查 燕，湯 婕，牛天新

（1.杭州市農(nóng)業(yè)科學研究院 農(nóng)作物（生態(tài)）所，浙江 杭州 310024；2.安徽農(nóng)業(yè)大學 環(huán)境與資源學院，安徽 合肥 210036）

【研究意義】近年來，隨著城市化和工業(yè)化的迅猛發(fā)展，不僅導致土壤環(huán)境狀況不容樂觀，而且引發(fā)的大氣顆粒物污染也被廣泛認定為突出的環(huán)境問題[1-2]。眾所周知，土壤、大氣環(huán)境質(zhì)量與農(nóng)作物安全生產(chǎn)密切相關，農(nóng)作物安全生產(chǎn)已引起了人們的高度重視。【前人研究進展】大氣顆粒物負載的重金屬已成為我國蔬菜中重金屬積累的重要來源之一[3-7]，其中25%～40%的植物重金屬來源于受污染區(qū)域大氣沉降顆粒物[8-9]，如工業(yè)污染密集區(qū)域大氣沉降往往成為農(nóng)作物中Pb、Cd、As、Hg等重金屬的主要來源[8]。葉菜葉片重金屬含量存在超標現(xiàn)象[9]，相關學者為了弄清大氣干沉降對蔬菜葉片中重金屬的影響，通過模型計算出大多露天種植蔬菜葉片中Zn、Pb、Cu 等重金屬主要來源于大氣沉降[3]，通過模擬大氣顆粒物暴露實驗發(fā)現(xiàn)，卷心菜和菠菜葉片能夠吸收大量Cd、Sb、Zn 和Pb[10]。需要引起重視的是，大氣顆粒物中重金屬不僅直接影響作物葉片，還能夠通過污染作物周圍的土壤和水體，被根系吸收進入農(nóng)作物體內(nèi)[11-12]。因此，沉降于葉菜表面的重金屬顆粒物，最終會通過食物鏈傳遞和富集，對人類健康造成嚴重危害?！颈狙芯壳腥朦c】《中國居民膳食指南（2016）》推薦餐餐有蔬菜，保證每天攝入300～500 g蔬菜（中華人民共和國國家發(fā)展改革委員會，2012）。蔬菜作為一種特殊的綠色植物，其對重金屬的吸收和富集一直是人們關注的熱點問題[13-15]。研究發(fā)現(xiàn)，葉片作為葉菜類蔬菜重要的可食部分，同時也是植物器官中具有較為吸收敏感的一個器官。因此，研究葉菜類蔬菜對重金屬吸收累積差異及綜合富集能力，對于篩選重金屬低積累型葉菜品種，合理分配生產(chǎn)布局具有重要的現(xiàn)實意義。【擬解決的關鍵問題】本研究以當?shù)叵M習慣，選取6種常見葉菜類蔬菜作為研究對象，選取鉛（Pb）、鎘（Cd）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鉻（Cr）和鎳（Ni）作為分析對象，揭示葉菜葉片重金屬含量的空間差異及種間差異，綜合評估葉菜葉片對重金屬的富集能力。本研究不僅為保障葉菜安全生產(chǎn)具有重要意義，還能為環(huán)境污染嚴重區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

