鎘砷低積累蘿卜品種的篩選

陳 雪， 沈方科， 張?jiān)鲈＃?潘柳疏， 程 浩， 顧明華， 韋燕燕

(廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530004)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，環(huán)境問題越來越突出，土壤的重金屬污染也越來越嚴(yán)重。2014年公布的《全國污染土壤調(diào)查公報(bào)》中指出，全國土壤污染總的超標(biāo)率達(dá)到16.1%，其中，鎘(Cd)、砷(As)的點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%、2.7%，在8種無機(jī)污染物中分別排名第1和第3[污染物超標(biāo)率排名為鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鋅(Zn)、鎳(Ni)][1]。而近年來發(fā)表的有關(guān)研究報(bào)告顯示，我國農(nóng)田Cd污染大多數(shù)是由工業(yè)污水灌溉造成的[2]，我國有140萬hm2農(nóng)田地處污灌區(qū)，其中有64.8%的面積遭受重金屬污染，目前全國耕地受到Cd污染的大約有1.3萬hm2[3]。As污染主要是由于礦山開采、礦石冶煉和工農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的含As化合物，如在湖南石門的雄黃礦區(qū)周邊的農(nóng)田中As嚴(yán)重超標(biāo)，含量高達(dá)300 mg/kg[4]。

目前，我國土壤重金屬污染形勢(shì)嚴(yán)峻，而種植在這些污染土壤上的蔬菜重金屬超標(biāo)問題屢有報(bào)道。曾希柏等調(diào)查了1989年以來中國蔬菜土壤中重金屬的情況，發(fā)現(xiàn)Cd超標(biāo)問題最突出，全國約24%的樣本超標(biāo)，而毒性最大的元素是As[5]。沈彤等檢測(cè)長沙市農(nóng)產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，蔬菜Cd超標(biāo)率為56%，其中葉菜類高達(dá)100%[6]。蔡立梅等調(diào)查東莞市蔬菜As含量發(fā)現(xiàn)，白菜和菜心As超標(biāo)率分別為38%、75%[7]。Cd和As的污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人體健康狀況，因此，如何防止強(qiáng)毒性重金屬Cd和As通過植物經(jīng)食物鏈傳遞進(jìn)入人體，對(duì)保證食物質(zhì)量和食品安全及人體健康意義重大。

不同的植物對(duì)Cd和As的耐性、吸收和積累效應(yīng)不同，不僅在種間有很大差異，而且在品種之間也呈現(xiàn)一定差異。孫建云等研究發(fā)現(xiàn)，在100 mg/L Cd污染土壤下，31個(gè)不同基因型甘藍(lán)的耐性及吸收、積累Cd能力具有顯著差異[8]。王林友等研究不同基因型水稻對(duì)Cd、As、Pb積累時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)存在著明顯的品種差異，其中Cd、As、Pb含量分別為0.072～0.476、0.101～0.228、0.010～0.240 mg/kg[9]。Arthur等報(bào)道胡蘿卜基因型間Cd積累濃度范圍為0.06～0.87 mg/kg，高低值間相差約為15倍[10]。所以選育低Cd和As積累作物品種來降低作物對(duì)Cd和As的吸收和積累，從而減少農(nóng)產(chǎn)品中的Cd和As含量，在國內(nèi)外被普遍認(rèn)為是現(xiàn)實(shí)可行旳途徑。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，針對(duì)植物對(duì)某一種重金屬積累篩選研究較多，但是針對(duì)復(fù)合污染土壤上同時(shí)進(jìn)行低積累Cd和As的植物研究較少，本研究通過選取全國常見的蘿卜品種，在Cd和As復(fù)合污染的土壤上種植，并對(duì)其Cd和As含量進(jìn)行檢測(cè)分析，篩選出Cd和As在國家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的蘿卜品種。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試蘿卜品種為18個(gè)常見品種(表1)。

