绿洲土壤是西北干旱地区的主要耕作土壤，具有pH高、有机质贫乏等特点，且在干旱区特有的气候条件、地理环境条件及人为影响等因素的共同作用，致使不同区域绿洲土壤的理化性质具有较强的空间分异现象^{[1, 2, 3]}，其中，重金属元素的迁移转化和生物富集为外界关注的焦点问题^{[4, 5, 6, 7]}. 有研究表明，随着工业活动的开展，绿洲土壤已出现不同程度的重金属污染^{[8, 9, 10]}，研究内容主要集中在Cd、Pb、Cu、Cr、Ni等元素^{[11, 12, 13, 14, 15, 16]}，且有结论证实，复合重金属污染较单一污染更复杂，更难监测和治理^{[17, 18, 19, 20]}. 据不完全统计，甘肃拥有铅锌矿1122.49万t^[21]，位居全国第三，开采、冶炼在带来巨大经济效益的同时，也带来了不容忽视的环境风险. 目前，Pb、Zn复合污染对土壤-植物系统影响的研究较少^{[22, 23]}，对干旱区绿洲土的相关研究更是缺乏.

为更好、更快地体现出Pb、Zn复合污染对于蔬菜的影响，经过多次筛选，最终选取市场需求量最大的叶菜类蔬菜——油菜(Brassica campestris L.)为供试材料，以未污染的干旱区绿洲土为供试土壤. 通过盆栽试验研究油菜在Pb、Zn复合污染情况下对重金属的吸收累积及土壤重金属的形态变化，进而填补该区域Pb-Zn复合污染下叶菜蔬菜对重金属积累富集研究的空白，以期为干旱区绿洲土壤重金属复合污染综合治理和作物食品安全评价提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 试验材料

供试植物为油菜(Brassica campestris L.)，品种为吉林大春科丰蔬菜研究所的四月蔓，种子购自张掖市种子公司. 供试土壤为河西走廊地区的未污染的绿洲土壤，采集耕层的0~20 cm，基本理化性质见表 1. 土样风化后过2 mm筛，按表 2将不同剂量组合的重金属硝酸盐溶液加入1.5 kg干土中拌匀装入花盆，稳定2周. 每种组合设置3个平行，加水使土壤含水量为田间持水量的60%，保持2 d后播入油菜种子，生长一周后间苗，66 d后分别采集土样和油菜样品待测.

表 1(Table 1)

表 1 供试土壤理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the test soil 土壤类型 pH 有机质 /g ·kg-1 碳酸盐/% 阳离子交换量/cmol ·kg-1 Pb /mg ·kg-1 Zn/mg ·kg-1 绿洲土壤 8.16 15.59 5.64 8.1 22.3 62.97

表 1 供试土壤理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the test soil

表 2(Table 2)

表 2 供试土壤中Pb与Zn的处理浓度设计 /mg ·kg-1Table 2 Concentrations of lead and zinc in the test soils/mg ·kg-1 处理 TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7 TS8 Pb 0 75 150 225 300 450 750 1 050 1 500 Zn 0 50 100 150 200 300 500 700 1 000

表 2 供试土壤中Pb与Zn的处理浓度设计/mg ·kg-1Table 2 Concentrations of lead and zinc in the test soils/mg ·kg-1

供试土壤基本理化性质： pH(土水比1 ∶2.5)、阳离子交换量、有机质和碳酸盐的测定方法见土壤农业化学分析方法^[24]. 土壤Pb、Zn形态分析采用Tessier连续提取法^{[16, 25]}，5种形态依次为： 可交换态(EX)、碳酸盐结合态(CAB)、铁锰氧化态(FMO)、有机结合态(OM)和残渣态(RES). 植物样品采用HNO₃-HClO₄法(4 ∶1，体积比)于电热板上消解，土壤样品采用HNO₃-HF-HClO₄法于电热板上消解. 所有样品消解液用0.5%的稀硝酸定容至50 mL容量瓶，采用美国Thermo Fisher原子吸收光谱仪SOLLAR M6测定样品中的Pb、Zn含量，并添加GBW 07401 (GSS-1)标准土样和GBW 10015 (GSB-6)植物标准样品进行质量控制，同时做溶剂空白. 标准样品均在标准值范围内，溶剂空白测定值低于检测限. 1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0对数据进行统计分析，采用Origin 7.5进行绘图. 2 结果与分析 2.1 Pb-Zn复合胁迫对油菜生物量的影响

