弭宝彬 刘碧琼 周火强 戴雄泽 汪端华 刘 峰 武芳芳

(1湖南省农业科学院蔬菜研究所，湖南 长沙 410125；2湖南农业大学理学院，湖南 长沙 410128；3湖南农业大学研究生院，湖南 长沙 410128)

中国目前有六分之一的耕地存在重金属污染问题，其中16.1%已超过环境限量标准[1-2]，土壤重金属污染严重影响着农产品质量安全[3]。蔬菜在人们日常消费中占据重要地位[4]，土壤中的重金属在蔬菜中富集累积，可通过食物链危害人类健康和生命安全[5]。研究表明，蔬菜对重金属吸收累积存在显著种类差异，且存在明显的种内基因型差异[6-7]。萝卜(Raphanus sativusL)属十字花科，是一种起源于我国的世界性蔬菜[8]，在人们的日常饮食中占据重要地位。

近年来，许多学者对萝卜重金属累积特性开展了研究，主要围绕土壤理化性质(包括共存重金属)、施肥水平及栽培方式等对萝卜重金属累积行为进行评价[9-14]，并考察了重金属对萝卜生长的影响[15-16]；此外，还有学者从重金属处理后萝卜幼苗的解剖学和形态学变化及数量性状定位等方面解析重金属对萝卜品种的胁迫机制[17-18]，明确了萝卜在不同添加物和施肥水平及栽培方式下重金属的累积行为特性。不同萝卜品种对不同重金属累积的差异较大，但目前缺乏对不同重金属累积性能的系统性研究。本研究通过不同萝卜品种在5种重金属，即镉(Cd)、砷(As)、铅(Pb)、汞(Hg)和铬(Cr)复合污染下生物学产量及重金属累积差异分析，系统评价萝卜品种对土壤中5种重金属的富集及转移能力，并结合单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法综合评估其重金属污染风险，以期为选育低重金属累积的萝卜品种及安全生产提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试萝卜种子购自湖南 长沙马王堆种子市场，为市场上常见的主栽萝卜品种，品种及编号如表1所示。供试土壤取自湘潭市某矿区周围抛荒水稻田的耕作层(0～30 cm)，用木铲等非金属器具挖取土壤，托运至湖南省蔬菜研究所高桥基地重金属品种筛选试验温室大棚中平衡。采用五点取样法，各取1 kg 平衡后土壤，去除土壤中石块、动植物残体等杂质后混合，采用四分法选取1 kg 土壤装于自封袋中，用木棒研压后过2 mm 筛，将筛下土壤混匀继续研磨过100 目筛，备用。供试土壤的基本理化性质和重金属含量按以下方法进行测定:土壤pH值采用玻璃电极测定；全磷和有效磷含量采用钼锑抗比色法(Olsen 法)测定；有机质含量采用Walkley-Black 滴定法测定；全氮含量采用凯式定氮法测定；全钾含量采用原子吸收光谱法测定；碱解氮含量采用NaOH 扩散法测定；速效钾采用NH4OAC 浸提-原子吸收法测定；Cd、Pb 检测参照GB/T 17141-1997[19]，用硝酸、氢氟酸、高氯酸充分消解后，采用石墨炉原子吸收分光光度法测定。As、Hg 参照GB/T 22105.1-2008[20]，用硝酸、盐酸对样品进行充分消解后，采用原子荧光法检测；Cr 参照HJ 491-2009[21]，用盐酸、硝酸、氢氟酸、高氯酸(均为分析纯)充分消解后，采用火焰原子吸收分光光度法测定。结果分别见表2、表3。

表1 供试用萝卜类品种名及编号Table1 Cultivar names and codes of Radishes in this study

表2 土壤基本理化性质Table2 Basic physicochemical properties of soil

表3 土壤5种重金属含量及限量标准Table3 Concentrations of five heavy metals in soil and their maximum permissible concentrations in national environmental quality standard of China for soil /(mg·kg-1)

