初晨露 孙梦璐 董雪 王玉环 邢常瑞 袁建

[摘要】本文选取具有强力重金属富集能力的韭菜作为模型植物，研究了3种重金属同时污染土壤对韭菜周期性生长过程中的重金属迁移规律的影响。在实验周期内对韭菜进行了5次收割，每次收割的生长周期为20d。测定土壤不同深度重金属残留状况，分析韭菜重金属污染和土壤污染的相关性，未污染土壤中生长的韭菜作为对照。结果表明，与对照组相比，Pb、Cd、Cu元素的总含量在韭菜周期性生长过程中呈递增的趋势，推测是由于韭菜生长过程中，根系不断积累重金属并引起韭菜重金属含量随着生长周期不断增加。3种元素在韭菜中富集的优先顺序为Cu>Pb>Cd，此外通过对3种金属在韭菜富集和土壤残留的数据对比发现，土壤中Cu的存在会促进韭菜植株对Pb的吸附，且会抑制Cd的吸附。

[关键词]重金属;土壤;韭菜;周期性;迁移规律

铅（Pb）、镉（Cd）、铜（Cu）是土壤中主要的重金属污染物，大部分存在于表层土壤中，位于大部分植物根系吸收养分的区域。耕作土壤遭受重金属污染后，会造成重金属在蔬菜中的富集，食用后会对人体造成危害。与其他蔬菜相比，重金属更容易富集在叶用蔬菜的可食用部位[1]。

各个国家对农耕土地中重金属Pb、Cd、Cu最高允许含量的标准都有严格要求。我国的食品安全（GB 2762-2012）规定叶用蔬菜中重金属Pb、cd的含量必须分别低于0.3mg/kg、o.2mg/kg[2]。在工业废矿、畜禽粪便、灌溉污水中同时存在不同重金属，造成了粮食、蔬菜等农作物中Pb、Cd等元素复合污染的现象。研究表明，多种重金属复合污染对生物体所产生的影响不同于单一重金属[3]。自然环境下金属元素多以复合形式存在，各种复合元素之间存在协同作用、加和作用和拮抗作用等相互作用形式，都会影响植物对金属元素的吸收和代谢[4]。孙建伶等[5]通过盆栽试验研究了重金属Pb、Cd单一和复合污染及其與常量元素钙（Ca）、锌（ Zn）的交互作用对韭菜植株生长发育和Pb、Cd在其根、叶中迁移富集规律的影响。结果表明，韭菜对Pb或Cd的吸收量与土壤单一Pb或Cd污染程度正相关;Ph、Cd之间存在复杂的交互作用，低浓度复合时相互促进吸收，高浓度复合时优先吸收Cd，抑制韭菜对Ph的吸收。叶海波等161比较和分析了Zn、Cd复合处理对东南景天的生长及其对Zn、Cd的吸收积累特性的影响。结果表明，Zn、Cd分别为500μmol/L、100μmol/L时，植物生长最佳。Zn、Cd在东南景天体内的含量随着Zn、Cd处理浓度的提高而提高。Carlson等【7l以美洲梧桐为研究对象发现Pb、Cd之间表现出协同效应。当土壤中Pb、Cd同时存在时，Pb与Cd会竞争吸附土壤颗粒表面的吸附位点，且在高浓度Cd时竞争吸附更强，Pb存在于土壤中可以增强植株对Cd的积累作用[18-10]。重金属对植物体的影响方式及程度与其种类和浓度有关，也与植物的种类和土壤类型有着密切的关系[ll-14]。陈慧茹等[15]为了探明水稻各组织器官的重金属含量对土壤重金属浓度的依赖性，评价重金属中重度污染土壤植株水稻的安全风险，对不同浓度的Cd、铬（Cr）、Pb重金属水稻盆栽进行了试验，研究中，重度污染土壤培养条件下重金属在水稻植株中的分布以及籽粒迁移呈现累积特性。研究结果显示，随着土壤重金属含量增加，水稻植株富集重金属呈上升趋势，但是土壤重金属浓度增加，水稻对重金属的富集系数下降。王浩等[16]采用盆栽试验研究了田中Pb、Cd污染对小白菜生长和植株体内Pb、Cd积累的影响。结果表明，Ph、Cd复合污染时，土壤中高浓度的Pb可促进Cd在小白菜植株中的积累;而土壤中Cd的存在对Pb在小白菜植株中积累的影响不明显。Cd在小白菜植株中的迁移能力高于Pb。蔬菜中重金属超标现象时有发生，其中韭菜叶中重金属铅和镉超标最常见[17]。

