土壤-蠶豆重金屬污染特征及環(huán)境效應

林小兵, 黃天寶, 彭君, 邱祥鳳, 何波, 石麗萍, 武琳, 朱德彬*

(1.江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所 國家紅壤改良工程技術研究中心, 江西 南昌 331717; 2.江西農(nóng)業(yè)大學 國土資源與環(huán)境學院,江西 南昌 330045; 3.萍鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學研究中心, 江西 萍鄉(xiāng) 337000; 4.萍鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務中心, 江西 萍鄉(xiāng) 337000)

隨著城市化、工業(yè)化和集約化農(nóng)業(yè)的發(fā)展, 工業(yè) “三廢”、交通活動、大氣沉降、污水灌溉、化肥及農(nóng)藥等進入環(huán)境, 導致重金屬污染日益嚴峻[1-2]。土壤重金屬污染也是全球性的環(huán)境問題,嚴重影響人類健康和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。報道顯示[3], 我國土壤總的點位超標率達到16.1%,其中土壤重金屬鎘 (Cd)、砷 (As)、汞 (Hg)、鉛 (Pb) 和鉻 (Cr) 等點位超標率分別為7.0%、2.7%、1.6%、1.5%和1.1%。重金屬污染不僅嚴重威脅著生態(tài)環(huán)境、農(nóng)作物生長和品質(zhì)安全等, 還通過食物鏈對人類健康造成嚴重影響[4-5]。

蠶豆 (ViciafabaL.), 又稱胡豆、南豆、佛豆等, 屬豆科、野豌豆屬, 是一種糧、菜、飼、肥兼用的經(jīng)濟作物[6-7], 也是長江下游地區(qū)重要的冬季作物, 世界上五大食用豆類之一[7-8]。蠶豆營養(yǎng)豐富, 富含蛋白質(zhì)、膳食纖維、微量元素、維生素等人體必需元素[9], 近年來食用蠶豆在江蘇、上海、浙江等地獲得較快的發(fā)展, 受到廣大消費者的青睞[10]。目前, 已有大量研究針對蔬菜地土壤—蔬菜進行重金屬污染調(diào)查, 特別是在城郊地區(qū)[11-12]。國內(nèi)外對葉菜類蔬菜等研究較多, 蠶豆作為一類重要的蔬菜, 研究主要集中在Cd 對蠶豆生理生態(tài)的影響[13], 而關于重金屬對蠶豆重金屬富集和轉運效率研究較少, 因此, 開展蠶豆作物重金屬安全性研究具有重要的現(xiàn)實意義。

萍鄉(xiāng)作為江南煤炭生產(chǎn)的重要基地, 煤炭開采同時也帶來了許多的環(huán)境問題[14], 廖沖等[15]研究發(fā)現(xiàn), 在萍鄉(xiāng)市布置的29 個觀測點中, 其中有14 個觀測點的重金屬含量超標。隨著城市化發(fā)展, 在有限的農(nóng)用地上種植安全的蔬菜, 對于保障人類身體安全具有重要意義。本研究選擇江西省萍鄉(xiāng)市3 個縣市區(qū)的15 個有代表性的蠶豆種植園為調(diào)查對象, 調(diào)查蠶豆種植園土壤和蠶豆的重金屬Cd、As、Hg、Pb 和Cr 含量, 及其蠶豆對重金屬的轉運和富集特征, 以期為當?shù)匦Q豆種植安全利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與測試

于2021 年4 月中旬蠶豆收獲期在萍鄉(xiāng)市上栗縣彭高鎮(zhèn)、萍鄉(xiāng)市蘆溪縣源南鄉(xiāng)、萍鄉(xiāng)市蘆溪縣蘆溪鎮(zhèn)、萍鄉(xiāng)市蘆溪縣宣風鎮(zhèn)和萍鄉(xiāng)市湘東區(qū)荷堯鄉(xiāng)等地選取15 個有代表性的蠶豆種植園進行土壤和植株采集。采用五點采樣法隨機選取長勢一致的5株蠶豆植株混合成一個樣, 同時采集0～20 cm 土層土壤樣品。將取回的蠶豆植株進行風干待測, 采集的樣品自然風干磨碎過篩, 用于測定土壤基本理化性質(zhì)。土壤pH 值、有機質(zhì)含量、陽離子交換量、堿解氮含量、有效磷含量、速效鉀含量等理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法測定[16]。土壤和蠶豆植株中重金屬Cr、Pb 和Cd 采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法 (儀器和型號: 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀iCAP-RQ) 測定, 重金屬As 和Hg 采用原子熒光光譜法 (儀器和型號分別為: 原子熒光光度計AF-640A 和XGY-1011A) 測定。

