近年来,随着工业"三废"、城市生活垃圾、污泥、化肥等不断进入土壤环境,导致土壤中重金属含量呈日益增高及复合污染的趋势^{[1, 2, 3]}。调查显示,重金属复合污染在城郊菜地土壤中普遍存在,Cd污染最严重,Pb次之^[4]。陈涛等^[5]研究发现长期污灌已导致西安农田土壤中Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn等的累积。土壤中重金属不仅会影响农作物产量,还能在植物中富集,进而威胁人类和动物的健康^{[6, 7, 8]}。崔晓峰等^[9]调查发现,珠江三角洲地区土壤和蔬菜主要受Pb、Cd、Hg污染,少数蔬菜受Cr污染。王晓波等^[10]亦发现,Hg、Cd和Pb为广州市本土蔬菜的主要污染元素,超标率分别为50%、50%和30%。刘尧兰等^[11]通过对环鄱阳湖区部分叶菜中重金属污染调查表明,有2/3蔬菜样品的Pb、Cd、Cr、Cu和Zn重金属含量超标,超标率在50%以上。同时,有关蔬菜对重金属富集能力的差异研究亦已相继开展,例如,Liu等^[12]对山东省蔬菜基地的土壤和蔬菜中重金属含量调查发现,蔬菜吸收重金属由难到易表现为:Cd>As>Cu>Pb>Hg>Cr。Wang等^[13]亦发现,叶菜比非叶菜对Cd、Pb富集能力更强。利用不同品种蔬菜富集重金属的差异特性,选择性种植不同蔬菜于中轻度重金属污染菜地,指导人们进行无公害蔬菜的栽培和安全生产,可以达到控制土壤重金属进入蔬菜的目的^{[14, 15]},因此,就蔬菜对重金属的富集特性研究具有重要的理论及实际意义。根据本研究污染评价结果(结果待发表),杭州市菜地中葱蒜、瓜豆类蔬菜及大部分叶菜基本安全,但部分根茎类和茄果类蔬菜存在重金属污染,且分别源自Pb、Cd、Cr共同污染和Pb污染所致,亦有少数叶菜受Cu、Zn、Cr或Pb、Cr共同污染影响达警戒或轻度污染水平。基于此,本文就杭州市菜地中叶菜、根茎及茄果类蔬菜对Cu、Zn、Cd、Cr及Pb的富集特性进行研究,以期为杭州市无公害蔬菜安全生产及重金属耐污蔬菜品种选育等提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 样品采集

在杭州市选择30个具有代表性的蔬菜基地进行采样。采样基地分布如图 1所示,采样地覆盖江干区、西湖区、滨江区、萧山区、余杭区等10个区县。所采蔬菜样品涉及叶菜、根茎、茄果等,其中,叶菜类蔬菜采集品种达17种,94个样本;茄果类6种,17个样本;根茎类4种,28个样本。每种蔬菜样品均采用多点采样法采集,共采蔬菜27种,139个样本。在采集蔬菜的同时采用多点混合采样法采集土壤样本1份,所采土壤共139个。

图 1 杭州市蔬菜基地采样分布图 Figure 1 Location of the study area and distribution of sampling sites in Hangzhou City

图选项

所采蔬菜样品用自来水洗净后,用去离子水洗3遍,置于篮子中沥干水分后,取可食部分及根系并称鲜重后经105℃杀青2 h,然后在65℃下烘干48 h后称取干重并粉碎。然后称取蔬菜烘干样品0.500 0 g于瓷坩埚中,置于通风炉中排烟,当样品呈现黑色颗粒后取出,在马弗炉中550℃灰化12~16 h后加5 mL 50%稀硝酸酸化溶解,定容过滤后采用原子吸收分光光度计(SHIMADZU,AA-6300C)测定Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的干物重含量。土壤样品经自然风干后,磨碎过100目尼龙筛,采用HNO3-HClO4消解后亦采用原子吸收分光光度计法测定各重金属含量。土壤及蔬菜中重金属含量测定过程中,均抽取20%的样品进行平行双样测定以保证分析质量。 1.3 数据处理 1.3.1 富集系数(Bioconcentration factor,BCF)计算

富集系数(BCF)是指植物体内某种重金属含量与土壤中该元素含量的比值^[16],它反映了植物对土壤中重金属元素的积累能力,BCF值越小,则植物对该种重金属的积累能力越弱,抗土壤重金属污染的能力则较强^[17]。其计算公式为:

BCF=C_vegetable/C_soil

式中:C_vegetable表示蔬菜中的重金属含量;C_soil表示土壤中相应重金属的总含量。 1.3.2 转运系数(Transfer factor,TF)计算

转运系数(TF)即指植物地上部分(茎、叶、果实)中某重金属元素含量与根部该重金属含量的比值,它反映了该重金属由根部向地上部分迁移的能力,TF值越大,则植物将重金属从根部向地上部分转运的能力越强。其计算公式如下:

TF=C_ag/C_root

式中:C_ag为蔬菜地上部分重金属含量;C_root为根部重金属含量。 1.3.3 数据统计分析与作图

采用DPS V14.10统计软件对各富集系数(BCF)及转运系数(TF)进行差异显著性检验,以比较不同蔬菜品种间富集能力和转运能力的差异显著性。研究区及样点分布图用 ArcGIS 9.3软件完成。 2 结果与分析 2.1 不同品种蔬菜对Cu的富集特性

从表 1可见,叶菜生长土壤、可食部位及根系中Cu含量范围均存在较大变异性,分别为4.74~66.26、 0.15~77.13 mg·kg^-1和0.92~60.25 mg·kg^-1。从富集系数(BCF)看,香菜和白苋菜可食部位对土壤中Cu的积累能力最强,其对土壤Cu的BCF值分别为1.560和1.333,且两者间无显著差异性;其次为菜心、长白菜、菠菜和生菜,其对土壤Cu的BCF均为0.600以上;而雪菜、甘蓝、西兰花、茼蒿对土壤Cu的积累能力相对最弱,且相互间无显著差异。从转运系数(TF)看,长白菜、紫背天葵、白苋菜和青菜中Cu的TF值相对最高,其TF值分别为2.285、1.952、1.669和1.567,且相互间无显著差异性;而甘蓝、红苋菜、西兰花、塌棵菜、雪菜、大白菜、筒蒿中Cu的TF值相对较低,且相互间亦无显著差异。可见,白苋菜对土壤Cu同时具有较强的富集能力和转运能力,而雪菜、甘蓝、西兰花、筒蒿等对土壤Cu的富集能力和转运能力均相对最弱。

表 1 土壤-蔬菜系统中Cu的富集系数（BCF）及转运系数（TF） Table 1 Bioconcentration factor （BCF） and transfer factor （TF） of Cu in soil-vegetable system

表选项

各根茎类蔬菜可食部位对土壤Cu的BCF值大小顺序为:莴苣>大红萝卜>樱桃萝卜>胡萝卜>芋艿>白萝卜,各根菜中Cu的TF值大小顺序为:芋艿>莴苣>白萝卜>胡萝卜>大红萝卜>樱桃萝卜,其中白萝卜、莴苣及胡萝卜之间,大红萝卜与樱桃萝卜之间均无显著差异。因此,莴苣对土壤Cu的富集能力和迁移能力均较强;而大红萝卜和樱桃萝卜对土壤中Cu具有较强的富集能力,但不易向茎叶中迁移;芋艿和白萝卜则对土壤中Cu的富集能力相对较弱,且所吸收Cu相对易于迁移至茎叶部位。

茄果类可食部位对土壤Cu的BCF大小依次是茄子>甜椒>辣椒>西红柿,且茄子中Cu的BCF约为西红柿的4.0倍;各茄果蔬菜的可食部位中Cu的TF值大小顺序为:甜椒>辣椒>茄子>西红柿,且相互间均达显著差异水平。因此,茄果中的甜椒对土壤中Cu的积累及地上迁移能力相对较强,而西红柿对土壤Cu的积累及地上迁移能力均相对较弱。 2.2 不同品种蔬菜对Zn的富集特性

从表 2可见,叶菜、根茎、茄果类蔬菜生长土壤中Zn含量范围均存在较大变异,分别为53.45~208.80、69.55~179.94、64.97~193.34 mg·kg^-1。从富集系数(BCF)看,塌棵菜和西兰花可食部位对土壤中Zn的积累能力最强,其BCF值分别为0.956和0.946,且两者间无显著差异性;茼蒿、甘蓝、菜心、芹菜和长白菜对土壤Zn的积累能力相对较弱,且相互间亦无显著差异。从转运系数(TF)看,西兰花、塌棵菜和红苋菜中Zn的TF值相对较高,且相互间无显著差异性,其TF值分别为2.550、2.317和1.882;而香菜、芹菜、雪菜、大白菜、生菜、长白菜、菠菜、花菜、青菜、甘蓝、菜心、白苋菜、筒蒿中Zn的TF值均相对较低,且相互间无显著差异。因此,塌棵菜、西兰花及红苋菜对土壤Zn同时具有较强的富集能力和转运能力;而茼蒿、甘蓝、菜心、芹菜和长白菜等对土壤Zn的富集能力和转运能力均相对较弱。