1.2 试验方法

盆栽试验选择圆形塑料盆，下底径35 cm，高40 cm，上底径40 cm，底部留有排水孔。采用非金属工具将平衡好的土壤装入内盆，虚土厚度35 cm 左右，土壤装盆重量一致，整齐摆放，将装好的培养盆浇一次透水，然后置于阴凉环境中自然风干。2017年8月20日播种，每盆点播5～7 粒，覆土1～2 cm，每品种播种10 盆。充分浇水，土壤湿度以最大持水量的65%～80%为宜，空气湿度以80%～90%为宜，保证出苗快而齐。播种后保持鉴定棚中白天温度在20～25℃以上，夜间温度不低于10℃；于植株长出2～3片真叶时开始间苗，分2次间苗，留生长势最好的1株壮苗；正常栽培管理9 周后进行采收，每个品种随机选取5株生长较一致的萝卜植株，采用木铲小心将其整株挖出，除去烂掉的部位，使用自来水小心冲洗根部所带泥土，吸水纸吸取多余水分后备用。

1.3 测定项目与方法

将采收的萝卜植株按不同品种分别进行地上部和地下部分离，并称量鲜重；之后将不同品种萝卜按不同部位分别用TS-24组织研磨机(上海净信)打成匀浆，称取0.3～0.5 g 经过酸消解后，分别参照GB/T 5009.15- 2014[23]、GB/T 5009.123-2014[24]、GB/T 22105.2-2008[25]、GB/T 5009.12-2010[26]、GB/T 5009.17-2014[27]对样品组织中的Cd、Cr、As、Pb、Hg 5种重金属含量进行测定。

1.4 重金属富集特性评价

萝卜各部位富集系数(biological concentration factor，BCF)和地下部转运系数(transfer factor，TF)，按照公式计算[28]:

1.5 重金属污染评估

采用指数法评估萝卜样品的重金属污染水平，其中单因子污染指数法以萝卜中各重金属元素的标准值评价萝卜重金属污染程度，其计算公式为:

式中，Pi为萝卜中重金属i的单因子污染指数，Ci为萝卜中重金属i的实测浓度，Si为重金属i在萝卜作物重金属污染物限量《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2012)[29]，具体详见表4。Pi≤1.0，表明待测萝卜中相应重金属浓度在标准临界浓度内，该萝卜品种未受相应重金属污染；Pi＞1.0，表明萝卜中相应重金属浓度超标；1＜Pi≤2，表明萝卜受轻度污染；2＜Pi≤3，表明萝卜受中度污染；Pi＞3，表明萝卜受重度污染，指数越大污染程度越严重。

内梅罗综合污染指数法也是一种运用较为广泛的综合污染评价方法，可较为全面地评价所有重金属的综合污染情况，其计算公式为:

式中，Pimax为单项污染指数最大的重金属的单项污染指数值；Piave为单项污染指数的平均值。根据内梅罗综合污染指数的不同，将重金属污染等级分为安全、警戒限、轻污染、中污染和重污染5个等级，具体分类情况如表9所示。

表4 萝卜作物重金属污染物限量Table4 Maximum permissible concentrations of heavy metals in radish crops /(mg·kg-1)

1.6 数据处理

采用 Excel 2016 进行数据初步处理，采用DPS9.50 软件对试验结果进行单因素和多因素方差分析和聚类分析，采用Origin 8.5 制图。

2 结果与分析

2.1 不同萝卜品种重金属单项污染指数评价

采用单项污染指数法对不同萝卜品种地上部和地下部5种重金属污染水平进行评价(表5)。通过可重复双因素方差分析法对表5数据进行差异显著性分析，结果如表6、表7所示。对比F统计量和各自的F临界值可知，萝卜品种、重金属种类和交互的F统计量均大于F临界值，说明萝卜中重金属污染水平在萝卜品种、重金属种类及二者交互作用方面均存在显著差异。此外，三者的P值均小于0.01，也说明萝卜品种、重金属种类以及二者之间的交互作用对萝卜重金属污染水平均有极显著影响。萝卜地上部重金属单项污染指数方差分析结果中P值更小，表明地上部重金属污染水平相较于地下部差异性显著。综上可知，在萝卜类蔬菜重金属污染评估过程中，需指明重金属种类、萝卜品种及萝卜评估组织部位。