植物生物量的变化是反映重金属胁迫对植物生长影响的最直接途径之一，植物干重常被作为评价参数. 油菜各部位干重随Pb-Zn复合胁迫水平变化见表 3. 从中可知，油菜根系干重排序为TS1>TS2>TS0>TS4>TS6>TS7>TS3>TS5>TS8； 茎叶干重排序为TS1>TS4>TS2>TS6>TS3>TS5>TS0>TS7>TS8，说明低浓度Pb、Zn对油菜生长有一定的促进效应，且茎叶生长优势大于根系.

表 3(Table 3)

表 3 油菜干重随复合胁迫水平的变化 /gTable 3 Variation of cole dry weight with the combined stress level/g 胁迫水平 TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7 TS8 根系 0.79 1.01 0.96 0.60 0.71 0.60 0.63 0.61 0.55 茎叶 8.71 11.49 10.87 9.36 11.30 8.82 9.61 8.14 7.87

表 3 油菜干重随复合胁迫水平的变化/gTable 3 Variation of cole dry weight with the combined stress level/g

不同处理水平下油菜体内Pb、Zn含量与分布如图 1所示. 油菜根系、茎叶中Pb、Zn含量均随Pb-Zn复合胁迫水平的增大而增大，同一水平处理下根系Zn含量均小于茎叶Zn含量，而根系Pb含量和增幅明显大于茎叶中相关参数.

图 1

Fig. 1

图 1 不同胁迫水平下油菜体内Pb、Zn的含量与分布 Fig. 1 Content and distribution of lead,zinc in cole under different stress levels

土壤重金属各形态分布特征常用分配系数来表征，即土壤中该重金属形态占总量的比例. 利用各形态在重金属总量的相对含量大小，消除重金属各形态含量随总量增加而增加的影响，进而能较总量和各形态含量更清楚地指示环境污染对土壤的冲击^[26]. 不同胁迫水平下油菜土壤中Pb、Zn各形态的含量变化特征见图 2. 油菜土壤中重金属不同形态的变异系数、Pearson相关系数见表 4.

图 2

Fig. 2

图 2 不同胁迫水平下土壤中Pb、Zn形态变化特征 Fig. 2 Speciation variation characteristics of lead and zinc in soil under different stress levels

由图 2可知，对照土壤中Pb、Zn形态分布特征，Pb： RES>FMO>OM>CAB>EX； Zn： RES>OM>FMO>CAB>EX. 这说明在对照土壤中，Pb、Zn的主要赋存形态均为RES，EX含量均很小. 随胁迫浓度的增加，Pb、Zn在供试土壤中的主要赋存形态由RES转变为CAB和FMO.

由表 4可知，Pb、Zn各形态中，EX对外界胁迫响应强度最大，其次是CAB、FMO和OM，RES最小，CAB和EX分配系数逐渐增大，RES持续下降，OM逐渐下降至稳定. Pb在土壤中除RES含量与复合胁迫水平显著相关外，其余形态含量均满足极显著相关； Zn在土壤中除RES外，其余形态含量均与复合胁迫水平满足极显著相关.

表 4(Table 4)

表 4 土壤中重金属不同形态的变异系数、Pearson相关系数 1)Table 4 Variation coefficient & Pearson correlation coefficient of different heavy metal speciations in the test soil 指标 元素 土壤中重金属的不同形态 EX CAB FMO OM RES 变异系数 Pb 176.18 111.80 82.80 78.23 21.83 Zn 118.24 112.11 87.09 52.14 35.19 形态含量-复合胁迫浓度 Pb 0.942** 0.978** 0.950** 0.902** 0.770* Pearson相关系数 Zn 0.951** 0.982** 0.958** 0.845** 0.086 1)**表示P＜0.01； *表示P＜0.05

表 4 土壤中重金属不同形态的变异系数、Pearson相关系数1)Table 4 Variation coefficient & Pearson correlation coefficient of different heavy metal speciations in the test soil

为明确油菜不同部位重金属含量与土壤中Pb、Zn各形态含量的关系，筛选出对油菜不同部位吸收贡献最大的重金属形态，通过逐步回归分析方法得到最优回归方程，如表 5所示.

