磷礦復(fù)墾地馬鈴薯鎘和鉛含量及分布規(guī)律

楊啟中，郭華春，杜曉翠，李 俊

（ 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201）

磷礦復(fù)墾地馬鈴薯鎘和鉛含量及分布規(guī)律

楊啟中，郭華春，杜曉翠，李 俊*

（ 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201）

利用火焰原子吸收法測(cè)定了種植于磷礦復(fù)墾地馬鈴薯植株不同器官中鎘（Cd）、鉛（Pb）重金屬的含量。結(jié)果表明，在磷礦復(fù)墾地土壤Cd、Pb含量高于土壤無機(jī)污染物的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)條件下，馬鈴薯塊莖中Cd、Pb含量都超過安全食用標(biāo)準(zhǔn)；馬鈴薯植株中不同器官Cd、Pb的分布具有明顯規(guī)律，塊莖、根、莖、葉的含量差異顯著，呈逐漸增加趨勢(shì)，葉片是積累2種重金屬含量最多的器官，塊莖含量最低；隨生育期延長(zhǎng)，成熟期馬鈴薯根、莖、葉中的Cd含量較現(xiàn)蕾期略有增加。馬鈴薯各器官對(duì)2種重金屬元素的富集系數(shù)不同，對(duì)Cd的富集作用明顯大于對(duì)Pb的富集作用，因此即使在低Cd土壤中種植馬鈴薯也需要謹(jǐn)慎選擇。

磷礦復(fù)墾地；馬鈴薯；Cd；Pb；富集作用

中國馬鈴薯種植面積及產(chǎn)量均位居世界前列。馬鈴薯是云南省重要作物之一，在全國馬鈴薯種植業(yè)中也占據(jù)重要的位置。在國家馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略中，提出要提高馬鈴薯的單產(chǎn)，播種面積從目前的533萬hm2擴(kuò)大至1 000萬hm2，其中很大一部分涉及到南方閑置冬閑田的利用。2014年國家環(huán)境保護(hù)部和國土資源部公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示：中國南方土壤環(huán)境質(zhì)量令人擔(dān)憂，南方土壤污染重于北方，西南、中南地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)范圍較大；鎘（Cd）、鉛（Pb）、汞（Hg）、砷（As）幾種無機(jī)污染物含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢(shì)。因此，這種土壤質(zhì)量現(xiàn)狀引發(fā)了人們對(duì)糧食安全話題的密切關(guān)注，在這些增加的種植區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)出來的馬鈴薯是否安全，有害重金屬Cd、Pb在馬鈴薯植株的分布具有什么規(guī)律？對(duì)這些問題的研究和闡明對(duì)主糧化戰(zhàn)略推進(jìn)和糧食安全是必要的。云南被稱為“有色金屬王國”，礦產(chǎn)資源豐富。馬鈴薯種植主要分布于曲靖市、昭通市、昆明市等地，這3個(gè)市馬鈴薯種植面積占全省總種植面積的71%［1］，同時(shí)這3個(gè)區(qū)域也分布有豐富的鉛鋅礦、煤礦和磷礦等礦產(chǎn)資源。在礦區(qū)周圍，各種蔬菜和作物易受到擴(kuò)散污染源的影響而導(dǎo)致有害重金屬超標(biāo)［2-4］。昆明以滇池流域?yàn)橹行牡闹車貐^(qū)富含磷礦，分布有安寧、西山、草鋪等六大礦區(qū)共52處磷礦，占到了全省磷礦資源的69%［5］。生產(chǎn)磷肥的磷礦石成分比較復(fù)雜，含有多種重金屬組分，其中以Cd含量尤為顯著［6］。所以，盡管昆明市馬鈴薯集中分布于祿勸和尋甸2縣的山區(qū)和半山區(qū)，離滇池流域較遠(yuǎn)，但是分析馬鈴薯在主要礦區(qū)周圍是否積累對(duì)人體危害較大的重金屬（Cd、Pb），明確馬鈴薯植株對(duì)其的吸收和分布規(guī)律具有重要實(shí)踐意義。本研究以昆明滇池流域主要磷礦復(fù)墾區(qū)上種植的馬鈴薯為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析復(fù)墾土壤上種植的馬鈴薯各器官Cd和Pb含量，參照食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)分析Cd和Pb的含量是否達(dá)到安全食用標(biāo)準(zhǔn)，并得出馬鈴薯對(duì)Cd和Pb兩種重金屬元素的富集系數(shù)。最終，為云南省礦區(qū)周圍、復(fù)墾地作物選擇和種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料采集和處理

