示。

2.4 植物從土壤中吸收Pb的模型預(yù)測

添加pH、OC、CEC和黏粒含量等土壤性質(zhì)可以提高Freundlich方程的預(yù)測精度。對數(shù)轉(zhuǎn)換的Freun?dlich模型經(jīng)常被應(yīng)用于研究各種土壤-植物系統(tǒng)中的重金屬吸收[14-15]。為判定預(yù)測模型的預(yù)測效果，可以通過預(yù)測值和實(shí)測值之間的均方根誤差（RMSE）和決定系數(shù)（R2）來獲得最佳預(yù)測方程，RMSE越小，R2越大，其方程預(yù)測效果越好。

表2 基于土壤性質(zhì)的植物Pb吸收預(yù)測模型Table 2 Prediction equations between plant Pb and soil properties

圖4 植物Pb含量與土壤pH、土壤OC含量之間的簡單關(guān)系Figure 4 The simple relationships between the Pb concentration in plants and pH，OC in soils

在本研究中，基于方程（3），根據(jù)不同來源的Pb數(shù)據(jù)，分別是對照處理、全量法、外源法和將對照處理和添加Pb的處理相結(jié)合，對數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合計(jì)算，共得到4個(gè)不同的預(yù)測方程，如表3所示。通過這些方程可以看出，植物中Pb含量與土壤中Pb含量、土壤pH值和有機(jī)碳含量呈顯著相關(guān)關(guān)系，且植物Pb含量與土壤Pb含量呈正相關(guān)，但與土壤pH和有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)。為進(jìn)一步探索各回歸方程的預(yù)測效果，通過繪制不同Pb來源的預(yù)測值和實(shí)測值之間的關(guān)系圖（圖5），可以看出，通過合并對照處理和添加Pb處理計(jì)算的回歸方程（R2=0.94，RMSE=0.11，n=45）較其他方程預(yù)測效果更好。

3 討論

有研究表明，隨著土壤中Pb含量的增加，植物中的Pb含量也隨之增加，即植物中Pb含量與土壤中Pb含量呈正相關(guān)，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)處理后，植物Pb含量和土壤Pb含量之間相關(guān)性更高[16-17]，這與本研究的結(jié)果相似，且本研究供試土壤中的Pb含量和植物Pb含量變化范圍較大（圖2），充分說明了本研究結(jié)果的普遍性。但也有研究表明，植物Pb含量和土壤Pb含量之間的簡單線性回歸分析不能完全反映出土壤性質(zhì)對Pb生物有效性的影響[18]，因此許多學(xué)者通過建立包含土壤性質(zhì)的多元回歸預(yù)測模型，如王衛(wèi)等[19]通過建立土壤理化性質(zhì)與煙葉中Cd含量的相關(guān)方程，Ding等[20]利用21個(gè)土壤樣品建立土壤理化性質(zhì)與根菜類植物中Pb含量的回歸方程，Dai等[21]采集我國18個(gè)省份的土壤，建立土壤理化性質(zhì)與小麥中As含量之間的預(yù)測方程，都取得了不錯(cuò)的效果。本研究中，將土壤性質(zhì)融合進(jìn)回歸方程的模型相關(guān)性比不包含土壤性質(zhì)的方程相關(guān)性更好，說明土壤性質(zhì)對小白菜從土壤中吸收Pb有顯著影響。

表3 基于不同數(shù)據(jù)源的植物Pb吸收的預(yù)測方程Table 3 Prediction equations for the different Pb sources

圖5 根據(jù)數(shù)據(jù)來源的植物Pb測定和預(yù)測值之間的關(guān)系Figure 5 Relationships between measured lg[plant Pb]and predicted lg[plant Pb]of different Pb sources