Ph、Cd是对人体有害的重金属元素，Cu是植物所必需的微量元素和土壤中的优势元素，但土壤中Cu浓度超出;某一阈值时将使植物的生长发育受阻，严重的可造成植物死亡[18-19]。本文以韭菜为例，通过盆栽实验研究了在Pb、Cd、Cu复合污染的条件下韭菜植株的生长发育以及Pb、Cd、Cu在土壤、根、叶中的迁移富集规律的影响。研究了3种重金属Pb、Cd、Cu同时污染土壤对韭菜周期性生长过程重金属迁移规律，每次收割生长周期为20d，总共收割5次。测定土壤不同深度重金属残留状况，分析韭菜重金属污染和土壤污染的相关性，将未污染土壤中生长的韭菜作为对照。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采集于南京财经大学未受铅镉铜污染的菜园表层（0～20cm）土壤，土样自然风干、磨碎后过20目筛。供试韭菜为菜园内生长旺盛、长势均匀、未受Ph、Cd、Cu污染的韭菜。

金属试剂为硝酸铅（分析纯）、五水硫酸铜（分析纯）、氯化镉（分析纯）;优夏试剂为硝酸（65%优级纯）、H2O2（30%优级纯）、HClO4（优级纯）、氢氟酸（优级纯）：南京化学试剂有限公司;多元素标准溶液GSB 04-1767-2004：国家有色金属与电子材料分析测试中心;Pb、Cd、Cu单元素标准溶液：阿拉丁试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

MARS6型微波消解仪：美国培安公司;7700xICP-MS型光谱仪：安捷伦科技有限公司;CP 214型电子天平：奥豪斯仪器（常州）有限公司;BHW-09C型电加热器：上海博通化学材料科技有限公司;Millipore型超纯水器：美国Millipore公司;101-3 As型电热风鼓风干燥箱：上海苏进仪器厂。

2试验设计与实施

盆栽试验在南京财经大学食品科学与工程学院的实验室进行，Pb、Cd、Cu按混合比例（Ph为425mg/kg，Cu为250mg/kg，Cd为4g/kg）配置溶液。盆栽土壤为1.6kg/盆，Pb、Cd、Cu以溶液形式喷洒式加入，选择透明的容器作为喷洒器，在容器外侧标记刻度，使得每次浇入的溶液体积一定，保证每段时间浇水次数一定，使添加的金属离子尽可能均匀稳定，以利于盆栽实验，置于阴凉通风处备用。

韭菜移栽前先剪掉地上部分，预留5cm，减少叶面蒸发。将韭菜连根取出，用超纯水冲洗掉根部土壤，剪去须根前端，保留2～3Cm，从而促进新根发育，维持根系吸收和叶面蒸发平衡。将韭菜均分为6份，每份7颗，移栽于预先浇水软化的花盆土壤中，充分浇水，置于阴凉处3d后移至花盆中，自然生长，将花盆放在室外阳光充足的地方，定期浇水，注意避雨。韭菜生长每20d收集一次地上样品，预留5cm，lOOd后全部收获。每个实验重复3次。

2.1 样品处理与分析

用超纯水洗净韭菜，并用去离子水清洗3次。将韭菜叶进行分析，在实验室自然晾干后称量地上部分和地下部分的干重[20]。将韭菜分别研磨后，用HN03-H202进行消解，定容稀释后，用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定Pb、Cd、Cu的含量。

2.2样品消解

2.2.1韭菜消解

准确称取0.3g，精确至0.000 Ig，韭菜置了二消解罐中，加入5mL硝酸和2mL的H202，然后置于微波消解仪中进行消解。韭菜的微波消解步骤见表1，消解液清亮无沉淀。消解后，在赶酸板上进行赶酸，直至黄烟冒尽，赶至近干，之后用2%的硝酸溶液定容至25mL容量瓶中待测，同时做试剂空白。

