劉希元 吳春燕 張廣臣 楊璐

摘要 隨著工業(yè)化和城市化的推進，蔬菜也受到不同程度的污染，其中包括重金屬對蔬菜的污染。在前人研究的基礎上，總結了重金屬對蔬菜生長發(fā)育影響的4個方面及富集規(guī)律，從土壤和大氣2個方面歸納重金屬的來源，進而提出4種緩解蔬菜重金屬污染的措施，為更好地治理農田重金屬污染、進一步研究重金屬在蔬菜作物中的分子機理等提供參考。

關鍵詞 蔬菜;重金屬;來源;生理影響;富集規(guī)律

中圖分類號 X53文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）15-0010-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.003

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract With the advancement of industrialization and urbanization，vegetables are also polluted to different degrees，including heavy metal pollution of vegetables.Based on the previous studies，this paper summarized the four aspects of the effects of heavy metals on the growth and development of vegetables and their enrichment，and summarized the sources of heavy metals from soil and atmosphere，and then put forward four measures to alleviate heavy metal pollution in vegetables，in order to provide a reference for better controlling heavy metal pollution in farmland，further studying on the molecular mechanism of heavy metals in vegetable crops and other issues.

Key words Vegetables;Heavy metals;Source;Physiological effects;Enrichment law

基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0801104）;省、市、自治區(qū)科技項目“優(yōu)質紅辣椒集約化育苗與規(guī)范化種植技術示范與推廣”（2017051）。

作者簡介 劉希元（1994—），男，吉林白城人，碩士研究生，研究方向：蔬菜生理生態(tài)及設施園藝。*通信作者，副教授，碩士生導師，從事設施農業(yè)科學與工程研究。

收稿日期 2019-03-12;修回日期 2019-04-16

近年來，土壤重金屬污染問題日益受到人們的關注，重金屬能富集在蔬菜中，影響蔬菜生長發(fā)育，導致其產量和品質降低，最終危害人類健康。據(jù)2014年4月17日環(huán)保部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的 《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，在所有受污染的調查點位中，污染類型以無機型為主，占全部超標點位的82.8%，其中鎘、鎳、砷位居前3位，分別超標7.0%、4.8%、2.7%，此外鉛、汞、銅、鉻、鋅等都有不同程度的超標。與其他土壤污染物相比，重金屬的性質穩(wěn)定，不會被微生物降解，能通過食物鏈進入人體，在人體內不會立即產生危害，但經(jīng)過一段時間的積累會對人體造成慢性損傷。

在各種農產品中，蔬菜含有豐富的維生素和無機鹽，是人們日常飲食的必需品。由于蔬菜生產基地大多數(shù)在城市郊區(qū)選址，這里同時也是工業(yè)“三廢”和城市垃圾處理的集中地點，導致蔬菜中重金屬含量極易超標，蔬菜的生長發(fā)育受到嚴重威脅，品質下降。目前隨著人民生活水平的提高，消費者對無公害蔬菜的需求量也越來越高。筆者綜述了蔬菜重金屬的來源、對蔬菜生長發(fā)育的影響、蔬菜對重金屬的富集規(guī)律以及相關修復措施，旨在為解決蔬菜重金屬污染的更好方法，進一步研究重金屬在蔬菜作物中的分子機理等提供參考。

1 蔬菜重金屬污染的來源

1.1 土壤

土壤重金屬污染主要來源于農田的污水灌溉，塑料薄膜老化分解釋放重金屬離子，有機肥的大量施用。我國是一個水資源相對匱乏的國家，因而城市污水作為一種潛在的可利用水資源在農業(yè)灌溉上廣泛應用，已成為重要水源之一。尤其隨著工業(yè)化的加快，污水灌溉面積也隨之迅速擴大。由于我國污水處理技術較落后，甚至部分污水未經(jīng)處理直接用于灌溉，污水中的重金屬在土壤中逐漸積累，進而影響蔬菜的生長。朱雪超等[1]對保定市污水灌溉區(qū)蔬菜重金屬污染進行評價，結果顯示，10種蔬菜中有5種蔬菜綜合污染指數(shù)為1.0～2.0，屬于輕度污染，其中香菜和大白菜綜合污染指數(shù)較大，重金屬元素中以鎘污染程度最嚴重，超標75%[1]。