根據(jù)杭州市居民日常消費葉菜類蔬菜情況，供試葉菜確定為以下6種，分別為青菜（Brassica chinensisL.）、菠菜（Spinacia oleraceaL.）、生菜（Lactuca sativavar.crispa）、莧菜（Amaranthus tricolorL.）、杭白菜（Brassica chinensisvar.oleifera）、葉用番薯（Ipomoea batatas），蔬菜種子均由杭州市農(nóng)科院農(nóng)作物（生態(tài)）所提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 本研究在杭州市境內(nèi)選擇3 個蔬菜基地，分別為杭州市農(nóng)科院（120°4′38.778″E，30°9′35.853″N）、杭州市臨安區(qū)板橋基地（119°47′15.716″E，30°10′48.221″N）和杭州市富陽區(qū)新迪蔬菜基地（119°44′21.317″E，30°0′1.837″N），采樣點如圖1 所示。杭州市農(nóng)科院位于杭州市西湖區(qū)，該區(qū)域人流量和車流量較大。杭州市臨安區(qū)位于杭州市郊區(qū)，環(huán)境優(yōu)美，周邊有小型水泥廠。杭州市富陽區(qū)新迪基地位于杭州市郊區(qū)，遠離交通區(qū)，人流量及車流量較小。本研究在2019 年9 月選擇晴朗天氣，在每個蔬菜基地分別采取隨機播種方式，每種葉菜種植12 顆。栽培期間添加適當自來水以保持土壤濕度，未對葉片進行噴灑，以保證葉片表面顆粒物的完整性。在葉菜成熟期統(tǒng)一進行采集，于2019 年11 月選擇葉面積指數(shù)相近、生長狀況良好的健康葉片作為樣本，采樣前2 周內(nèi)無降雨和大風事件，3 個基地采樣工作保證在同一天內(nèi)完成。樣品小心裝入自封袋中帶回實驗室，置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆么治觥?/p>

圖1 葉菜采樣點Fig.1 The sampling sites of leafy vegetable

每個種植模式地塊各設3 個小區(qū)，每個小區(qū)采取S 形布點取樣，每5 個點為一個混合樣，采樣時先清除地表雜物，均勻采集0～20 cm 的土壤，多點混合后的樣品按四分法取舍，保留10 g 左右，用塑料袋裝好帶回實驗室。土壤樣品經(jīng)風干、研磨、去除石礫、作物根系殘渣后，按要求研磨過2 mm 篩，用于測定土壤重金屬指標，每個樣品均重復測定3次。

1.2.2 測定指標及方法 采摘葉片樣品首先用自來水，再用超純水沖洗干凈。自然晾干水分后經(jīng)105 ℃殺青2 h后在65 ℃下烘干48 h至恒重，然后粉碎。準確稱取0.500 g葉片和土壤樣品，加入5∶1的HNO3和HClO4，放入消解罐中。在180 ℃條件下消解2 h 冷卻后，利用加熱板趕酸。剩最后一滴再用HNO3（2%）定容于50 mL 的比色管中，過夜沉淀后取上清液上機測試。用石墨爐法測定Cr、Pb、Cu 和Cd，用火焰法測定Zn 和Ni（原子吸收光譜儀HITACHI Z-5000）。部分葉片樣品不用清洗采樣后直接測定重金屬含量用于測定清洗前葉菜葉片重金屬含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用重金屬積累指數(shù)（metals accumulation index，MAI）法[16]，計算每種葉菜葉片對不同重金屬的綜合積累能力，具體見式 （1）：

式 （1）中，N代表分析的重金屬種類數(shù)目，變量Ij=x/δX，x/δX為每種金屬含量平均值（x）與其標準偏差（δX）的比值.本研究共評價了6種重金屬，故N=6。

捕獲率（capturing rate，CR）計算公式如下：

式（2）中，Xunwashed-leaf表示未清洗葉片重金屬濃度，Xwashed-leaf表示經(jīng)清洗后葉片重金屬濃度。

富集系數(shù)是指植物體內(nèi)某種重金屬含量與土壤中該元素含量的比值，它反映了植物對土壤中重金屬元素的積累能力。富集系數(shù)（bioconcentration factors，BF）計算公式如下：

式（3）中，[C]leaf表示葉片中重金屬濃度，[C]soil表示土壤重金屬濃度。

數(shù)據(jù)處理分析應用SPSS 19.0 軟件，計量采用均數(shù)±標準差表示。為驗證不同葉菜葉片富集重金屬的區(qū)域和種間差異，對上述參數(shù)進行了單因素方差分析（One-way，ANOVA），并采用了最小顯著性差異法（least significant difference，LSD，P＜0.05）進行檢驗。為比較不同區(qū)域和品種對重金屬含量的影響，進行了雙因素裂區(qū)方差分析（Two-way，ANOVA），在分析過程中，分別進行了Shapiro-Wilk’s 檢驗與Levene’s 檢驗，以檢驗數(shù)據(jù)是否分別滿足正態(tài)分布及方差齊性。運用Origin9.0對分析結(jié)果做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉菜類蔬菜對重金屬積累的空間差異