1.2 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2016 和R 語言軟件對試驗數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析、方差分析和相關性分析等, 文中制圖通過R 語言軟件程序包ggplot2 完成。富集系數(shù)=蠶豆植株各部位重金屬含量/土壤重金屬含量; 轉移系數(shù)=蠶豆植株各部位重金屬含量/蠶豆植株前一部位重金屬或土壤重金屬含量。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)和重金屬含量描述性分析

蠶豆種植區(qū)土壤理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計分析見表1。研究區(qū)土壤pH 值范圍為 6.10～7.54, 均值為7.11±0.58, 有機質(zhì)含量均值為53.39 g·kg-1, 陽離子交換量均值為11.74 cmol·kg-1, 有效磷、堿解氮、速 效 鉀 含 量 均 值 分 別 為44.01、155.39、183.93 mg·kg-1, 總體上調(diào)查區(qū)土壤屬中性, 肥力水平較高。從變異系數(shù)[17]來看, 土壤pH 值變異系數(shù)小于10%, 屬弱變異, 其他指標變異系數(shù)在10%～100%, 均屬中等變異。

表1 研究區(qū)域土壤理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計

從表2 可知, 研究區(qū)土壤重金屬Cd、Cr、As、Hg 和 Pb 的 平 均 含 量 分 別 為 (0.48 ± 0.36)、(38.03±3.75)、(10.03±2.81)、(0.16±0.07) 和(19.10±5.56) mg·kg-1, 僅有重金屬Cd 高于GB 15618—2018 《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》 中 Cd 限量標準[18], 其超標率為60.00%。研究區(qū)5 種重金屬元素的變異系數(shù)由大到小依次為Cd>Hg>Pb>As>Cr, 土壤Cr 變異系數(shù)小于10%, 屬弱變異, 其他重金屬元素在10% ～100%, 均屬中等變異。

表2 研究區(qū)域土壤重金屬含量描述性統(tǒng)計 單位: mg·kg-1

2.2 蠶豆重金屬富集特征

重金屬As 含量在蠶豆根系、莖稈、葉片、豆 莢 和 籽 粒 中 分 別 為1.45、0.43、1.75、0.06和0.23 mg·kg-1(圖1 中a); 重金屬Cd 含量在蠶豆根系、莖稈、葉片、豆莢和籽粒中分別為0.60、0.31、0.72、0.05 和0.12 mg·kg-1(圖1中b); 重金屬Cr 含量在蠶豆根系、莖稈、葉片、豆 莢 和 籽 粒 中 分 別 為6.85、2.51、6.67、0.32和0.83 mg·kg-1(圖1 中c); 重金屬Hg 含量在蠶豆根系、莖稈、葉片、豆莢和籽粒中分別為0.009 4、0.004 1、0.039 2、0.001 5 和0.003 7 mg·kg-1(圖1 中d); 重金屬Pb 含量在蠶豆根系、莖 稈、葉 片、豆 莢 和 籽 粒 中 分 別 為3.49、1.53、5.91、0.03 和0.60 mg·kg-1(圖1 中e)。但存在部分地區(qū)蠶豆籽粒中重金屬Cd、Pb 高于食品安全國家標準食品中污染物限量中食品的Cd、Pb 限 量 標 準[19](GB 2762—2022, Cd: 鮮豆為0.1 mg·kg-1, 干豆為0.2 mg·kg-1; Pb:鮮豆為0.2 mg·kg-1, 干豆為0.25 mg·kg-1),其超標率分別為60.00%和20.00%。從圖1 中f還可以看出, 蠶豆不同部位中重金屬含量均表現(xiàn)葉片>根系>莖稈>籽粒>豆莢。