隨著設施農業(yè)的興起，大棚蔬菜種植面積不斷提高，塑料薄膜的使用也隨之增多。農田塑料薄膜在塑料加工過程中采用的熱穩(wěn)定劑均是鎘、鉛化合物，加之這種塑料薄膜穩(wěn)定性差， 使用年限久，在此過程中，在自然因素和人為因素的共同作用下，加速薄膜的老化分解， 通過土壤富集于蔬菜，導致人食用后危害身體健康[2]。

有機肥中重金屬超標現(xiàn)象較普遍。黃紹文等[3]對全國20個省市126份商品有機肥樣品的重金屬含量進行測定，結果表明各種有機肥中，以鎘、鉛、鉻和砷超標為主，鎘的超標率最高，達20.0%。程旭艷等[4]測定了我國10個地區(qū)118份有機肥樣品的重金屬含量，按照我國重金屬限量標準進行對比，鎘、鉻、砷、鉛的超標率分別為3.39%、4.24%、13.56%、0.85%。

1.2 大氣

工礦活動、交通運輸?shù)扰湃氪髿庵械闹亟饘僖环矫婵赏ㄟ^沉降進入土壤，造成土壤重金屬污染，另一方面蔬菜也可以通過葉片從空氣中吸收重金屬元素。倪瑋怡[5]對上海市寶山鋼鐵廠、吳涇化工廠附近的蔬菜生產基地的樣品進行采樣，結果表明除銅和砷外，青菜和杭白菜可食用部分重金屬均有不同程度地超出國家食品安全標準值。汽車尾氣中的污染元素主要是鉛，鉛能抑制植物某些酶的活性，從而影響光合作用、呼吸作用等生理過程。詹鳳平等[6]對G209國道鳳凰縣小溪橋路段兩側35 m以內的蔬菜進行鉛含量的測定，發(fā)現(xiàn)其鉛含量超出國家食品衛(wèi)生標準，且比對照區(qū)蔬菜鉛含量高2.9～17.1倍。

2 重金屬對蔬菜生長發(fā)育的影響

2.1 影響蔬菜生長

當重金屬含量超過蔬菜的最大忍耐劑量時，蔬菜生長受到明顯的抑制。姜蒙[7]研究了不同Cd6+濃度下辣椒幼苗的生長狀況，結果表明0.20 g/kg及以上處理的幼苗直接死亡，0.01和0.05 g/kg濃度下辣椒生長旺盛，0001和0.10 g/kg濃度下辣椒長勢與對照組基本一致，說明一定濃度的重金屬會促進辣椒的生長，當超出限值時，對辣椒造成損害甚至死亡。不同重金屬種類對蔬菜的毒害作用不同，鎘處理下小白菜葉片出現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象，并未出現(xiàn)萎蔫情況，而鉛處理下小白菜的葉片形態(tài)與鎘處理相反[8]。

2.2 影響光合作用

重金屬主要從破壞葉綠素的結構、使光合色素含量下降以及降低光合作用相關酶活性3個方面影響光合速率。重金屬通過使葉綠體膨大、類囊體排列順序改變從而破壞葉綠體膜系統(tǒng)。劉傳娟[9]測定了鎘對7種蔬菜葉綠素的影響，隨著鎘濃度的變化，綠葉素含量也隨之發(fā)生變化，其中10.0 mg/L濃度下，小白菜、豇豆的葉綠素含量分別比對照組低35.30 %、58.70%。Mobin等[10]研究發(fā)現(xiàn)鎘會抑制葉綠素和胡蘿卜素的合成。鉛與鎂、鋅等性質相似，容易取代鎂、鋅從而抑制與葉綠素合成相關酶的活性，如Rubisco酶在卡爾文循環(huán)中起到固定二氧化碳的作用，而鉛能降低Rubisco酶活性從而影響光合作用[11]。

