甘薯对低浓度镉、锌的分配累积特征及土壤安全临界值研究

［摘 要］ 通过添加不同质量浓度重金属镉（Cd）、锌（Zn）进行盆栽试验，研究了广西壮族自治区桂林市土壤重金属Cd、Zn在甘薯［Dioscorea esculenta （Lour.） Burkill］可食用部位的累积特征，探讨了Cd、Zn在产地土壤环境中的安全临界值。结果表明，甘薯可食用部位对Zn的富集能力为茎＞叶＞块根，对Cd的富集能力为块根＞叶＞茎；土壤重金属Cd对甘薯茎、块根、叶的安全临界值分别为0.602、0.342、0.522 mg/kg，Zn对甘薯茎、块根、叶的安全临界值分别为125、178、151 mg/kg。

［关键词］ 重金属；甘薯；富集系数；临界值

［中图分类号］ X53；X820.4 ［文献标志码］ B ［文章编号］ 1674-7909（2022）20-134-3

0 引言

2014年自然资源部和生态环境部联合发布的全国土壤污染状况调查公报显示，我国19.4%的耕地遭受重金属污染［1］。尤其是某些特殊行业，如铅锌矿开采造成土壤镉（Cd）、锌（Zn）等重金属污染［2］。此外，随着种植年限增加，耕地表层土壤中Cd、Zn含量也会增加，造成土壤重金属含量超标［3］。受重金属污染的土壤种植的作物也会被污染，长期食用重金属超标的食物，会严重危害人体健康［4］。

我国南方喀斯特地貌分布区土壤具有较高的Cd含量，其中广西壮族自治区（以下简称广西）的喀斯特地貌区土壤Cd含量又高于其他地区［5］。桂林市为典型的喀斯特岩溶地貌，当地土层浅薄，一旦遭受重金属污染，治理难度极大［6］。而甘薯耐旱、耐贫瘠、产量高，在桂林市广泛种植。通过盆栽试验，研究不同质量浓度条件下，甘薯可食用部位（茎、块根、叶）对重金属Cd、Zn的累积特征，探讨重金属Cd、Zn在产地土壤环境的安全临界值，为桂林市农产品质量安全及产地环境安全评价提供理论依据和技术参数。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

供试植物为桂粉2号甘薯，生长周期100～110 d，购于广西桂林市种子公司。

供试土壤为正常耕作的表层土壤，选自广西桂林市雁山区甘薯地。在样地中画出5个大小一致的正方形（2 m×2 m）样方，去除表土，再在耕作层（5～20 cm）采集土样，将土壤样品装入编织袋，带回实验室。按照《土壤农化分析》分析土壤的理化性质［7］。该地土壤pH值5.14，有机质含量41.0 g/kg，全氮含量1.79 g/kg，全磷含量0.082 g/kg，阳离子交换量7.06 cmol/kg。

1.2 试验设计

土壤样品采回后，自然风干，过孔径为2.00 mm的尼龙筛备用。盆栽容器为长40 cm、宽30 cm、高25 cm的泡沫箱，装入风干土20 kg/箱，施入氮、磷、钾肥（氮肥为尿素，以N计质量分数为200 mg/kg；磷肥为过磷酸钙，以P2O5计质量分数为150 mg/kg；钾肥为硫酸钾，以K2O计质量分数为150 mg/kg）作为底肥。

试验设置6个质量浓度水平，分别为T0（Cd 0 mg/kg，Zn 0 mg/kg）、T1（Cd 0.1 mg/kg，Zn 30 mg/kg）、T2（Cd 0.2 mg/kg，Zn 60 mg/kg）、T3（Cd 0.4 mg/kg，Zn 90 mg/kg）、T4（Cd 0.8 mg/kg，Zn 120 mg/kg）、T5（Cd 1.0 g/kg，Zn 150 mg/kg）。Cd、Zn以CdCl2、ZnSO4溶液形式加入，每箱浇水至田间持水量的60%，放置10 d后栽插甘薯。选择生长状态基本一致的甘薯苗进行栽插，每箱种植4株，所有处理重复3次。

栽插100 d后收获。将甘薯的茎、叶、块根分开收获，用去离子水洗净晾干后，块根切片后与茎、叶一起置于烘箱，在85 ℃条件下杀青30 min，在60 ℃条件下烘干至恒重，粉碎后备用。

1.3 样品分析

土样和甘薯的茎、叶、块根中镉、锌元素采用王水（浓硝酸∶浓盐酸=1∶3）-高氯酸消煮，采用原子吸收分光光度法测定［8］。

1.4 数据处理

富集系数指植物地上部Cd、Zn含量与相应土壤中Cd、Zn含量的比值。富集系数越大，表明重金属越容易被植物吸收［9-10］。富集系数（BCF）=植物各部位Cd、Zn含量/土壤中Cd、Zn含量。

