摘要 [目的] 研究北京城郊土壤中Cd對小白菜的毒性，并探究其影響因素，為北京城郊土壤中Cd污染生態(tài)風險評價提供一定的科學依據。[方法] 采集了北京城郊6個區(qū)縣的土壤樣品，外源添加不同濃度鎘（Cd）后，通過盆栽試驗研究了不同采樣點土壤Cd對小白菜的毒性及其影響因素。[結果] 當土壤Cd添加濃度在0～12 mg/kg范圍內變化時，小白菜均能正常生長，地上部生物量隨土壤Cd濃度變化無規(guī)律。6個采樣點小白菜地上部Cd含量與土壤總Cd及有效態(tài)Cd濃度均呈0.05水平顯著的線性相關性，但土壤之間小白菜地上部Cd含量與總Cd的線性方程的斜率變化倍數（2.24）要大于有效態(tài)的斜率變化（1.34），且所有處理（n=36）中土壤有效態(tài)Cd濃度與小白菜地上部Cd含量的相關關系 （R2=0.86，Plt;0.001）優(yōu)于土壤總Cd （R2=0.81，Plt;0.001）。[結論]土壤有機質和CEC是北京城郊土壤Cd毒性的主要影響因素。利用DTPA提取的有效態(tài)Cd能更好地表示不同理化性質土壤中Cd的毒性。

關鍵詞 土壤;鎘;小白菜

中圖分類號 S156 "文獻標識碼 A "文章編號 0517-6611（2014）32-11307-04

Cd Toxicity to Chinese Cabbage and Its Influencing Factors in Suburban Soil of Beijing

GAO Weiming，WANG Xuedong*，CHEN Xiaolin et al

（Key Lab of Resources Environment and GIS，College of Resources Environment and Tourism， Capital Normal University， Beijing 100048）

Abstract [Objective] Cd toxicity to Chinese cabbage and its influencing factors in suburban soil of Beijing were studied aiming to provide certain scientific basis for ecological risk evaluation of Cd pollution in this area. [Method] Soil samples from six districts of Beijing suburban were collected to investigate Cd toxicity to Chinese cabbage and its influencing factors by pot experiment. [Result] Chinese cabbage could grow normally with the increase of Cd concentration from 0 mg/kg to 12 mg/kg， and their aboveground biomass also didn’t change significantly. It was found that there were significant linear relationship between Cd content in aerial part and soil total Cd and available Cd concentration at each sampling point， but the slopes of the former （2.24） was greater than that of the latter （1.34）. The correlation between Cd content in aerial part of Chinese cabbage and the available Cd （R2=0.86， P lt;0.001） appeared more significantly than the concentration of total Cd（R2 = 0.81， Plt;0.001） when all treatments （n=36） were taken into consideration. [Conclusion] The soil organic matter and CEC were the main factors influencing the Cd toxicity. The available Cd using DTPA could better represent the toxicity of Cd in soil that had different physical and chemical properties.

Key words Soil; Cd; Chinese cabbage

鎘（Cd）是自然環(huán)境中典型的污染物質之一，其在環(huán)境中的持久性、劇毒性和生物積累能力極強[1-2]。進入植物體內的Cd會通過食物鏈逐漸在人體內蓄積，并對健康構成危害。國際癌癥研究署已將Cd列為第一類致癌物質[3]。2014年4月中國環(huán)境保護部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤總的點位超標率為16.1%，其中Cd超標率最高為7.0%[4]。土壤Cd污染形勢不容樂觀[5]。土壤中Cd污染的加劇會增加農產品中Cd含量及其食品暴露風險，全國有不少地區(qū)已發(fā)展到生產“鎘米”的程度[6]。研究人員對全國6個地區(qū)（華東、東北、華中、西南、華南和華北）市場上大米樣品的采購分析結果表明，10%左右的市售大米Cd含量超標[7]。由此可知，土壤Cd污染已給生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來極大的風險。所以，對Cd污染土壤的防控和風險評價顯得尤為重要。

植物作為土壤最直接的物質和能源輸出對象，其生理代謝和生命活動在很大程度上反映土壤的生態(tài)功能[8]，因此在近年監(jiān)測和評價土壤重金屬污染過程的研究中，常常優(yōu)先選擇植物作為評價對象。小白菜是典型的葉類蔬菜，在我國南北方得到廣泛種植，且大量的植物篩選和物種敏感性研究表明小白菜對鎘具有較強的敏感性[9]。因此，筆者選用小白菜作為研究對象。

