环境科学  2023, Vol. 44 Issue (8): 4448-4457   PDF    
引用本文
简槐良, 刘鸿雁, 梅雪, 毛诗佳, 刘芳, 张秋野, 敬鹏. 地质高背景区外源污染叠加条件下大白菜对Cd、Pb、Zn累积途径探究[J]. 环境科学, 2023, 44(8): 4448-4457.
JIAN Huai-liang, LIU Hong-yan, MEI Xue, MAO Shi-jia, LIU Fang, ZHANG Qiu-ye, JING Peng. Accumulation Pathway of Cd, Pb, and Zn in Chinese Cabbage under the Condition of Exogenous Pollution Superposition in High Geological Background Area[J]. Environmental Science, 2023, 44(8): 4448-4457.
地质高背景区外源污染叠加条件下大白菜对Cd、Pb、Zn累积途径探究
简槐良1, 刘鸿雁1,2, 梅雪1, 毛诗佳1, 刘芳1, 张秋野2, 敬鹏2     
1. 贵州大学农学院, 贵阳 550025;
2. 贵州大学资源与环境工程学院, 贵阳 550025
收稿日期: 2022-09-04; 修订日期: 2022-10-23
基金项目: 国家自然科学基金项目(42067028)
作者简介: 简槐良(1997~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为农业资源与环境植物营养学, E-mail：1745244520@qq.com
通信作者: 刘鸿雁, E-mail: hyliu@gzu.edu.cn
摘要: 黔西北是喀斯特重金属地质高背景区, 受历史上土法炼锌影响, 区域内大气降尘重金属含量高, 土壤污染严重.为探究叶菜类蔬菜重金属的累积途径, 以大白菜为供试作物, 选择Cd、Pb和Zn含量一致的地质高背景土壤和锌冶炼污染土壤, 在锌粉厂污染区和无污染对照区进行盆栽试验, 研究露天、覆膜和大棚栽培条件下大白菜重金属含量、富集系数(BCF)和转运系数(TF).结果表明, 污染区和对照区大白菜ω(Cd)范围分别在0.10~1.01 mg ·kg-1和0.10~0.91 mg ·kg-1, ω(Pb)为0.31~0.62 mg ·kg-1和0.23~0.37 mg ·kg-1, ω(Zn)为7.50~32.74 mg ·kg-1和4.88~21.79 mg ·kg-1, 总体上污染区重金属含量偏高, 在地质高背景土壤上种植的大白菜, Cd和Pb基本达到国家食品安全标准限值的要求.受大气沉降的影响, 污染区大白菜Pb和Zn含量显著高于对照区, Cd差异不明显.污染土壤弱酸溶态Cd、Pb和Zn占比分别为48%、3.0%和16%, 是地质高背景对照土壤的3.15、1.01和1.57倍, 受重金属活性的影响, 污染土壤种植的大白菜Cd和Zn含量超过国家标准, 显著高于对照土壤.污染土壤大白菜Cd、Pb和Zn的BCF根-土壤显著高于对照土壤, 且Cd和Zn的BCF大于Pb; 大白菜Cd和Zn的TF地上部-根显著高于对照土壤, 而Pb的TF地上部-根在污染区显著高于对照区, 两个研究区内大白菜Pb含量均表现出: 露天>覆膜>大棚.综上, 大白菜Cd和Zn的含量受土壤重金属活性的影响大, 主要累积途径是根的吸收和转运; 除根系吸收外, 大气沉降是Pb的重要累积途径.因此, 在地质高背景区, 要注意控制外源污染叠加土壤上种植叶菜类作物的Cd和Zn暴露风险, 同时, 采用大棚种植能有效降低Pb的积累.
关键词: 地质高背景      Cd、Pb、Zn      土壤      大白菜      富集系数      转运系数     
Accumulation Pathway of Cd, Pb, and Zn in Chinese Cabbage under the Condition of Exogenous Pollution Superposition in High Geological Background Area
JIAN Huai-liang1 , LIU Hong-yan1,2 , MEI Xue1 , MAO Shi-jia1 , LIU Fang1 , ZHANG Qiu-ye2 , JING Peng2     
1. College of Agriculture, Guizhou University, Guiyang 550025, China;
2. College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China
Abstract: Northwest Guizhou is a karst area with a high geological background. Affected by historical soil zinc smelting, the heavy metal content of atmospheric dust in the region is high, and soil pollution is severe. In order to explore the accumulation pathway of heavy metals in leafy vegetables, Chinese cabbage was used as the test crop, and the geological high background soil and zinc smelting-contaminated soil with the same contents of Cd, Pb, and Zn were selected. A pot experiment was carried out in the polluted area of zinc smelting and the non-polluting control area. The heavy metal content, enrichment coefficient (BCF), and transport coefficient (TF) of Chinese cabbage were studied under open-air, plastic mulching film, and greenhouse cultivation conditions. The results showed that the contents of Cd, Pb, and Zn in Chinese cabbage in the polluted area and the control area were 0.10-1.01 and 0.10-0.91 mg·kg-1, 0.31-0.62 and 0.23-0.37 mg·kg-1, and 7.50-32.74 and 4.88-21.79 mg·kg-1, respectively. Overall, the contents of heavy metals in the polluted area were relatively high. The contents of Cd and Pb in Chinese cabbage planted in soil with a high geological background met the requirements of the national food safety standard limits. Affected by atmospheric deposition, the contents of Pb and Zn in Chinese cabbage in the polluted area were significantly higher than that in the control area, and the difference in Cd was insignificant. The proportions of weak acid-soluble Cd, Pb, and Zn in the contaminated soil were 48%, 3.0%, and 16%, respectively, which were 3.15, 1.01, and 1.57 times higher than those in the control soil with a high geological background. Affected by the activity of heavy metals, the contents of Cd and Zn in Chinese cabbage planted in the contaminated soil exceeded the national standard and were significantly higher than those in the control soil. The root-soil BCF of Cd, Pb, and Zn in polluted soil was significantly higher than that in the control soil, and the BCF of Cd and Zn was higher than that of Pb. The TF aboveground root Cd and Zn in Chinese cabbage was significantly higher than in the control soil, whereas the TF aboveground root Pb in the polluted area was significantly higher than that in the control area. The Pb content of Chinese cabbage in the two study areas showed open field>plastic mulching film>greenhouse cultivation. In conclusion, the content of Cd and Zn in Chinese cabbage was greatly affected by the activity of heavy metals in soil, and the main accumulation pathway was root absorption and transportation. In addition to root absorption, atmospheric deposition was an important accumulation pathway of Pb. Therefore, in areas with high geological backgrounds, attention should be paid to controlling the exposure risk of Cd and Zn in leafy vegetables planted on exogenously polluted soils. Additionally, greenhouse cultivation could effectively reduce the accumulation of Pb.
Key words: high geological background      Cd, Pb, and Zn      soil      Chinese cabbage      enrichment coefficient      transfer coefficient     