表 2 土壤-蔬菜系统中Zn的富集系数（BCF）及转运系数（TF） Table 2 Bioconcentration factor （BCF） and transfer factor （TF） of Zn in soil-vegetable system

表选项

各根茎类蔬菜可食部分对土壤Zn的BCF值大小顺序为:芋艿>樱桃萝卜>莴苣>大红萝卜>白萝卜>胡萝卜,其中樱桃萝卜与莴苣之间,大红萝卜、白萝卜和胡萝卜之间均无显著差异;各根菜中Zn的TF值大小顺序为:胡萝卜>莴苣>白萝卜>大红萝卜>樱桃萝卜>芋艿,其中芋艿、大红萝卜与樱桃萝卜之间均无显著差异。茄果类蔬菜可食部位对土壤Zn的BCF大小顺序为:茄子>甜椒>辣椒>西红柿,且茄子中Zn的BCF约为西红柿的2.1倍,但辣椒和西红柿之间无显著差异;各茄果蔬菜中Zn的TF值大小顺序为:甜椒>辣椒>茄子>西红柿,且仅在茄子和西红柿间无显著差异。因此,根茎类中的芋艿和樱桃萝卜及茄果中的甜椒对土壤中Zn具有较强的富集能力,且易于向可食部位迁移;而根茎类中的白萝卜和胡萝卜及茄果中的西红柿则对土壤中Zn的富集能力相对较弱,且所吸收Zn相对易于迁移至非可食部位。 2.3 不同品种蔬菜对Cd的富集特性

有研究表明,蔬菜对Cd的积累能力较强,且可能与Cd在土壤中的较强迁移能力和植物对Cd的较强吸收能力有关^[18]。从表 3可见,叶菜类蔬菜生长土壤、茎叶及根系中Cd的含量范围为0.10~3.11、 0.000~0.855 mg·kg^-1和0.000~2.684 mg·kg^-1,其中,白苋菜的茎叶、根系和茼蒿的茎叶中均未检出Cd。从BCF和TF看,紫背天葵可食部位中Cd的BCF和TF分别为1.902和16.212,均显著高于其他叶菜;其次为雪菜和生菜;而塌棵菜、菜心、甘蓝中Cd的BCF和TF值均显著低于其他叶菜。因此,叶菜中的紫背天葵、雪菜和生菜对土壤Cd同时具有较强的富集及转运能力,而白苋菜、茼蒿、塌棵菜、菜心、甘蓝等对土壤Cd吸收积累及转运能力相对较差。

表 3 土壤-蔬菜系统中Cd的富集系数（BCF）及转运系数（TF） Table 3 Bioconcentration factor （BCF） and transfer factor （TF） of Cd in soil-vegetable system

表选项

根茎类蔬菜可食部位中Cd的BCF大小顺序为:莴苣>樱桃萝卜>胡萝卜>大红萝卜>白萝卜>芋艿,其中,莴苣中Cd的BCF约为芋艿的4.0倍,与其他蔬菜间差异均达显著水平;同时,莴苣和胡萝卜之间及樱桃萝卜、白萝卜、大红萝卜之间的TF亦无显著差异,而芋艿中Cd的TF值为0.175,显著低于其他根茎类蔬菜。茄果类蔬菜可食部位中Cd的BCF大小顺序为:甜椒>西红柿>茄子>辣椒,其中,甜椒与西红柿之间以及茄子与辣椒之间的差异均未达显著水平,其中甜椒果实中Cd的BCF约为辣椒的2.3倍;其TF大小顺序为:西红柿>甜椒>辣椒>茄子,且甜椒和西红柿之间差异亦未达显著水平。因此,根茎类中的莴苣、樱桃萝卜及茄果中的甜椒对土壤中Cd的积累能力和地上部运转能力较强;而根茎中的芋艿及茄果类中的茄子对土壤Cd具有较低的富集能力和运输能力。 2.4 不同品种蔬菜对Cr的富集特性

