蔬菜重金属污染：土壤-蔬菜系统调控模式研究

随着工农业的发展，污染来源也增多。陈家冲村垃圾填埋场则是对当地农户蔬菜造成污染的主要原因。蔬菜是人们日常生活必不可少的食物，随着生活水平的不断提高，公众环境保护、农产品食用安全意识增强，人们对蔬菜质量的要求越来越高。蔬菜通过根系吸收土壤中由垃圾填埋场迁移而来的重金属离子或者由叶片直接从大气中吸收，经食物链转移进入人体，逐步累积对人体健康造成危害。从20世纪80年代至今，国内很多大城市都开展了城郊菜地土壤重金属污染状况的研究。对国内蔬菜重金属污染调查结果表明，我国菜地土壤重金属污染形势非常严峻。因此，开展对蔬菜中重金属含量的调查与分析对提高蔬菜产量，保障饮食安全等具有重要意义。

蔬菜污染研究现状分析：

（一）调查地区的污染源及环境状况

陈家冲村地处较远离城市的地区，人们以种植农作物为主。因此，工业污染相对较少而农业污染是主要原因。其污染源来自位于北面的垃圾填埋场及农药、化肥、除草剂等的不合理使用。另外，废弃飘尘也是引起农作物重金属污染的主要原因。

（二）目前研究进展

重金属污染是近年来环境污染的主要问题之一，也是最近几年人们比较关注的一个问题。当前环境中，重金属主要指Cd、Pb、Cr等生物毒性显著的元素，也包括正常时为营养元素但过量时有一定毒性的Cu、Zn、Mn等，这几种重金属也是人们比较关注的金属。目前随着经济的迅速发展，其“三废”对土壤造成的污染也在日益加重，据我国农业部进行的全国污灌区调查，我国每年因重金属污染而减产粮食1000 多万吨，被重金属污染的粮食每年多达1200万吨，合计经济损失至少200 亿元。重金属污染不仅导致土壤的退化、农作物产量和品质的降低，而且通过食物链危及人类健康。防治土壤污染，保护有限的土壤资源，已成为突出的世界性问题。目前，国内外关于重金属污染土壤的植物修复研究比较多，但主要集中在对重金属耐性植物（Met-aholerant Plants）、富集植物（Hyperaccumulator）和指示植物（Indicator）的研究上，但对有关在轻度污染地区筛选种植蔬菜的报道比较少。

主要研究方法：

许秀琴等重金属消化液和各形态提取液均在原子吸收分光光度计（THERMO ICE3500）上测定，其中Pb、Cd 测定采用石墨炉法，Cu测定采用火焰法。秦普丰等研究蔬菜样品采用微波消解法分别称取0.1～0.2g蔬菜样品放入50 mL 干燥且干净的塑料消解管中，加入2 mL浓硝酸（优级纯），静置过夜，然后将消解管随机放入微波消解仪（MARS5，CEM Microwave Technology Ltd. USA）进行消解。

蔬菜污染程度与土壤的相关性：

重金属进入土壤后不能为生物所降解，形成永久性潜在危害。土壤重金属的生物有效性主要是通过土壤中各形态重金属直接体现的，对蔬菜有效性较高的是有机物和硫化物结合态和铁锰氧化物结合态。活性态重金属含量与比例是影响蔬菜累积重金属的重要因素，但不同重金属元素的各种形态对蔬菜的生物有效性的差异较大。在重金属元素的4种形态（残渣态、铁猛氧化物结合态、有机物和硫化物结合态、水溶态、可交换态和碳酸盐结合态）中铁猛氧化物结合态和有机物和硫化物结合态对作物有潜在威胁。而比例最小的水溶态、可交换态和碳酸盐结合态，极易进入土壤溶液而被作物吸收，有较大的危险性。许秀琴等研究表明植物吸收重金属与重金属在土壤中存在的形态有关。只有活性态才易被蔬菜吸收积累，对其产生毒害。如蔬菜茎部的Cd随着土壤有机物和硫化物结合态Cd 的增加而减少。

表1.35是蔬菜及土壤中的重金属含量分布特征相关数据。表明叶菜类蔬菜中铜、铅、镉含量平均值均高于瓜豆类蔬菜，只有锌含量低于豆类蔬菜。土壤中有效态重金属锌、铜、铅、镉以锌含量最高。

表1.35　蔬菜与种植土壤重金属含量表　（mg/kg）

表1.35、表1.36是仝磊、朱圣陶针对苏州市工业园区蔬菜研究其土壤与蔬菜重金属含量及其相关性研究所得数据。相关分析表明，EDTA 浸提的有效态重金属全量的重金属与蔬菜全量重金属之间相关性很好，在对十二种蔬菜重金属全量的相关分析中，土壤有效Zn只与蚕豆、油菜、大豆全Zn 无相关性，与其他几种呈显著相关。土壤有效Cu只与蚕豆、油菜、大豆、韭菜、尖椒、雪菜全Cu无相关性，与其他几种呈显著相关。土壤有效Pb只与油菜全Pb（r＝0.786）之间呈显著正相关；其他的均达不到显著水平。土壤有效Cd只与大豆全Cd无相关性，与其他几种呈显著相关。这表明，蔬菜对重金属的吸收是有选择性的，蔬菜种类不同其吸收各种元素的量与土壤中的存在的量是不一致的。