我国西南喀斯特地区具有典型的重金属地球化学高背景特征, 受地质条件控制, 黔西北土壤中以镉为主的重金属背景值远高于全国平均值, 土壤镉(Cd)、铅(Pb)和锌(Zn)等污染严重[1], 农用地重金属污染面积全国第一.地质高背景区重金属污染土壤种植农作物存在一定安全风险[2], 受历史遗留土法炼锌的影响, 该区域外源污染叠加严重, 农作物的安全生产风险更高[3].黔西北威宁县是“全国153个夏秋蔬菜生产基地县”之一, 大白菜种植面积大, 但也存在Cd和Zn超标的问题.在以往的研究中, 较多关注重金属低积累品种的筛选[4].但大白菜不仅可以通过根系吸收重金属, 因其叶片数量多, 比表面积大, 也可通过叶片吸收重金属[5].有研究表明, 工业污染地区大气沉降中重金属含量高, 对大白菜重金属积累的贡献不可忽视[6].

本研究选择地质高背景和外源叠加污染的两种土壤, 在锌冶炼工业污染区和无污染对照区, 在露天、覆膜和大棚这3种种植方式下, 分析镉高、低积累的两个大白菜品种重金属的富集和转移规律, 探索大白菜Cd、Pb和Zn的累积途径, 以期为地质高背景区外源污染叠加条件下的叶菜类作物安全生产提供理论基础和技术支撑.

1 材料与方法 1.1 供试材料

研究区概况：锌粉厂污染区位于贵州省威宁县金钟镇(104°23′04″E, 26°47′02″N), 大气沉降Cd、Pb和Zn浓度高[7], 年均沉降量分别为28.7、602和2 225 mg ·m-2.无污染对照区位于贵州省威宁县炉山镇(104°23′33″E, 26°48′11″N), 大气沉降中Cd、Pb和Zn年均沉降量分别为13.8、440和1 292 mg ·m-2.两个研究区直线距离约10 km.

供试作物：供试大白菜是Cd高积累品种晋菜三号[8]和Cd低积累品种北京新三号[9].

供试土壤：无外源污染叠加的地质高背景土壤和有锌粉厂外源污染叠加的锌冶炼污染土壤, 两种土壤均为典型的地带性酸性黄壤, 土壤pH、有机质和Cd、Pb、Zn含量如表 1所示.

表 1 土壤pH、有机质和Cd、Pb、Zn含量 Table 1 Soil pH, organic matter, and Cd, Pb, Zn contents

1.2 试验设计与方法

盆栽试验：为模拟正常田间生长环境, 设计了长宽高为90、45和30 cm的超大木质试验箱, 土壤为每箱80 kg, 种植3棵大白菜.种植方式：露天、覆膜和大棚.共有2个研究区、2种土壤、2个大白菜品种和3种种植方式, 共24个处理, 每个处理3次重复.播种时间为2021年4月18日, 收获时间为2021年6月25日.

1.3 样品制备与检测

样品采集及制备：大白菜整株采集, 用自来水冲洗表面泥土, 去离子水将白菜反复冲洗3次用吸水纸吸干表层水称量鲜重后记录; 将白菜分为根、叶脉和叶片分别装入牛皮纸袋, 在105~110℃杀青30 min, 再75℃烘干至恒重, 磨细过筛(0.149 mm)备用.

重金属的测定方法：

土壤样品：称取一定量的样品于聚四氟乙烯烧杯中, 加10 mL硝酸和10 mL氢氟酸∶高氯酸(10 ∶1), 在230℃电热板加热消解至固体物质完全消解(至少4 h), 至溶液蒸干, 再加10 mL王水浸提, 用超纯水定容至25 mL, 摇匀后稀释待测.土壤重金属形态参照GB/T 25282-2010分步提取, 浸提出弱酸溶态、可还原态、可氧化态和残渣态的待测液.

植物样品：称取一定量的样品于消解罐中, 加入2 mL过氧化氢预消解12~18 h, 加入10 mL纯化硝酸后微波消解.消解完全后转移到容量瓶中, 用超纯水定容至50 mL, 摇匀后待测.