土壤樣品的采集：參照龔世鵬［7］的方法，于5月中旬在昆明某磷礦復(fù)墾地上采用S形曲線法采集5份土樣（每份500 g左右）。將采集的土樣混合后用四分法縮分至約100 g，縮分后的土樣經(jīng)風(fēng)干后，除去土樣中石塊和植物殘?bào)w等異物，用木棒碾壓，通過2 mm尼龍篩除去2 mm以上的砂礫，混勻，用研缽將土樣研磨至全部通過40目尼龍篩，混勻后備用。

馬鈴薯的根、莖、葉及塊莖的采樣：試驗(yàn)用的馬鈴薯植株為昆明磷礦復(fù)墾地上種植的馬鈴薯，品種為‘麗薯6號(hào)’。分別于2014年5月中旬采集了9株現(xiàn)蕾期馬鈴薯植株，于8月下旬采集了12株收獲期的馬鈴薯植株。將采集回來的每個(gè)馬鈴薯植株分為根、莖、葉和塊莖4個(gè)部分，分別測(cè)定鮮重。各部分清洗干凈，分別裝入牛皮紙袋中并放入烘箱中105℃殺青0.5 h，然后75℃烘干至恒重，冷卻后即刻測(cè)定干重，將樣品分別用小鋼磨打成粉并放入密封袋中，注明各個(gè)樣品編號(hào)以備用。

1.2 分析方法

土壤及馬鈴薯植株樣品均采用火焰原子吸收光譜法測(cè)定，試驗(yàn)所用儀器為美國瓦里安原子吸收儀（AA240）。采用國家食品重金屬測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)分別測(cè)定馬鈴薯現(xiàn)蕾期（9株）、收獲期（12株）的塊莖、根、莖、葉各器官中Cd、Pb的含量［8，9］（由于現(xiàn)蕾期采到的樣品不多，僅測(cè)定了Cd，Pb未測(cè)），國家土壤質(zhì)量重金屬測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定土壤中Cd、Pb的含量［10］，用手持pH計(jì)測(cè)量土壤pH值［11］。各材料均稱取3份1.00 g樣品，重復(fù)測(cè)定3次。

1.3 土壤Cd、Pb污染情況

土壤中總Cd、Pb的含量如表1所示。磷礦復(fù)墾土壤pH值在5.07～6.24，屬酸性土壤。與國家頒布的土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比［12］，可知該取樣地土壤中總Cd、Pb的含量都已經(jīng)超過土壤無機(jī)污染物的環(huán)境質(zhì)量第二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（pH值在5.5～6.5，菜地），屬于輕度污染水平，具有潛在污染危害。

1.4 富集系數(shù)計(jì)算

參考曹瑩等［13］的方法評(píng)價(jià)馬鈴薯各器官對(duì)Cd、Pb的富集能力。富集系數(shù)=地上部植物中元素含量/土壤中元素含量；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=地上部植物中元素含量/地下部植物中元素含量，地下部以根來計(jì)算，不包括塊莖。

表1 土壤中總Cd、Pb的含量（mg/kg DW）Table 1 Total content of cadmium and lead in soil

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2007進(jìn)行計(jì)算，采用SPSS19.0（SPSS Inc.，USA）軟件統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Duncan's多重比較法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期馬鈴薯各器官Cd、Pb的含量

由表2可以看出，處于現(xiàn)蕾期的馬鈴薯植株中，根、莖、葉Cd的含量均呈明顯增高趨勢(shì)，并且根中的平均含量最少，莖中的含量比根中的增加22.3%，葉中Cd含量則又比莖中含量增加38.4%。收獲期馬鈴薯中根、莖、葉及塊莖中的Cd含量差異較大，呈現(xiàn)塊莖、根、莖、葉Cd的含量逐漸增大規(guī)律，增幅分別為21.1%、22.2%和38.1%，塊莖與葉中Cd含量差值達(dá)到2.04倍。

另外，馬鈴薯對(duì)Pb的積累規(guī)律與Cd是類似的，收獲期的馬鈴薯塊莖、根、莖、葉中的含量也呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，各器官中的Pb含量差異顯著。塊莖、根、莖、葉對(duì)Pb的積累增幅分別為41.8%、22.5%和43.4%，塊莖和葉中的含量差值達(dá)2.49倍。