圖1 蠶豆不同部位重金屬含量

從圖2 可知, 蠶豆對重金屬Cd 富集系數(shù)最大,其次為Pb 和Cr, 最后為As 和Hg。蠶豆不同部分對As 元素的富集系數(shù)依次表現(xiàn)為: 葉片 (0.19)>根系 (0.15) >莖稈 (0.04) >籽粒 (0.03) >豆莢 (0.01); 對Cd 元素的富集系數(shù)依次表現(xiàn)為:葉片 (1.52) >根系 (1.32) >莖稈 (0.59) >籽粒 (0.25) >豆莢 (0.11); 對Cr 元素的富集系數(shù)依次表現(xiàn)為: 根系 (0.18) >葉片 (0.18) >莖稈(0.07) >籽粒 (0.02) >豆莢 (0.01); 對Hg 元素的富集系數(shù)依次表現(xiàn)為: 葉片 (0.29) >根系(0.07) > 籽 粒 (0.03) > 莖 稈 (0.03) > 豆 莢(0.01); 對Pb 元素的富集系數(shù)依次表現(xiàn)為: 葉片(0.33) > 根 系 (0.18) > 莖 稈 (0.09) > 籽 粒(0.03) >豆莢 (0.001)。

圖2 蠶豆對重金屬元素的富集系數(shù)

調(diào)查區(qū)蠶豆對重金屬的轉運系數(shù)見圖3, 蠶豆對重金屬Cd 轉運系數(shù)最大, 其次為Pb 和Hg, 最后為Cr 和As。蠶豆不同部分對As 元素的轉運系數(shù)依次表現(xiàn)為: 豆莢-籽粒 (4.81) >莖稈-葉片(4.11) >根系-莖稈 (0.30) >土壤-根系 (0.15) >莖稈-豆莢 (0.14) >葉片-豆莢 (0.04); 對Cd 元素的轉運系數(shù)依次表現(xiàn)為: 豆莢-籽粒 (7.15) >莖稈-葉片 (3.19) >土壤-根系 (1.32) >根系-莖稈 (0.46) > 莖 稈-豆 莢 (0.14) > 葉 片-豆 莢(0.10); 對Cr 元素的轉運系數(shù)依次表現(xiàn)為: 莖稈-葉片 (3.42) >豆莢-籽粒 (3.42) >根系-莖稈(0.38) >土壤-根系 (0.18) >莖稈-豆莢 (0.10) >葉片-豆莢 (0.05); 對Hg 元素的轉運系數(shù)依次表現(xiàn)為: 莖稈-葉片 (10.52) >豆莢-籽粒 (2.67) >根系-莖稈 (0.49) >莖稈-豆莢 (0.42) >土壤-根系 (0.07) >葉片-豆莢 (0.04); 對Pb 元素的轉運系數(shù)依次表現(xiàn)為: 豆莢-籽粒 (26.690) >莖稈-葉片 (3.920) >根系-莖稈 (0.520) >土壤-根系(0.180) > 莖 稈-豆 莢 ( 0.020) > 葉 片-豆 莢(0.005)。

圖3 蠶豆對重金屬元素的轉運系數(shù)

2.3 土壤與蠶豆籽粒重金屬相關性

為了探索蠶豆籽粒中重金屬來源, 將土壤理化性質(zhì)pH 值、有機質(zhì)含量、陽離子交換量、有效磷含量、速效鉀含量、堿解氮含量以及土壤、籽粒中重金屬Cd、Pb、As、Hg 和Cr 含量進行相關性分析 (圖4), 相關分析表明, 籽粒中重金屬Cr 含量與土壤AN、Cd、Pb 含量均呈顯著正相關, 其相關系數(shù)分別為0.91、0.97 和0.81; 籽粒中重金屬As含量與土壤堿解氮、速效鉀、Cd 含量的相關性均達顯著水平, 其相關系數(shù)分別為0.84、0.88 和0.91; 籽粒中重金屬Cd 含量與土壤堿解氮和Cd含量呈顯著正相關, 其相關系數(shù)分別為0.88 和0.92; 籽粒中重金屬Hg 含量與土壤As 含量呈顯著負相關 (r=-0.93,P<0.05), 而與有機質(zhì)含量呈顯著正相關 (r=0.96,P<0.05); 籽粒中重金屬Pb 含量與土壤堿解氮和Cd 含量的相關性均達顯著水平, 其相關系數(shù)分別為0.82 和0.88。此外, 籽粒中重金屬Cr 含量與As 含量 (r= 0.93,P<0.05)、Cd 含量 (r=0.96,P<0.05) 和Pb 含量 (r=0.92,P<0.05) 均呈顯著負相關, 同時籽粒中重金屬Cd 含量與Pb 含量的相關性均達顯著水平, 其相關系數(shù)為r=0.99。