待测溶液用ICP-MS(Aglient 7800)测定, 用国家一级标准物质(GBW 10047, 胡萝卜)进行植物内部质量控制, 用国家土壤标准物质(GSS-5a)进行土壤内部质量控制, 增加空白样和平行样进行外部质量控制, 各种金属的回收率均为94% ~105%, 符合质量控制要求.

1.4 数据统计

白菜Cd富集和转运系数的计算公式如下[10, 11]：

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)

下文中Pb和Zn的富集和转运系数按Cd的富集和转运系数公式计算.

用Excel 2016进行数据统计, SPSS 26.0单因素方差分析进行差异性检验(One-way ANOVA), Origin 2018进行绘图.

2 结果与分析 2.1 大白菜重金属Cd的累积途径 2.1.1 大白菜地上部Cd含量

大白菜地上部Cd含量如图 1所示, 锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜ω(Cd)分别为0.10~1.01 mg ·kg-1和0.10~0.91 mg ·kg-1; 锌冶炼污染土壤大白菜地上部ω(Cd)均高于0.79 mg ·kg-1, 显著高于地质高背景土壤大白菜Cd含量(P＜0.05), 地质高背景土壤大白菜地上部ω(Cd)低于0.23 mg ·kg-1, 其中锌冶炼污染土壤大白菜地上部Cd含量均超过食品安全国家标准(GB 2762-2017), 而地质高背景土壤在锌粉厂污染区部分超标, 无污染对照区均未超标.相同处理两种大白菜品种Cd含量无显著性差异.锌粉厂污染区和无污染对照区大棚栽培措施大白菜地上部分Cd含量高于露天和覆膜措施, 无污染对照区各处理未达显著性差异.

不同小写字母表示不同处理大白菜地上部重金属Cd含量差异显著(P＜0.05); 0.2 mg ·kg-1为食品安全国家标准食品中污染物Cd限量(GB 2762-2017) 图 1 不同处理大白菜地上部重金属Cd含量 Fig. 1 Concentration of heavy metal Cd in shoot of Chinese cabbage under different treatments

2.1.2 大白菜对Cd的富集转运规律

大白菜Cd BCF根-土壤如表 2, 锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜Cd BCF根-土壤分别为0.20~1.55和0.20~2.45, 锌冶炼污染土壤大白菜Cd BCF根-土壤显著高于地质高背景土壤的(P＜0.05), 地质高背景土壤种植的大白菜Cd BCF根-土壤各处理未达显著性差异.大白菜对Cd BCF地上部-土壤锌粉厂污染区和无污染对照区分别为0.87~2.12和1.00~2.58.

表 2 不同处理大白菜重金属Cd富集系数和转运系数1) Table 2 Enrichment and transport coefficients of heavy metal Cd in Chinese cabbage under different treatments

锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜对Cd TF叶脉-根分别为0.69~1.61和0.73~1.66, TF叶-叶脉分别为1.49~2.73和0.94~2.52, 两研究区大棚处理大白菜Cd TF叶-叶脉均大于露天和覆膜处理; 锌粉厂污染区地质高背景土壤大棚种植的北京新三号和锌冶炼污染大棚种植的晋菜三号和新北京三号以及对照区锌冶炼污染大棚种植晋菜三号Cd TF叶-叶脉均显著高于露天和覆膜处理(P＜0.05).锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜对Cd TF地上部-根分别为0.13~2.07和0.26~2.55.不同处理大白菜Cd富集系数和转运系数整体呈现：BCF根-土壤＜TF地上部-根＜TF叶脉-根＜BCF地上部-土壤＜TF叶-叶脉.

2.2 大白菜重金属Pb的累积途径 2.2.1 大白菜地上部Pb含量

大白菜地上部Pb含量如图 2所示, 锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜ω(Pb)分别为0.31~0.62 mg ·kg-1和0.23~0.37 mg ·kg-1, 相同处理锌粉厂污染区大白菜Pb含量均显著高于无污染对照区(P＜0.05), 锌粉厂污染区大白菜Pb含量均超过食品安全国家标准(GB 2762-2017), 无污染对照区的锌冶炼污染土壤大白菜部分超标, 而地质高背景土壤均未超标.两种大白菜品种相同处理Pb含量无显著性差异.锌粉厂污染区大棚栽培措施大白菜Pb含量显著低于覆膜和露天栽培措施, 两个研究区露天、覆膜和大棚这3种处理大白菜地上部Pb含量规律一致：大棚＜覆膜＜露天.

不同小写字母表示不同处理大白菜地上部重金属Pb含量差异显著(P＜0.05); 0.3 mg ·kg-1为食品安全国家标准食品中污染物Pb限量(GB 2762-2017) 图 2 不同处理大白菜地上部重金属Pb含量 Fig. 2 Concentration of heavy metal Pb in shoot of Chinese cabbage under different treatments

2.2.2 大白菜对Pb的富集转运规律

大白菜Pb BCF根-土壤如表 3, 锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜Pb BCF根-土壤分别为0.06~0.21和0.04~0.22.两个研究区内地质高背景土壤各处理大白菜Pb BCF根-土壤无显著性差异.大白菜对Pb BCF地上部-土壤锌粉厂污染区和无污染对照区分别为0.03~0.06和0.02~0.04.

