花生中重金屬含量的影響因素及其來源

王 磊，唐 娟，于春娣，丁秋嫻，趙皓卿，楊慶利，趙海燕

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 山東青島 266109）

花生籽粒是重要的油料種子之一，在世界范圍內(nèi)廣泛種植?；ㄉ€是重要的經(jīng)濟(jì)作物，中國是世界主要的花生生產(chǎn)國和出口國之一，2019年中國花生產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的38.5%[1]?；ㄉ蚜：胸S富的油脂，在保障食用油脂安全方面發(fā)揮重要作用，可提供蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和不飽和脂肪酸等物質(zhì)補(bǔ)充人類飲食[2-5]。

由于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過于追求產(chǎn)量和效益，花生產(chǎn)區(qū)土壤和花生容易遭受重金屬污染，致花生品質(zhì)下降，花生中重金屬含量超標(biāo)情況時有發(fā)生[6]?；ㄉ堑叵陆Y(jié)果作物，除了根系具有吸收重金屬能力外，莢果也能吸收重金屬，導(dǎo)致花生對重金屬的富集更為明顯，對作物生長發(fā)育和人類健康具有重要影響[7-8]。花生安全生產(chǎn)越來越受到人們的關(guān)注。

我國農(nóng)田最常見的重金屬污染為鎘、鉻、鉛、砷、汞和銅，其中鎘污染較為嚴(yán)重[9]。有研究表明，一些地區(qū)土壤重金屬含量達(dá)到中等污染水平以上[10-11]。一般來說，花生重金屬污染現(xiàn)象與土壤重金屬密切相關(guān)[12]。目前，國內(nèi)關(guān)于花生中重金屬污染情況的研究主要集中在不同花生品種對重金屬的吸收差異，以及重金屬脅迫下對花生生理特性、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[13-17]。國外報道，有利用真菌共生和植物螯合素減少花生籽粒中重金屬鎘積累的研究[18-19]；有研究長期施肥對花生產(chǎn)量和土壤重金屬積累的影響[20]；還有研究表明花生籽粒中重金屬的生物有效性較高，對重金屬的吸收和積累能力較強(qiáng)[21]。目前，國內(nèi)外綜合分析產(chǎn)地和品種對花生中重金屬含量的影響鮮有報道。另外，花生中重金屬含量與產(chǎn)地土壤和降水間的關(guān)系尚不清楚。

花生中重金屬含量可能受生長環(huán)境的影響，不同產(chǎn)地的土壤和降水中重金屬含量不同，可能會導(dǎo)致花生中重金屬含量不同。另外，不同品種的花生由于代謝的差異，重金屬含量也可能不同[22-23]。本文分析產(chǎn)地、品種及其交互作用對花生中重金屬含量的影響，及花生中重金屬與土壤和降水之間的關(guān)系，為花生中重金屬含量研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

2019年4月，分別在山東省即墨市、沂水縣和萊州市各選1 個試驗(yàn)點(diǎn)，每個試驗(yàn)點(diǎn)種植?；? 號、魯花11 號和大白沙3 個品種的花生，各品種隨機(jī)排列，每個品種種植面積約10 m2。9月從各試驗(yàn)點(diǎn)采集花生、土壤和降水樣品。

硝酸（含量70%）、雙氧水（含量40%）、高氯酸（含量70%）、氫氟酸（40%）（均為BVⅢ級），北京化學(xué)試劑研究所；內(nèi)標(biāo)72Ge、115In、209Bi 和外標(biāo)，中國標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采購中心。

1.2 儀器與設(shè)備

Mars 240/50 微波消解儀，美國CEM 公司；7700 電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）儀，美國安捷倫公司；Milli-Q 超純水機(jī)，美國Millipore 公司；DV4000 精確控溫電熱消解器，北京安南科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品采集