表2 不同時(shí)期馬鈴薯塊莖、根、莖、葉Cd、Pb的含量（mg/kg DW）Table 2 Content of cadmium and lead in potato tuber，root，stem and leaf at different stages

隨生育期的延長(zhǎng)，收獲期馬鈴薯根、莖、葉中Cd含量較開花期的馬鈴薯根、莖、葉中的Cd含量有所增加，但增加量并不明顯（圖1）。表明馬鈴薯植株對(duì)Cd的吸收和積累事實(shí)上在現(xiàn)蕾期就達(dá)到較高水平，在地下塊莖膨大期間并沒有再持續(xù)大量吸收和積累。

2.2 食用安全性

把馬鈴薯塊莖中Cd、Pb含量換算為鮮重后，含量分別為0.40和2.89 mg/kg，與國家規(guī)定的食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)Cd（0.1 mg/kg）、Pb（0.2 mg/kg）進(jìn)行比較，塊莖中Cd、Pb的含量均超過國家標(biāo)準(zhǔn)限量，其中Cd超出4倍，而Pb則超出14.45倍，因此不適宜人體繼續(xù)食用。

圖1 現(xiàn)蕾期和收獲期馬鈴薯各個(gè)部位的Cd含量（mg/kg）Figure 1 Cadmium content of each part of potato plant at bud flower and maturity stages

2.3 馬鈴薯對(duì)Cd、Pb的富集能力

馬鈴薯對(duì)Cd、Pb的富集能力見表3，可以看出馬鈴薯塊莖、根、莖、葉對(duì)Cd、Pb的富集系數(shù)逐漸變大，塊莖、葉對(duì)Cd、Pb的富集系數(shù)差值分別為3.750和0.309，各器官對(duì)Cd的富集作用明顯強(qiáng)于對(duì)Pb的富集作用。Cd、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)同樣呈塊莖、莖、葉逐漸增加規(guī)律，但2種重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)則差別不大。

表3 收獲期馬鈴薯各器官對(duì)Cd和Pb的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 3 Bioconcentration and translocation factor of cadmium and lead in various organs at maturity

3 討論

重金屬由于對(duì)人體具有不可逆的傷害及富集效應(yīng)，因此在食品安全問題上一直都是人們關(guān)注的核心話題。由于毒性較大和在土壤中存在的普遍性和長(zhǎng)期性，Cd、Pb對(duì)人體構(gòu)成的健康威脅最為明顯［14，15］，在中國屬于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和控制排放的元素［16-18］。當(dāng)前，土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)是全社會(huì)面臨的重大課題，其涉及的農(nóng)用耕地恢復(fù)和生態(tài)功能修復(fù)實(shí)踐等等與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)。從本研究結(jié)果可以看出，在磷礦復(fù)墾地種植馬鈴薯，由于土壤Cd、Pb的含量超過環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)致使塊莖中的Cd、Pb含量超過食品限量標(biāo)準(zhǔn)［19］，不適宜人體繼續(xù)食用。云南作為馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)同時(shí)也是礦產(chǎn)資源貯備豐富區(qū)，在開發(fā)利用各種礦產(chǎn)資源時(shí)應(yīng)注重環(huán)境保護(hù)和綠色開采，加強(qiáng)對(duì)礦區(qū)周圍農(nóng)用耕地的保護(hù)，避免走先污染后治理的老路。而在農(nóng)用耕地恢復(fù)過程中要強(qiáng)化對(duì)有害重金屬的監(jiān)管，例如鎘，馬鈴薯塊莖對(duì)其具有較強(qiáng)的富集作用，因此在選擇種植區(qū)域時(shí)應(yīng)避開礦區(qū)周圍具有潛在鎘污染源的土壤。