表 3 不同处理大白菜重金属Pb富集系数和转运系数 Table 3 Enrichment and transport coefficients of heavy metal Pb in Chinese cabbage under different treatments

锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜对Pb TF叶脉-根分别为0.17~0.74和0.11~0.47.无污染对照区相同土壤不同处理间差异性不显著.锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜对Pb TF叶-叶脉分别为1.28~2.46和0.66~1.93, 锌粉厂污染区相同土壤和白菜品种露天处理大白菜Pb TF叶-叶脉显著大于大棚处理(P＜0.05), 无污染对照区除锌冶炼污染土壤大棚处理种植的北京新三号外各处理无显著性差异.锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜对Pb TF地上部-根分别为0.26~1.02和0.14~0.37.不同处理大白菜Pb富集系数和转运系数整体呈现BCF根-土壤、TF地上部-根、TF叶脉-根和BCF地上部-土壤都远小于TF叶-叶脉.

2.3 大白菜重金属Zn的累积途径 2.3.1 大白菜地上部Zn含量

大白菜地上部Zn含量如图 3所示, 锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜ω(Zn)分别为7.50~32.74 mg ·kg-1和4.88~21.79 mg ·kg-1; 两个研究区相同处理锌粉厂污染区大白菜Zn显著高于无污染对照区(P＜0.05).锌冶炼污染土壤大白菜地上部ω(Zn)均高于19.00 mg ·kg-1, 地质高背景土壤大白菜地上部ω(Zn)均低于7.50 mg ·kg-1, 锌冶炼污染土壤大白菜地上部Zn显著高于地质高背景土壤, 相同研究区地质高背景土壤各处理未达显著性差异.

不同小写字母表示不同处理大白菜地上部重金属Zn含量差异显著(P＜0.05) 图 3 不同处理大白菜地上部重金属Zn含量 Fig. 3 Concentration of heavy metal Zn in shoot of Chinese cabbage under different treatments

2.3.2 大白菜对Zn的富集转运规律

大白菜对Zn BCF根-土壤如表 4, 锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜Zn BCF根-土壤分别为0.21~ 1.00和0.18~1.42, 锌冶炼污染土壤大白菜Zn BCF根-土壤显著高于地质高背景土壤(P＜0.05), 地质高背景土壤种植的大白菜Zn BCF根-土壤低于0.25, 各处理未达显著性差异.大白菜对Zn BCF地上部-土壤锌粉厂污染区和无污染对照区分别为0.18~1.20和0.18~1.51, 锌冶炼污染土壤大白菜对Zn BCF地上部-土壤显著高于地质高背景土壤(P＜0.05).

表 4 不同处理大白菜重金属Zn富集系数和转运系数 Table 4 Enrichment and transport coefficients of heavy metal Zn in Chinese cabbage under different treatments

锌粉厂污染区和无污染对照区大白菜对Zn TF叶脉-根分别为0.56~1.12和0.43~1.34, Zn TF叶-叶脉分别为1.06~1.57和0.86~1.78, Zn TF地上部-根分别为0.87~1.38和0.79~2.23.不同处理大白菜Zn富集系数和转运系数整体呈现出BCF根-土壤和BCF地上部-土壤都远小于TF地上部-根、TF叶脉-根和TF叶-叶脉.

2.4 土壤重金属Cd、Pb和Zn形态分级

地质高背景土壤和锌冶炼污染土壤Cd、Pb和Zn各形态占比如图 4所示, 地质高背景土壤Cd弱酸溶态、可氧化态、可还原态和残渣态的占比分别是27%、38%、4%和31%, 锌冶炼污染土壤的分别为48%、37%、4%和11%.地质高背景土壤Pb弱酸溶态、可氧化态、可还原态和残渣态的占比分别是1%、43%、23%和33%, 锌冶炼污染土壤的分别为3%、59%、11%和27%.地质高背景土壤Zn弱酸溶态、可氧化态、可还原态和残渣态的占比分别是7%、29%、4%和60%, 锌冶炼污染土壤的分别为16%、30%、10%和44%.锌冶炼污染土壤Cd、Pb和Zn弱酸溶态占比高于地质高背景土壤, 残渣态均低于地质高背景土壤, 土壤Pb弱酸溶态占比最低.地质高背景土壤和锌冶炼污染土壤Pb的活性无显著差异, 但Cd和Zn活性显著增高.

G表示地质高背景土壤, W表示锌冶炼污染土壤 图 4 不同土壤重金属Cd、Pb和Zn形态分布 Fig. 4 Speciation distribution of Cd, Pb, and Zn in different soils

3 讨论 3.1 土壤重金属活性对大白菜吸收的影响

作物富集重金属受土壤中赋存形态的影响[12], 其中有效态的占比是一重要因素[13].土壤理化性质、重金属污染程度和重金属形态等都是影响大白菜吸收重金属的重要因素[14~16], 而pH、有机质和土壤重金属全量等是影响土壤重金属有效态的重要因素[17~19], 本研究供试土壤pH、有机质和重金属全量基本一致, 但锌冶炼污染土壤Cd和Zn弱酸溶态显著高于地质高背景土壤, 残渣态则低于地质高背景土壤.可见, 锌冶炼大气沉降的重金属提高了土壤重金属活性[20], 从而导致锌冶炼污染土壤上大白菜地上部Cd和Zn含量显著高于地质高背景土壤, 这与其他研究结果相似[21].锌冶炼大气沉降重金属活性高的原因可能是其主要以弱酸溶态存在, 沉降于土壤表层, 既增加了表层重金属总量, 也提高了其活性.但随着沉降堆积时间的增加, 重金属可能会逐渐钝化而活性降低, 下一步可对土壤中大气沉降重金属的动态环境行为进行深入研究, 探明不同重金属老化时间和钝化的速率.不同大白菜品种吸收土壤重金属的能力不同[22], 本研究供试的高低积累品种在相同土壤上没有表现出显著差异, 可能是供试土壤受重金属污染程度严重, Cd、Pb和Zn含量超过土壤环境质量标准《农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)中的筛选值, 尤其是Cd.在Cd、Pb和Zn含量严重超标的地质高背景土壤上种植大白菜, Cd和Pb未超过《食品安全国家标准食品中污染物限值》(GB 2762-2017), 地质高背景区土壤重金属总量高但活性低, 可实现大白菜安全生产.