表 5(Table 5)

表 5 油菜不同部位重金属含量与土壤中Pb、Zn各形态含量的逐步回归分析 1)Table 5 Result of multiple regression analysis between concentrations of lead and zinc in different parts of cole and concentration of different speciations in soil 自变量 因变量 逐步回归方程 调整R2 F 形态含量 根系Pb Y=120.016XEX+87.819 0.741** 24.166 茎叶Pb Y=7.011XEX+5.635 0.801** 33.296 根系Zn Y=6.873XCAB-12.085 0.818** 36.970 茎叶Zn Y=6.727XCAB+8.727 0.841** 43.447 1) **代表P<0.01

表 5 油菜不同部位重金属含量与土壤中Pb、Zn各形态含量的逐步回归分析1)Table 5 Result of multiple regression analysis between concentrations of lead and zinc in different parts of cole and concentration of different speciations in soil

由表 5可知，油菜根系、茎叶的Pb含量与土壤Pb-EX(可交换态Pb)呈极显著相关的线性模型，即在TS0~TS8胁迫水平中，油菜根系、茎叶的Pb含量随土壤Pb-EX含量的增加而增加，根系Pb含量的增加速率远大于茎叶中Pb含量增加速率； 油菜根系、茎叶的Zn含量与土壤Zn-CAB(碳酸盐结合态Zn)呈极显著相关的线性模型，即在TS0~TS8胁迫水平中，油菜根系、茎叶的Zn含量随土壤Zn-CAB含量的增加而增加. 2.4.2 Pb、Zn的生物富集与转移能力

油菜作为一类叶菜类蔬菜，其地上部分可供人类和动物食用，且Pb、Zn在油菜体内的富集量及Pb、Zn从油菜根部向地上部分的转移量将直接影响到人类及动物的生命健康. 故引入评价指标——重金属富集系数(bioconcentration factor,BCF)和转移系数(transfer factor,TF)分别来反映植物对重金属富集程度的高低和重金属向地上迁移能力的强弱.

由土壤-油菜系统中重金属富集系数和转移系数统计表(表 6)可知，不同复合胁迫水平下Pb、Zn的BCF值、TF值均小于对照组. Pb的BCF值排序为TS1=TS3>TS2>TS4>TS5>TS6=TS7>TS8，TF值随复合胁迫水平的增加而减小. Zn的BCF值随复合胁迫水平的增加而减小，TF值在TS1~TS5水平大于TS6~TS8水平，其中TS2处最大，在TS6~TS8水平TF值随胁迫水平增加而减小.

表 6(Table 6)

表 6 土壤-油菜系统中重金属富集系数和转移系数统计 1)Table 6 TFs and BCFs of heavy metals in soil-cole system and their statistical values 胁迫水平 BCF TF Pb Zn Pb Zn TS1 0.49 0.74 1.65 1.30 TS2 0.47 0.58 1.05 1.31 TS3 0.49 0.45 0.91 1.07 TS4 0.41 0.39 0.82 1.17 TS5 0.38 0.38 0.79 1.32 TS6 0.31 0.26 0.63 1.13 TS7 0.31 0.23 0.61 1.02 TS8 0.30 0.21 0.54 1.02 最大值 0.49 0.74 1.65 1.32 最小值 0.30 0.21 0.54 1.02 平均值 0.39 0.40 0.87 1.17 对照 0.61 2.38 10.31 1.38 1) BCF=植物地上部分重金属含量/土壤重金属含量； TF=植物地上部分重金属含量/植物地下部分重金属含量