2.3 影響抗氧化酶系統(tǒng)

自由基是植物體正常代謝產物，過量的重金屬會導致自由基在植物體內大量積累，擾亂植物生理代謝過程。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等構成了保護酶系統(tǒng)。經(jīng)過大量試驗證明，受到重金屬脅迫時，SOD、POD、CAT活性總體表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。但這3種酶對重金屬的敏感度不同，韓承華[12]研究發(fā)現(xiàn)豆瓣菜中SOD和POD活性最大時鉛濃度為150 mg/L，CAT活性最大時鉛濃度為200 mg/L。隨著鉛濃度繼續(xù)增加，3種抗氧化酶活性均顯著下降[12]。

2.4 影響蔬菜根系微生物活力

土壤微生物具有降解、轉化環(huán)境污染的能力，但重金屬會抑制土壤微生物群落的分布、活性甚至改變生物的遺傳特性，從而影響土壤功能。這也與土壤類型、重金屬濃度、種類有關[13]。張涪平等[14]研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤重金屬含量的增加，土壤微生物量C、N和P、可礦化N均逐漸降低，礦區(qū)中心污染土壤微生物生物量碳降低至對照土壤的72%。梁伊等[15]用鎘+清水處理小白菜、蘿卜和辣椒的根系土壤，通過對土壤PLFA主成分分析發(fā)現(xiàn)，微生物群落結構總變異率為67.82 %，尤其對蘿卜根際土壤微生物群落結構影響最大。

3 蔬菜重金屬富集規(guī)律

不同種類蔬菜對不同重金屬的富集能力有差異。研究表明，重金屬在蔬菜中的含量由高到低依次為葉菜類、根莖類、瓜果類。鎘、銅、鋅、鉛是常見的重金屬元素，楊夢昕等[16]研究發(fā)現(xiàn)，鎘在3類蔬菜中富集系數(shù)與鋅、銅相當，鉛在3類蔬菜中富集系數(shù)最低，說明在土壤-蔬菜系統(tǒng)中，鎘、鋅、銅的移動性大于鉛。賈麗等[17]對大蒜、菠菜、萵苣、大蔥、馬鈴薯、黃瓜這6種蔬菜的重金屬富集能力進行分析，發(fā)現(xiàn)菠菜和馬鈴薯富集系數(shù)較大，黃瓜最不容易積累重金屬。蔬菜對各重金屬元素吸收表現(xiàn)為鋅>鎘>鉛>銅>鉻。

同種蔬菜的不同品種對重金屬的富集能力有所不同。研究不同品種蔬菜對重金屬的積累吸收差異有助于從中篩選出低積累品種。井彩巧[18]將38份大白菜品種種植在含鎘、鉛的土壤中，進行品種對比試驗，結果表明，豐源2號對鎘、鉛的吸收量分別為0.0487、0.0273 mg/kg，而裕日強力對鎘、鉛的吸收量分別為0.038 7、0.059 0 mg/kg，38種白菜經(jīng)過差異顯著性分析可以劃分為高富集品種類群和低富集品種類群。狄廣娟[19]對4個水芹品種進行試驗，發(fā)現(xiàn)水芹易受鎘的污染，其中無錫水芹鎘積累、富集系數(shù)最大，揚州白芹最小。

蔬菜的不同器官對重金屬的富集量也有差異，總體而言，蔬菜地下部分重金屬含量高于地上部分，因為重金屬主要存在土壤中，蔬菜先通過根系吸收營養(yǎng)物質，故重金屬先在根部積累，再運往地上部。吳琦等[20]研究了2種土壤條件下蕹菜對鉛和鎘的累積特征，發(fā)現(xiàn)蕹菜莖中的累積量顯著高于葉，其中莖中的鉛平均含量分別是葉的3.86、2.02倍，鎘平均含量分別是葉的3.58、4.73倍。李海華等[21]對馬鈴薯、蘿卜、大白菜、番茄、茄子5種蔬菜各個器官鎘的積累量進行測量，結果表明根中含鎘最高的是馬鈴薯、番茄、大白菜，然后依次為莖、綠葉、塊莖、果實等器官。蘿卜和茄子莖和綠葉中鎘含量最高，其次是根。