北京城郊是北京重要的農業(yè)和蔬菜生產基地。該區(qū)域土地資源極度匱乏，且土地多被過度利用，一些不合理的耕作措施正加劇土壤重金屬污染。鄭袁明等[10]對北京市不同利用類型土地進行調查分析，發(fā)現菜地、稻田和果園的Cd含量顯著高于背景值，并且有逐年積累的趨勢。因此，對北京城郊土壤Cd污染的風險評價和預防控制迫在眉睫。筆者研究了北京城郊土壤中Cd對小白菜的毒性，并且探究其影響因素，以期能為北京城郊土壤中Cd污染生態(tài)風險評價提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤。

北京城郊土壤以潮土和褐土為主。經調查分析，將采樣點定在環(huán)北京城區(qū)的6個區(qū)縣，所采集土樣較全面地代表了北京地區(qū)各種土壤類型[11]。取樣時，采集農田表層（0～20 cm）土壤，土樣經自然風干后，揀去枯枝、敗葉等雜物，過2 mm篩，備用。土壤理化性質見表1。

1.1.2 供試植物。

供試植物為北京周邊廣泛種植的蔬菜作物小白菜（Brassica chinensis）。供試小白菜種子購自中國農業(yè)科學研究院，商品名為四月慢。

1.2 土壤樣品處理

土壤外源添加6個Cd濃度，分別為0、1、2、4、8、12 mg/kg（以Cd計）。供試藥品Cd（NO3）2為分析純。將Cd（NO3）2制備成溶液后，與土壤混合均勻后平衡3個月，以供植物培養(yǎng)。為保證小白菜的正常生長，向每500 g平衡后的土壤中添加尿素0.25 g、磷酸二氫鉀0.10 g、硫酸鉀0.30 g，開展盆栽試驗。每個濃度處理設3次重復。

表1 供試土壤的基本理化性質

采樣地點土壤類型pH最大持水量∥%有機質∥g/kgCEC

∥cmol/kgMg∥mg/kgAl∥mg/kgFe∥mg/kg

豐臺潮土7.6850.57.64a5.35a9.7ab53.6b22.9b

大興潮土7.4252.49.24b7.40ab10.9ab55.8b25.5b

通州潮土7.3351.911.17c9.78b12.7a60.4ab27.8ab

昌平褐土7.4949.69.52b7.53ab9.7ab58.5ab27.2ab

懷柔褐土7.3448.97.81a7.45ab8.6b59.4ab24.2b

平谷褐土7.3250.78.03a7.28ab10.4ab66.9a31.1a

注：同列不同字母表示處理間在0.05水平差異顯著。

1.3 植物毒性試驗

小白菜種子經濃度5%雙氧水消毒后用蒸餾水沖洗干凈，置于墊有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿上，在28 ℃黑暗條件下催芽30 h，然后選擇2 mm左右長胚芽的種子均勻播撒在苗床上，并且置于人工氣候箱內。7 d左右，待植株長到2～3片真葉時，選擇健康茁壯、體型相似的植株移栽至裝有不同Cd添加處理土樣的塑料培養(yǎng)盆（直徑12 cm，深10 cm），每盆3株。將培養(yǎng)盆置于人工氣候箱內，設標準試驗條件：溫度（22±1℃），濕度（60±1）%，光照為1 333 lx（間歇光照，即白天12 h，夜晚12 h）。每隔2 d稱重，并用去離子水澆灌，維持土壤濕度在田間持水量的50%。在培育期間持續(xù)觀察植株生長情況，待植株長到6～7片真葉時收獲。將收獲的植物樣品用蒸餾水清洗干凈，晾干水分后將地上部和地下部分離后稱重，2個部分之和記為植株總質量，然后在105 ℃殺青60 min后70 ℃下烘干至恒重，稱干重。烘干后樣品磨細，過40目篩以備植物體內Cd含量的測定。

1.4 樣品分析測試

土壤pH在5∶1水土比條件下采用酸度計測定（DELTA 320）;土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定;土壤陽離子交換量（CEC）

采用氯化鋇緩沖液法測定;土壤最大持水量采用比重法測定。

土壤總Cd以及Mg、Al、Fe等用HNO3HFHClO4消解，有效態(tài)鎘用0.005 mol/L DTPA+0.01 mol/L CaCl2+0.1 mol/L TEA浸提[12]。土壤Mg、Al、Fe、總Cd、有效態(tài)Cd以及植物中Cd含量的測定采用ICPOES（Varian 720ES，美國），同時采用國家標準參考物（GBW07403（GSS3））進行分析質量控制。