3.2 金属冶炼大气沉降对大白菜重金属累积的贡献

根不是大白菜吸收重金属的唯一器官[5], 叶片因其面积大、生长速率快和蒸腾作用强等原因是吸收重金属的重要器官[23, 24].有研究表明大气沉降是烟叶Pb的重要来源[25, 26], 也有研究表明蔬菜中的Cd主要来源于重金属污染土壤, Pb则来源于大气沉降和重金属污染土壤[27], 以上研究都表明除根系吸收外大气沉降是重金属进入大白菜的重要途径, 可通过叶片气孔进行吸收.大棚措施能避免大白菜通过大气沉降途径吸收Pb[28, 29].气孔主要分布在叶片背面, 白菜露天种植时, 在雨水冲击作用下, 土壤飞溅到叶片背面, 可增加重金属的吸附和吸收, 因此覆膜处理也能减少叶菜类重金属的累积, 这一点在本研究中也得到了验证.由于不均匀的大气沉降[30]、扬尘和雨水冲击土壤, 在本试验中露天处理重复间相对相差较覆膜和大棚处理高.

在锌冶炼区, 蔬菜中的重金属有土壤中的根系吸收和大气中的叶片吸收的双重来源[31].有研究表明大气沉降在土壤中新沉积的铜和铅仅占土壤铜和铅总量的0.34% ~8.7%和0.07% ~0.29%, 但在水稻组织中的贡献率分别为30% ~84%和6% ~41%[32], 这表明大气沉降对土壤重金属的贡献很低但是沉降的重金属活性很高.大气沉降对叶菜类重金属累积的贡献率研究结果差异较大, 叶菜可食部Pb累积平均贡献率土壤为63.5%, 大气沉降为36.5%[28]; 另有研究表明大气沉降对大白菜吸收Cd和Pb的贡献率高达93.36%和78.28%[33]; Liu等[20]研究表明, 大气新沉降重金属对小白菜可食部位重金属Cu、Cd和Pb的积累贡献率达17% ~87%、19% ~64%和43% ~84%.本研究中大气沉降Cd、Pb和Zn对大白菜累积的贡献率, 分别为2% ~52%、21% ~63%和21% ~73%.Cd、Pb和Zn对大白菜累积的贡献率大小为：Zn＞Pb＞Cd, 这与Cd、Pb和Zn大气沉降量的大小相一致, 这可能是导致这一结论的原因, 此外, 试验地离沉降中心的距离也可能是导致这一结论的原因.

3.3 大白菜重金属Cd、Pb和Zn累积途径的差异

富集系数可以表征蔬菜从土壤中吸收重金属的能力[9], 转运系数反映了植物不同部位和器官之间重金属的转运情况[12], 可用于判定农作物重金属吸收途径和各器官转移能力的大小.本研究与余志等[34]研究的结果一致, 大白菜对不同重金属富集系数大小为：Cd＞Zn≫Pb, 这表明大白菜根系吸收Cd和Zn的能力远强于Pb, 对Pb富集能力极弱[35].作物吸收土壤重金属与土壤理化性质(pH和有机质等)、重金属的赋存形态和重金属含量密切相关[16, 36], 锌冶炼污染土壤上大白菜重金属富集系数显著高于地质高背景土壤, 是锌冶炼污染土壤中有效态重金属高于地质高背景土壤导致的[37].设施蔬菜相比露天种植会促进大白菜对金属Cd的吸收, 大棚处理大白菜地上部Cd高于露天种植[38, 39], 因而富集系数和转运系数较露天和覆膜处理高, 与本研究中大棚处理Cd都高于露天和覆膜处理的结论一致.可能的原因: 一是大棚种植条件下大白菜对Cd的吸收和转运能力高于露天和覆膜; 二是大气沉降中的Cd大多以细颗粒物存在, 可悬浮于大棚中而被白菜叶片吸附, 且不被雨水冲刷, 这两种影响因素是否成立还有待于进一步研究.不同重金属在大白菜体内的迁移能力不同, Cd和Zn在植物体内移动性强[40], 而Pb在植物体内的移动性弱, 因为植物吸收Pb仅有极少部分会在植物体内转运, 绝大部分富集在吸收的器官中[41], 大白菜吸收Pb是叶片气孔吸收[42, 43].本研究中大白菜重金属TF叶脉-叶 Cd、Zn和Pb差异不大, 也间接说明了大白菜吸收Cd和Zn的途径是根系吸收而Pb则是通过叶片吸收.综上大白菜主要是从土壤中吸收Cd和Zn, 而大气沉降是大白菜吸收Pb的重要来源.

4 结论

(1) 在相同浓度下, 锌冶炼外源污染叠加土壤Cd和Zn活性显著高于地质高背景土壤, 污染土壤种植的大白菜Cd和Zn的含量、富集系数和转运系数都远大于地质高背景土壤, Cd和Zn累积途径主要是根系吸收.