在高濃度Cd脅迫下（1，5和25 mg/kg，土壤pH 8.2），盆栽馬鈴薯植株中Cd含量從地下往地上器官逐漸增加［20］，本研究樣品采自磷礦復(fù)墾土壤（Cd濃度0.528 mg/kg，土壤pH 5.07～6.24），即在酸性低Cd含量土壤上其對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)和分布規(guī)律仍是一致的。葉片作為光合和蒸騰作用的主要器官，Cd隨著木質(zhì)部的蒸騰流向上運(yùn)輸并富集在葉片中，塊莖中的Cd則以韌皮部的下行流輸入，塊莖及匍匐莖（根）自身只吸收土壤中較少的Cd，這在相關(guān)的盆栽試驗(yàn)中已經(jīng)得到證實(shí)［21，22］。葉片中的Cd由于與光合產(chǎn)物及細(xì)胞壁組分形成穩(wěn)定的絡(luò)合物［23］，影響了Cd向地下塊莖的轉(zhuǎn)移。加之馬鈴薯塊莖的分化和膨大通常在植株現(xiàn)蕾后的花期，塊莖在地下的時(shí)間只占整個(gè)生長(zhǎng)期的一部分，因此盡管塊莖生長(zhǎng)于土壤中，其含有的Cd含量反而是最低的。馬鈴薯對(duì)Pb的吸收與積累規(guī)律研究較少，塊莖中Pb的積累與土壤類型及品種具有密切關(guān)系［24］，從Pb在馬鈴薯植株內(nèi)含量來看，馬鈴薯各器官對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和分布規(guī)律與Cd類似，因此其在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制也應(yīng)與Cd相似。但從富集系數(shù)分析則可知馬鈴薯對(duì)Cd、Pb的吸收機(jī)制不盡相同，馬鈴薯根系在磷礦復(fù)墾土壤中更易吸收Cd，這可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)、pH值導(dǎo)致Cd、Pb的可利用性不一樣［25］，或是不同金屬元素間存在的相互作用引起［26］，其原因有待進(jìn)一步深入研究。

本文研究了磷礦復(fù)墾地種植馬鈴薯對(duì)Cd、Pb的吸收和積累規(guī)律，數(shù)據(jù)表明在此類土壤中馬鈴薯的塊莖、根、莖、葉對(duì)這2種重金屬元素的積累規(guī)律是一致的。雖然塊莖的含量均為最低，但是仍超過食品安全下限標(biāo)準(zhǔn)，因此建議不宜在磷礦復(fù)墾土地種植馬鈴薯。而在規(guī)劃選擇馬鈴薯種植區(qū)域時(shí)也要注意盡可能避開礦區(qū)，避免塊莖中有害重金屬的超標(biāo)，保障食品安全和馬鈴薯產(chǎn)業(yè)健康有序地發(fā)展。

［1］桑月秋，楊瓊芬，劉彥和，等.云南省馬鈴薯種植區(qū)域分布和周年生產(chǎn)［J］.西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，27（3）:1003-1008.

［2］Stefanowicz A M，Woch M W，Kapusta P.Inconspicuous waste heaps left by historical Zn-Pb mining are hot spots of soil contamination［J］.Geoderma，2014，235:1-8.

［3］Wen H，Zhang Y，Cloquet C，et al.Tracing sources of pollution in soils from the Jinding Pb-Zn mining district in China using cadmium and lead isotopes［J］.Applied Geochemistry，2015，52: 147-154.

［4］葉銀龍，袁慶虹，張迪，等.蘭坪鉛鋅礦區(qū)農(nóng)作物重金屬污染調(diào)查研究［J］.國外醫(yī)學(xué):醫(yī)學(xué)地理分冊(cè)，2012，33（4）:246-248.

［5］薛步高.昆明滇池周圍磷礦資源現(xiàn)狀及開發(fā)前景［J］.化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2008，30（3）:149-154.

［6］曹志洪.施肥與土壤健康質(zhì)量-論施肥對(duì)環(huán)境的影響（3）［J］.土壤，2003，35（6）:450-455.

［7］龔世鵬.馬鈴薯產(chǎn)地重金屬含量檢測(cè)及污染評(píng)價(jià)［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2009（4）:89-91.

［8］國家衛(wèi)生部.GB 5009.12-2010食品國家安全標(biāo)準(zhǔn)—食品中鉛的測(cè)定［S］.北京:中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010.

［9］國家衛(wèi)生部.GB/T 5009.15-2003食品中鎘的測(cè)定［S］.北京:中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2003.

［10］國家環(huán)保局.GB/T 17141-1997土壤質(zhì)量—鎘、鉛的測(cè)定［S］.北京:中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，1997.

［11］國家農(nóng)業(yè)部.NY/T 1377-2007土壤pH的測(cè)定［S］.北京:中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2007.