表1 供試蘿卜品種

土壤均采集自廣西某鎘砷復(fù)合污染地區(qū)0～20 cm的表層土壤，經(jīng)過風(fēng)干、磨碎、混勻、過2 mm篩備用。土壤基本理化性質(zhì)：pH值為5.32，土壤有機(jī)質(zhì)含量為26.92 g/kg，堿解氮含量為 77.00 mg/kg，速效磷含量為101.20 mg/kg，速效鉀含量為 58.85 mg/kg，總Cd含量為0.82 mg/kg，總As含量為 63.14 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方案

采用土培試驗(yàn)，試驗(yàn)盆栽采用的塑料桶高30 cm、直徑為 25 cm，裝土8 kg，每個(gè)品種設(shè)3次重復(fù)。所有盆栽都施用的底肥尿素含量為0.66 g/kg，磷酸二氫鉀(KH2PO4)含量為0.29 g/kg，氯化鉀(KCl)含量為0.32 g/kg，均與土壤混勻施入。將混勻的土壤裝入盆中，用水平衡靜置2周。

蘿卜種子用2% NaClO消毒20 min，洗凈后用水浸泡過夜，然后放在濕潤紗布上避光催芽3 d，挑選發(fā)芽的種子撒到土壤中，等到種子長到3葉1心期時(shí)對(duì)其進(jìn)行介苗，每盆留3株，每天水分含量保持在70%～80%，待生長4個(gè)月后收獲。

1.3 樣品的分析測(cè)定

成熟后將蘿卜植株連根拔起，先用自來水沖洗凈，然后用0.1%鹽酸溶液浸洗10 min，再用去離子水洗凈，用吸水紙吸干，分為地上和地下2個(gè)部分，稱鮮質(zhì)量。

土壤的理化性質(zhì)測(cè)定參照常規(guī)分析法[11]，土壤全Cd和As的含量采用王水(HNO3、HCl體積比為1 ∶3)消解，消解液中Cd和As含量采用ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，Agilient 7500a，USA)測(cè)定。

蘿卜樣品Cd和As含量的測(cè)定，采用HNO3-HClO4(體積比為 85 ∶15)，置于微波消解儀(CEM Mars 6)中消解，消解液中Cd和As含量采用ICP-MS(Agilient 7500a，USA)測(cè)定，以鮮質(zhì)量計(jì)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和繪圖，用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析，采用Duncan’s檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 18個(gè)蘿卜品種的生物量

表2和表3結(jié)果表明，盆栽中蘿卜品種地上部分和地下部分產(chǎn)量差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，其地上部分產(chǎn)量范圍是90.19～280.52 g/盆，平均為177.73 g/盆，變異系數(shù)為 31.23%；地下部分產(chǎn)量范圍是4.97～135.50 g/盆，平均為40.03 g/盆，最高和最低間相差27.26倍，變異系數(shù)為72.33%。通過蘿卜地下部分產(chǎn)量的聚類分析(圖1)，可以把蘿卜分為高產(chǎn)、中產(chǎn)、低產(chǎn)3種類型，其中玉筍為高產(chǎn)蘿卜品種，產(chǎn)量為135.50 g/盆；秋白65、夏秋白玉、一代中美白金、火車頭短葉13號(hào)、超級(jí)短葉13號(hào)、歐蘭德-中大791、露頭青、膠蔬改良濰縣青、申萌青翠水果、九斤王南畔洲甜晚、白玉春和坂田八寸等12個(gè)蘿卜品種為中產(chǎn)品種，產(chǎn)量范圍31.93～60.38 g/盆；特級(jí)馬爾、科興-改良春不老、意大利精選梅花春不老南畔州甜晚、寧夏22號(hào)早和金沙尖下葉13-6等5個(gè)蘿卜品種為低產(chǎn)品種，產(chǎn)量范圍 4.97～21.63 g/盆。不同蘿卜品種地上部產(chǎn)量的變異系數(shù)小于地下部產(chǎn)量的變異系數(shù)，說明蘿卜品種地下部產(chǎn)量差異更明顯。