1.3.1.1 花生采集 2019年9月，在即墨市、沂水縣和萊州市的試驗(yàn)田，每個花生品種的種植區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)采集1 m2區(qū)域的花生植株，每個品種采集3 份，共采集樣品27 份。每墩花生植株去除根和莖葉，只保留果殼。去除果殼上的泥土，挑選無破損、果殼較大的裝入網(wǎng)袋中，標(biāo)注產(chǎn)地和品種。

1.3.1.2 土壤采集 以花生采樣點(diǎn)為中心，畫一邊長約40 cm 的正方形，在正方形的4 個頂點(diǎn)上用土鏟向下挖，于0～20 cm 處取土壤樣品，每個采樣點(diǎn)采集200 g 土壤樣品置塑封袋中，標(biāo)記產(chǎn)地。

1.3.1.3 降水采集 為了保證收集到的雨水具有代表性，在降雨開始時，每隔5 min 收集1 次雨水，每次持續(xù)10 min，0.5 h 后每隔10 min 收集1次，直到降雨結(jié)束。各地區(qū)降水時，將100 mL 塑料瓶置2 m 高的采樣臺上，避開污染源，四周無遮擋的高大樹木或建筑物，收集后記錄降水時間，擰緊瓶蓋置陰涼干燥處保存，在采集花生時一同帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3.2 樣品預(yù)處理

1.3.2.1 花生樣品預(yù)處理 首先將帶殼花生在陽光下暴曬3 d，除去花生中大部分水分，然后挑出損壞的花生丟棄。將篩選出的花生樣品剝殼，保留外部紅衣，將完整無破損的花生籽粒用去離子水清洗干凈。清洗時佩戴一次性手套，避免用手直接接觸花生仁，按四分法取30 g 花生籽粒樣品，然后將花生籽粒置于平板中，在烘箱內(nèi)烘至恒重，用研缽研磨粉碎，做好標(biāo)記裝入塑封袋，置干燥器內(nèi)備用，避免返潮現(xiàn)象。

準(zhǔn)確稱取預(yù)處理后的花生粉末樣品0.25 g，放入25 mL 聚四氯乙烯微波消解管中，加入6 mL 硝酸，蓋上蓋子反應(yīng)2 h，再加入2 mL 雙氧水反應(yīng)30 min，放入微波消解儀中，按設(shè)定程序進(jìn)行升溫消解。

微波消解儀工作條件：功率1 600 W，消解溫度180 ℃。樣品消解完成后冷卻，從密閉微波消解儀中取出消解管，置于精確控溫電熱消解器中180 ℃加熱60 min 進(jìn)行趕酸，至剩余（0.75±0.25）mL，用超純水定容至100 mL，待測。

1.3.2.2 土壤樣品預(yù)處理

1） 種源土壤樣品自然風(fēng)干，除去肉眼可見的植物根莖等雜質(zhì)和大于5 mm 的沙礫，然后，用研缽研磨粉碎，過100 目篩，置干燥器內(nèi)備用。

2） 對種源土壤粉末樣品進(jìn)行消解 準(zhǔn)確稱取預(yù)處理后的土壤樣品0.05 g，放入25 mL 聚四氯乙烯微波消解管中，加入8 mL 硝酸和2 mL 氫氟酸后放入微波消解儀中消解，按照設(shè)定的步驟進(jìn)行升溫消解。

微波消解儀工作條件：功率1 600 W，消解溫度185 ℃，樣品消解完并冷卻后，從密閉微波消解儀中取出消解管，置于精確控溫電熱消解器中180 ℃加熱60 min 進(jìn)行趕酸，至剩余（0.75±0.25）mL，用超純水定容至100 mL，待測。