鉴于以上分析，为研究萝卜类蔬菜对5种重金属的累积特性，以市场上常见9种萝卜品种为代表，综合评估其重金属累积能力。由表8可知，萝卜地下部对5种重金属转运能力均强于其富集能力，各重金属平均转运系数均远大于1.0；其中对Cd的转运能力较强，平均转运系数达4.17，表明萝卜类蔬菜地上部对Cd 耐受性较差，由于土壤中金属Cd 超标达11.6倍(表3)，且Cd 转运系数高，使得萝卜地下部和地上部均出现Cd 超标现象，其中萝卜地上部Cd 超标率达100%，地下部Cd 超标率为33.33%(3/9)；萝卜对Hg的富集能力仅次于Cd，但远低于Cd，其地下部的平均富集系数仅约为Cd的1/6，但其平均转运系数达2.47，即在较高Hg 污染土壤中，萝卜地上部很容易受到Hg 污染。由于本试验供试土壤中Hg含量较低(表3)，未检测出Hg 超标品种；萝卜地下部对Cr的富集能力较弱，平均富集系数仅为0.12%，虽然其转运系数达3.74，但并检测出Cr 超标品种；萝卜地下部对Pb和As 富集能力相当，平均富集系数明显低于重金属Cd、Cr和Hg，但平均转运系数却分别高达15.09和6.22，因此，萝卜地上部极易遭受Pb 污染，虽然土壤中Pb 未超标，但萝卜地上部Pb 超标率达100%。综上，萝卜地上部更易受重金属污染，其中，萝卜对重金属Cd 累积能力最强，Pb 也是萝卜地上部较易累积的一种重金属，其次为Hg和Cr，萝卜对As的耐受性较强。

表5 不同萝卜品种重金属单项污染指数Table5 Pi values of different radishes

表6 萝卜地下部重金属单项污染指数的双因素方差分析结果Table6 Two-way ANOVA results of Pi values of underground part in radishes

表7 萝卜地上部重金属单项污染指数的双因素方差分析结果Table7 Two-way ANOVA results of Pi values of aerial parts in radishes

表8 萝卜重金属富集转移系数及单项污染指数法评价结果Table8 BCF，TF，and evaluation results of individual pollution index method of radishes

2.2 不同萝卜品种重金属综合污染指数评价

为较全面、综合反映土壤重金属对萝卜的污染情况，采用内梅罗污染指数法对萝卜地下部和地上部进行重金属污染程度评价(图1)。结果表明，萝卜地下部和地上部在重金属污染水平上均存在显著的基因型差异，且萝卜地下部污染水平整体低于地上部。由表9可知，以萝卜地下部为考察对象，9种萝卜品种均为轻度重金属污染水平以下，其中约44.45%的萝卜品种为安全级，无重金属污染；33.33%为警戒级，属于尚清洁的污染水平；22.22%受到轻度重金属污染；而所有品种的萝卜地上部均为轻度重金属污染水平以上，其中55.56%受中度重金属污染，甚至33.33%属于重度重金属污染水平。综上认为，萝卜地上部更易受重金属污染。

图1 不同萝卜品种重金属内梅罗综合污染评价Fig.1 Heavy metal nemero comprehensive pollution evaluation of different radishes

表9 不同萝卜品种重金属内梅罗综合污染评价结果Table9 Evaluation results of heavy metals nemero comprehensive pollution of different radishes /%

2.3 低重金属累积萝卜品种筛选

鉴于萝卜地下部和地上部重金属内梅罗综合污染指数存在显著基因型差异(图1)，以该指数为指标，采用最小值lsyd 聚类方式分别对供试萝卜进行聚类分析。由图2可知，对萝卜地下部聚类分析，在0.19的分类距离上，供试9种萝卜可分为两大类，其中L1和L3为萝卜地下部易受重金属污染萝卜品种，其余为萝卜地下部低重金属累积品种。由图3可知，对萝卜地上部聚类分析结果以1.0 分类距离进行分类，萝卜也被分为两大类，L7为地上部易受重金属污染萝卜品种，其余为萝卜地上部较低重金属累积萝卜品种。2种分类方法具有明显的差异，考虑到萝卜地下部和地上部均为萝卜的可食部位，试验9种萝卜品种中，L2、L4、L5、L8、L9 最有望成为萝卜地下部和地上部均较耐重金属胁迫的萝卜品种。

图2 基于重金属综合污染评价的萝卜地下部聚类分析结果Fig.2 Cluster analysis results of radish stem based on comprehensive pollution evaluation of heavy metal

图3 基于重金属综合污染评价的萝卜地上部聚类分析结果Fig.3 Cluster analysis results of radish leaf based on comprehensive pollution evaluation of heavy metal