2.2 18個(gè)蘿卜品種對(duì)Cd的積累能力

如圖2和表3所示，18個(gè)蘿卜品種地上部分Cd含量范圍為 0.096～0.198 mg/kg， 平均含量為0.144 mg/kg，變異系數(shù)為18.94%。地下部分Cd含量范圍為0.057～0.128 mg/kg，平均含量為0.083 mg/kg，變異系數(shù)為21.65%，且地下部分Cd的含量均低于地上部分。通過蘿卜地下部分聚類分析(圖3)，可以把18個(gè)蘿卜品種分為高、中、低Cd積累類型，其中坂田八寸為高積累類型，含量為 0.128 mg/kg；秋白65、一代中美白金、特級(jí)馬爾、火車頭短葉13號(hào)、歐蘭德-中大791、露頭青、膠蔬改良濰縣青、意大利精選梅花春不老南畔州甜晚、申萌青翠水果、玉筍、寧夏22號(hào)早、金沙尖下葉13-6和白玉春等13個(gè)蘿卜品種為中積累類型，含量范圍為0.074～0.110 mg/kg；夏秋白玉、科興-改良春不老、超級(jí)短葉13號(hào)和九斤王南畔洲甜晚等4個(gè)蘿卜品種為低積累類型，含量范圍為0.057～0.066 mg/kg。不同蘿卜品種地上部Cd含量的變異系數(shù)小于地下部Cd含量的變異系數(shù)，說明蘿卜品種地下部Cd含量差異更明顯。

表2 18個(gè)蘿卜品種的鮮質(zhì)量

注：表中的值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3；數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間有顯著差異，P<0.05。

表3 18個(gè)蘿卜品種生物量和重金屬含量統(tǒng)計(jì)描述分析

根據(jù)GB 2762—2012《食物中污染物限量》，塊根類蔬菜Cd含量≤0.1 mg/kg，18個(gè)蘿卜品種可食用部分Cd含量超標(biāo)率為16.67%，超標(biāo)的蘿卜品種分別為秋白65、寧夏22號(hào)早和坂田八寸。因此建議在該復(fù)合污染土壤上不要種植這3個(gè)品種，這樣生產(chǎn)的蘿卜就會(huì)避免出現(xiàn)Cd超標(biāo)的問題，使當(dāng)?shù)厥艿紺d污染的農(nóng)田達(dá)到高效利用的目的。

2.3 18個(gè)蘿卜品種對(duì)As的積累能力

如圖4和表3所示，18個(gè)蘿卜品種地上部分As含量范圍為 0.098～0.255 mg/kg，平均含量為0.162 mg/kg，變異系數(shù)為28.67%。地下部分As含量范圍為0.087～0.223 mg/kg，平均含量為0.167 mg/kg，最高和最低間相差2.56倍，變異系數(shù)為21.62%。通過蘿卜地下部分聚類分析(圖5)，可以把18個(gè)蘿卜品種分為高、中、低As積累類型，其中特級(jí)馬爾、玉筍和寧夏22號(hào)早這3個(gè)蘿卜品種為高積累類型，含量范圍為 0.220～0.223 mg/kg；秋白65、夏秋白玉、一代中美白金、火車頭短葉13號(hào)、科興-改良春不老、超級(jí)短葉13號(hào)、歐蘭德-中大791、露頭青、膠蔬改良濰縣青、意大利精選梅花春不老南畔州甜晚、九斤王南畔洲甜晚、金沙尖下葉13-6、白玉春和坂田八寸等14個(gè)品種為中積累類型，含量范圍為 0.128～0.165 mg/kg；申萌青翠水果為低積累類型，含量為0.087 mg/kg。根據(jù)GB 2762—2012《食物中污染物限量》，塊根類蔬菜As含量≤0.5 mg/kg FW，18個(gè)蘿卜品種可食用部分As含量超標(biāo)率為0，因此在該復(fù)合污染土壤上種植這18種蘿卜不必?fù)?dān)心砷超標(biāo)問題。

2.4 18個(gè)蘿卜品種地下部分對(duì)Cd和As的富集系數(shù)