1.3.2.3 降水樣品預(yù)處理 參考王珊珊等[24]處理降水的方法：取適量雨水樣品，用0.45 μm 過濾器過濾后置于50 mL 聚四氟乙烯坩堝中，加入0.8 mL 硝酸和50 μL 氫氟酸，擰緊蓋子，于130 ℃加熱5 h 后取出坩堝，打開蓋子，讓揮發(fā)性有機(jī)物揮發(fā)后再次擰緊蓋子，于180 ℃烘箱內(nèi)加熱12 h。取出坩堝，冷卻后向其中加入0.5 mL 硝酸繼續(xù)蒸干，向坩堝內(nèi)加入0.2 mL 50 μg/L 銠內(nèi)標(biāo)液，同時加入稀硝酸（體積比為3∶1），再次將坩堝置于140 ℃烘箱內(nèi)加熱5 h。

1.3.3 樣品分析 利用ICP-MS 測定花生、土壤和降水中Cr、Ni、As、Cd、Sb、Tl 和Pb 7 種重金屬元素含量。ICP-MS 的工作參數(shù)為：射頻功率1 200 W，冷卻器流速1.47 L/min，載氣及輔助氣流速1 L/min，等離子體氣體流速15 L/min，霧化室溫度2 ℃。以元素72Ge、115In 和209Bi 作為內(nèi)標(biāo)，每個樣品或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重復(fù)測定3 次，當(dāng)內(nèi)標(biāo)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差大于5%時，重新測定樣品。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用IBM SPSS 25.0 軟件對花生籽粒、土壤及降水中重金屬含量數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（P＜0.05 和P ＜0.01）、Duncan 多重比較分析（P ＜0.05）、多因素方差分析和Pearson 相關(guān)分析。采用單因素方差分析檢驗(yàn)不同產(chǎn)地、品種花生樣品中重金屬元素含量間是否存在顯著性差異；采用Duncan 多重比較分析探究存在顯著性差異的元素在不同產(chǎn)地、不同品種中含量的特征；利用多因素方差分析探究產(chǎn)地、品種及其交互作用對花生籽粒中重金屬元素含量變化的貢獻(xiàn)；采用Pearson 相關(guān)分析研究花生中重金屬元素與種源土壤、降水中相應(yīng)元素含量是否存在顯著線性關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 花生籽粒中重金屬含量的影響因素分析

2.1.1 不同產(chǎn)地花生籽粒重金屬含量 不同地區(qū)花生籽粒樣品中7 種重金屬濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差見表1。單因素方差分析結(jié)果表明：重金屬元素Ni、As、Cd 和Tl 含量在3 個地區(qū)間差異極顯著（P ＜0.01）；Cr 含量在3 個地區(qū)間差異顯著 （P ＜0.05）；Sb 和Pb 含量在不同地區(qū)間差異不顯著。當(dāng)元素濃度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著差異時，使用Duncan多重比較來比較平均數(shù)。Duncan 多重比較分析表明，不同地區(qū)花生籽粒中的重金屬含量各有特點(diǎn)。與其它兩個地區(qū)相比，即墨市花生籽粒中重金屬Cr 含量最高，Ni 含量最低；沂水縣的花生籽粒樣品中Tl 含量最高，而As 含量明顯低于其它兩個地區(qū)；萊州的樣品中Cd 含量最高。呂偉[25]檢測不同產(chǎn)區(qū)花生樣品礦質(zhì)元素含量時發(fā)現(xiàn)重金屬Pb和Sb 含量存在顯著差異。

表1 不同產(chǎn)地花生籽粒樣品重金屬含量（μg/kg）Table 1 The heavy metal concentrations of peanut samples from different regions （μg/kg）

2.1.2 不同品種花生籽粒重金屬含量 對海花1號、魯花11 號和大白沙3 個品種的重金屬含量進(jìn)行單因素方差分析，從表2可看出，元素As 在3個品種間存在顯著性差異（P ＜0.05），其它重金屬元素沒有顯著性差異。通過對存在顯著性差異的元素進(jìn)行Duncan 多重比較可知，大白沙品種中As 含量最高，魯花11 號中As 含量最低。不同品種花生對不同重金屬元素的吸收程度差異不明顯。趙明等[22]的研究中也發(fā)現(xiàn)，不同品種的花生籽粒中重金屬Pb、Cd 和Cr 的含量差異不明顯。

