随着经济的迅速发展，含Pb的污染物通过多种途径进入土壤，造成土壤污染。有研究表明，固体废物、大气沉降、农业灌溉水污染、化肥和农药的施用等均有可能导致土壤中Pb含量的增加^[1]。土壤一旦被Pb污染，则难以降解、去除，不仅可使农产品致毒，而且可通过土壤-作物系统进入食物链危害人体健康。随着生活水平的提高，人们对蔬菜的摄入量日益增加，食入Pb超标的蔬菜无疑将对人体健康造成极大危害^[2]。王灵等^[3]2006年通过对乌鲁木齐市蔬菜基地和城乡结合部零散菜地采样测定表明，采集的6大类28种蔬菜中Pb的超标率达85.3%，蔬菜Pb含量平均值为0.346 mg·kg^-1(《食品安全国家标准—食品中污染物限量(GB 2762—2012)》，叶类蔬菜Pb≤0.3 mg·kg^-1)，污染指数(测定值/标准值)最大值达到7.98，蔬菜Pb含量严重超标。然而其土壤Pb含量在8.57~48.57 mg·kg^-1，平均值25.41 mg·kg^-1，远低于《土壤环境质量标准(GB 15618—1995)》二级标准(300 mg·kg^-1，pH6.5~7.5)，蔬菜产地土壤Pb并未超标。

土壤是蔬菜中Pb的重要来源之一^[4]。土壤盐分离子对土壤-作物重金属Pb含量有一定的影响。刘平等^[5]研究发现，随着KCl施加量的增加，赤红壤土壤溶液Pb含量显著增加，KCl用量360 mg·kg^-1使土壤溶液Pb含量增加106.9%；此外，随着K⁺施入量的增加，土壤溶液Pb含量也显著增加。匡少平^[6]试验表明，作物对土壤Pb的吸收受土壤中阴离子浓度影响，Cl^-能促进玉米根系对土壤中Pb的强烈吸收，而NO₃^-有利于Pb在秸秆和籽实中累积。Ca²⁺对土壤重金属生物有效性的影响存在不确定性，高洪波等^[7]研究表明，外源添加Ca²⁺能够缓解重金属胁迫对植物生长的抑制，增加植物对重金属的积累量，促进其抗氧化酶活性^[7]。Chen等^[8]的研究表明，在水稻土中添加CaCO₃显著降低了小麦地上部分对Pb的积累。当前共存阳离子对于重金属吸附的影响有相关研究^[9]，伴随阴离子对土壤Pb吸附-解吸的影响也有报道^[10]，但土壤多种盐分离子综合作用下是否会影响蔬菜对重金属Pb的吸收则鲜有报道。

新疆位于我国西部内陆，受干旱气候和封闭内陆盆地的影响，盐碱土在南北疆呈现面积大、类型多、积盐重、形成复杂的特点。刘蕾^[11]对新疆5个地州、9个县市共计209个采样点(包括荒地、农田、草地、灌木林地)Mg²⁺、K⁺、Na⁺、Ca²⁺、SO₄^2-、Cl^-和总盐等监测表明，K⁺、Na⁺、SO₄^2-、Cl^-占土壤离子总和的89.54%。闫金铎等^[12]对乌鲁木齐建成区和郊区城市不同土地利用类型表层土壤全盐量测定表明，郊区未利用地、郊区农用地土壤中Cl^-、Na⁺、Ca²⁺和SO₄^2-含量较高。在新疆土壤含盐量较高的背景下，研究多种盐分离子综合作用下植物对重金属Pb的吸收具有重要意义。本文采用L16 45正交试验，通过设定不同的Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺和Pb²⁺离子含量水平，研究土壤盐分离子对小白菜Pb含量的影响，以期为乌鲁木齐市蔬菜的安全生产和Pb污染防治提供理论依据。

试验采用盆栽方式，在新疆农业大学农科楼实验室进行。

供试土壤购自新疆乌鲁木齐市沙依巴克区明珠花卉市场，土壤理化性质见表 1。供试小白菜(Brassica campestris L. ssp.)品种为山东青州新世纪种苗有限公司生产的“正旺达58号”。2016年11月9日种植小白菜，2017年1月9日收获。

