不同典型栽培模式下空心菜對砷和礦質(zhì)元素的富集特征差異研究

吳志超，楊秀麗，李富榮，徐守俊，石含之，杜瑞英，王 旭

（1. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測技術(shù)研究所，廣東 廣州 510640；2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著城市化和工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，農(nóng)田重金屬污染已成為區(qū)域性甚至全球性熱點(diǎn)環(huán)境問題。我國耕地土壤也面臨重金屬污染風(fēng)險，以鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）污染尤為突出[1]。As 是一種生物毒性強(qiáng)的類重金屬元素，由于其強(qiáng)移動性和易被農(nóng)作物吸收的特性，已被大量研究學(xué)者關(guān)注[2-3]。含As化學(xué)試劑常被大量用作除草劑、殺蟲劑等而污染農(nóng)田，農(nóng)田中的As可被農(nóng)作物吸收而富集，進(jìn)而通過食物鏈的富集擴(kuò)大效應(yīng)，對人體造成危害[4-5]。挖掘低重金屬富集農(nóng)作物品種被認(rèn)為是中輕度重金屬污染農(nóng)田安全利用的一種有效的途徑[6-7]。蔬菜對土壤As的富集水平呈現(xiàn)品種差異性。MATHIEU 等[8]比較評價5 種葉類蔬菜對土壤As 富集水平時發(fā)現(xiàn)，空心菜富集效率最高，其次為芹菜和莧菜，生菜和萵苣較低。翁城武等[9]對16種蔬菜中重金屬含量進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn)，蔬菜富集規(guī)律大體表現(xiàn)為葉菜類＞瓜果類＞根菜類。肖細(xì)元等[10]也發(fā)現(xiàn)，不同品種蔬菜對土壤As 富集差異較大，葉菜類和根莖類較高，茄果類和豆類較低。由此可見，空心菜比較容易富集土壤As。朱文等[11]研究16 種葉類蔬菜對礦質(zhì)營養(yǎng)元素富集差異時發(fā)現(xiàn)，平均含量依次為K＞Ca＞Fe＞Zn＞Se。類似的趨勢也表現(xiàn)在空心菜上，且空心菜中各營養(yǎng)元素的含量均高于葉類蔬菜的平均水平，表明空心菜對礦質(zhì)元素具有較高的富集效率。張露尹等[12]研究表明，空心菜可食部位對土壤礦質(zhì)營養(yǎng)富集效率大小依次為K、Na、Ca、Mg。此外，栽培模式也會影響農(nóng)作物對礦質(zhì)元素的吸收與富集。王艷紅等[13]研究了不同種植方式下空心菜可食部位Cd富集規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，空心菜生物量和Cd含量因種植方式的不同差異較大。王佛嬌等[14]研究表明，旱地栽培和水田栽培2 種栽培方式顯著影響蕹菜對As 的富集，水田栽培的蕹菜品種As 平均含量為旱地的4倍。然而，現(xiàn)階段關(guān)于栽培模式對不同空心菜品種As 和各類礦質(zhì)元素富集規(guī)律的系統(tǒng)性研究及相互作用機(jī)制報道等較少。鑒于此，通過大田原位試驗研究不同品種空心菜在水生和旱生2種栽培模式下其可食用部位對As 和各類中微量礦質(zhì)元素富集差異，進(jìn)一步揭示其富集規(guī)律，以期篩選出低重金屬和高品質(zhì)空心菜品種及其配套高效栽培方式，同時也為充分利用中輕度重金屬污染土壤和降低As 攝取風(fēng)險提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試作物為華南地區(qū)28個空心菜品種，其品種名稱、品種代號及購買信息詳見表1。

表1 空心菜品種及其購買信息Tab.1 Swamp cabbage varieties and their purchase information

供試土壤為廣東省某受As 污染耕地。采集的農(nóng)田土壤樣品經(jīng)自然干燥后，除去石子等雜質(zhì)，研磨過篩后測定其理化性質(zhì)與重金屬含量（表2）。依據(jù)GB 25618—2018，當(dāng)土壤中5.5＜pH 值≤6.5 時，農(nóng)用地土壤As 污染的風(fēng)險篩選值為30 mg/kg，風(fēng)險管制值為150 mg/kg，本試驗地塊土壤As 含量為68.9 mg/kg，高于農(nóng)用地土壤As 污染的風(fēng)險篩選值而低于管制值。