重金屬生物富集系數(shù)是植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)并在體內(nèi)累積的能力，常用它來反映重金屬元素在土壤植物體系中遷移的難易程度。重金屬富集系數(shù)越大，說明該植物對(duì)該重金屬積累能力越大，反之則越小。對(duì)圖6、圖7分析可知，在重金屬Cd的富集系數(shù)中，富集系數(shù)最小的3個(gè)蘿卜品種分別是夏秋白玉、超級(jí)短葉13號(hào)、九斤王南畔洲甜晚，分別為7.11%、7.00%、7.13%；富集系數(shù)最大的3個(gè)蘿卜品種分別為秋白65、寧夏22號(hào)早、坂田八寸，分別為12.76%、12.62%、15.06%。在重金屬As的富集系數(shù)中，富集系數(shù)最小的3個(gè)蘿卜品種分別是申萌青翠水果、九斤王南畔洲甜晚、膠蔬改良濰縣青，分別為0.14%、0.20%、0.21%；富集系數(shù)最大的3個(gè)蘿卜品種分別為特級(jí)馬爾、玉筍、寧夏22號(hào)早，分別為0.35%、0.35%、0.35%。從圖6、圖7可以看出，18個(gè)蘿卜品種對(duì)重金屬Cd的富集能力大于對(duì)重金屬As的富集能力。

3 討論與結(jié)論

近年來重金屬污染問題日益嚴(yán)重，影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[12]。蘿卜是人類日常生活中必不可少的蔬菜之一，需求量大，因此較低水平的污染都會(huì)造成極大的危害。而篩選和培育出低積累重金屬的基因型被認(rèn)為是一種降低重金屬吸收的有效和合理的途徑[13]。對(duì)于同種作物不同基因型吸收積累重金屬的差異，國內(nèi)外已經(jīng)做了很多研究，Hinesly等研究認(rèn)為植物對(duì)Cd的吸收差異是由基因控制的[14]；黃志亮研究了大白菜、甘藍(lán)和菠菜這3種蔬菜不同基因型對(duì)Cd吸收積累的影響發(fā)現(xiàn)，每種基因型其地上部和地下部Cd含量均有顯著的差異[13]；婁偉研究了33個(gè)蘿卜品種對(duì)Cd、Pb的積累，發(fā)現(xiàn)地下部Cd和Pb含量范圍分別為0.069～0.316、0.074～0.554 mg/kg(鮮質(zhì)量含量)，不同基因型蘿卜Cd和Pb含量差異均達(dá)到顯著水平，且Cd和Pb積累的規(guī)律都呈現(xiàn)地下部<地上部[15]；井彩巧在春夏2季研究個(gè)大白菜地上可食部分Cd含量差異，結(jié)果表明，不同大白菜品種間Cd含量差異顯著，且2季結(jié)果基本一致[16]。

本研究結(jié)果表明，在試驗(yàn)土壤上不同蘿卜品種之間可食用部分的產(chǎn)量差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，最高和最低間相差27.26倍。在供試的18個(gè)蘿卜品種中，可食用部分Cd含量的范圍在0.057～0.128 mg/kg，平均含量為 0.083 mg/kg，地上部Cd的含量高于地下部，說明Cd更易于在蘿卜地上部積累，且品種之間Cd含量差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，18個(gè)蘿卜品種可食用部分Cd含量超標(biāo)率為16.67%，超標(biāo)的品種分別為秋白65、寧夏22號(hào)早和坂田八寸。As的含量范圍在0.087～0.223 mg/kg，最高和最低間相差2.56倍，18個(gè)蘿卜品種可食用部分As含量超標(biāo)率為0。從18個(gè)蘿卜品種對(duì)Cd和As的富集系數(shù)分析，不同的品種對(duì)Cd和As的富集系數(shù)不同，同一品種對(duì)不同的重金屬富集能力存在顯著差異，18個(gè)蘿卜品種對(duì)重金屬Cd的富集能力大于對(duì)重金屬As的富集能力。綜合不同蘿卜可食用部分對(duì)Cd和As的吸收積累及產(chǎn)量的差異，建議在該復(fù)合污染土壤上種植夏秋白玉、申萌青翠水果和九斤王南畔洲甜晚這3個(gè)蘿卜品種。