2.4 不同萝卜品种生物学产量及重金属分布情况分析

研究植株对重金属的耐受性需同时考察其重金属累积量及生物学产量。由图4、图5可知，萝卜地下部产量普遍大于其地上部产量，但萝卜地上部重金属含量却明显高于地下部，进一步证实重金属污染地区萝卜相对安全食用部位为地下部。9种供试萝卜品种中，L9 萝卜品种(春不老)具有较高的产量及较低的重金属累积量，表明其具有较好的重金属耐受性，是重金属污染地区可考虑选择的较好萝卜品种之一。

图4 不同萝卜品种单株重量Fig.4 Plant weights of different radishes

图5 不同萝卜品种单株重金属含量Fig.5 Heavy metal concentrations of different radishes

3 讨论

阐明萝卜品种的重金属累积和转移特性对萝卜的安全生产和消费具有重要的意义，但萝卜对重金属的累积能力存在一定的基因型差异[30-35]。本研究也发现，重金属种类和萝卜品种均对重金属的累积存在显著影响，且二者交互作用显著。目前，对重金属累积规律的研究多以单一作物为考察对象，忽视重金属累积的作物基因型差异，导致其规律应用性不强，甚至出现较大的偏差。为了较为全面、合理地评估萝卜对不同重金属的累积特性，本研究以市场上常见的多种主栽萝卜品种为供试材料，发现5种重金属中，萝卜品种对Cd 富集能力普遍最强，其次为Pb，对Hg和Cr的累积能力相当，对As 具有较强的耐受性，这表明萝卜品种不宜种植于Cd 污染严重的土壤区域。大量研究也发现，蔬菜类作物对重金属Cd 累积能力较强[36-37]，甚至在土壤Cd 不超标的情况下，也检出大量Cd 超标蔬菜作物[38]。Cd和Pb属于同族元素，具有相似的物化性质，当Cd和Pb 共污染时，萝卜根系对2种重金属表现出较强的竞争吸附和拮抗吸收[39]，但由于Cd 易与生物体内蛋白质等物质相结合形成有机金属络合物[40]，使得萝卜根中Cd 累积量远大于Pb，这也可能是本试验萝卜地下部Cd 平均富集系数远大于Pb的原因。但相对于Cd，萝卜地下部对Pb 具有极强的转运能力，其平均转运系数高达15.09，是Cd 平均转运系数的3.62倍，因此，对于偏好食用萝卜地上部的人群，需要同时考量重金属Pb 在萝卜中的富集情况。此外，本研究还发现，重金属累积情况与萝卜不同组织部位有关，萝卜地下部对重金属具有较强的转运能力，使得其地上部的重金属累积量显著高于地下部。这与吴琦等[41]的研究结果正好相反，分析其原因，可能与前人以绿领红星小萝卜单一品种为供试对象考察重金属累积行为有关。因此，单一品种的研究结果很难作为萝卜品种对重金属累积能力评价的考量标准。

此外，基于重金属累积能力存在一定的作物基因型差异，筛选重金属低累积作物品种以降低重金属在人体的累积已成为一种快速、高效减轻重金属危害的方法。目前研究多集中于特定重金属低累积作物筛选，如重金属Pb[30]、Cd[31]低累积水稻、Cd 低累积辣椒[32]、Cd 低累积大葱[33]、Pb 低累积大豆[34]、Cd 低累积小白菜[35]等。环境中重金属单一污染较少，大多是多种重金属造成的复合污染。因此，本研究以内酶罗综合污染指数和萝卜生物学产量为评价指标，认为L9萝卜品种(春不老)为重金属污染地区较好的备选萝卜品种之一，具有更强的适用性。

4 结论

对比5种重金属可知，萝卜品种对Cd 耐受性最低，Pb 也是一种萝卜类蔬菜中较易累积的重金属，其次为Hg和Cr，其对As 耐受性较强；此外，由于萝卜类蔬菜具有较强的重金属转运能力，其中以Pb 重金属转运能力最强，萝卜地上部更易累积大量的重金属，加之其生物学产量普遍低于地下部，因此，食用萝卜地下部比萝卜地上部更能有效地避免重金属在人体的富集，其中春不老萝卜品种兼具较高的生物学产量及较低的重金属单株累积量，是萝卜种植较好备选品种之一。