吴志超，杨秀丽，李富荣，徐守俊，石含之，杜瑞英，王 旭

（1. 广东省农业科学院 农业质量标准与监测技术研究所，广东 广州 510640；
2. 华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430070）

随着城市化和工农业的迅猛发展，农田重金属污染已成为区域性甚至全球性热点环境问题。我国耕地土壤也面临重金属污染风险，以镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）污染尤为突出[1]。As 是一种生物毒性强的类重金属元素，由于其强移动性和易被农作物吸收的特性，已被大量研究学者关注[2-3]。含As化学试剂常被大量用作除草剂、杀虫剂等而污染农田，农田中的As可被农作物吸收而富集，进而通过食物链的富集扩大效应，对人体造成危害[4-5]。挖掘低重金属富集农作物品种被认为是中轻度重金属污染农田安全利用的一种有效的途径[6-7]。蔬菜对土壤As的富集水平呈现品种差异性。MATHIEU 等[8]比较评价5 种叶类蔬菜对土壤As 富集水平时发现，空心菜富集效率最高，其次为芹菜和苋菜，生菜和莴苣较低。翁城武等[9]对16种蔬菜中重金属含量进行分析时发现，蔬菜富集规律大体表现为叶菜类＞瓜果类＞根菜类。肖细元等[10]也发现，不同品种蔬菜对土壤As 富集差异较大，叶菜类和根茎类较高，茄果类和豆类较低。由此可见，空心菜比较容易富集土壤As。朱文等[11]研究16 种叶类蔬菜对矿质营养元素富集差异时发现，平均含量依次为K＞Ca＞Fe＞Zn＞Se。类似的趋势也表现在空心菜上，且空心菜中各营养元素的含量均高于叶类蔬菜的平均水平，表明空心菜对矿质元素具有较高的富集效率。张露尹等[12]研究表明，空心菜可食部位对土壤矿质营养富集效率大小依次为K、Na、Ca、Mg。此外，栽培模式也会影响农作物对矿质元素的吸收与富集。王艳红等[13]研究了不同种植方式下空心菜可食部位Cd富集规律时发现，空心菜生物量和Cd含量因种植方式的不同差异较大。王佛娇等[14]研究表明，旱地栽培和水田栽培2 种栽培方式显著影响蕹菜对As 的富集，水田栽培的蕹菜品种As 平均含量为旱地的4倍。然而，现阶段关于栽培模式对不同空心菜品种As 和各类矿质元素富集规律的系统性研究及相互作用机制报道等较少。鉴于此，通过大田原位试验研究不同品种空心菜在水生和旱生2种栽培模式下其可食用部位对As 和各类中微量矿质元素富集差异，进一步揭示其富集规律，以期筛选出低重金属和高品质空心菜品种及其配套高效栽培方式，同时也为充分利用中轻度重金属污染土壤和降低As 摄取风险提供一定的理论依据。

1.1 供试材料

供试作物为华南地区28个空心菜品种，其品种名称、品种代号及购买信息详见表1。

表1 空心菜品种及其购买信息Tab.1 Swamp cabbage varieties and their purchase information

供试土壤为广东省某受As 污染耕地。采集的农田土壤样品经自然干燥后，除去石子等杂质，研磨过筛后测定其理化性质与重金属含量（表2）。依据GB 25618—2018，当土壤中5.5＜pH 值≤6.5 时，农用地土壤As 污染的风险筛选值为30 mg/kg，风险管制值为150 mg/kg，本试验地块土壤As 含量为68.9 mg/kg，高于农用地土壤As 污染的风险筛选值而低于管制值。

表2 供试地块土壤背景信息Tab.2 Soil background information of tested field

1.2 试验设计与实施

采用大田试验，将试验地分为2个大区，设置水生和旱生2 种栽培模式，种植28 个空心菜品种，试验设置3 个重复，每种栽培模式设置84 个种植小区，共计168 个小区。在空心菜成熟期（播种的1.5月后）采收样品。