2.2.2土壤消解

准确称取0.3g，精确至0.000 Ig，土壤置于消解罐中，加入3mL硝酸、ImL的H202和1ImL氢氟酸，然后置于微波消解仪中，按照表2中的条件进行消解。消解后，在赶酸板上进行赶酸，之后用2%的硝酸溶液定容至50mL容量瓶中待测，同时做试剂空白。实验过程中所用器具均用10%的硝酸溶液浸泡过夜，然后用超纯水充分清洗后备用。

2.2.3 配置混标溶液

配制测定韭菜和土壤中各元素含量的混标溶液，溶液浓度梯度见表3。

3结果与分析

3.1标准曲线

以待测元素与内标元素响应值的比值为标准曲线纵坐标，元素浓度为横坐标，韭菜和土壤的标准曲线和线性相关系数结果见表4、表5。据表4、表5可知，3种元素在测定过程中均显示了良好的线性关系，相关系数范围分别为0.9986～1.0000和0.9913～0.9990。

3.2 精密度和检出限

选取韭菜和土壤为试样，分别按2.2.1和2.2.2进行处理，并上机测定，对试样各元素平行测定6次，从而计算相对标准偏差。相对标准偏差（RSD）值见表6，从表中可以看到，各元素的RSD均小于5%，由此表明精密度良好。

根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）规定，将0.5mol/L的硝酸溶液作为空白溶液，连续11次测定，测量结果的标准偏差的3倍即为检（出限，标准偏差的10倍即为定量限。检出限和定量限的测定结果见表6，可以出本方法具有较高的灵敏度。

3.3加标回收率

为了检验方法的准确度，对韭菜和土壤进行了加标回收实验，结果见表7、表8，各待测元素以标准溶液的形式加入样品中，按样品相同的方法消解上机测定，从表中可以看出，韭菜各元素的回收率保持在80.2% - 108.6%，土壤各元素的回收率保持在80.4%～111.0%，表明測定韭菜和土壤中元素含量的方法准确度良好。

3.4 Pb、Cd、Cu复合处理后在韭菜中的积累特性的影响

土壤中Pb、Cd、Cu元素在韭菜叶中的富集结果见图1。由图1可知，复合污染时，Pb、Cd、Cu的积累量与对照相比，有明显的变化。就3种元素的总量而言，对照组的元素总含量水平在0.45mg/kg左右，而且随着时间的增加，元素总含量没有明显的变化趋势。实验组中，元素总含量随时间的增加呈上升的趋势。据图1可知，各元素在韭菜中的迁移能力为Cu>Ph>Cd。在实验组中，Ph、Cd、Cu元素的总含量呈递增的趋势，在人为添加元素的条件下，韭菜对Cu的吸附量是最大的，且在第60d时吸附量达到约1.4m/kg，韭菜收割到第4茬时，元素总含量增加已经趋于平缓。在韭菜的每个生长周期中Cd从土壤富集到韭菜中都是最少的，这是由于Ph和Cu元素的过多，占据了重金属转运通道。Pb和Cu非常易于富集在韭菜中，并且每次收割的韭菜数据表明，富集的Pb和Cu的比例会有变化。说明土壤重金属Cd、Cu、Ph复合污染的效果并不是单因素污染效果的简单叠加，尤其在自然条件下，复合污染对土壤微生物及酶活性的影响不仅需要考虑重金属种类和含量，同时植被、季节、灌溉、耕作等外界因素也会对研究结果造成一定的影响[2]。

3.5 Pb、Cd、Cu复合污染在土壤中的富集研究

本次试验分别收集了生长60d和生长lOOd的韭菜土壤，用电感耦合等离子体质谱法（ ICP-MS）检测距离地面2cm、4cm、6cm处土壤中Ph、Cd、Cu元素的含量，元素含量见图2。据图2可知，对照组中Pb、Cd、Cu的含量在距离地面2cm、4cm处没有显著差异，在6cm处有降低的趋势，原因是韭菜植株的根系正处在土壤6cm附近。韭菜中所富集的重金属比较少（0.4mg/kg），而对照土壤中的重金属浓度值为30mg/kg。另外，土壤中大部分元素以结合态的形式存在，韭菜吸收量比较小。