［12］國家環(huán)保局.GB 15618-2008.土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（修訂）［S］.北京:中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2008.

［13］曹瑩，劉洋，王國驕，等.鉛-鎘復(fù)合脅迫下玉米品種間積累鉛、Cd的差異［J］.玉米科學(xué)，2009，17（1）:80-85.

［14］J?rup L.Hazards of heavy metal contamination［J］.British Medical Bulletin，2003，68（1）:167-182.

［15］Peralta-Videa J R，Lopez M L，Narayan M，et al.The biochemistry of environmental heavy metal uptake by plants:implications for the food chain［J］.The International Journal of Biochemistry and Cell Biology，2009，41（8）:1665-1677.

［16］He B，Yun Z J，Shi J B，et al.Research progress of heavy metal pollution in China:Sources，analytical methods，status，and toxicity［J］.Chinese Science Bulletin，2013，58（2）:134-140.

［17］Li Z，Ma Z，van der Kuijp T J，et al.A review of soil heavy metal pollution from minesin China:Pollution and health risk assessment［J］.Science of the Total Environment，2014，468: 843-853.

［18］Chen H，Teng Y，Lu S，et al.Contamination features and health risk of soil heavy metals in China［J］.Science of the Total Environment，2015，512:143-153.

［19］國家衛(wèi)生部.GB 2762-2012食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)—食品中污染物限量［S］.北京:中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2012.

［20］Chen Z，Zhao Y，Gu L，et al.Accumulation and localization of cadmium in potato（Solanum tuberosum）under different soil Cd levels［J］.Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2014，92（6）:745-751.

［21］Dunbar K R，McLaughlin M J，Reid R J.The uptake and partitioning of cadmium in two cultivars of potato（Solanum tuberosum L.）［J］.Journal of Experimental Botany，2003，54: 349-354.

［22］Reid R J，Dunbar K R，Mclaughlin M J.Cadmium loading into potato tubers:the roles of the periderm，xylem and phloem［J］. Plant Cell Environ，2003，26:201-206.

［23］Fu X，Dou C，Chen Y，et al.Subcellular distribution and chemical forms of cadmium in Phytolacca americana L［J］.Journal of Hazardous Materials，2011，186（1）:103-107.

［24］Ding C，Zhang T，Wang X，et al.Effects of soil type and genotype on lead concentration in rootstalk vegetables and the selection of cultivars for food safety［J］.Journal of Environmental Management，2013，122:8-14.

［25］J?nsson E H L，Asp H.Effects of pH and nitrogen on cadmium uptake in potato［J］.Biologia Plantarum，2013，57（4）:788-792.

［26］Nazar R，Iqbal N，Masood A，et al.Cadmium toxicity in plants and role of mineral nutrients in its alleviation［J］.American Journal of Plant Sciences，2012，3:1476-1489.

Analysis on Cadmium and Lead in Whole Potato Plant from Phosphorite Reclaimed Land

YANG Qizhong，GUO Huachun，DU Xiaocui，LI Jun*
（College of Agronomy and Biotechnology，Yunnan Agricultural University，Kunming，Yunnan 650201，China）

The content of cadmium and lead existing in potato plant in the phosphorite reclaimed land was determined by using flame atomic absorption spectrometry.The results showed that the total cadmium and lead content of soils exceeded the secondary standard of the environmental quality of soil inorganic pollutants，and both element contents in potato tuber exceeded the food safety standard；the distribution of cadmium and lead in various parts of the potato plant had obvious patterns，and the contents of both elements in various organs showed significant difference and increased gradually in the potato tuber，root，stem and leaf，with leaf containing the highest content of both elements and tuber the lowest；along with the advance of the growth，the content of cadmium in each organ of potato plant at maturity was a little bit higher than that at flower bud stage.The data also showed that the bioconcentration factor of cadmium was markedly higher than that of lead，suggesting that planting potato should be more cautious even in a low concentration of cadmium contaminated soils.

phosphorite reclaimed land；potato；cadmium；lead；accumulation

S532

A

1672－3635（2016）05-0277-05

2015-09-15

云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目（2014y211）；云南省重大種業(yè)專項(xiàng)（2013ZA007）。

楊啟中（1992-），男，本科，從事馬鈴薯逆境生理研究。

李俊，講師，博士，主要從事馬鈴薯逆境生理生態(tài)研究，E-mail:nxy8mm@163.com。