表 1　供试土壤理化性质 Table 1　Physical and chemical properties of the tested soil

表选项

采用透明塑料布搭建温室大棚防止降尘落入。试验用盆钵为塑料花盆，内径15 cm，高12 cm。灌溉用水采用蒸馏水，以避免通过灌溉水向土壤引入重金属。供试土壤采用外源添加盐分离子的方式，首先每个处理组称取3 kg土样，按照表 2的配比及含量要求称取相应的试剂充分溶于蒸馏水中；将溶解后的溶液均匀倒入土样中，并搅拌，每日定时搅拌30 min，平衡一周，使盐分均匀分布在土壤中；然后将每个处理组的土样三等分，每个盆钵装土1 kg并加入适量的蒸馏水再平衡12 h后种植小白菜。每盆中撒入20粒小白菜种子，每3日用蒸馏水浇灌1次，每次浇水量为100 mL。每周间苗1次，最后每盆留苗3株，定期调换盆钵的位置，均匀接受自然光照，定时记录小白菜的生长状况。

表 2　正交试验因素水平表 Table 2　Factors and levels of orthogonal experiment

表选项

采用L₁₆ 4⁵(5个因素，4个水平，共16种处理)正交试验，设置5个因素(Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺和Pb²⁺)、4种水平(空白、低、中、高)，共16个处理，每个处理重复3次。根据乌鲁木齐市本地土壤盐分含量，并参考相关文献^[9-10]，制定了4个水平阳离子的因素水平表(不包括土壤固有离子含量)，如表 2所示。土壤盐分离子水平，采用外源添加无水CaCl₂、Ca(NO₃)₂·4H₂O、MgSO₄·7H₂O、K₂SO₄、无水Na₂SO₄、Pb(NO₃)₂的方式实现，保证添加离子后的土壤离子含量达到设计离子含量水平。

将小白菜收获后用自来水冲洗干净后再用去离子水清洗，并分为地上部和根系。小白菜地上部和根系采用硝酸-高氯酸消解^[13]，消解所用仪器为LWY-84B控温式远红外消煮炉(四平电子技术研究所)。小白菜和土壤中Pb含量分析测定采用TAS-990石墨炉原子吸收光谱仪(北京普析通用仪器有限责任公司)；土样的基本理化指标均采用常规法测定^[14]。

采用Microsoft Excel、正交设计助手3.1、SPSS Statistics 19.0进行统计分析；采用Origin7.5版绘图，数据用平均值±标准差(Mean±SD)来表示。

小白菜中Pb含量测定结果见表 3。各处理地上部Pb含量在0.215~0.930 mg·kg^-1，根系Pb含量1.648~24.33 mg·kg^-1，根系Pb含量均高于地上部分。依据《食品安全国家标准—食品中污染物限量(GB 2762—2012)》，叶类蔬菜Pb含量限值为0.3 mg·kg^-1，本试验小白菜地上部分Pb含量中除处理10、14、16外均超标，超标率达81.3%。处理1为未添加任何离子的土壤，小白菜地上部Pb含量也是超标的。

表 3　小白菜地上部分和根系Pb含量 Table 3　Pb content in aboveground part and root of Chinese cabbage(Brassica campestris L. ssp.)