(2) 不同种植方式下大白菜Pb含量表现为露天>覆膜>大棚, 且锌粉厂污染区大于无污染对照区, 除根系吸收外, 大气沉降是叶菜类蔬菜重要的累积途径.

(3) 重金属地质高背景土壤上种植叶菜类作物, Cd和Pb基本达到国家食品安全限值标准要求, 要注意控制外源污染叠加土壤上种植叶菜类作物的Cd、Zn暴露风险, 同时, 采用大棚种植能有效降低Pb的积累.

参考文献
[1] 刘鸿雁, 涂宇, 顾小凤, 等. 地球化学高背景农田土壤重金属镉的累积效应及环境影响[J]. 山地农业生物学报, 2018, 37(5): 1-5.
Liu H Y, Tu Y, Gu X F, et al. Accumulative effect and environmental impact of cadmium in farmland soil with high background of geochemistry[J]. Journal of Mountain Agriculture and Biology, 2018, 37(5): 1-5.
[2] 刘爽. 地质高背景区重金属污染农田质量评价及分区管控研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2020.
[3] 王雪雯, 刘鸿雁, 顾小凤, 等. 地质高背景与污染叠加区不同土地利用方式下土壤重金属分布特征[J]. 环境科学, 2022, 43(4): 2094-2103.
Wang X W, Liu H Y, Gu X F, et al. Distribution characteristics of heavy metals in soils affected by different land use types in a superimposed pollution area with high geological background[J]. Environmental Science, 2022, 43(4): 2094-2103.
[4] 陈瑛, 李廷强, 杨肖娥, 等. 不同品种小白菜对镉的吸收积累差异[J]. 应用生态学报, 2009, 20(3): 736-740.
Chen Y, Li T Q, Yang X E, et al. Differences in cadmium absorption and accumulation of brassica varieties on cadmium-polluted soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(3): 736-740. DOI:10.13287/j.1001-9332.2009.0100
[5] Gan Y D, Wang L H, Yang G Q, et al. Multiple factors impact the contents of heavy metals in vegetables in high natural background area of China[J]. Chemosphere, 2017, 184: 1388-1395. DOI:10.1016/j.chemosphere.2017.06.072
[6] 朱臻, 杨相东, 徐章倩, 等. 农作物叶片对大气沉降重金属的吸收转运和积累机制[J]. 植物营养与肥料学报, 2021, 27(2): 332-345.
Zhu Z, Yang X D, Xu Z Q, et al. Foliar uptake, translocation and accumulation of heavy metals from atmospheric deposition in crops[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021, 27(2): 332-345.
[7] Yu E J, Liu H Y, Tu Y, et al. Superposition effects of zinc smelting atmospheric deposition on soil heavy metal pollution under geochemical anomaly[J]. Frontiers in Environmental Science, 2022. DOI:10.3389/fenvs.2022.777894
[8] 陈晓燕. 不同品种白菜对黄壤镉的富集特征及其安全生产阈值研究[D]. 贵阳: 贵州大学, 2019.
[9] 茹淑华, 张国印, 苏德纯, 等. 河北省白菜主要栽培品种吸收累积重金属镉的特征和质量安全性研究[J]. 中国农学通报, 2010, 26(14): 282-287.
Ru S H, Zhang G Y, Su D C, et al. Studies on the uptake and accumulation of cadmium and quality safety about Hebei major Chinese cabbages cultivars[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(14): 282-287.
[10] 杨寒雯, 刘秀明, 刘方, 等. 喀斯特高镉地质背景区水稻镉的富集、转运特征与机理[J]. 地球与环境, 2021, 49(1): 18-24.
Yang H W, Liu X M, Liu F, et al. Translocation and accumulation of cadmium in rice in a Karst area with high geochemical background and its mechanism[J]. Earth and Environment, 2021, 49(1): 18-24.
[11] 付天岭, 秦冉, 龚思同, 等. 喷施叶面阻隔剂对马铃薯Cd、Cu、Ni、Zn富集转运的影响[J]. 安全与环境学报, 2022, 22(4): 2217-2230.
Fu T L, Qin R, Gong S T, et al. Effect of foliar barrier agent on the enrichment and transport of Cd, Cu, Ni, Zn in potatoes[J]. Journal of Safety and Environment, 2022, 22(4): 2217-2230.
[12] 李杰, 战明国, 钟晓宇, 等. 广西典型岩溶地区重金属在土壤-农作物系统中累积特征及其影响因素[J]. 环境科学学报, 2021, 41(2): 597-606.
Li J, Zhan M G, Zhong X Y, et al. Distribution and accumulation of heavy metals in soil-crop systems from a typical carbonate rocks area in Guangxi[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2021, 41(2): 597-606.
[13] 王京文, 谢国雄, 章明奎. 大气沉降对萝卜地上和地下部分铅镉汞砷积累的影响[J]. 土壤通报, 2018, 49(1): 184-190.
Wang J W, Xie G X, Zhang M K. Effects of atmospheric deposition on the accumulation of lead, cadmium, mercury and arsenic in aboveground and underground parts of radish[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2018, 49(1): 184-190.
[14] 王怡雯, 芮玉奎, 李中阳, 等. 冬小麦吸收重金属特征及与影响因素的定量关系[J]. 环境科学, 2020, 41(3): 1482-1490.
Wang Y W, Rui Y K, Li Z Y, et al. Characteristics of heavy metal absorption by winter wheat and its quantitative relationship with influencing factors[J]. Environmental Science, 2020, 41(3): 1482-1490.
[15] 黄钟霆, 易盛炜, 陈贝贝, 等. 典型锰矿区周边农田土壤-农作物重金属污染特征及生态风险评价[J]. 环境科学, 2022, 43(2): 975-984.
Huang T Z, Yi S W, Chen B B, et al. Pollution properties and ecological risk assessment of heavy metals in farmland soils and crops around a typical manganese mining area[J]. Environmental Science, 2022, 43(2): 975-984.