4 農田重金屬污染修復措施及修復實例

2017年7月，全國人大常委會首次審議的《土壤污染防治法（草案）》明確指出，須對污染農田土壤進行風險評估和修復治理示范。治理農田重金屬污染從根本上而言，需要人們提高意識，必須從源頭上斷絕重金屬流入農田。從原理而言，概括為兩方面：一是改變重金屬在土壤中的存在形式或者與土壤相結合方式，二是將重金屬與土壤分離。實際上農田重金屬污染的修復十分具有挑戰(zhàn)性，因為一般情況是由2種或2種以上的重金屬復合污染，它們之間可能存在協(xié)同作用以及對生態(tài)效應的綜合影響。治理大面積的農田重金屬污染往往需要多種措施共同實施，以安徽省阜陽市臨泉縣耕地為例，該地區(qū)共有130.27 hm2不同程度受污染的農田和4 980 m3重污染河道淤泥，經(jīng)過多次試驗論證，最終選定“農田鈍化+農藝調節(jié)+固化穩(wěn)定化+河道生態(tài)治理”的修復技術路線。

4.1 農田重金屬污染修復措施

近年來，我國農田重金屬污染修復措施不斷完善，可以歸納為物理修復、化學修復、生物修復和農業(yè)生態(tài)修復四大類。較成熟的物理修復方法有客土、深耕翻土、熱解吸、電動修復、玻璃化技術等。此類方法雖實施簡便，周期短，但工程量大，成本高[22]。

使用較成熟的化學修復有化學淋洗、鈍化技術。其中鈍化技術成本低，操作簡便，能使重金屬向低毒形態(tài)轉化，是當前治理我國重金屬污染農田較好的方法之一[23]。鈍化劑主要包括黏土礦物、含磷物質、有機物質等[24]。黃雅曦等[25]研究了沸石和草炭對重金屬離子的吸附特性，結果表明，隨著重金屬濃度的增加，鈍化劑對重金屬離子的吸附量越多。殷飛等[26]用鋼渣、木炭、磷礦粉和坡縷石4種鈍化劑對土壤重金屬的生物有效性進行轉化，結果表明20%的添加濃度下，能使土壤中鉛、鎘、銅、鋅、砷5種重金屬生物有效性降低。

較成熟的生物修復方法主要包括植物修復和微生物修復，其中植物修復是一種新興高效、綠色廉價的修復途徑。佟秀春等[27]的盆栽試驗結果表明，龍葵對于鎘和鉛具有超富集作用。喬云蕾[28]研究發(fā)現(xiàn)黑麥草對高濃度鎘污染土壤具有較強的富集作用。劉冉等[29]以淡水養(yǎng)殖基地為試驗地點，發(fā)現(xiàn)混生的美人蕉、鳶尾、蘆葦和再力花對不同元素富集具有明顯的互補性，混合種植能夠對污水進行修復。但植物修復技術仍存在缺點，如有些富集植物只有在適宜的環(huán)境條件下才能生長，必須進行品種的改良[30]，因此植物修復技術研究的重心逐漸由發(fā)現(xiàn)和篩選超富集植物向提高其修復效率轉變[31]。金羽等[32]研究了耐鉛產堿菌（Alcaligenes sp.）聯(lián)合蜈蚣草對鉛污染土壤的修復，結果發(fā)現(xiàn)，在土壤中鉛含量為600 mg/kg時，接種組（蜈蚣草+菌液）對鉛的吸收較對照組（蜈蚣草+無菌水）提高93.4 %，接種組蜈蚣草葉綠素含量比對照組蜈蚣草葉綠素含量少下降0.16 mg/kg，且接種組的下降趨勢也較平緩，接種耐鉛產堿菌能夠明顯降低鉛對土壤過氧化氫酶、磷酸酶及轉化酶活性的影響。

