土壤是构成生态系统的基本环境要素，是人类赖以生存的物质基础，也是经济社会发展不可或缺的重要资源，更是绝大部分污染物的最终归宿和食品安全的第一道防线。土壤作为种养殖农产品的主要环境要素，其质量的高低直接决定了人们所获取农产品的数量与品质^[1]。随着我国经济社会的快速发展，特别是在近年来工业化、城市化、农业现代化的进程中，各种化学品、农药及化肥等的广泛使用，使土壤环境质量问题呈现多样化、复杂化，给我国经济社会发展带来了新的挑战。

环境保护部和国土资源部2014年发布的全国土壤污染状况调查公报显示^[2]，全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。全国土壤总的点位超标率为16.1%，耕地土壤点位超标率为19.4%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃，重金属已成为耕地土壤主要的污染物。重金属污染物进入土壤后不能被土壤微生物所分解，易于在土壤中积累，被作物吸收，影响农产品质量安全，对人体健康产生危害。因此，如何科学有效地控制和管理农产品产地土壤环境重金属污染问题，合理利用土地资源，提高农产品质量，保障农产品安全已成为现阶段土地可持续利用的主要任务。

甘肃省土壤类型众多，种植作物差异很大^[3]，不同种类的作物对不同重金属元素的吸收富集能力不同^[4]，不同种类作物对同一重金属元素吸收转化能力不同^[5-6]，同一种类作物不同品种对重金属的吸收富集能力不同^[7-9]。土壤类型、土壤pH值、CEC、土壤有机质含量等众多因素均会影响作物对土壤中重金属的吸收^[10-11]。甘肃沿黄灌区重金属污染土壤主要分布在污水灌区，一般情况下，土壤pH值大于8.0，有机质含量小于15.0 g·kg^-1，CEC小于10.0 cmol·kg^-1，土壤质地为风积、淤积或洪冲积黄土母质，质地为粉砂质轻、中壤土。这种土壤的特性决定了土壤的缓冲能力低，环境容量小。

李裕等^[12]研究表明，甘肃沿黄灌区各种重金属在蔬菜中的含量呈现Zn＞Cu＞Pb＞Cd的趋势，叶菜对重金属元素的吸收能力大于茎菜，某种特定金属元素在不同的蔬菜中累积不一致。南忠仁等^[13]对白银市土壤作物系统重金属污染调查分析发现，小麦等作物中重金属含量超标。为进一步研究甘肃省主要栽培作物可食部分对重金属吸收和积累特征，本文采用微区土培的试验方法，研究甘肃省10种主要栽培作物在Cd、Hg、Pb重度污染的土壤上，作物可食部分的吸收和累积特性，并对其进行安全评价，为甘肃省种植业结构调整，合理利用重金属污染土壤提供理论依据。对甘肃省产地土壤重金属污染防治及农产品安全生产具有现实意义。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所兰州试验地（东经103°41′17″，北纬36°5′59″，海拔高度1510 m），属暖温带半干旱季风气候，年平均气温9.1 ℃，年无霜期约180 d，年平均降雨量205~350 mm。试验土壤为灌淤土，质地中壤，pH值8.45，有机质17.5 g·kg^-1，阳离子代换量9.23 cmol·kg^-1，全氮1.2 g·kg^-1，全磷0.65 g·kg^-1，碱解氮80 mg·kg^-1，速效磷16 mg·kg^-1，速效钾135 mg·kg^-1。供试土壤为0~20 cm表层土，全部过2 cm筛。试验地总面积128 m²，微区面积1.2 m²。

1.2 试验材料

供试重金属盐分别为Cd（NO₃）₂·4H₂O（上海展云化工有限公司）、HgCl₂（泰兴市化学试剂厂）、Pb（NO₃）₂（天津凯信化工有限公司），均为分析纯。

试验主要农作物为小麦（Triticum aestivum L.）、玉米（Zea mays L.）、马铃薯（Solanum tuberosum L.）、谷子（Setaria italica）、啤酒大麦（Hordeum vulgare L.）、油菜籽（Brassica campestris L.）、大豆[Glycine max（Linn.）Merr.]、胡麻（Linum usitatissimum L.）、娃娃菜[Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino（var. communis Tsen et Lee）]、芹菜（Apium graveolens L.）10种作物（表 1）。

1.3 试验方法

试验研究涉及3类10种作物及3种重度重金属污染土壤两个因素，其中重金属处理分别为：（1）对照（CK），不添加重金属；（2）添加Cd，土壤中施入3.0 mg·kg^-1的Cd（实际测定值3.04 mg·kg^-1）；（3）添加Hg，土壤中施入5.0 mg·kg^-1的Hg（实际测定值4.11 mg·kg^-1）；（4）添加Pb，土壤中施入400.0 mg·kg^-1的Pb（实际测定值418.0 mg·kg^-1）。土壤中重金属添加量均按照《食用农产品产地环境质量评价标准》（HJ/T 332—2006）中土壤环境质量评价限值的5倍浓度值设定。试验设4个处理，每处理4次重复，共16个微区。重金属添加前，先将每个小区耕层20 cm的土壤取出，过2 cm筛后混匀。按照设定的标准浓度称取相应质量的重金属化合物，加水稀释至一定量，将重金属溶液与土壤充分混合、拌匀，然后回填至已安装规格为1.5 m×0.8 m×0.2 m塑料筐的微区内，压实后老化180 d，以保证重金属与土壤的充分融合。