由表1可知，農(nóng)科院、板橋和新迪基地葉菜葉片中Cd、Cr和Pb含量無顯著差異。農(nóng)科院葉菜葉片Cu含量顯著高于板橋和新迪（P＜0.05），新迪葉菜葉片Ni含量顯著高于農(nóng)科院和板橋（P＜0.05），農(nóng)科院葉菜葉片Zn 含量顯著高于板橋（P＜0.05），但與新迪無顯著差異。總體上，除Ni 之外，農(nóng)科院基地葉菜中5 種重金屬含量略高于板橋和新迪基地，表明板橋和新迪基地葉菜類蔬菜品質(zhì)較好。究其原因可能是由于農(nóng)科院位于交通發(fā)達的市區(qū)，造成其土壤和大氣中重金屬含量相對較高；而板橋和新迪基地位于車流量較少的郊區(qū)，因此土壤和大氣中重金屬含量較低，相對安全。

表1 葉菜葉片重金屬富集的空間差異Tab.1 Spatial differences of heavy metal accumulation on leafy vegetables mg/kg

2.2 葉菜類蔬菜對重金屬積累的種間差異

由表2 可知，6 種葉菜葉片中Cd、Cr、Cu、Pb、Ni 和Zn 含量介于0.011～0.050，0.017～0.129，0.783～2.777，0.036～0.131，0.011～0.047，3.963～8.610 mg/kg，均低于葉菜類蔬菜重金屬污染物限量值（GB 2762—2012）。葉菜葉片中Cd、Cr和Cu含量由大到小依次為莧菜、菠菜、葉用番薯、生菜、青菜和杭白菜；葉菜葉片中Ni 和Pb 的含量由大到小依次為莧菜、生菜、菠菜、葉用番薯、青菜和杭白菜；葉菜葉片中Zn 含量由大到小依次為莧菜、菠菜、生菜、青菜、杭白菜和葉用番薯。進一步通過統(tǒng)計學分析發(fā)現(xiàn)，6種葉菜對重金屬的積累具有顯著的種間差異（P＜0.05），莧菜葉片中6 種重金屬含量均顯著高于其他5 種葉菜，說明莧菜對重金屬的累積能力最強。杭白菜對重金屬的累積能力最弱，可能與葉菜生理特征、生長周期及對重金屬污染物的敏感程度等多種因素有關。

表2 葉菜葉片重金屬富集的種間差異Tab.2 Interspecific differences in heavy metal accumulation on leafy vegetable mg/kg

2.3 區(qū)域和品種對葉菜類蔬菜中重金屬積累的影響

進一步通過雙因素方差分析表明，葉菜葉片各重金屬元素受區(qū)域、品種、區(qū)域和品種交互作用影響顯著（表3）。葉菜葉片中Cd、Cu、Pb和Zn含量受區(qū)域、品種、區(qū)域和品種交互作用影響極顯著（P＜0.01）；葉菜葉片中Cr 含量受區(qū)域影響顯著（P＜0.05），受品種影響極顯著（P＜0.01），但受區(qū)域和品種交互作用影響不顯著。葉菜葉片中Ni 含量受區(qū)域和品種影響極顯著（P＜0.01），但受區(qū)域和品種交互作用影響不顯著。

表3 區(qū)域和品種對葉菜重金屬的影響Tab.3 Effects of regions and varieties on heavy metals in leafy vegetables

2.4 葉菜類蔬菜對重金屬的富集系數(shù)及綜合累積指數(shù)

采用富集系數(shù)表示葉菜類蔬菜葉片對土壤重金屬含量的富集能力，其值為葉片重金屬含量與土壤中相應重金屬含量的比值，能在一定程度上可反映葉菜-土壤系統(tǒng)中重金屬遷移的難易程度。6 種葉菜的重金屬富集系數(shù)由大到小的排序依次為Cd、Zn、Cu、Ni、Cr 和Pb（表4），其中Cd 和Zn 富集系數(shù)平均值遠高于其他4 種重金屬，說明Cd 和Zn 在蔬菜-土壤系統(tǒng)移動性較強。本研究中6 種葉菜對Cd 的富集系數(shù)較高，造成該現(xiàn)象的原因可能是蔬菜生長區(qū)域大氣中Cd 含量較高有關?？傮w上，以菠菜對Cd 的富集能力最強，莧菜對Zn的富集能力最強。