表2 供試地塊土壤背景信息Tab.2 Soil background information of tested field

1.2 試驗設(shè)計與實施

采用大田試驗，將試驗地分為2個大區(qū)，設(shè)置水生和旱生2 種栽培模式，種植28 個空心菜品種，試驗設(shè)置3 個重復(fù)，每種栽培模式設(shè)置84 個種植小區(qū)，共計168 個小區(qū)。在空心菜成熟期（播種的1.5月后）采收樣品。

1.3 樣品處理與分析

1.3.1 樣品的處理 在空心菜成熟期，每個試驗小區(qū)中以S 形采樣法選取4 株（全株取回）。將空心菜樣品去除不可食部位，剩下部分依次用自來水和去離子水各沖洗3 次，然后用吸水紙吸干樣品表面水分，將每個試驗小區(qū)樣品分別剪切混合后用小型植物粉碎機(jī)粉碎，混勻備用。

1.3.2 樣品的分析

1.3.2.1 空心菜礦質(zhì)元素及As 含量測定 參照翁城武等[7]使用電感耦合等離子體質(zhì)譜分析儀測定。稱取植物樣品約3.00 g于消化管中，利用HNO3溶液消煮，搖勻，加蓋密封放置過夜。次日在電熱板上100 ℃加熱至消解完全，加水冷卻回流。隨后轉(zhuǎn)移至比色管中，去離子水定容、搖勻，待測。同時做2份空白試驗及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.2.2 土壤總As 含量測定 參考王艷紅等[13]使用原子熒光光譜法測定。稱取土壤樣品0.2～1.0 g，（精確至0.2 mg）經(jīng)干燥磨碎置于50 mL 比色管中，加水濕潤樣品后，加入HNO3-HCl（1∶3）溶液，搖勻于沸水浴中消解，消解完全后冷卻，加水稀釋至刻度，搖勻后放置。吸取消解液于50 mL比色管中，加入反應(yīng)體系（鹽酸-硫脲-抗壞血酸），經(jīng)定容和搖勻，放置待測。

1.3.2.3 土壤有效態(tài)元素含量測定 土壤中有效態(tài)

元素的測定參照常規(guī)分析法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Microsoft Excel 2010 對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，用SPSS 19.0 和SigmaPlot 12.5 完成聚類分析和柱形圖繪制。

空心菜可食部位某元素富集系數(shù)（EF）=空心菜可食部位某元素含量/土壤中該元素含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 水生和旱生栽培模式下不同品種空心菜可食部位礦質(zhì)元素含量

如圖1 所示，水生和旱生2 種不同栽培模式下，不同品種空心菜中礦質(zhì)元素含量存在較大的差異。在水生模式下，Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 含量分別是0.6～1.7 g/kg 和112.5～258.4、15.2～77.6、6.2～14.7、0.3～16.4、2.6～4.8 mg/kg，平 均 含 量 為1.2 g/kg 和138.4、37.7、10.1、4.5、3.5 mg/kg，各元素含量最高的品種（K19、K14、K20、K15、K20、K21）比最低的品種（K2、K24、K26、K22、K9、K16）分別高出1.8、1.3、4.1、1.4、53.7、0.9倍。

圖1 2種模式下28個空心菜品種6類礦質(zhì)元素含量Fig.1 Contents of 6 mineral elements in 28 swamp cabbage varieties under two modes

在旱生模式下，Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn含量分別為0.9～2.2 g/kg 和94.9～187.3、7.1～66.7、2.8～11.0、0.5～4.4、1.7～3.5 mg/kg，平 均 含 量 為1.5 g/kg 和176.3、22.7、6.4、1.1、2.7 mg/kg，各元素含量最高的品種（K23、K16、K27、K15、K27、K24）比最低的品種（K2、K25、K22、K11、K16、K2）分別高出1.4、1.0、8.4、2.9、7.8、1.1 倍。由此可見，水生栽培模式下空心菜可食部位Fe、Mn、Cu、Zn 含量明顯高于旱生栽培模式，而Ca、Mg呈現(xiàn)相反的趨勢。

2.2 水生和旱生栽培模式下不同品種空心菜As含量

由圖2可知，在水生模式下，不同品種中可食部位As含量是0.2～5.4 mg/kg，平均含量為3.0 mg/kg，As含量最高品種（K26）比最低品種（K16）高出26.0 倍。依據(jù)GB 2762—2017 中規(guī)定的As 限量標(biāo)準(zhǔn)閾值（0.5 mg/kg），除K16、K22 和K24 品種As含量低于限量標(biāo)準(zhǔn)外，其他品種均高于限量標(biāo)準(zhǔn)，As 超標(biāo)率達(dá)89.3%。

圖2 2種模式下28個空心菜品種As含量Fig.2 Contents of As in 28 swamp cabbage varieties under two modes