从表 4可以看出,在叶菜类蔬菜生长的土壤中Cr含量范围为21.42~111.13 mg·kg^-1,长白菜、花菜、塌棵菜、白苋菜、雪菜及西兰花可食部位中均未检出Cr,其余叶菜Cr含量范围为0.00~10.82 mg·kg^-1,各叶菜根系中Cr含量范围为0.00~28.63 mg·kg^-1,其中,塌棵菜根系中亦未检出Cr。从BCF看,红苋菜可食部位对土壤Cr的BCF值为0.156,而其他叶菜对土壤Cr的BCF值范围为0.011~0.079,可见,红苋菜对土壤Cr的积累能力显著高于其他叶菜。从TF看,青菜、芹菜、大白菜、甘蓝、红苋菜、香菜、菜心、紫背天葵中Cr的TF相对较高,且相互无显著差异。可见,各叶菜对土壤Cr的富集能力均相对偏低,红苋菜对土壤Cr的富集及迁移能力相对较强,而未检出Cr的长白菜、花菜、塌棵菜、白苋菜、雪菜及西兰花等富集能力相对较低。

表 4 土壤-蔬菜系统中Cr的富集系数（BCF）及转运系数（TF） Table 4 Bioconcentration factor（BCF） and transfer factor（TF） of Cr in soil-vegetable system

表选项

根茎类蔬菜生长土壤中Cr含量范围为22.12~110.02 mg·kg^-1,樱桃萝卜、大红萝卜和芋艿的茎叶及白萝卜和芋艿的根系中均未检测出Cr,且根茎类蔬菜对土壤Cr的BCF值均相对偏低,BCF大小范围为0.052~0.077,而茄果类蔬菜可食部位无Cr检出,说明根茎类和茄果蔬菜对土壤Cr的积累能力亦相对较弱。分析各类蔬菜对土壤Cr的富集能力均相对较低的原因,可能与正常情况下植物对Cr的吸收和运转至地上部的能力都比较低有关^[19]。 2.5不同品种蔬菜对Pb的富集特性

从表 5可见,土壤Pb的含量范围为0.00~92.05 mg·kg^-1,大多数蔬菜可食部位中未检出Pb,根系中Pb多数可检出,但Pb含量亦普遍偏低,这可能和Pb在土壤中的移动性较差有关^[20]。其中,紫背天葵生长土壤中未检出Pb,但其根系及可食部位均有Pb检出,其原因可能在于,生长在Pb污染空气中的蔬菜,可以由其植株叶片吸收大气中的Pb^[21]。叶菜蔬菜可食部位中检出Pb的主要有白苋菜、红苋菜、西兰花、花菜和紫背天葵,其BCF大小顺序为:白苋菜>红苋菜>西兰花>花菜,而其 TF大小顺序为:花菜>红苋菜>白苋菜>紫背天葵,这亦说明空气中Pb可能是杭州市叶菜Pb的重要污染源之一。

根茎类蔬菜土壤中均检出Pb,但根茎类蔬菜茎叶中检出Pb的仅有莴苣和芋艿,各根茎蔬菜可食部位(根系)中Pb的BCF大小顺序为芋艿>樱桃萝卜>胡萝卜>大红萝卜>莴苣,且胡萝卜和大红萝卜之间及大红萝卜和莴苣之间均无显著差异。茄果类蔬菜可食部位对土壤Pb的BCF大小顺序为:茄子>辣椒>西红柿,且相互间差异均达显著水平,其TF大小顺序为:甜椒>茄子>西红柿>辣椒,其中西红柿和辣椒中Pb的TF值分别为:0.444和0.443,无显著差异。可见,根茎类中的芋艿和樱桃萝卜及茄果类中的茄子对土壤Pb积累能力相对较高;而根茎类中的大红萝卜、莴苣和胡萝卜及茄果类中的西红柿则对土壤Pb富集能力相对较低。 3 讨论