表1.36　土壤中重金属与蔬菜重金属含量之间的相关系数（r）

蔬菜对镉的富集能力：

如图1.12是韩静等对葫芦岛龙岗区芹菜、油菜、甘蓝、辣椒、豇豆、胡萝卜六种蔬菜对Cd的富集系数研究结果。

图1.12　蔬菜中Cd的富集系数

图中1～6分别代表芹菜、油菜、甘蓝、辣椒、豇豆、胡萝卜，下同。

蔬菜对铅的富集能力：

蔬菜是人们膳食中重要组成部分，也是人体铅摄入的重要来源之一。区域环境中蔬菜铅等重金属含量状况已引起越来越多研究者的关注，但研究者采取的样品采集策略和污染评价方法并不完全相同。样品采集地多依据经验选择污染较严重的局部区域，属于区域抽样式调查，调查范围多在100km 以下，样品量较少；近年来，也有针对省、市级行政区域菜地土壤进行普查式调查的研究，调查范围多在数千乃至数万km。研究者采用的抽样方式也有所不同，较为普遍的为随机抽样，更具代表性的抽样方法则综合考虑蔬菜消费结构、种植方式和产地来源等，其研究结果也更具科学性。近年来，我国部分大中城市都曾开展过蔬菜中铅含量状况的调查与研究。对北京市主要蔬菜基地和农贸市场的蔬菜进行的大规模调查的结果显示，蔬菜铅超标率为9.2%；珠海市蔬菜铅超标率为4.1%，超标的均为叶菜。蔬菜中的铅除来源于土壤之外，还可能与蔬菜的生理特性、生长期长短以及对重金属敏感程度等因素有关，也可能是与蔬菜叶片直接暴露于大气有关。郑路等在研究蔬菜对铅的吸收时认为，大气中50%以上的铅可被蔬菜叶片直接吸收，而且当重金属元素含量较高的烟尘落在蔬菜叶面上时，可被叶片组织吸收从而导致重金属在蔬菜中的积累。

蔬菜对汞的富集能力：

如图1.13是韩静等对葫芦岛龙岗区芹菜、油菜、甘蓝、辣椒、豇豆、胡萝卜六种蔬菜对Hg的富集系数研究结果。

图1.13　蔬菜中Hg的富集系数

蔬菜对锌的富集能力：

蔬菜体内的重金属含量与相应的土壤重金属含量之比为富集系数。涂修敏等研究表明如表1.37不同蔬菜对锌的富集能力有差异的，叶类（包菜、香菜、小白菜）总体表现为高富集，菠菜却有些例外，对锌的富集表现出中富集，这可能与菠菜本身的特性有关。根茎类（红菜薹、莴苣）表现为中富集。因此，对于重金属污染较严重的地区，应尽量种植一些低富集蔬菜，而对一些污染较轻的地区，则应种植中或者低富集蔬菜。这样既能保证农户的经济利益，也能保证蔬菜的质量。

表1.37　不同蔬菜对锌的富集系数

蔬菜对铜的富集能力：

林君峰等研究表明在蔬菜对铜的富集系数中，土壤铜含量影响起一定作用。

表1.38　蔬菜对土壤铜的富集系数（以蔬菜干基含量计）

蔬菜对铬的富集能力：

如图1.14是韩静等对葫芦岛龙岗区芹菜、油菜、甘蓝、辣椒、豇豆、胡萝卜六种蔬菜对Cr的富集系数研究结果。

根据GB 2762—2012食品安全国家标准得知汞、镉、锌、铜、铬、铅等在食品原料中或食品可食部分中允许的最大限值如表1.39 所示。

图1.14　蔬菜中心Cr的富集系数

表1.39

我国食品卫生标准GB 2762—2005 规定，一般蔬菜Cu≤5.0mg/kg，Zn≤20.0mg/kg。

六种重金属离子对人体健康的危害。

Cd对健康的危害：

镉（Cd）是广泛存在于自然界的一种重金属元素，在人体内镉可蓄积50a，能对多种器官和组织造成损害。镉对农业最大的威胁是产生“镉米”、“镉菜”，进入人体后使人得骨痛病。另外，镉会损伤肾小管，出现糖尿病，还有镉引起血压升高，出现心血管病，甚至还有致癌、致畸的报道。