表选项

对小白菜地上部、根系Pb含量数据运用正交设计助手进行极差分析，结果见表 4。根据R值可以看出对小白菜中地上部Pb含量影响顺序为：A(Ca²⁺)>B(Mg²⁺)>D(Na⁺)>E(Pb²⁺)>C (K⁺)，Ca²⁺对小白菜地上部分Pb含量的影响最大。根据均值水平K可以看出，小白菜地上部分Pb含量达最高水平的组合为：A2B1 C2D4E4，即外源添加Ca²⁺(0.1 g·kg^-1)、Mg²⁺(0)、K⁺(0.005 g·kg^-1)、Na⁺(5 g·kg^-1)、Pb²⁺(300 mg·kg^-1)，由于起作用的不仅仅是外源添加离子，也包括土壤固有离子，因此基于外源添加与土壤固有离子总和，促使小白菜地上部Pb含量达最高水平组合的实际离子浓度为Ca²⁺(0.367 g·kg^-1)、Mg²⁺(0.039 g·kg^-1)、K⁺(0.007 g·kg^-1)、Na⁺(5.015 g·kg^-1)、Pb²⁺(310.43 mg·kg^-1)；小白菜地上部分Pb含量最低的水平组合为：A4B3C4D1E1，即外源添加Ca²⁺(5 g·kg^-1)、Mg²⁺(0.2 g·kg^-1)、K⁺(0.5 g·kg^-1)、Na⁺(0)、Pb²⁺(0)，实际离子浓度为Ca²⁺ (5.267 g·kg^-1)、Mg²⁺(0.239 g·kg^-1)、K⁺(0.502 g·kg^-1)、Na⁺(0.015 g·kg^-1)、Pb²⁺(10.434 mg·kg^-1)。

表 4　阳离子对小白菜Pb含量影响的极差分析表 Table 4　Range analysis of cation effect on Pb content in Chinese cabbage(Brassica campestris L. ssp.)

表选项

根据R值可以看出对小白菜根系Pb含量影响顺序为：E(Pb²⁺)>C(K⁺)>D(Na⁺)>A(Ca²⁺)>B(Mg²⁺)，Pb²⁺对小白菜根系Pb含量影响最大。根据均值水平K得出，小白菜根系Pb含量达最高水平的组合为：A1B3C2D3E4，即外源添加Ca²⁺(0)、Mg²⁺(0.2 g·kg^-1)、K⁺(0.005 g·kg^-1)、Na⁺(1 g·kg^-1)、Pb²⁺(300 mg·kg^-1)，实际离子浓度为Ca²⁺(0.267 g·kg^-1)、Mg²⁺(0.239 g·kg^-1)、K⁺(0.007 g·kg^-1)、Na⁺(1.015 g·kg^-1)、Pb²⁺(310.434 mg·kg^-1)；小白菜根系Pb含量最低的水平组合为：A3B2C3D1E3，即外源添加Ca²⁺(1 g·kg^-1)、Mg²⁺(0.02 g·kg^-1)、K⁺(0.05 g·kg^-1)、Na⁺(0)、Pb²⁺(50 mg·kg^-1)，实际离子浓度为Ca²⁺(1.267 g·kg^-1)、Mg²⁺(0.059 g·kg^-1)、K⁺(0.052 g·kg^-1)、Na⁺(0.015 g·kg^-1)、Pb²⁺(60.434 mg·kg^-1)。

阳离子对小白菜Pb含量影响的方差分析结果见表 5。由F检验可以看出对小白菜地上部Pb含量影响顺序为：A(Ca²⁺)>B(Mg²⁺)>D(Na⁺)>E(Pb²⁺)>C(K⁺)，土壤Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Pb²⁺对小白菜地上部Pb含量的影响达到了极显著水平，而K⁺的影响不显著；对小白菜根系Pb含量影响顺序为：E(Pb²⁺)>C(K⁺)>D(Na⁺)>A(Ca²⁺)>B(Mg²⁺)，Pb²⁺、K⁺、Na⁺对小白菜根系Pb含量的影响达到了极显著水平，而Ca²⁺、Mg²⁺影响不显著，和极差分析结果一致。

表 5　阳离子对小白菜Pb含量影响的方差分析表 Table 5　Variance analysis of cation effect on Pb content in Chinese cabbage (Brassica campestris L. ssp.)

表选项

以阳离子含量水平为横坐标、K值为纵坐标绘制小白菜地上部、根系Pb含量趋势图，见图 1。土壤中阳离子对小白菜中Pb含量的线性关系见表 6。由图 1及表 6可知，土壤Ca²⁺含量与小白菜地上部Pb含量呈显著负相关，即土壤中Ca²⁺浓度的增加抑制小白菜地上部Pb含量；土壤中Na⁺和Pb²⁺与小白菜地上部Pb含量呈正相关，但不显著；土壤中Mg²⁺和K⁺与小白菜地上部Pb含量呈负相关，不显著。

图中横坐标1为“不添加”；2为“低水平”；3为“中水平”；4为“高水平” 图 1 土壤中阳离子对小白菜中Pb含量的影响 Figure 1　Effect of soil cations on Pb content in Chinese cabbage (Brassica campestris L. ssp.)