MAI 指數(shù)可用來描述植物對多種金屬元素的綜合累積能力，植物MAI 越高則其對多種金屬元素的綜合累積能力越強[17]。如表4 所示，6 種葉菜MAI 值由大到小依次為葉用番薯（4.77）、莧菜（3.78）、生菜（3.33）≈菠菜（3.26）、杭白菜（2.67）≈青菜（2.65）。本研究結(jié)果表明葉用番薯、更適合評價采樣區(qū)域的重金屬污染狀況。

表4 葉菜重金屬富集系數(shù)和綜合累積指數(shù)Tab.4 The BF and MAI values of heavy metal in leafy vegetables

2.5 葉菜類蔬菜對重金屬的捕獲率

通過計算捕獲率可知（圖2），6種葉菜對Cd的捕獲率由大到小依次為菠菜、杭白菜、莧菜、葉用番薯、生菜和青菜；6種葉菜對Cr的捕獲率依次為杭白菜、葉用番薯、菠菜、生菜、莧菜和青菜；6種葉菜對Cu的捕獲率依次為杭白菜、葉用番薯、菠菜、莧菜、生菜和青菜；6 種葉菜對Ni 的捕獲率依次為青菜、杭白菜、生菜、菠菜、葉用番薯和莧菜；6種葉菜對Pb的捕獲率依次為杭白菜、生菜、青菜、葉用番薯、菠菜和莧菜；6種葉菜對Zn 的捕獲率依次為葉用番薯、莧菜、杭白菜、生菜、青菜和菠菜。綜上所述，6種葉菜均對Pb、Cr有較強的捕獲率，其中杭白菜對Pb和Cr的捕獲率分別高達60.36%和51.19%，說明大氣顆粒物是杭白菜葉片中Pb和Cr的重要來源；青菜對Ni的捕獲率高達69.94%，說明大氣顆粒物是青菜葉片中Ni的重要來源；青菜和菠菜對Zn的捕獲率較低，分別為3.84%和3.77%，說明兩者不易吸附大氣顆粒物中Zn元素。盡管杭白菜對大氣細顆粒物中Pb和Cr的捕獲率較強，但其葉片中Pb、Cr含量較低，可能與生長區(qū)大氣細顆粒物中Pb、Cr污染較輕有關。

圖2 不同種類葉菜對重金屬的捕獲率Fig.2 The capture rates of heavy metals in different leaf vegetables

2.6 清洗對葉菜葉片中重金屬含量的影響

通過對清洗和未清洗的葉菜葉片中重金屬含量進行測定，清洗過的葉菜樣品中6 種Cd 重金屬含量均低于未清洗葉菜樣品。進一步通過統(tǒng)計學分析發(fā)現(xiàn)，清洗前后對6種葉菜葉片中Cu和Cd含量無顯著影響，但清洗過的葉菜樣品中Cu 和Cd 含量均低于未清洗葉菜樣品。葉用番薯葉片中Cr和Zn 含量在清洗前后分別呈極顯著差異（P＜0.01）和顯著差異（P＜0.05），青菜和葉用番薯葉片中Pb 含量在清洗前后呈極顯著差異（P＜0.01），杭白菜葉片中Pb、Cr 含量在清洗前后呈極顯著差異（P＜0.01），生菜和青菜葉片中Ni含量在清洗前后呈顯著差異（P＜0.05）。綜上所述，葉菜中重金屬可以通過清洗顯著降低，即主要來源于葉片表面。大氣顆粒物分別是葉用番薯葉片中Cr和Zn，杭白菜中Pb和Cr，青菜和葉用番薯中Pb及生菜、青菜葉片中Ni的主要來源。