1.3 样品处理与分析

1.3.1 样品的处理 在空心菜成熟期，每个试验小区中以S 形采样法选取4 株（全株取回）。将空心菜样品去除不可食部位，剩下部分依次用自来水和去离子水各冲洗3 次，然后用吸水纸吸干样品表面水分，将每个试验小区样品分别剪切混合后用小型植物粉碎机粉碎，混匀备用。

1.3.2 样品的分析

1.3.2.1 空心菜矿质元素及As 含量测定 参照翁城武等[7]使用电感耦合等离子体质谱分析仪测定。称取植物样品约3.00 g于消化管中，利用HNO3溶液消煮，摇匀，加盖密封放置过夜。次日在电热板上100 ℃加热至消解完全，加水冷却回流。随后转移至比色管中，去离子水定容、摇匀，待测。同时做2份空白试验及相应标准曲线。

1.3.2.2 土壤总As 含量测定 参考王艳红等[13]使用原子荧光光谱法测定。称取土壤样品0.2～1.0 g，（精确至0.2 mg）经干燥磨碎置于50 mL 比色管中，加水湿润样品后，加入HNO3-HCl（1∶3）溶液，摇匀于沸水浴中消解，消解完全后冷却，加水稀释至刻度，摇匀后放置。吸取消解液于50 mL比色管中，加入反应体系（盐酸-硫脲-抗坏血酸），经定容和摇匀，放置待测。

1.3.2.3 土壤有效态元素含量测定 土壤中有效态

元素的测定参照常规分析法。

1.4 数据统计

采用Microsoft Excel 2010 对试验数据进行计算，用SPSS 19.0 和SigmaPlot 12.5 完成聚类分析和柱形图绘制。

空心菜可食部位某元素富集系数（EF）=空心菜可食部位某元素含量/土壤中该元素含量。

2.1 水生和旱生栽培模式下不同品种空心菜可食部位矿质元素含量

如图1 所示，水生和旱生2 种不同栽培模式下，不同品种空心菜中矿质元素含量存在较大的差异。在水生模式下，Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 含量分别是0.6～1.7 g/kg 和112.5～258.4、15.2～77.6、6.2～14.7、0.3～16.4、2.6～4.8 mg/kg，平 均 含 量 为1.2 g/kg 和138.4、37.7、10.1、4.5、3.5 mg/kg，各元素含量最高的品种（K19、K14、K20、K15、K20、K21）比最低的品种（K2、K24、K26、K22、K9、K16）分别高出1.8、1.3、4.1、1.4、53.7、0.9倍。

图1 2种模式下28个空心菜品种6类矿质元素含量Fig.1 Contents of 6 mineral elements in 28 swamp cabbage varieties under two modes

在旱生模式下，Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn含量分别为0.9～2.2 g/kg 和94.9～187.3、7.1～66.7、2.8～11.0、0.5～4.4、1.7～3.5 mg/kg，平 均 含 量 为1.5 g/kg 和176.3、22.7、6.4、1.1、2.7 mg/kg，各元素含量最高的品种（K23、K16、K27、K15、K27、K24）比最低的品种（K2、K25、K22、K11、K16、K2）分别高出1.4、1.0、8.4、2.9、7.8、1.1 倍。由此可见，水生栽培模式下空心菜可食部位Fe、Mn、Cu、Zn 含量明显高于旱生栽培模式，而Ca、Mg呈现相反的趋势。

2.2 水生和旱生栽培模式下不同品种空心菜As含量

由图2可知，在水生模式下，不同品种中可食部位As含量是0.2～5.4 mg/kg，平均含量为3.0 mg/kg，As含量最高品种（K26）比最低品种（K16）高出26.0 倍。依据GB 2762—2017 中规定的As 限量标准阈值（0.5 mg/kg），除K16、K22 和K24 品种As含量低于限量标准外，其他品种均高于限量标准，As 超标率达89.3%。

图2 2种模式下28个空心菜品种As含量Fig.2 Contents of As in 28 swamp cabbage varieties under two modes