[16] 周亚龙, 杨志斌, 王乔林, 等. 雄安新区农田土壤-农作物系统重金属潜在生态风险评估及其源解析[J]. 环境科学, 2021, 42(4): 2003-2015.
Zhou Y L, Yang Z B, Wang Q L, et al. Potential ecological risk assessment and source analysis of heavy metals in soil-crop system in Xiong'an new district[J]. Environmental Science, 2021, 42(4): 2003-2015.
[17] 孙斌, 魏志敏, 张力浩, 等. 地质高背景土壤重金属赋存特征及微生物群落结构差异[J]. 土壤学报, 2021, 58(5): 1246-1255.
Sun B, Wei Z M, Zhang L H, et al. Distribution of heavy metals and microbial community structure in soils high in geological background value[J]. Acta Pedologica Sinica, 2021, 58(5): 1246-1255.
[18] 陈红燕, 袁旭音, 李天元, 等. 不同污染源对水稻土及水稻籽粒的重金属污染研究[J]. 农业环境科学学报, 2016, 35(4): 684-690.
Chen H Y, Yuan X Y, Li T Y, et al. Heavy metal pollution in paddy soil and rice grains from different pollution sources[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(4): 684-690.
[19] 韦炳干, 虞江萍, 曹志强, 等. 唐山市设施菜地土壤重金属累积与有效态含量的影响特征[J]. 环境化学, 2021, 40(9): 2649-2657.
Wei B G, Yu J P, Cao Z Q, et al. Factors impact on accumulation and availability of heavy metals in greenhouse vegetable soil from Tangshan City[J]. Environmental Chemistry, 2021, 40(9): 2649-2657.
[20] Liu H L, Zhou J, Li M, et al. Dynamic behaviors of newly deposited atmospheric heavy metals in the soil-pak choi system[J]. Environmental Science & Technology, 2022, 56(17): 12734-12744.
[21] 唐豆豆, 袁旭音, 汪宜敏, 等. 地质高背景农田土壤中水稻对重金属的富集特征及风险预测[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37(1): 18-26.
Tang D D, Yuan X Y, Wang Y M, et al. Enrichment characteristics and risk prediction of heavy metals for rice grains growing in paddy soils with a high geological background[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(1): 18-26.
[22] 柴冠群, 杨娇娇, 陈晓燕, 等. 不同品种白菜对Cd的吸收富集特征与安全限值研究[J]. 西南农业学报, 2022, 35(3): 617-622.
Chai G Q, Yang J J, Chen X Y, et al. Enrichment characteristics and safety limits of Cd absorption by different varieties of cabbage[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2022, 35(3): 617-622.
[23] 刘鹏, 胡文友, 黄标, 等. 大气沉降对土壤和作物中重金属富集的影响及其研究进展[J]. 土壤学报, 2019, 56(5): 1048-1059.
Liu P, Hu W Y, Huang B, et al. Advancement in researches on effect of atmospheric deposition on heavy metals accumulation in soils and crops[J]. Acta Pedologica Sinica, 2019, 56(5): 1048-1059.
[24] 涂宇, 刘鸿雁, 朱恒亮, 等. 贵阳市典型污染区蔬菜和水稻重金属富集特征及质量评价[J]. 山地农业生物学报, 2020, 39(1): 1-8.
Tu Y, Liu H Y, Zhu H L, et al. Enrichmentccharacteristics and quality assessment of heavy metals in vegetable and rice in typically polluted areas of Guiyang[J]. Journal of Mountain Agriculture and Biology, 2020, 39(1): 1-8.
[25] 戴华鑫, 张仕祥, 王爱国, 等. 大气沉降对烟叶重金属含量的影响及铅同位素示踪[J]. 中国烟草学报, 2018, 24(1): 14-20.
Dai H X, Zhang S X, Wang A G, et al. Effects of atmospheric deposition on heavy metal contents in flue-cured tobacco leaves, and lead isotope tracing[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2018, 24(1): 14-20.
[26] 翟振, 张艳玲, 杨欣, 等. 大气沉降对烟叶重金属含量的影响及溯源分析[J]. 烟草科技, 2019, 52(6): 9-15.
Zhai Z, Zhang Y L, Yang X, et al. Effects of atmospheric deposition on heavy metal contents in tobacco leaves and traceability analysis[J]. Tobacco Science & Technology, 2019, 52(6): 9-15.
[27] 曹柳, 孟晓飞, 杨俊兴, 等. 河南省大气重金属沉降高风险区蔬菜重金属含量及健康风险评估[J]. 植物营养与肥料学报, 2021, 27(12): 2170-2183.
Cao L, Meng X F, Yang J X, et al. Heavy metal concentrations and health risk assessment of vegetables in the high-risk area of atmospheric deposition in Henan province[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021, 27(12): 2170-2183.
[28] 董俊文, 高培培, 孙洪欣, 等. 设施叶菜类蔬菜重金属镉、铅和砷累积特征及健康风险评价[J]. 环境科学, 2022, 43(1): 481-489.
Dong J W, Gao P P, Sun H X, et al. Characteristics and health risk assessment of cadmium, lead, and arsenic accumulation in leafy vegetables planted in a greenhouse[J]. Environmental Science, 2022, 43(1): 481-489.
[29] 查燕, 汤婕, 牛天新. 叶菜类蔬菜对重金属富集特征研究[J]. 江西农业大学学报, 2022, 44(3): 773-782.
Zha Y, Tang J, Niu T X. Study on enrichment characteristics of heavy metals in leafy vegetables[J]. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis, 2022, 44(3): 773-782.