据图1（b）可知，生长在未添加重金属污染的土壤上的韭菜Cd浓度小于0.007mg/kg，低于国家标准限量值0.05mg/kg。说明Cu对水稻吸收Cd的影响可能与Cu与Cd竞争生物吸附点位的能力有关，由于化学性质的差异，Cu与植物根结合能力强于Cd，尤其在Cu浓度较高的时候，植物根首先吸附Cu，弱化了其对Cd的吸附，从而抑制- Cd的吸收[22—23]。在Cu-Cd复合处理对水稻的毒性和吸收的影响相对复杂，既能明照促进水稻对Cu或Cd的吸收，也可能对Cd吸收略有抑制，这可能与二者主要吸附在细胞壁上有关，Cd固定在细胞壁内可能会减轻Cu对植物的损伤，降低Cu向原生质体的转运，增加对水稻毒害的耐性[24]。在人为添加元素的条件下，Pb、Cd、Cu的含量随着距离地面深度的增加呈现递减的趋势，这与重金属以喷洒的形式添加有关，同时植株根部也会吸收部分重金属。在土壤深度为2cm处，Pb的含量约为Cu的3倍，但在土壤深度为4cm和6cm处，Pb的含量与Cu的含量大致相等，原因是更多的元素被韭菜根部吸收，且韭菜对Ph的吸收达到最大。

据图2（b）可知，韭菜生长lOOd时对照组中的Pb、Cd、Cu含量在距离地面深度2cm、4cm、6cm处呈现先升高后降低的趋势，实验组中的Pb、Cd、Cu含量随着深度的增加逐渐降低然后趋于平缓。图2（h）中Cu的含量高于Pb，这与图2（a）中Ph的含量高于Cu呈相反的趋势，原因是随着韭菜的生长，植株根部对Ph的吸收大于对Cu的吸收，导致土壤中Pb含量降低，另外，Cu元素的存在促进了韭菜根部对Ph的吸收125。261。Cd含量与60d时土壤含量表现出;相同的规律，即含量处于极低水平，这与图1中Cd含量水平最低一致。

4结论

Pb、Cd、Cu复合污染下，土壤对Pb、Cd、Cu的富集均呈现不同的趋势。选取具有强力富集重金属韭菜作为模型植物，用超过土壤安全值的重金属盐溶液喷洒在种植韭菜的土壤中，研究T3种重金属Ph、Cd、Cu同时污染土壤对韭菜周期性生长过程重金属迁移规律，在实验周期内对韭菜进行了5次收割，每次收割间生长周期未满20d。测定土壤不同深度重金属残留状况，分析韭菜重金属污染和土壤污染的相关性，未污染土壤中生长的韭菜作为对照。结果表明，与对照组相比，Pd、Cd、Cu元素的总含量在韭菜周期性生长过程中呈递增的趋势，推测是由于韭菜生长过程中，根系不断积累重金属并引起韭菜重金属含量随着生长周期不断增加。3种元素在韭菜中富集的优先顺序未为Cu>Pb>Cd。通过对韭菜生长60d和lOOd后土壤深度不同深度（ 2cm、4cm、6cm）采样进行分析发现，对照组土壤重金属在不同深度无明显差异，实验组土壤重金属Pb、Cd、Cu元素的总含量，2cm处含量最高。通过对3种金属在韭菜富集和土壤残留的数据对比发现，土壤中Cu的存在会促进韭菜植株对Ph的吸附，且会抑制Cd的吸附。推测重金属Cfl、Cu和Pb之间存在着一定的协同或拮抗作用，表现出协同或拮抗作用取决于重金属的种类和含量。但不同的可食性蔬菜对重金属有不同的富集能力，今后，可以研究不同的可食性蔬菜对多种重金属元素的富集，用更多数据验证不同蔬菜对不同重金属的富集能力，进而应用于土壤污染的修复。

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