在旱生模式下，空心菜可食部位As含量在0.1～1.2 mg/kg，平均含量為0.3 mg/kg，As 含量最高品種（K24）比最低品種（K13）高出11.0 倍。依據(jù)GB 2762—2017中規(guī)定的As限量標(biāo)準(zhǔn)閾值（0.5 mg/kg），除K24和K27外，其余品種空心菜均低于限量標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)率僅為7.1%。由此可見，水生栽培模式下，空心菜對As富集能力顯著高于旱生栽培模式，且其富集效率因品種不同呈現(xiàn)較大差異性。

2.3 水生和旱生栽培模式下不同品種空心菜對Fe、Mn、Cu、Zn的富集特征

如圖3 所示，在水生模式下，空心菜對Fe、Mn、Cu、Zn 的平均富集系數(shù)分別為0.002、0.067、0.401、0.052，富集系數(shù)高低順序為Cu＞Mn＞Zn＞Fe。在旱生模式下，空心菜對Fe、Mn、Cu、Zn的平均富集系數(shù)由高到低順序依次為Cu（0.093）＞Mn（0.042）＞Zn（0.040）＞Fe（0.001），與旱生模式順序一致。水生模式下空心菜對Cu、Mn、Zn、Fe 的富集系數(shù)分別是旱生模式的4.3、1.6、1.3、2.0 倍。可見，水生模式下各微量元素Fe、Mn、Cu、Zn 的富集系數(shù)均高于旱生模式，說明在水生栽培條件下微量元素更容易被空心菜吸收累積。

圖3 2種模式下28個空心菜品種中Fe、Mn、Cu、Zn的富集系數(shù)Fig.3 Enrichment factor of Fe，Mn，Cu，Zn in 28 swamp cabbage varieties under two modes

2.4 水生和旱生栽培模式下不同品種空心菜對As的富集特征

由圖4 可知，在水生模式下，空心菜對As 的平均富集系數(shù)為0.043，As 富集系數(shù)范圍是0.003～0.079，As 富集系數(shù)最高品種（K26）比As 富集系數(shù)最低品種（K16）As富集系數(shù)高出25.3倍。在旱生模式下，空心菜對As的平均富集系數(shù)為0.004，As富集系數(shù)范圍在0.002～0.018，As 富集系數(shù)最高品種（K24）比As富集系數(shù)最低品種（K13）As富集系數(shù)高出8.0倍。

圖4 2種模式下28個空心菜品種中As的富集系數(shù)Fig.4 Enrichment factor of As in 28 swamp cabbage varieties under two modes

2.5 水生和旱生栽培模式下不同品種空心菜可食部位As含量差異聚類分析

根據(jù)可食部位As 含量對空心菜品種進(jìn)行聚類分析得知（圖5），在水生栽培模式下，空心菜可食部位As 含量可分為低積累、較低積累、較高積累和高積累4 個類群；其中，K16、K22、K24 屬于低積累類群，高積累類群為K5、K14、K15、K19、K23、K26。旱生模式下可分為低積累和高積累2 個類群。K24、K27為高積累類群，其余品種均為低積累類群。

圖5 2種模式下28個空心菜品種As含量聚類樹狀圖Fig.5 Clustering dendrogram of As content of 28 swamp cabbage varieties under two modes

3 結(jié)論與討論

3.1 不同栽培模式下同一空心菜品種對As和礦質(zhì)元素的富集特征

土壤重金屬生物有效性受土壤含水量、pH 值、氧化還原電位（Eh）、有機(jī)質(zhì)含量、土壤組成結(jié)構(gòu)、微生物和植物根系活動等一系列因素影響。農(nóng)作物栽培種植方式的改變通過影響土壤重金屬有效性，影響農(nóng)作物對土壤重金屬的富集，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)作物的生長發(fā)育、品質(zhì)特征及營養(yǎng)成分等產(chǎn)生變化[15-16]。胡月等[17]研究表明，栽培模式和品種的不同均顯著影響寒地水稻的產(chǎn)量以及稻米中蛋白質(zhì)、氨基酸種類和礦質(zhì)元素含量。任紅等[18]表明，在不同栽培模式下金釵石斛中礦物質(zhì)元素含量會有所差異。王佛嬌等[14]研究發(fā)現(xiàn)，不同栽培方式對空心菜總As吸附有較大影響，水生栽培空心菜莖葉總As含量顯著高于旱地栽培空心菜莖葉總As 含量。李富榮等[19]研究也表明，土壤Pb、Cd 復(fù)合污染下，水作處理下土壤重金屬有效性和空心菜可食部位重金屬含量均顯著高于旱作處理，其主要原因在于土壤水分狀況的改變。吳燕玉等[20]通過盆栽試驗，研究了旱作和水作對大豆、苜蓿、水稻As、Cd、Pb、Cu、Zn 吸收富集規(guī)律，發(fā)現(xiàn)旱作吸收量比水作吸收量明顯減少，其中As 減少2.5～7.8 倍。相反的研究也有報道，唐明燈等[21]研究表明，生菜地上部及根中Cd含量均隨土壤持水量的上升呈下降趨勢。王艷紅等[13]也發(fā)現(xiàn)，在Cd 污染土壤上，水作處理能夠顯著降低空心菜地上部和根系Cd 含量。不同栽培模式下農(nóng)作物對土壤重金屬富集差異主要受三方面影響，一是栽培方式轉(zhuǎn)變會改變土壤含水量，進(jìn)而影響土壤不同種類重金屬有效性；二是水作模式下會加劇重金屬在土壤中的遷移效率，會提升根系吸收效率；三是栽培方式轉(zhuǎn)變會影響植物根系結(jié)構(gòu)的形成，影響根系對土壤重金屬的吸收效率。