另發(fā)現(xiàn)清洗對葉用番薯中Cr、Zn，青菜和葉用番薯中Pb、杭白菜中Pb、Cr及青菜中Ni有著較為顯著的去除效果。整體來看，清洗對杭白菜、莧菜和菠菜清洗后去中除重金屬的去除效果最為理想，即通過清洗可以大量減少蔬菜中各重金屬元素的含量，能夠有效降低人類食用風險。然而，簡單清洗對青菜、葉用番薯和生菜中重金屬并不能達到很好的去除效果，可能是與其葉表面沉降吸附的顆粒物較少有關。綜上所述，大氣沉降中Cr、Pb和Zn對葉用番薯有較大影響，大氣沉降中Pb和Cr對杭白菜有較大影響，大氣沉降中Pb 和Ni對青菜有較大影響，大氣沉降中Ni對生菜有較大影響。綜上所述，葉菜葉片重金屬可以通過清洗的方式達到顯著降低，即主要來自于葉片表面。

圖3 清洗與未清洗葉菜樣品重金屬含量對比Fig.3 Comparison of heavy metal concentrations in vegetables between washed and unwashed samples

3 討論

通過本研究發(fā)現(xiàn)，6 種葉菜葉片中重金屬含量存在顯著的種間差異，莧菜葉片中6 種重金屬含量均顯著高于其他品種葉菜。周雅[18]和李其林[19]研究發(fā)現(xiàn)，莧菜對重金屬Cd、Zn、Pb 和Cu 的富集能力最大，與本研究結(jié)論一致。鄭路等[20]認為，不同品種蔬菜對Pb的吸收程度與葉片粗糙程度有關，Zhou等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)莧菜對Cd的積累特性是基因型依賴的。此外，相關研究指出不同品種蔬菜對重金屬積累的種間差異是由于蔬菜品種間的生物機制不同，還可能與蔬菜自身生理及遺傳特性有關[22-25]，因此對重金屬表現(xiàn)出不同的吸收能力[26-27]。本研究中發(fā)現(xiàn)6種葉菜對Zn具有較高的富集能力，說明Zn在蔬菜-土壤系統(tǒng)中移動性較強。究其原因可能是由于Zn作為植物生長的必需元素，通常以主動吸收的方式在植物體內(nèi)累積。Pb在葉菜體內(nèi)的富集能力明顯低于其他重金屬元素，這是由于Pb在進入土壤后易與土壤中礦物質(zhì)和有機物相結(jié)合，形成難溶性物質(zhì)，使得Pb積累在土壤表層。

Nabulo等[28]研究指出，清洗與未清洗蔬菜中含量差別不大的重金屬可能主要來源于根部吸收。本研究中清洗與未清洗葉菜葉片中Cd 和Cu 含量無顯著差異，僅個別蔬菜葉片中的Cr、Ni、Zn 和Pb 存在顯著差異。究其原因是由于Cd 的遷移性強，菜地土壤中可交換態(tài)Cd 的含量較高[29]。蔬菜可食部分中的Cd主要通過根系從土壤中吸收，然后被遷移到蔬菜的地上組織中。因此，葉面降塵對Cd 這類主要通過根系吸收的重金屬影響較小。此外，通過清洗可以降低蔬菜中35%的Pb 含量，其中Pb、Cr 和Ni 為植物生長的非必需元素，根系對其吸收較少，吸附在大氣顆粒物中的這類元素沉降到葉菜葉片表面，部分通過氣孔進入葉菜中富集[23]，大部分仍以顆粒態(tài)的形式吸附在葉片表面。程珂等[11]研究表面葉菜類蔬菜中Pb主要來源于大氣降塵和土壤揚塵。進一步研究表明，生長在Pb 污染空氣中的蔬菜，可以有其植株葉片吸收大氣中的Pb[13,20]。本研究中杭白菜、青菜和葉用番薯葉片Pb含量在清洗前后呈顯著差異，說明這3種葉菜葉片表面易吸附大氣顆粒物中Pb。