Pb对健康的危害：

铅广泛存在于自然界中，是对人体毒性最强的重金属之一。长期或过量摄入铅容易引起神经系统、消化系统、造血系统和肾脏的损害等中毒反应，使铅对人体健康的危害成为不容忽视的社会问题。居民食用蔬菜的铅摄入量（DI）为各种蔬菜（Pb）的几何平均值与其相应的消费量权重乘积的加和及蔬菜人均日消费量之积。1993年，FAO/WHO（世界粮农组织与世界卫生组织）建议，每周每kg体质量允许铅摄入量为25μg。以中国成年人平均体质量为56kg计，则ADI（每日铅允许摄入量）为200μg/d。对于普通人群而言，膳食为铅摄入的主要途径。若考虑其他摄入途径，我国蔬菜铅的平均贡献率为37.9%。

Hg对健康的危害：(www.xing528.com)

有机汞是一种蓄积性毒性，从人体排泄比较慢。汞可危害人的神经系统，使手足麻痹，严重时可痉挛致死。通常植物体内只含有极微量的汞，只有在较高浓度下，汞才对植物产生伤害。植物受汞毒害表现的症状是叶、花、茎变成棕色或黑色。汞进入植物体内有两条途径：一条是土壤中的汞化物转变为甲基汞或金属汞为植物根所吸收；另一条是经叶片吸收而进入植物体，在这种情况下，如汞浓度过大，叶片很易遭受伤害。

Cu对健康的危害：

铜是人类最早使用的金属。1874年Harless指出软体动物体内铜具有重要作用，1878年Ferderig从章鱼血内蛋白质配合物中将铜分离出来，并称该蛋白为血铜蓝蛋白，至1928年Hart发现铜是生物体内的必需微量元素。它具有重要的生理功能，参与机体代谢。摄入量过高或过低都会导致各种疾病。铜是含铜酶及含铜的生物活性蛋白质的组分，有助铁的吸收和利用。缺铜病人由于黑色素不足，常发生毛发脱色症，不能耐受阳光照射，若体内严重缺乏酪氨酸酶则发生白化病。

Zn对健康的危害：

锌是人体必需的微量元素，含量少但功用非常重要。婴幼儿缺锌不仅会导致生长发育的停滞，而且会影响婴儿智力的发育，正常人血锌值应为13.94μmol/L。科学研究表明，锌是人体内200 多种酶的组成部分，它直接参与了核酸、蛋白质的合成、细胞的分化和增殖以及许多重要的代谢。人体内还有一些酶需要锌的激活而发挥其活性作用。锌是人体生长发育、生殖遗传、免疫、内分泌等重要生理过程中必不可少的物质，人体含锌总量减少时，会引起免疫组织受损，免疫功能缺陷，所以锌被人们誉为“生命之花”。锌是骨骼及软骨形成的初期阶段必需的元素。摄入过多，会痿味、口渴、胸部紧束感、干咳、头痛、头晕、高热、寒战等。

Cr对健康的危害：

秦军等研究表明，少量浓度的铬对植物生长有促进作用，高浓度铬对植物有抑制作用。高浓度的铬胁迫对这些蔬菜的抑制作用非常大。能抑制作物生长发育，可与植物体内细胞原生质的蛋白质结合，使细胞死亡；可使植物体内酶的活性受到抑制，阻碍植物呼吸作用等代谢过程。叶面积受抑后生菜的营养生长得不到足够的光合产物，导致株型矮小，叶片黄化。镉也被认为是致癌物质。

研究的目的及意义：

蔬菜是人们日常生活中必不可少的食物。由于重金属难降解、易富集的特性，使得重金属在土壤中积累和在作物体内富集，严重影响了作物的生长和品质，并通过食物链进入动物和人体，使人体产生慢性中毒，对人类的生存和健康构成威胁。随着生活水平的不断提高，公众环境保护、农产品食用安全意识的增强，人们对蔬菜质量的要求越来越高。对蔬菜中重金属含量进行调查与分析，旨在全面了解该地区重金属的污染特征，期望为该地区重金属污染的诊断、污染源与污染过程的分析、污染控制与修复提供参考。

总结：

由于含重金属物质的工业废水对农用水源的污染，以及空气中含重金属的悬浮颗粒的沉降，这些都可能造成重金属对农用耕地的污染。由于重金属不可以分解，因此一旦对土壤产生污染，那么这种污染是具有积累性的，是不可以逆转的。蔬菜一方面可以通过根系从土壤吸收并富集重金属，另一方面也可通过叶片上的气孔从空气中吸收气态或尘态的重金属，从而使蔬菜受到重金属的污染。这些问题都影响着农业的安全生产，影响人们的食品安全。

蔬菜中重金属含量主要与土壤中重金属含量、植物生理生化特点以及蔬菜基地周围水环境和大气环境有关。因此，要建立健全环保监测体系，定期进行蔬菜地的水、大气、土壤的环境质量监测工作。应同时开展有关土壤重金属含量与种植的不同蔬菜中重金属含量的相关性课题研究。除此之外，在研究土壤与蔬菜重金属污染时，不能仅考虑单一重金属元素的污染。重金属的复合污染存在协同作用的同时也存在拮抗作用，后者降低了污染元素的毒性。

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