表2 不同品種花生籽粒樣品重金屬含量（μg/kg）Table 2 The heavy metal concentrations of peanut samples of different varieties （μg/kg）

2.1.3 產(chǎn)地、品種及其交互作用對花生籽粒中重金屬含量變化的貢獻(xiàn) 通過計(jì)算分析各因素對重金屬含量變化的貢獻(xiàn)率，如表3所示。重金屬Cr、Sb 和Pb 含量主要受誤差影響，可能是因?yàn)檫@些重金屬在花生籽粒中含量不高或受肥料、農(nóng)藥等因素的影響。Takeda 等[26]比較日本西部區(qū)域14 種重金屬含量與來源時指出，重金屬含量受季節(jié)因素的影響；重金屬Ni、Cd 和Tl 的含量主要受產(chǎn)地影響；重金屬As 含量主要受產(chǎn)地×品種交互作用的影響；花生中重金屬含量受品種影響較小。

表3 各影響因素對重金屬含量變化的方差貢獻(xiàn)率（%）Table 3 The contribution rate of each factor to the heavy metal content variability（%）

通過上述分析可知，花生中重金屬含量主要受產(chǎn)地的影響，受品種影響較小。與產(chǎn)地密切相關(guān)的來源主要有種源土壤和產(chǎn)地降水?；ㄉ兄亟饘僦饕獊碓从诋a(chǎn)地的土壤還是降水待查。

2.2 花生籽粒中重金屬來源分析

2.2.1 土壤中重金屬含量分析 表4分別表示3個地區(qū)土壤樣品中7 種重金屬含量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯?，7 種元素在3 個地區(qū)之間均存在極顯著差異（P ＜0.01）。通過Duncan 多重比較分析得出以下結(jié)論：在即墨的土壤樣品中，Ni、Cd 和Pb 平均濃度在3 個地區(qū)中較高；沂水的土壤樣品與其它兩個地區(qū)相比，Cr 的含量較高，而Ni、Sb、Tl 和Pb 含量較低；萊州的土壤樣品中，As、Sb 和Tl 含量較高。這些結(jié)果表明，不同地區(qū)的重金屬組成存在差異，沂水地區(qū)土壤中的重金屬含量較少。Yang 等[27]和Jing 等[28]研究均發(fā)現(xiàn)，土壤中重金屬含量與母質(zhì)土壤、土壤類型和土壤成分等因素有密切關(guān)系。因本研究中3 個地區(qū)的土壤類型等因素各不相同，故土壤中重金屬含量存在較大差異。

表4 不同產(chǎn)地土壤樣品重金屬含量（μg/kg）Table 4 The heavy metal concentrations of soil samples from different regions（μg/kg）

2.2.2 降水中重金屬含量分析 如表5所示，不同地區(qū)的降水樣品中7 種重金屬含量均存在顯著性差異（P ＜0.01），對存在差異的元素通過Duncan多重比較分析得出結(jié)論：即墨地區(qū)的降水樣品中，Tl 和Pb 的含量高于其它兩個地區(qū)，Ni 和As 的含量較低；萊州的降水樣品中Ni、As 和Sb 含量最高，Tl 含量最少；沂水的樣品中Cr 和Cd 的含量最高。降水樣品中重金屬含量差異可能與種植區(qū)域的地理位置和人為環(huán)境有關(guān)，種植區(qū)域周邊的大氣污染物不同，也會導(dǎo)致降水樣品中重金屬含量的差異。此外，趙文杰等[29]研究發(fā)現(xiàn)降水中重金屬含量不僅受元素本身性質(zhì)（親水性、疏水性）的影響，也會受降水pH 以及氣象條件風(fēng)速風(fēng)向、濕度等的影響。Sakata 等[30]研究日本3 個地區(qū)雨水中金屬元素來源時指出，受西北季風(fēng)的影響，As、Cd 和Pb 在春季和冬季含量較高，Ni 的季節(jié)差異不明顯，也說明降水中重金屬含量受到季節(jié)和風(fēng)向因素的影響。即使是同一省份的3 個地區(qū)的降水樣品也存在顯著性差異。