圖4 土壤理化性質(zhì)、重金屬與蠶豆籽粒重金屬的相關性分析

3 結論與討論

重金屬污染土壤是關系糧食安全和人類健康風險的全球性問題[12]。本研究發(fā)現(xiàn), 蠶豆種植園土壤中重金屬Cd 含量0.48 mg·kg-1, 為標準值的1.6 倍, 超標率為60.00%, 籽粒中Cd、Pb 均高于標準值, 其超標率分別為60.00%和20.00%。蘇輝躍等[12]研究表明, Cd 是廣州城郊土壤-蔬菜的主要污染因子, 黑兒平等[20]研究也發(fā)現(xiàn), 重金屬Cd 是成都平原蔬菜重金屬的主要污染物, 其超標率達31.91%, 對江西某地區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn), 研究區(qū)蔬菜地土壤Cd、Hg 污染程度較重, 均超過江西背景值, 其中土壤重金屬Cd 超過國家標準值[21]。本研究還發(fā)現(xiàn), 蠶豆對重金屬Cd 富集系數(shù)和轉運系數(shù)最大, 汪玉磊等[22]研究浙江省供試蔬菜樣品整體對Cd 的富集系數(shù)最大, 與本結果類似。富集系數(shù)越大, 說明作物對該種重金屬吸收能力也越強[21],蠶豆土壤-植株均表現(xiàn)為Cd 是該地區(qū)主要污染物。研究中蠶豆葉片和根系對Cd 元素的富集系數(shù)>1,王艷蘭等[23]研究也表明, 蠶豆營養(yǎng)器官具有較高的Cd 富集能力, 對土壤重金屬Cd 污染的修復具有一定作用。

相關性表明, 土壤堿解氮和重金屬Cd 是影響蠶豆籽粒中重金屬富集的主要因子, 周成云等[24]研究發(fā)現(xiàn), 獼猴桃中根和莖鎘含量與土壤鎘含量呈顯著正相關。重金屬主要通過根系進入蔬菜體內(nèi),隨后通過木質(zhì)部和韌皮部組織轉運到其他部位[25],重金屬可通過根系吸收在蔬菜體內(nèi)富集, 也可以通過大氣沉降污染土壤與蔬菜[26]。研究中土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分均較豐富, 說明研究區(qū)肥力豐富, 可能是由于施肥較多造成的影響。土壤堿解氮與蠶豆籽粒呈顯著正相關, 一是施用有機肥、化肥、秸稈還田導致, 二是蠶豆本身是固氮作物, 可以改善土壤養(yǎng)分和提高土壤質(zhì)量[27]。葉片是該地區(qū)蠶豆植株中重金屬含量和富集系數(shù)最高的部位, 有可能跟該地區(qū)是典型工業(yè)城市和煤田較多, 大氣污染嚴重, 同時研究區(qū)位于城郊, 受工業(yè)、交通運輸、人類活動等影響大。

綜上, 研究區(qū)蠶豆種植園土壤-蠶豆重金屬污染較輕, 但存在部分地區(qū)重金屬Cd 和Hg 超標現(xiàn)象。針對土壤重金屬超標地區(qū), 需要改變種植結構, 使用低積累品種; 避免農(nóng)藥、動物糞肥和含重金屬化肥等的使用; 遠離工廠、煤礦、道路, 降低大氣污染影響; 有條件地區(qū)進行土壤重金屬修復。