農業(yè)生態(tài)修復主要是合理施用肥料和選擇適宜的種植模式。生俊丹[33]以岷江下游普遍種植的4種種植模式為研究對象，4種模式土壤中的鉛、鋅、鎘污染均有一定程度的降低，且不同模式作物組成的不同也影響重金屬變化特征，其中以模式M1（玉米+生姜-小白菜，“+”表示間作，“-”表示輪作）中鎘降幅最大為39.72 %，模式M4（生姜-蔥-萵筍）中鉛降幅最大為33.94%。魯洪娟[34]研究發(fā)現(xiàn)適量有機肥與化肥配合施用能防止微量元素銅的虧缺，同時又不會對蔬菜重金屬積累產生顯著影響，是一種可持續(xù)發(fā)展的有效措施。

4.2 農田重金屬污染修復實例

廣東省粵北某鎮(zhèn)，由于是電子垃圾處理集中地，當?shù)剞r田受銅、鎘、砷等重金屬的嚴重污染，經(jīng)過分析后采用表層土壤淋洗、深耕翻土、植物修復、鈍化處理等技術聯(lián)合治理，目前產出的蔬菜已經(jīng)符合國家食品安全衛(wèi)生標準[35]。在加拿大的Sudbury市，受當?shù)毓さV活動的影響，30 hm2的土壤受到重金屬污染，通過添加生石灰和有機肥使該地區(qū)植被得以恢復[36]。位于西班牙Guadiamar河附近的一塊污染土壤，Madejón等[37]進行了6年的生物固體堆肥、風化褐煤和糖酸鹽等改良劑的大田試驗，發(fā)現(xiàn)其中一些改良劑可顯著降低土壤中重金屬生物活性。

5 小結與展望

重金屬對蔬菜作物的生理生化反應及相關酶活性等都有影響，但不是僅有抑制作用，一般在低濃度時有促進作用，濃度升高才逐漸顯現(xiàn)出抑制作用，如葉綠素含量、根際微生物活性、抗氧化酶的活性等。蔬菜作物種類繁多、品種各異，不同作物對重金屬的吸收和積累在種間和品種間均存在顯著差異，不同離子間可能存在協(xié)同作用或拮抗作用。因此，要想準確地測定重金屬對蔬菜作物各方面影響的臨界值，還需進一步系統(tǒng)研究。目前關于蔬菜重金屬吸收和富集規(guī)律的研究雖然取得了一定的進展，但至今對其生理和分子機制仍處于探索階段，還需要在分子層面進一步研究。

治理蔬菜重金屬污染是一項復雜的工作，需要考慮多方面的因素。如土壤雖然是蔬菜吸收重金屬的主要來源之一，但兩者之間無顯著相關關系，蔬菜從土壤中吸收重金屬還取決于其他因素，如土壤重金屬的生物有效性，植物生長狀況，重金屬在植物體內的分配和植物吸收重金屬的基因型差異等。目前蔬菜重金屬污染主要來源于人類活動，而人類活動是可以自我控制的。人們想要獲得更高品質的蔬菜，需要考慮方方面面的細節(jié)，如在菜地的選址上，根據(jù)以往人們的經(jīng)驗盡量遠離公路兩側，而實際上從公路上飄浮出來的粉塵并不是由近及遠濃度逐漸減小的[38]。此外，執(zhí)行嚴格污水處理制度，及時清除殘留在土壤中的薄膜;科學合理地施用肥料及農藥等這些常規(guī)措施，都有值得進一步考慮的細節(jié)。在未來，如何在合理利用污水/污泥/垃圾等廢棄物的同時，有效降低其環(huán)境風險，是農業(yè)環(huán)境保護研究領域的重要課題。

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