转移系数则是植物地上某部位Cd、Zn含量与地下部Cd、Zn含量的比值。富集系数和转移系数综合反映植物对土壤重金属的吸收和转移能力［11］。转移系数（TF）=植物某部Cd、Zn含量/地下根部Cd、Zn含量。

试验所有数据用Microsoft Office Excel 2010进行处理。

2 试验结果与分析

2.1 重金属在甘薯可食用部位含量

重金属Cd、Zn在甘薯可食用部位的含量见表1。由表1可知，甘薯可食用部位重金属Zn的含量为茎＞叶＞块根，Cd的含量为块根＞叶＞茎。随着重金属Zn质量浓度增大，甘薯叶和块根中的Zn含量逐渐增加，茎的Zn含量则是先增加再降低，然后逐渐增加。随着重金属Cd质量浓度的增大，甘薯茎、叶、块根的Cd含量随着处理浓度增加先增加后减少再增加。

2.2 重金属在甘薯可食用部位富集系数和转移系数

Cd和Zn在甘薯可食用部位的富集系数和转移系数见表2和表3。

由表2、表3可知，在不同处理下，甘薯茎对Zn的富集系数差异较大，最高在T5（为1.07），最低在T0（为0.33），表明甘薯茎在T5处理下对Zn的富集能力很强；叶对Zn的富集系数范围为0.22～0.84，块根对Zn的富集系数范围为0.16～0.43。甘薯可食用部位对Zn的转移能力较弱，T5处理条件下转移系数最大，为0.58。甘薯茎、叶、块根对Cd富集系数范围为0.15～0.84，转移系数在0.18～0.75，均小于1。甘薯可食用部位对Zn的富集能力、转移能力为茎＞叶＞块根，对Cd富集能力、转移能力为块根＞叶＞茎。

2.3 甘薯产地土壤Cd、Zn的安全临界值

根据土壤重金属Cd、Zn含量和甘薯中可食用器官Cd、Zn含量的测定结果，采用回归分析方法［12］，拟合土壤Cd、Zn含量（Y）和甘薯中Cd、Zn含量（X）的相关关系，建立线性回归模型。查询《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB/T 2762—2017）［13］，可知甘薯中Cd的最大允许量为0.1 mg/kg，将Cd的最大值0.1 mg/kg带入拟合公式，模拟求出安全种植甘薯的土壤Cd临界值（见表4）。由表4可知，种植甘薯的土壤Cd安全临界值为茎0.602 mg/kg、块根0.342 mg/kg、叶0.522 mg/kg。查询《粮食（含谷物、豆类、薯类）及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》（NY 861—2004）［14］可知，甘薯中Zn的最大限量为50 mg/kg。将Zn的最大值50 mg/kg分别带入拟合公式，模拟求出种植甘薯的土壤Zn安全临界值（见表4）。由表4可知，种植甘薯的土壤Zn安全临界值为茎125 mg/kg、块根178 mg/kg、叶151 mg/kg。

根据《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ/T 332—2006）［15］中土壤环境质量评价指标限值规定，在pH值＜6.5条件下，总Cd≤0.3 mg/kg，总Zn≤200 mg/kg。此次试验模拟结果限值Zn在规定范围内，Cd超过规定限值，表明国家的产地土壤环境安全标准与食物安全标准存在一定差异，在产地环境划定中，需要同时考虑土壤与作物标准的差异，以便科学地指导产地环境安全划定。

3 结论

根据此次试验研究可知，甘薯可食用部位对Zn的富集能力为茎＞块根＞叶，对Cd的富集富集能力为块根＞叶＞茎；种植甘薯的土壤重金属Cd的安全临界值分别为茎0.602 mg/kg、块根0.342 mg/kg、叶0.522 mg/kg，种植甘薯的土壤重金属Zn的安全临界值分别为茎125 mg/kg、块根178 mg/kg和叶151 mg/kg。

参考文献：

［1］绿巢环境产业平台.全国土壤污染状况调查公报（全文）[EB/OL].（2014-04-17）[2022-09-01].https：//mp.weixin.qq.com/s？src=3&timestamp=1669259331&ver=1&signature=pS3CH2GUdf5KhOH4vPk9SFwk4ffz87A6vYTyPX1OLKgml4-KAE4lSeK1bNOii-ulJLWgYVf2XyctG*YXeFpahiYPTeOdoHYeLMBRb6L-DQ8c6gXVOvdw8fWvzLpHcIcJlugmveGLGUI-ynacji7HcA==.

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［13］中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会，国家食品药品监督管理总局.食品安全国家标准  食品中污染物限量：GB/T 2762—2017［S］.北京：中国标准出版社，2017.

［14］中华人民共和国农业农村部.粮食（含谷物、豆类、薯类）及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量：NY 861—2004［S］.北京：中国农业出版社，2004.

［15］国家环境保护总局.食用农产品产地环境质量评价标准：HJ/T 332—2006［S］.北京：中国环境科学出版社，2007.