本研究中6 種葉菜對重金屬Cd 的富集系數(shù)最大，均超過富集系數(shù)1，表明葉菜類蔬菜吸收累積Cd能力較強。涂春艷等研究發(fā)現(xiàn)所有蔬菜可食部位Cd 的富集系數(shù)最大，其中以葉菜類對Cd 的富集能力最強。Yang 等[30]發(fā)現(xiàn)葉菜類蔬菜對重金屬的吸收能力強于其他品種蔬菜，尤其是對Cd 的吸收能力最強，上述研究結(jié)論均與本研究結(jié)論一致。此外，鄒素敏等[14]研究發(fā)現(xiàn)，蔬菜對不同重金屬富集能力由大到小依次為Cd、Hg、Pb、Cr 和As，魏云瀟等[31]研究發(fā)現(xiàn)同一種蔬菜吸收不同重金屬的能力不同，富集元素的規(guī)律為Cd＞Zn，Cu＞Pb，也與本研究結(jié)論一致。相關研究表明，蔬菜對重金屬的累積與各重金屬在土壤-作物生態(tài)系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化特點有關[24-25]。即使在Cd 污染較輕的土壤上，葉菜品種對Cd 具有較強的吸附能力，導致部分葉菜中出現(xiàn)Cd 含量超標的情況[32]。因此，在Cd 污染嚴重的地區(qū)應盡量避免種植葉菜類蔬菜，且在某種重金屬元素污染程度較高的區(qū)域，也應盡量避免種植對該元素積累能力較強的蔬菜。通過本研究可知，應在中輕度污染區(qū)域優(yōu)先種植莧菜，以降低其產(chǎn)生的生態(tài)風險及人體健康風險；且在中輕度重金屬復合污染土壤中，應當優(yōu)先選擇對Cd、Cr、Cu、Ni 和Pb 富集能力較弱的杭白菜進行種植。

4 結(jié)論

農(nóng)科院、板橋和新迪基地葉菜葉片中Cd、Cr和Pb無顯著差異。除Ni之外，農(nóng)科院基地葉菜中5種重金屬含量略高于板橋和新迪基地，可能與農(nóng)科院位于交通發(fā)達的市區(qū)，造成其土壤和大氣中重金屬含量較高有關。莧菜葉片中6種重金屬含量均顯著高于其他5種葉菜，杭白菜葉片中6種重金屬含量最低，可能與葉菜生理特征、生長周期及對重金屬污染物的敏感程度等多種因素有關。通過雙因素方差分析表明，葉菜葉片各重金屬受區(qū)域、品種、區(qū)域和品質(zhì)交互作用影響顯著。6種葉菜的重金屬富集系數(shù)由大到小依次為Cd、Zn、Cu、Ni、Cr和Pb，其中Cd 富集系數(shù)平均值大于1，Pb 在葉菜體內(nèi)的富集能力明顯低于其他重金屬元素?？傮w上，以菠菜對Cd 的富集能力最強，莧菜對Zn 的富集能力最強。6 種葉菜MAI 值由大到小依次為葉用番薯（4.77）、莧菜（3.78）、生菜（3.33）≈菠菜（3.26）、杭白菜（2.67）≈青菜（2.65）。本研究結(jié)果表明葉用番薯、更適合評價采樣區(qū)域的重金屬污染狀況。6 種葉菜均對Pb、Cr 有較強的捕獲率，其中杭白菜對Pb和Cr的捕獲率分別高達60.36%和51.19%，說明大氣顆粒物是杭白菜葉片中Pb和Cr的重要來源。盡管杭白菜對大氣細顆粒物中Pb和Cr的捕獲率較強，但其葉片中Pb、Cr含量較低，可能與生長區(qū)大氣細顆粒物中Pb、Cr污染較輕有關。清洗對葉用番薯中Cr、Zn，青菜和葉用番薯中Pb、杭白菜中Pb、Cr及青菜中Ni有著較為顯著的去除效果。整體來看，清洗對杭白菜、莧菜和菠菜清洗后去中除重金屬的去除效果最為理想。本研究建議在中輕度污染區(qū)域優(yōu)先種植莧菜，在中輕度重金屬復合污染土壤中，優(yōu)先選擇對Cd、Cr、Cu、Ni和Pb富集能力較弱的杭白菜進行種植，在大氣Pb和Cr污染較高的風險區(qū)域避免葉菜露天種植。

致謝：杭州市農(nóng)業(yè)科學研究院科技創(chuàng)新基金（2019HNCT-32）同時對本研究給予了資助，謹致謝意！