研究表明,不同蔬菜对重金属元素的富集特征大不相同^[22]。郭海涛^[23]试验发现,甜椒属于高富集蔬菜,在受Cd污染农田不建议种植。方华为^[24]研究发现,莴苣对土壤镉吸收能力最强,芹菜为中等吸收级别,而筒篙对镉吸收能力最低且为低吸收级别。本研究亦得到类似结果(表 1~表 5)。鉴于大面积重金属污染菜地土壤的污染治理难以推广,避免种植对重金属富集能力较强的的蔬菜品种、选择对重金属具有较低富集能力的蔬菜进行种植,对减少蔬菜吸收富集土壤重金属,保证蔬菜安全具有重要意义。根据本研究结果,在中轻度Cu污染菜地中,可以避免选择可食部位对Cu积累高的蔬菜品种,如叶菜中的白苋菜,根菜中的莴苣、大红萝卜和樱桃萝卜,茄果类蔬菜中的甜椒;叶菜类中的雪菜、甘蓝、西兰花、筒蒿,根茎类中的芋艿和白萝卜,茄果类的西红柿可以优先考虑种植。在中轻度Zn污染菜地中,应尽量减少种植叶菜中的塌棵菜、西兰花及红苋菜,根菜中的芋艿和樱桃萝卜,茄果类蔬菜中的甜椒;尽量选种叶菜中的茼蒿、甘蓝、菜心、芹菜和长白菜,根茎类中的白萝卜和胡萝卜及茄果类中的西红柿等。对于中轻度Cd污染菜地,叶菜中的紫背天葵、雪菜和生菜,根茎类中的莴苣、樱桃萝卜及茄果中的甜椒均应避免种植;尽量选择种植叶菜中的白苋菜、茼蒿、塌棵菜、菜心、甘蓝,根茎类中的芋艿及茄果类中的茄子等。在中轻度Cr污染菜地土壤中应该尽量避免选种Cr富集能力较强的红苋菜;可以优先选种未检出Cr或富集能力较弱的根茎类蔬菜以及多数叶菜如长白菜、花菜、塌棵菜、白苋菜、雪菜及西兰花等。对于中轻度Pb污染菜地,叶菜中的白苋菜、红苋菜、西兰花、花菜,根茎类蔬菜中的芋艿和樱桃萝卜,茄果类中的茄子均可以避免种植;而多数未检出Pb的叶菜,根茎类中的大红萝卜、莴苣和胡萝卜,茄果类中的西红柿对土壤中Pb富集能力相对较低,可以优先选择种植。

表 5 土壤-蔬菜系统中Pb的富集系数（BCF）及转运系数（TF） Table 5 Bioconcentration factor（BCF） and translocation factor（TF） of Pb in soil-vegetable system

表选项

此外,研究发现,同一作物对不同重金属元素的富集特征也不同^[25]。对同一类蔬菜而言,Cu、Cd、Zn为高富集元素,Cr为中等富集元素,Pb为低富集元素^[26]。本研究则发现,叶菜类蔬菜对土壤中Zn积累能力较强,根茎类蔬菜对土壤中Cd、Pb积累能力较强,这与徐明飞等^[27]的研究结果相类似,而各蔬菜对土壤中Cr的积累能力较低,且以茄果类积累能力最低。因此,在中轻度重金属复合污染土壤中,首先需考虑Cu、Cd、Zn的污染程度,避免选择Cu、Cd、Zn富集能力较强的蔬菜种植,如叶菜中的白苋菜、红苋菜、塌棵菜、西兰花、紫背天葵、雪菜和生菜,根茎类中的莴苣、芋艿、大红萝卜和樱桃萝卜及茄果中的甜椒等。岳振华等^[28]亦发现莴苣、苋菜对Cu、Zn、Cd、Pb的富集作用最强。同时,在中轻度重金属复合污染土壤中,应该优先选择对Cu、Cd、Zn富集能力较弱的蔬菜进行种植,如:叶菜类中的筒蒿、甘蓝、菜心、芹菜和长白菜,根茎类中的白萝卜、胡萝卜及茄果类的西红柿等,这与梁称福等^[25]筛选或选育耐、抗重金属污染的类型品种相类似。 4 结论

(1)在中轻度重金属污染土壤中,叶菜类中的筒蒿、甘蓝、菜心、芹菜和长白菜,根茎类中的白萝卜、胡萝卜及茄果类的西红柿等对重金属的富集能力相对较低,可以优先考虑种植。

(2)叶菜中的白苋菜、红苋菜、塌棵菜、西兰花、紫背天葵、雪菜和生菜,根茎类中的莴苣、芋艿、大红萝卜和樱桃萝卜及茄果中的甜椒等等对重金属富集能力相对较高,应尽量避免选择种植于中轻度重金属污染菜地。