表5 不同產(chǎn)地降水樣品重金屬含量（μg/kg）Table 5 The heavy metal concentrations of precipitation samples from different regions （μg/kg）

2.2.3 花生籽粒與土壤及降水中重金屬含量關(guān)系 為進(jìn)一步分析花生中各種重金屬與土壤、降水中相關(guān)元素含量之間的關(guān)系，對花生與土壤或降水中的相應(yīng)元素含量進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析。結(jié)果表明，花生與土壤中Cd（r=0.469，P＜0.01）含量呈極顯著正相關(guān)，Cr （r=-0.319，P＜0.01）、Ni（r=-0.712，P＜0.01）和Tl（r=-0.491，P＜0.01）含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，As、Sb 和Pb 元素含量相關(guān)性不顯著。說明花生中Cd 隨土壤中Cd 濃度的增加而增加，元素Cr、Ni 和Tl 隨土壤中元素Cr、Ni 和Tl含量的增加而降低。由此可見花生植株在重金屬濃度較高的土壤中對3 種重金屬的吸收程度較低。呂偉[25]發(fā)現(xiàn)花生中Cd 與土壤中Cd 的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.625，呈極顯著正相關(guān)。蔡葵等[31]也發(fā)現(xiàn)花生對土壤中Cd 的富集系數(shù)較高，花生中的Cd主要來自土壤。這些發(fā)現(xiàn)與本試驗(yàn)結(jié)果一致。Xiong 等[32]通過研究蓮藕中重金屬與土壤的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)蓮藕中的重金屬主要獨(dú)立于土壤或與土壤呈負(fù)相關(guān)積累，這一發(fā)現(xiàn)與本試驗(yàn)結(jié)果相似。本試驗(yàn)中，土壤中重金屬As 和Pb 含量較高，而花生中As 和Pb 含量與土壤并沒有顯著的相關(guān)性，說明花生中As 和Pb 的積累機(jī)制復(fù)雜。

花生與降水中Ni（r=0.241，P＜0.05）含量呈顯著正相關(guān)，Cd（r=-0.328，P＜0.01）含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，其它元素含量相關(guān)性不顯著。說明花生植株主要從降水中吸收Ni，花生中Cd 元素主要來源于土壤?；ㄉ蠥s、Sb、Pb 的含量與土壤和降水中相關(guān)元素的含量都沒有顯著相關(guān)性，說明花生中的重金屬元素來源除了土壤和降水，還可能來源于其它途徑，如植株葉片從空氣中吸收噴灑其它農(nóng)作物的農(nóng)藥肥料，大氣中懸浮的重金屬顆粒等。也可能花生與種源土壤和降水中的重金屬的含量不是簡單的線性關(guān)系，需進(jìn)一步探究。另外，為深入了解花生中重金屬的來源，土壤和降水中重金屬被花生吸收的方式和運(yùn)輸富集途徑等還需進(jìn)一步探究。

3 結(jié)論

花生中重金屬元素Ni、Cd 和Tl 的含量主要受產(chǎn)地的影響；As 的含量受產(chǎn)地×品種交互作用的影響，Cr、Sb 和Pb 的含量變化受其它因素影響較大?；ㄉ蠥s、Sb 和Pb 的含量與土壤和降水中相關(guān)元素的含量沒有顯著相關(guān)性，Cd 和Ni 含量與土壤和降水均呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，Cr 和Tl 含量與土壤中元素含量顯著相關(guān)。表明花生中重金屬含量受產(chǎn)地、品種的影響，其來源不僅包括土壤和降水，還可能有農(nóng)藥和肥料等其它來源。