通過逐步多元線性回歸分析（SMLR）構(gòu)建的植物Pb含量與土壤Pb含量和土壤理化性質(zhì)之間的Freun?dlich型關(guān)系（lg CplantPb對lg CsoilPb），可以看出，土壤OC含量和土壤pH與小白菜對Pb的吸收量呈負(fù)相關(guān)。土壤pH控制重金屬在土壤固相中的沉淀和溶解以及金屬吸附，絡(luò)合和酸堿反應(yīng)，因此，土壤pH對土壤中Pb的形態(tài)及其吸附解吸有著直接的影響[22-23]。本研究證實(shí)，在酸性土壤中的植物Pb含量和生物富集系數(shù)都較大，表明Pb在pH低的酸性土壤上更容易被作物吸收。土壤有機(jī)碳含量也與Pb的生物有效性呈負(fù)相關(guān)，原因可能是有機(jī)物料施用能改變土壤中重金屬的形態(tài)，土壤有機(jī)質(zhì)通過發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)固定陽離子，導(dǎo)致土壤中Pb的濃度降低，從而降低植物的吸收[24]。另外，有機(jī)物料腐解后產(chǎn)生的某些基團(tuán)能有效吸附、絡(luò)合土壤重金屬，從而減少重金屬的生物有效性[25]。有研究表明，土壤CEC、CaCO3和黏粒含量對土壤中外源Pb的有效性也有影響。CEC反映了土壤膠體的負(fù)電荷量，為土壤吸附和交換的陽離子容量。黏粒含量高，CEC相應(yīng)增加，土壤對Pb2+的吸附作用也較大，而CaCO3解離出來的少量Ca2+會(huì)與Pb2+產(chǎn)生拮抗作用[26-27]。但是本研究的結(jié)果表明，土壤CEC、CaCO3、黏粒含量和Fe、Al氧化物等在供試土壤上均未對小白菜吸收Pb產(chǎn)生顯著的影響，這可能與供試土壤理化性質(zhì)和植物種類有關(guān)。

目前用于評價(jià)重金屬生物有效性的模型主要有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型，機(jī)理模型通?；谕寥绤?shù)（例如，土壤溶液中離子的擴(kuò)散系數(shù)）和植物特征（例如，根大小和幾何形狀，根的離子吸收的動(dòng)力學(xué)參數(shù)），其導(dǎo)致估計(jì)精度較好[28]。由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透唵魏蜏?zhǔn)確，近年來很多研究人員使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測重金屬的生物有效性[29-30]。例如，F(xiàn)ran?ois等[31]研究指出，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅葯C(jī)理模型預(yù)測小麥中的重金屬濃度更準(zhǔn)確，這是由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂紤]了土壤pH、CEC和土壤重金屬的活性等因素，故本研究中的預(yù)測模型考慮了土壤pH、OC對Pb生物有效性的影響，宋文恩等[32]研究水稻中Cd的生物有效性時(shí)利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瞳@得的預(yù)測方程，可以解釋模型變異的81.90%以上。廣泛用于評估重金屬從土壤到植物轉(zhuǎn)移的Freundlich型方程通常就基于容易測量的土壤性質(zhì)參數(shù)而得出，比如pH、OC、CEC和重金屬總量等[33]。

在本研究中，15個(gè)不同土壤性質(zhì)的變化范圍比較大，特別是pH和有機(jī)碳含量，以確保這些變量在回歸模型中的意義。結(jié)合土壤理化性質(zhì)后，通過不同來源Pb數(shù)據(jù)擬合的預(yù)測模型都有較好的預(yù)測效果，尤其是合并對照處理和添加Pb處理得到回歸方程（n=45）預(yù)測效果最好，實(shí)測值和預(yù)測值相關(guān)性最高，因此，本研究得到的預(yù)測模型可以為中國土壤Pb污染對葉菜類蔬菜的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供參考。

4 結(jié)論

（1）植物中的Pb含量受土壤中的Pb含量、土壤pH值和有機(jī)碳含量影響顯著，且與土壤中的Pb含量呈正相關(guān)，與土壤pH和有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)。

（2）Pb在酸性土壤中富集系數(shù)比堿性土壤大，且外源法測得的BCF都高于全量法測得的BCF。植物Pb含量和土壤Pb含量的簡單線性相關(guān)關(guān)系，在經(jīng)過對數(shù)處理后相關(guān)性更好。

（3）相對于單變量（土壤Pb含量）模型，通過逐步多元線性回歸將土壤理化性質(zhì)納入回歸方程得到的多變量（土壤Pb含量、土壤pH、OC含量）預(yù)測模型的相關(guān)性更好，可以用于估計(jì)Pb從土壤到植物的轉(zhuǎn)移。