表 6 土壤-油菜系统中重金属富集系数和转移系数统计1)Table 6 TFs and BCFs of heavy metals in soil-cole system and their statistical values

重金属复合污染下，某种元素在植物体内的富集迁移不仅受到元素自身含量、形态的影响，同时也受到土壤中其他共存元素的影响. 不同元素间的交互作用引起理化性质的差异而存在区别，但单纯研究元素本身存在一定的局限性，缺乏可视化的表征. 不同形态的重金属在迁移性和生物利用率方面存在差异，根据各形态生物利用的大小归类发现，重金属元素生物有效态(bioavailable concentrations)迁移性强，易于被生物富集，计算时常以EX+CAB为生物有效态^[27]. 根据逐步回归方程，Pb、Zn的主要贡献形态分别为EX、CAB，故利用作物的富集和迁移特征参数与重金属生物有效态的关联，通过构建数学模型来推演此过程，进行初步的理论性探讨.

作物BCF、TF随土壤中重金属生物有效态含量的变化趋势经数据分析得出变量间负相关的非线性方程：

Y_BCF(Pb)=-0.044 lnX_(Bio-Pb)+0.606 (R²=0.836,P<0.01)
lnY_TF(Pb)=-0.414 lnX_(Bio-Pb)+6.205 (R²=0.977,P<0.01)
lnY_BCF(Zn)=-0.412 lnX_(Bio-Zn)+2.028 (R²=0.976,P<0.01)
Y_TF(Zn)=-0.057 lnX_(Bio-Zn)+1.398 (R²=0.538,P<0.05)

上述曲线方程可以看出油菜对于Pb、Zn的富集、迁移随土壤中对应元素生物有效态含量的增大而减小，表明油菜对Pb、Zn的吸收受到对应元素浓度和形态的影响. 重金属生物有效态含量的高低直接影响作物组织内重金属元素的多少，为探讨油菜对某一元素的富集迁移能力与土壤共存重金属元素形态之间的关系，以Pb、Zn生物有效态含量作为自变量，分别以油菜Zn、Pb的BCF、TF作为因变量，得到负相关的非线性方程：

Y_BCF(Pb)=-0.055 lnX_(Bio-Zn)+0.618 (R²=0.875,P<0.01)
lnY_TF(Pb)=-0.493 lnX_(Bio-Zn)+6.484 (R²=0.947,P<0.01)
lnY_BCF(Zn)=-0.339 lnX_(Bio-Pb)+1.897 (R²=0.966,P<0.01)
Y_TF(Zn)=-0.045 lnX_(Bio-Pb)+1.382 (R²=0.498,P<0.05)

上述曲线方程可以看出油菜对于Pb或Zn的富集、迁移能力随土壤中共存重金属元素生物有效态含量的增大而减小，表明油菜对Pb、Zn的吸收也受到共存元素的浓度和形态的影响. 3 讨论

Pb-Zn低浓度胁迫水平下，油菜生长优于对照，茎叶生长优势大于根系，说明低浓度重金属元素对植物生长一定的促进作用，且相对于植物地上部分，根系作为直接与土壤接触的器官，受重金属影响程度强于地上部分. 值得注意的是，试验中重金属元素以硝酸盐的形式添加至土壤，氮肥效应可能也是促进植物生长的因素，鉴于目前尚无明确的定量研究结论，后期将重点探讨.

油菜根系、茎叶中Pb含量均随Pb-Zn复合胁迫水平的增加而增大，根系Pb含量和增幅明显大于茎叶中相关参数，表明外源Pb的投加，促进了油菜对Pb的富集吸收，但Pb在油菜体内向上迁移能力偏弱，主要在根系累积. 这可能是因为Pb具有很高的负电性，在土壤中易与有机质、碳酸盐物质等形成难以被植物吸收、利用的惰性结合物，且植物内皮层的凯氏带阻挡Pb向地上部位进一步转运，因此致使根系成为植物吸收和积累Pb的主要部位^[28]. 油菜根系、茎叶中Zn含量均随Pb-Zn复合胁迫水平的增加而增大，茎叶Zn含量均大于根系Zn含量. 这说明外源Zn的投加，促进了油菜对Zn的富集吸收，且Zn在油菜体内转移能力较强.