图选项

表 6　土壤中阳离子对小白菜中Pb含量的线性关系 Table 6　Linear relationship between cations in soil and Pb content in Chinese cabbage (Brassica campestris L. ssp.)

表选项

土壤中Pb²⁺与小白菜根系Pb含量呈显著正相关，即土壤中Pb²⁺浓度增加会促进小白菜根系Pb含量的增加；Ca²⁺、Mg²⁺和Na⁺与小白菜根系Pb含量呈正相关，但不显著；K⁺与小白菜根系Pb含量呈负相关，不显著。

无水CaCl₂、Ca(NO₃)₂·4H₂O、MgSO₄·7H₂O等化合物在带入阳离子的同时，也带入了相应的阴离子。根据表 2制定的阳离子的浓度梯度值，计算出带入的阴离子Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-的浓度梯度值，土壤中阴离子对小白菜地上部和根系Pb含量的线性关系见表 7。从表 7看出，Cl^-和NO₃^-与小白菜地上部Pb含量均呈显著负相关，SO₄^2-呈正相关，但不显著。土壤中3种阴离子与小白菜根系Pb含量均呈不显著的正相关。

表 7　土壤中阴离子对小白菜中Pb含量的线性关系 Table 7　Linear relationship between anions in soil and Pb content in Chinese cabbage (Brassica campestris L. ssp.)

表选项

盐分离子与重金属同时存在于土壤中，影响着土壤中的植物对重金属的吸收^[15-16]。在本研究中，促使小白菜地上部Pb含量达最高水平的组合为A2B1C2D4E4，即在土壤中低浓度外源添加Ca²⁺(0.1 g·kg^-1)、Mg²⁺(0)、K⁺(0.005 g·kg^-1)、高浓度外源添加Na⁺(5 g·kg^-1)和Pb²⁺(300 mg·kg^-1)，可使小白菜食用部分Pb含量达到最大。

本研究表明，土壤中Ca²⁺对小白菜地上部Pb含量的影响最大，表现为显著负相关(r=-0.540 3，P < 0.05)，这与周华^[17]、高洪波等^[7]的试验结果相似。一般认为，Ca²⁺通过与重金属离子竞争植物根系吸收位点来降低根系对重金属的吸收，减缓了重金属对植物的毒害作用^[18]。但也有研究表明，Ca²⁺的加入反而显著增强了苋菜对Pb的吸收，这可能是由于重金属通过共质体进入质外体，这个过程是依赖Ca²⁺的，Ca²⁺的增加会增强植物对重金属的吸收^[19]。本试验中不添加或低浓度添加Ca²⁺后土壤Ca²⁺的浓度为0.267~0.367 g·kg^-1，这与闫金铎等^[12]对乌鲁木齐市建成区与郊区农用地表层土壤中Ca²⁺浓度均值的测定结果0.324、0.316 g·kg^-1非常接近，由此可见，乌鲁木齐市表层土壤中固有的Ca²⁺对小白菜可食用部分Pb的吸收没有抑制作用。

Mg²⁺对小白菜中地上部Pb含量的影响次之，表现为负相关，但不显著(r=-0.085，P＞0.05))。不添加及低浓度添加Mg²⁺后土壤中Mg²⁺浓度为0.039 4~0.059 4 g·kg^-1，与闫金铎等^[12]对乌鲁木齐市建成区与郊区农用地表层土壤中Mg²⁺浓度均值的测定结果0.052、0.058 g·kg^-1非常接近，即乌鲁木齐市的表层土壤中固有的Mg²⁺不能抑制小白菜可食用部分对Pb的吸收。而土壤中Na⁺对小白菜地上部分Pb含量的影响较小，一般认为Na⁺对重金属离子的吸收竞争作用较弱^[20]；K⁺、Pb²⁺影响最小。