在旱生模式下，空心菜可食部位As含量在0.1～1.2 mg/kg，平均含量为0.3 mg/kg，As 含量最高品种（K24）比最低品种（K13）高出11.0 倍。依据GB 2762—2017中规定的As限量标准阈值（0.5 mg/kg），除K24和K27外，其余品种空心菜均低于限量标准，超标率仅为7.1%。由此可见，水生栽培模式下，空心菜对As富集能力显著高于旱生栽培模式，且其富集效率因品种不同呈现较大差异性。

2.3 水生和旱生栽培模式下不同品种空心菜对Fe、Mn、Cu、Zn的富集特征

如图3 所示，在水生模式下，空心菜对Fe、Mn、Cu、Zn 的平均富集系数分别为0.002、0.067、0.401、0.052，富集系数高低顺序为Cu＞Mn＞Zn＞Fe。在旱生模式下，空心菜对Fe、Mn、Cu、Zn的平均富集系数由高到低顺序依次为Cu（0.093）＞Mn（0.042）＞Zn（0.040）＞Fe（0.001），与旱生模式顺序一致。水生模式下空心菜对Cu、Mn、Zn、Fe 的富集系数分别是旱生模式的4.3、1.6、1.3、2.0 倍。可见，水生模式下各微量元素Fe、Mn、Cu、Zn 的富集系数均高于旱生模式，说明在水生栽培条件下微量元素更容易被空心菜吸收累积。

图3 2种模式下28个空心菜品种中Fe、Mn、Cu、Zn的富集系数Fig.3 Enrichment factor of Fe，Mn，Cu，Zn in 28 swamp cabbage varieties under two modes

2.4 水生和旱生栽培模式下不同品种空心菜对As的富集特征

由图4 可知，在水生模式下，空心菜对As 的平均富集系数为0.043，As 富集系数范围是0.003～0.079，As 富集系数最高品种（K26）比As 富集系数最低品种（K16）As富集系数高出25.3倍。在旱生模式下，空心菜对As的平均富集系数为0.004，As富集系数范围在0.002～0.018，As 富集系数最高品种（K24）比As富集系数最低品种（K13）As富集系数高出8.0倍。

图4 2种模式下28个空心菜品种中As的富集系数Fig.4 Enrichment factor of As in 28 swamp cabbage varieties under two modes

2.5 水生和旱生栽培模式下不同品种空心菜可食部位As含量差异聚类分析

根据可食部位As 含量对空心菜品种进行聚类分析得知（图5），在水生栽培模式下，空心菜可食部位As 含量可分为低积累、较低积累、较高积累和高积累4 个类群；
其中，K16、K22、K24 属于低积累类群，高积累类群为K5、K14、K15、K19、K23、K26。旱生模式下可分为低积累和高积累2 个类群。K24、K27为高积累类群，其余品种均为低积累类群。

图5 2种模式下28个空心菜品种As含量聚类树状图Fig.5 Clustering dendrogram of As content of 28 swamp cabbage varieties under two modes