1.5 數據處理

數據統(tǒng)計和處理采用SPSS16.0統(tǒng)計軟件，繪圖采用Origin8.5。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質及Cd含量

由表1可知，樣品的pH范圍為7.32～7.68，相互之間差異性不顯著（Plt;0.05）。土壤有機質含量的變化范圍在7.64～11.17 g/kg，CEC的變化范圍在5.35～9.78 cmol/kg，兩者含量最多的均為通州土壤，最少的為豐臺土壤。由于取樣范圍相對較小，僅豐臺土壤和通州土壤在有機質含量和CEC兩項理化性質上呈顯著性差異（Plt;0.05），其他土壤各性質介于二者之間，差異不明顯。

以6個Cd濃度添加處理后測得土壤的總Cd含量的變化范圍在1.50～13.92 mg/kg之間，有效態(tài)Cd的變化范圍在0.11～7.41 mg/kg之間，土壤有效態(tài)Cd隨總Cd含量的增加而增加，兩者呈極顯著正相關關系（R2=0.98，Plt;0.05）（圖1）。土壤有效態(tài)Cd占總Cd的比例隨著土壤總Cd濃度的升高而升高，由最低5.2%增加到43.9%。

圖1 土壤總Cd與土壤有效態(tài)Cd的關系

2.2 土壤Cd添加量與小白菜生物量的關系

在不同濃度梯度Cd脅迫下，小白菜植株在外觀形態(tài)上并無明顯差異，更沒有表現出明顯的毒害癥狀。由圖2可知，在植株收獲后，小白菜地上部生物量（鮮重）也沒有顯著的變化。未添加Cd處理土樣小白菜地上部生物量鮮重平均值為6.35 g/株，濃度最高時生物量平均值為5.68 g/株，減少量約為對照組的10.5%，最高濃度與最低濃度之間生物量差異不顯著（Plt;0.05）。各土壤上小白菜干重變化趨勢與鮮重一致。王朝暉[13]對

圖2 不同土壤Cd添加濃度下小白菜地上部生物量的變化（n=6）

華中地區(qū)9種土壤進行植物毒性試驗時也發(fā)現這一現象。當土壤中Cd濃度添加到10 mg/kg時，小白菜體內Cd含量達到197 mg/kg，但植株生物量沒有明顯的變化。孫光聞[14]研究發(fā)現，小白菜生長在中度和重度Cd污染的土壤中，其地上部生長狀態(tài)、生物量沒有發(fā)生明顯的變化。

2.3 土壤總Cd含量與小白菜地上部Cd含量的關系

由圖3可知，隨著土壤Cd含量的增加，各采樣點土壤栽植的小白菜地上部Cd含量也顯著增加，兩者之間呈顯著的線性關系。但是，不同采樣點土壤的小白菜地上部Cd含量的增加幅度隨土壤總Cd含量的增加表現出很大的差異性，通州土壤上小白菜Cd含量增加的幅度最小，線性方程（R2=0.96，Plt;0.001）的斜率最?。?.21），而豐臺土壤的小白菜對Cd的吸收量增加的幅度最大，擬合方程（R2=0.97，Plt;0.001）斜率最高（0.47），斜率變化達到2.24倍。小白菜對Cd吸收能力的差異可能與土壤的理化性質有關。研究表明，土壤有機質和CEC能夠降低重金屬的活性，從而影響植物對其吸收能力[15];有機質能夠與重金屬直接形成絡合物，使其吸附在土壤表面或存留于土壤溶液中，從而影響重金屬的遷移轉化過程[16];而CEC的增加能增加土壤對Cd的吸附量[17-18]。研究中通州土壤有機質和CEC較其他土壤都高，通州土壤中加入的Cd元素活性受有機質和CEC的影響而降低，所以小白菜對Cd吸收量增加的幅度最小，而豐臺則恰好相反。

對6個采樣點所有處理（n=36）小白菜地上部Cd含量與土壤總Cd含量進行相關性分析（R2=0.81，Plt;0.001），并且運用逐步線性回歸方法，在擬合過程中逐步加入土壤有機質和CEC的影響，結果表明增加有機質的影響后擬合方程的相關性達到0.85（Plt;0.001），繼續(xù)考慮CEC的影響，相關性增加到0.87（Plt;0.001），而加入Mg、Al、Fe之后，方程的相關性沒有明顯的提高。