本研究結(jié)果也顯示，同一空心菜品種在水生和旱生2 種不同栽培模式下對As 和礦質(zhì)元素富集能力存在明顯的差異。在水生模式下Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、As 平均含量分別為1.2 g/kg 和138.4、37.7、10.1、4.5、3.5、3.0 mg/kg，而旱生模式為1.5 g/kg 和176.3、22.7、6.4、1.1、2.7、0.3 mg/kg，以As 的差異最為明顯。根據(jù)GB 2762—2017 中蔬菜As 的限量閾值，在水生模式下空心菜As 超標(biāo)率為89.3%，旱生為7.1%。因此，若在As 污染土壤上種植空心菜，推薦選擇旱生栽培模式，以降低空心菜As污染風(fēng)險。

3.2 相同栽培模式下不同品種空心菜對As和礦質(zhì)元素的富集特征

農(nóng)作物對礦質(zhì)元素的吸收富集因品種的不同有所差異。翁城武等[22]研究發(fā)現(xiàn)，不同品種蔬菜對11種重金屬富集差異很大，其中小白菜、空心菜、芹菜吸收累積效率最高，瓜類次之，韭菜最低。陳永等[23]對郊區(qū)蔬菜基地64個蔬菜樣品分析時發(fā)現(xiàn)，蔬菜對礦質(zhì)元素和重金屬的富集能力規(guī)律表現(xiàn)為葉菜類＞根莖類＞茄果類。HU 等[24]也發(fā)現(xiàn)，相同栽培條件下菠菜體內(nèi)Cr、Hg、Cu、Zn含量最高，芹菜中As含量最高，而茄子、黃瓜和辣椒中Cr、As、Hg、Pb 含量都較低。

蔬菜對重金屬元素的積累差異不僅體現(xiàn)在不同蔬菜品種之間，還體現(xiàn)在同一蔬菜的不同品種之間[25]。WANG 等[26]采用盆栽試驗研究了不同品種葉菜積累重金屬規(guī)律，結(jié)果表明，39 個葉菜品種中可食部位Cd 含量的種內(nèi)差異均顯著高于種間差異。崔星怡等[27]研究表明，空心菜對As的累積效應(yīng)呈現(xiàn)品種化差異，19 個品種空心菜可食部位中As 含量最高與最低之間相差262 倍。而本研究結(jié)果也顯示，相同栽培模式下不同品種空心菜對As和礦質(zhì)元素的富集能力呈現(xiàn)種間差異。

綜上，本試驗結(jié)果表明，在不同栽培模式下，空心菜對As和礦質(zhì)元素富集呈現(xiàn)差異化特征，具體表現(xiàn)：空心菜可食部位中As 和Fe、Mn、Cu、Zn 含量表現(xiàn)為水生栽培模式高于旱生栽培模式，而Ca、Mg 呈現(xiàn)相反的趨勢；空心菜對As和礦質(zhì)元素的富集效率存在明顯的種間差異，不同空心菜品種對As和礦質(zhì)元素富集效率在水生和旱生栽培模式下差異較大；依據(jù)聚類分析可得，同一類群空心菜品種因栽培模式的不同對As 的富集效率呈現(xiàn)不一致，表明篩選As 低積累空心菜品種應(yīng)充分考慮栽培模式這一影響因素；As 污染土壤上，水生栽培模式下有利于空心菜對As和微量元素富集，旱生栽培模式則有利于中量元素的富集。