[30] Qiao Y F, Hou H, Chen L G, et al. Comparison of Pb and Cd in wheat grains under air-soil-wheat system near lead-zinc smelters and total suspended particulate introduced modeling attempt[J]. Science of the Total Environment, 2022. DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.156290
[31] Li X Y, Li Z G, Lin C J, et al. Health risks of heavy metal exposure through vegetable consumption near a large-scale Pb/Zn smelter in central China[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2018, 161: 99-110.
[32] Zhou J, Du B Y, Liu H L, et al. The bioavailability and contribution of the newly deposited heavy metals (copper and lead) from atmosphere to rice (Oryza sativa L.)[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020. DOI:10.1016/j.jhazmat.2019.121285
[33] 孙洪欣, 赵纪舒, 付洁, 等. 大气颗粒物对水芹和白菜可食部位铅镉砷累积的影响[J]. 环境科学学报, 2017, 37(9): 3568-3575.
Sun H X, Zhao J S, Fu J, et al. Effects of atmospheric particulate matters on accumulation of Pb, Cd, As in edible parts of cress and cabbage[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017, 37(9): 3568-3575.
[34] 余志, 陈凤, 张军方, 等. 锌冶炼区菜地土壤和蔬菜重金属污染状况及风险评价[J]. 中国环境科学, 2019, 39(5): 2086-2094.
Yu Z, Chen F, Zhang J F, et al. Contamination and risk of heavy metals in soils and vegetables from zinc smelting area[J]. China Environmental Science, 2019, 39(5): 2086-2094.
[35] 穆德苗, 孙约兵. 西南地质高背景区蔬菜Pb的安全生产阈值与土地质量类别划分[J]. 环境科学, 2022, 43(2): 965-974.
Mu D M, Sun Y B. Safety production threshold and land quality classification of vegetable Pb in high geological background area of southwest China[J]. Environmental Science, 2022, 43(2): 965-974.
[36] 李想, 龙振华, 朱彦谚, 等. 东北设施叶菜类蔬菜镉铅污染安全生产分区研究[J]. 农业环境科学学报, 2020, 39(10): 2239-2248.
Li X, Long Z H, Zhu Y Y, et al. Zoning of cadmium and lead pollution for the safe production of facility leafy vegetables in northeast China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2020, 39(10): 2239-2248.
[37] 马宏宏, 彭敏, 刘飞, 等. 广西典型碳酸盐岩区农田土壤-作物系统重金属生物有效性及迁移富集特征[J]. 环境科学, 2020, 41(1): 449-459.
Ma H H, Peng M, Liu F, et al. Bioavailability, translocation, and accumulation characteristic of heavy metals in a soil-crop system from a typical carbonate rock area in Guangxi, China[J]. Environmental Science, 2020, 41(1): 449-459.
[38] 陈永, 黄标, 胡文友, 等. 设施蔬菜生产系统重金属积累特征及生态效应[J]. 土壤学报, 2013, 50(4): 693-702.
Chen Y, Huang B, Hu W Y, et al. Heavy metals accumulation in greenhouse vegetable production systems and its ecological effects[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(4): 693-702.
[39] 柴冠群, 杨娇娇, 范成五, 等. 镉高地质背景区设施栽培对土壤与蔬菜镉积累的影响[J]. 土壤通报, 2020, 51(6): 1489-1495.
Chai G Q, Yang J J, Fan C W, et al. Impact of greenhouse cultivation on the accumulation of cadmium in soils and vegetables from an area with a high geochemical background of cadmium[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2020, 51(6): 1489-1495.
[40] 刘意章, 肖唐付, 熊燕, 等. 西南高镉地质背景区农田土壤与农作物的重金属富集特征[J]. 环境科学, 2019, 40(6): 2877-2884.
Liu Y Z, Xiao T F, Xiong Y, et al. Accumulation of heavy metals in agricultural soils and crops from an area with a high geochemical background of cadmium, southwestern China[J]. Environmental Science, 2019, 40(6): 2877-2884.
[41] 任超, 肖建辉, 李竞天, 等. 不同玉米品种Cd、Pb、Zn和As积累与转运特性[J]. 环境科学, 2022, 43(8): 4232-4252.
Ren C, Xiao J H, Li J T, et al. Accumulation and transport characteristics of Cd, Pb, Zn, and As in different maize varieties[J]. Environmental Science, 2022, 43(8): 4232-4252.
[42] 程珂, 杨新萍, 赵方杰. 大气沉降及土壤扬尘对天津城郊蔬菜重金属含量的影响[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(10): 1837-1845.
Cheng K, Yang X P, Zhao F J. Effects of atmospheric and dust deposition on content of heavy metals in vegetables in suburbs of Tianjin[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(10): 1837-1845.
[43] Xiong T T, Leveque T, Austruy A, et al. Foliar uptake and metal(loid) bioaccessibility in vegetables exposed to particulate matter[J]. Environmental Geochemistry and Health, 2014, 36(5): 897-909.