圖3 不同采樣點土壤中總Cd含量與小白菜地上部Cd含量的關系

2.4 土壤有效態(tài)Cd含量與小白菜地上部Cd含量的關系

由圖4可知，6個采樣點不同Cd濃度處理的土壤中有效態(tài)Cd含量與小白菜地上部Cd含量呈現出顯著的線性相關關系，且6個采樣點土壤中二者的相關系數均在0.98（Plt;0.001）以上。6個采樣點擬合方程的斜率變化范圍在0.52～0.70之間，變化倍數約1.34，明顯低于總Cd的變化范圍（2.24）。這是因為利用DTPA等作為提取劑提取出土壤有效態(tài)Cd后，排除了理化性質、土壤環(huán)境條件等對Cd毒性的干擾。

進一步分析6個采樣點所有處理土樣（n=36）中有效態(tài)Cd含量與小白菜地上部Cd含量的關系，二者所呈現的線性相關性（R2=0.86，Plt;0.001）要優(yōu)于土壤總Cd與小白菜Cd含量的關系（R2=0.81，Plt;0.001）。袁波等[19]對菜地土壤Pb、Cd有效態(tài)與生物有效性的研究表明，重金屬有效態(tài)含量與小白菜可食部分Pb、Cd含量相關性顯著，優(yōu)于重金屬總量。這說明化學提取法提取的有效態(tài)Cd比土壤中總Cd更能反映其生物毒性。

圖4 不同采樣點土壤中有效態(tài)Cd含量與小白菜地上部Cd含量的關系

42卷32期 " " " " " " " "高偉明等 北京市城郊土壤鎘對小白菜的毒性及其影響因素

3 討論

土壤理化性質如pH、有機質、CEC以及Mg、Al、Fe含量都有可能影響重金屬的生物毒性。選取的北京市城郊6個取樣點土壤中，土壤理化性質如有機質含量和CEC等在某幾個取樣點土壤中差異明顯，且這些因素影響小白菜對Cd的吸收，例如在有機質含量和CEC較高的通州土壤中，Cd的吸收速率較低，反之在有機質含量和CEC較低的豐臺土壤中，小白菜對Cd的吸收速率較高。李波[20]用有代表性的我國17種土壤樣本，研究外源添加Cu、Ni對植物的毒害時發(fā)現，土壤pH、有機質含量和CEC是控制Cu、Ni毒性的關鍵因素。華珞等[21]在對鎘、鋅污染土壤進行改良時發(fā)現，向土壤中加入有機質后，土壤中水溶態(tài)和交換態(tài)鎘明顯減少，有機結合態(tài)Cd明顯增加。以有效態(tài)Cd含量表述小白菜所受毒害效應時，6個采樣點土壤上小白菜對Cd的吸收速率極為相似，擬合方程斜率的變化范圍僅1.34倍，遠小于以總Cd表述的變化范圍2.24倍。這也進一步說明土壤理化性質影響了Cd的植物毒性。研究中，部分土壤在有機質含量和CEC上差異顯著。這對Cd毒性產生明顯的影響。由于該研究針對北京城郊土壤展開，取樣范圍相對較小，造成所取土壤樣品在諸如pH、Fe、Mg等理化性質上沒有表現出明顯的差異。

所有采樣點土壤上對照小白菜Cd含量在0.09～0.14 mg/kg之間，低于食品安全限值（0.2 mg/kg），說明各取樣點土壤重金屬含量尚屬安全范圍。隨著Cd添加濃度的增加，小白菜地上部Cd吸收量顯著增加。按照GB27262005規(guī)定的葉菜類蔬菜中Cd最高允許限量標準，推算各采樣點土壤Cd含量的閾值，豐臺、大興、通州、昌平、懷柔、平臺對應土壤總Cd濃度分別為2.8、2.1、2.0、1.8、1.9、1.2 mg/kg。與我國現行土壤環(huán)境質量標準相比，該研究結果偏高，但以往的研究中同樣得出高于環(huán)境標準的閾值結果，如葉宗嗣[22]提供的上海市農用土壤中Cd的臨界濃度為2.0 mg/kg;李志博等[23]在稻田土壤Cd濃度限值的研究中發(fā)現，當pH從5.0變化到8.0時，Cd濃度限值變化范圍為0.42～2.81 mg/kg。盡管這些研究結果高于我國現行土壤環(huán)境質量標準，但接近世界各國土壤Cd含量環(huán)境質量標準（1～5 mg/kg）[24-25]，表明我國土壤Cd限量標準較嚴格，今后可以根據不同土壤類型采用不同的標準。

參考文獻

[1] SIMON L.Cadmium accumulation and distribution in sunflower plant[J].Journal of Plant Nutrition，1998，21（2）：341-352.