不同胁迫水平下Pb、Zn各形态中，EX对外界胁迫响应强度最大，其次是CAB、FMO和OM，RES最小，且Pb、Zn在土壤中的主要赋存形态由RES转变为CAB和FMO，异于对照土壤. 土壤中Pb、Zn形态含量(RES除外)受到复合胁迫水平的极显著影响. 这说明外源投加Pb、Zn对土壤-油菜系统中根际土的Pb、Zn形态含量有直接影响，并促使Pb、Zn形态由紧结合态向松结合态转化.

油菜不同部位Pb、Zn含量与相应元素形态含量的逐步回归方程结果表明： 在TS0~TS8胁迫水平中，Pb-EX、Zn-CAB分别是油菜不同部位吸收Pb、Zn的主要贡献形态. 由于土壤中Pb-EX、Zn-CAB形态含量与复合胁迫浓度存在显著相关，则说明外源投加Pb、Zn直接影响土壤中Pb-EX、Zn-CAB形态含量变化，间接影响油菜对于Pb、Zn的吸收.

低浓度Pb、Zn的富集能力和转移能力均强于高浓度胁迫水平，且通过模拟方程可知，油菜对Pb、Zn的BCF、TF随着土壤中对应元素和共存元素生物有效态含量的增大而减小，其原因可能为： ①随重金属处理浓度的增大，土壤重金属生物有效态含量随之增加，油菜受到的负面影响逐渐加剧，作物在未达到耐受极限前，自身的调节和保护机制发挥作用，抑制作物对Pb、Zn的吸收和迁移^{[29, 30, 31, 32]}. 至于油菜在Pb-Zn复合胁迫下的耐受极限及作用机制，尚需进一步研究讨论. ②Pb、Zn在共存条件下体现为拮抗作用^[33]，互相竞争、抑制油菜对共存元素的吸收、富集. ③随胁迫浓度的增加，植物对于Pb、Zn的富集量也在增加，但BCF、TF是相对概念，因统计分析时，算式分子增加速率小于分母，致使BCF、TF随有效态浓度增大而减小.

油菜作为叶菜类蔬菜，其叶部重金属含量将直接影响人类与动物生命健康. 利用文献^[34]中对“芸薹类蔬菜、叶菜蔬菜”Pb限量指标(0.3 mg ·kg^-1)与Pb-Zn复合胁迫水平下油菜茎叶中Pb含量进行对比发现，Pb超标率为100%，超出食品安全限量指标的最小倍数为1.3，最大倍数为9.4. 其中对照组土壤环境质量满足文献^[35]一级土壤标准，但对照组油菜茎叶Pb含量仍十分接近食品安全限值. 这可能与油菜品种、干旱区特有的气候、土壤条件、盆栽试验局限性等因素有关，具体结论需要进一步验证. 4 结论

(1)绿洲土中投加低浓度的Pb、Zn，有助于植物的生长，且植物在低浓度胁迫水平对Pb、Zn的富集能力和转移能力均强于高浓度胁迫水平.

(2)外源Pb、Zn的投加，促使Pb、Zn形态由紧结合态向松结合态转化，进而促进植物对Pb、Zn的富集吸收. Pb-EX、Zn-CAB分别是植物不同部位吸收Pb、Zn的主要贡献形态，显著受到外源投加Pb、Zn含量的影响，因此限制或减少外源Pb、Zn污染物进入土壤是控制植物体内Pb、Zn含量的重要途径，而土质等指标检测是保证食品安全的主要预防措施.

(3)植物对于Pb、Zn的富集、迁移过程除了受到特定单一元素自身性质和浓度的影响外，同时也受到共存元素及其交互作用的影响.

致谢： 兰州大学资源环境学院环境地学实验室团队成员对盆栽试验、采样和分析等工作的顺利开展提供了无私的援助，特此感谢.