3.1 不同栽培模式下同一空心菜品种对As和矿质元素的富集特征

土壤重金属生物有效性受土壤含水量、pH 值、氧化还原电位（Eh）、有机质含量、土壤组成结构、微生物和植物根系活动等一系列因素影响。农作物栽培种植方式的改变通过影响土壤重金属有效性，影响农作物对土壤重金属的富集，进而导致农作物的生长发育、品质特征及营养成分等产生变化[15-16]。胡月等[17]研究表明，栽培模式和品种的不同均显著影响寒地水稻的产量以及稻米中蛋白质、氨基酸种类和矿质元素含量。任红等[18]表明，在不同栽培模式下金钗石斛中矿物质元素含量会有所差异。王佛娇等[14]研究发现，不同栽培方式对空心菜总As吸附有较大影响，水生栽培空心菜茎叶总As含量显著高于旱地栽培空心菜茎叶总As 含量。李富荣等[19]研究也表明，土壤Pb、Cd 复合污染下，水作处理下土壤重金属有效性和空心菜可食部位重金属含量均显著高于旱作处理，其主要原因在于土壤水分状况的改变。吴燕玉等[20]通过盆栽试验，研究了旱作和水作对大豆、苜蓿、水稻As、Cd、Pb、Cu、Zn 吸收富集规律，发现旱作吸收量比水作吸收量明显减少，其中As 减少2.5～7.8 倍。相反的研究也有报道，唐明灯等[21]研究表明，生菜地上部及根中Cd含量均随土壤持水量的上升呈下降趋势。王艳红等[13]也发现，在Cd 污染土壤上，水作处理能够显著降低空心菜地上部和根系Cd 含量。不同栽培模式下农作物对土壤重金属富集差异主要受三方面影响，一是栽培方式转变会改变土壤含水量，进而影响土壤不同种类重金属有效性；
二是水作模式下会加剧重金属在土壤中的迁移效率，会提升根系吸收效率；
三是栽培方式转变会影响植物根系结构的形成，影响根系对土壤重金属的吸收效率。

本研究结果也显示，同一空心菜品种在水生和旱生2 种不同栽培模式下对As 和矿质元素富集能力存在明显的差异。在水生模式下Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、As 平均含量分别为1.2 g/kg 和138.4、37.7、10.1、4.5、3.5、3.0 mg/kg，而旱生模式为1.5 g/kg 和176.3、22.7、6.4、1.1、2.7、0.3 mg/kg，以As 的差异最为明显。根据GB 2762—2017 中蔬菜As 的限量阈值，在水生模式下空心菜As 超标率为89.3%，旱生为7.1%。因此，若在As 污染土壤上种植空心菜，推荐选择旱生栽培模式，以降低空心菜As污染风险。

3.2 相同栽培模式下不同品种空心菜对As和矿质元素的富集特征

农作物对矿质元素的吸收富集因品种的不同有所差异。翁城武等[22]研究发现，不同品种蔬菜对11种重金属富集差异很大，其中小白菜、空心菜、芹菜吸收累积效率最高，瓜类次之，韭菜最低。陈永等[23]对郊区蔬菜基地64个蔬菜样品分析时发现，蔬菜对矿质元素和重金属的富集能力规律表现为叶菜类＞根茎类＞茄果类。HU 等[24]也发现，相同栽培条件下菠菜体内Cr、Hg、Cu、Zn含量最高，芹菜中As含量最高，而茄子、黄瓜和辣椒中Cr、As、Hg、Pb 含量都较低。

蔬菜对重金属元素的积累差异不仅体现在不同蔬菜品种之间，还体现在同一蔬菜的不同品种之间[25]。WANG 等[26]采用盆栽试验研究了不同品种叶菜积累重金属规律，结果表明，39 个叶菜品种中可食部位Cd 含量的种内差异均显著高于种间差异。崔星怡等[27]研究表明，空心菜对As的累积效应呈现品种化差异，19 个品种空心菜可食部位中As 含量最高与最低之间相差262 倍。而本研究结果也显示，相同栽培模式下不同品种空心菜对As和矿质元素的富集能力呈现种间差异。

综上，本试验结果表明，在不同栽培模式下，空心菜对As和矿质元素富集呈现差异化特征，具体表现：空心菜可食部位中As 和Fe、Mn、Cu、Zn 含量表现为水生栽培模式高于旱生栽培模式，而Ca、Mg 呈现相反的趋势；
空心菜对As和矿质元素的富集效率存在明显的种间差异，不同空心菜品种对As和矿质元素富集效率在水生和旱生栽培模式下差异较大；
依据聚类分析可得，同一类群空心菜品种因栽培模式的不同对As 的富集效率呈现不一致，表明筛选As 低积累空心菜品种应充分考虑栽培模式这一影响因素；
As 污染土壤上，水生栽培模式下有利于空心菜对As和微量元素富集，旱生栽培模式则有利于中量元素的富集。

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