[2] MORENOCASELLES J，MORAL R，PEREZESPINOSA A，et al.Cadmium accumulation and distribution in cucumber plant[J].Journal of Plant Nutrition，2000，23（2）：243-250.

[3] SATARUG S，BAKER J R，URBENJAPOL S，et al.Global perspective on cadmium and toxicity in nonoccupationally exposed population[J].Toxicoligy Letters，2003，137：65-83.

[4] 中華人民共和國國土資源部網站.環(huán)保部國土部發(fā)布全國土壤污染狀況調查公報[EB/OL].（2014-04-18）.http：//www.mlr.gov.cn/xwdt/mtsy/zgzfw/201404/t20140418_1313092.htm.

[5] 國家環(huán)境保護總局.中東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境現狀調查報告[J].環(huán)境保護，2003（8）：3-8.

[6] 趙中秋，朱永官，蔡運龍.鎘在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移轉化及其影響因素[J].生態(tài)環(huán)境，2005，14（2）：282-286.

[7] 甄燕紅，成顏君，潘根興，等.中國部分市售大米中Cd、Zn、Se的含量及其食物安全評價[J].安全與環(huán)境學報，2008，8（1）：119-122.

[8] CORTET J，GOMOTDE VAUFLERY A，POINSOTBALAGUER N，et al.The use of invertebrate soil fauna in monitoring pollutant effects[J].European Journal of Soil Biology，1999，35（3）：115-134.

[9] 郭海濤.不同蔬菜吸收積累鎘的差異研究[D].北京：首都師范大學，2009.

[10] 鄭袁明，羅金發(fā)，陳同斌，等.北京市不同土地利用類型的土壤鎘含量特征[J].地理研究，2005，24（4）：542-548.

[11] 北京市土壤類型分布統(tǒng)計數據[R].全國土壤第二次普查，1978-1979.

[12] 徐亞平，劉鳳枝，蔡彥明，等.土壤中鉛鎘有效態(tài)提取劑的選擇[J].監(jiān)測分析，2005（4）：46-48.

[13] 王朝暉.小白菜對土壤鎘污染的反應及其與土壤性質關系[D].武漢：華中農業(yè)大學，2004.

[14] 孫光聞.不同濃度Cd對小白菜生長及抗氧化系統(tǒng)的影響[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2004，23（5）：877-880.

[15] 夏月，朱永官.硝化作用作為生態(tài)毒性指標評價土壤重金屬污染生態(tài)風險[J].生態(tài)毒理學報，2007，2（3）：273-279.

[16] 陳懷滿.影響土壤吸附的有關因子[J].土壤，1988，20（30）：131-136.

[17] BROOS K，MERTENS J，SMOLDERS E.Toxicity of heavy metals in soil assessed with various soil microbial and plant growth assays[J].A Comparative Study Environment Toxicology Chemistry，2005，24（3）：634-640.

[18] 李宗利，薛澄澤.污灌土壤中Pb、Cd形態(tài)的研究[J].農業(yè)環(huán)境保護，1994，13（4）：152-157.

[19] 袁波，傅瓦利，藍家程，等.菜地土壤鉛、鎘有效態(tài)與生物有效性研究[J].水土保持學報，2011，25（5）：130-134.

[20] 李波.外源重金屬銅、鎳的植物毒害及預測模型研究[D].北京：中國農業(yè)科學院，2010.

[21] 華珞，陳世寶，白玲玉，等.有機肥對鎘鋅污染土壤的改良效應[J].農業(yè)環(huán)境保護，1998，17（2）：55-59.

[22] 葉宗嗣.土壤環(huán)境背景值在容量計算和環(huán)境質量評價中的應用[J].中國環(huán)境監(jiān)測，1993，9（3）：52-53.

[23] 李志博，駱永明，宋靜，等.基于稻米攝入風險的稻田土壤鎘臨界值研究[J].土壤學報，2008，45（1）：76-81.

[24] WILLIAMS P N，LEI M，SUN G，et al.Occurrence and partitioning of cadmium，arsenic and lead in mine impacted paddy rice：Hunan，China[J].Environment Science Technology，2009，43（3）：637-642.

[25] 童潛明.土壤和稻米鎘含量標準質疑[J].國土資源導刊，2010，11（2）：95.