不同盐分离子对植物吸收累积重金属的影响是不同的，Na⁺、Ca²⁺、K⁺和Mg²⁺等阳离子主要通过与重金属竞争植物根系的吸收位点等方式来影响植物对重金属的吸收累积^[21]，而Cl^-、NO₃^-和SO₄^2-等阴离子主要通过络合作用来影响植物对重金属的吸收和转运^[22]。本试验土壤NO₃^-对小白菜地上部Pb含量的影响表现为显著负相关(r=-0.540，P < 0.05)。有研究表明，外源的NO₃^-进入土壤后被植物根系吸收，释放出OH^-，造成根际pH升高，影响了根际土壤中重金属的有效性，进而影响植物对重金属的吸收^[23]。匡少平^[6]的研究表明，Cl^-能明显促进玉米地上部分的秸秆和籽实对土壤Pb的吸收。本试验土壤Cl^-对小白菜地上部Pb含量的影响表现为显著负相关(r=-0.540，P < 0.05)，即Cl^-对小白菜可食用部分吸收Pb含量表现为抑制作用。这可能是因为引入Pb(NO₃)₂为可溶态，Cl^-通过络合作用，降低了小白菜可食用部分对Pb的吸收^[24]。而本试验不添加和低浓度添加Cl^-(土壤中Cl^-为0.002~0.09 g·kg^-1)略低于闫金铎等^[12]试验中的Cl^-(0.159 g·kg^-1及0.170 g·kg^-1)，表明土壤中固有的Cl^-对小白菜地上部分Pb的吸收没有抑制作用。土壤中不添加外源离子的处理1，小白菜地上部Pb含量也超标，是因为土壤本身含有相应的离子，这说明了土壤固有的盐分离子对小白菜可食用部分吸收Pb没有抑制作用，可能有一定的促进作用。

本研究中，土壤Pb含量对小白菜根系Pb的含量影响最大。汪霖^[25]针对八仙花的研究表明，Pb积累在根系较多，八仙花的生长受到明显影响，这与本试验研究结果是相似的。植物根的生长通常比其他器官更易受到毒害作用，这与根作为植物从污染土壤中摄取Pb的最初部位有关。

乌鲁木齐市蔬菜的Pb超标现象比较严重，而乌鲁木齐市土壤中固有的盐分离子浓度及配比，不仅没有抑制反而可能促进了小白菜可食用部分对Pb的吸收，这可能是造成乌鲁木齐市蔬菜Pb污染的原因之一。土壤中盐分离子种类比较复杂和多样，它们之间协同或拮抗作用对植物吸收重金属的影响还有待进一步研究。此外，本试验用土购自乌鲁木齐市明珠花卉市场，该土样为市郊南山的森林土，土壤的有机质含量丰富，是否会促进蔬菜对土壤中Pb的吸收，也有待于进一步的研究。

(1) 土壤盐分离子对小白菜地上部Pb含量影响顺序为：Ca²⁺>Mg²⁺>Na⁺>Pb²⁺>K⁺，土壤中Ca²⁺对小白菜地上部Pb含量的影响最大，表现为显著负相关(r=-0.540 3，P < 0.05)，即土壤中较高的Ca²⁺浓度能抑制小白菜地上部(可食用部分)对Pb的吸收。

(2) 对小白菜根系Pb含量影响顺序为：Pb²⁺>K⁺> Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺，土壤中Pb²⁺的浓度对小白菜根系Pb的含量影响最大，呈显著正相关(r=0.483，P < 0.05)。即土壤中Pb²⁺浓度增加会促进小白菜根系Pb含量的增加。

(3) 土壤Cl^-和NO₃^-对小白菜地上部Pb含量具有显著影响，表现为负相关(r=-0.540，P < 0.05)，即Cl^-和NO₃^-浓度的增加会抑制小白菜可食用部分对Pb的吸收。

(4) 乌鲁木齐市土壤固有盐分离子浓度及比例，对小白菜可食用部分吸收Pb没有抑制作用。