试验于2016年5月1日播种，小麦、玉米、谷子、啤酒大麦、大豆、胡麻、油菜籽、娃娃菜、芹菜采用育苗移栽的方式，移栽前清洗掉根部的基质，并在移栽时根部蘸取生根粉溶液；马铃薯块茎蘸取生根粉溶液后采用穴播的方式播种。种植后，定期定量灌水、施肥，灌溉水源为自来水。试验期每月测定一次灌溉水中Cd、Hg、Pb含量，灌溉水质符合试验要求，其值分别小于0.001、0.005、0.000 1 mg·L^-1。

1.4 样品处理与分析

种植前采集耕层（0~20 cm）土壤样品，风干后磨碎过20、60、100目筛备用。土壤pH值、有机质、CEC、N、P、K均参照《土壤农业化学分析方法》^[14]进行测定。土壤中Cd、Pb全量分析采用HNO₃-HF-HClO₄消解法（GB/T 17141—1997）^[15]，ICP-MS（ZXS-31）测定；Hg采用王水消解（GB/T 17136—1997）^[16]，原子荧光仪（ZXS-02、30）测定。在测定过程中采用国家标准土壤样品（GSS-19）进行分析质量控制，数字修约遵从GB 8170规则。

作物成熟后，收获全部植株样品，用自来水冲洗去除植物表面的泥土，然后用蒸馏水多次冲洗，沥干水分。将植株分为根、茎叶和籽粒三部分，常温下风干，用1%电子天平测定其生物量，并将可食部分磨碎，测定重金属含量。作物可食部分Cd、Hg、Pb含量分析采用硝酸-双氧水消解法（GB/T 5009—2010）^[17]，测定方法同上。采用植物标准样品（GSB-2，3，4国家标准参比物质）进行质控。

1.5 数据处理

农产品安全性评价采用单项污染指数法，单项污染指数表示某单项污染物对农产品污染影响的程度，该法只用1种重金属元素作为评价指标，可直接了解农作物中重金属含量与评价标准之间的关系^[18]。

农产品单项污染指数计算公式：

式中：P_i安全为农产品中重金属i的安全性评价指数；C_i农产品为农产品中重金属i的实测值，mg·kg^-1；S_i农产品为农产品中重金属i的卫生标准值，mg·kg^-1。

评价标准值按照食品安全国家标准《食品中污染物限量》（GB 2762—2012）执行^[19]（表 2）。

P_i安全≤1.0农产品是安全的；P_i安全>1.0农产品受到污染，超过农产品卫生标准值。

数据采用Excel软件进行常规分析，并用Duncan氏新复极差法进行差异显著性测验。用SPSS 19.0软件进行相关性分析。

重金属富集系数=植物某一部位重金属含量（mg·kg^-1）/土壤中重金属含量（mg·kg^-1）

2 结果与分析 2.1 不同作物可食部分重金属的含量

如图 1所示，Cd污染土壤上蔬菜类作物可食部分Cd含量普遍偏高，且极显著高于空白对照；其次是油料作物，其中胡麻籽粒中Cd含量极显著高于蔬菜类作物；粮食作物对Cd污染敏感性较低。同一类别不同作物对Cd吸收也存在差异，蔬菜类作物中芹菜对Cd的吸收量高于娃娃菜，但差异不显著。油料作物中胡麻籽粒Cd含量最高，且极显著高于所有供试作物，其次是大豆和油菜籽，但差异不显著。粮食类作物马铃薯Cd含量最高，显著高于谷子、啤酒大麦和玉米；其次是小麦，显著高于啤酒大麦和玉米籽粒中Cd含量，与谷子差异不显著；谷子、啤酒大麦、玉米籽粒中Cd含量差异不显著，其中玉米籽粒Cd含量最低，较空白对照差异不显著。由此可见，蔬菜类作物对Cd吸收较大，胡麻Cd含量极显著高于其他油料作物，油菜籽、大豆与粮食作物相比差异不显著。

如图 2所示，Hg污染土壤上蔬菜类作物可食部分Hg含量较高，极显著高于其他类别作物和空白对照；其次是粮食作物，油料作物对Hg污染敏感性最低，但二者差异不显著。同一类别不同作物对Hg吸收也存在一定差异，蔬菜类作物中娃娃菜对Hg的吸收量高于芹菜，但差异不显著。油料作物中胡麻籽粒Hg含量最高，且极显著高于油菜籽，与大豆差异不显著；大豆高于油菜籽，但差异不显著。粮食类作物中马铃薯Hg含量最高，极显著高于玉米，与其他粮食作物差异不显著；啤酒大麦、谷子和小麦差异不显著；玉米籽粒Hg含量最低，较空白对照差异不显著。由此可见，蔬菜类作物对Hg吸收较强，油料作物中胡麻对Hg的吸收较强，粮食作物中马铃薯对Hg的吸收较强。在Hg污染土壤上10种作物可食部分Hg含量均高于空白对照，其中娃娃菜、芹菜、胡麻和马铃薯均达到极显著水平，其他作物差异不显著；粮食作物中玉米Hg含量最低，油料作物中油菜籽Hg含量最低。

如图 3所示，Pb污染土壤上蔬菜类作物可食部分Pb含量较高，极显著高于其他类别作物和空白对照；其次是粮食作物和油料作物，但粮食作物和油料作物差异不显著。同一类别不同作物对Pb吸收也存在一定差异，蔬菜类作物中娃娃菜对Hg的吸收量极显著高于芹菜。油料作物中胡麻籽粒Hg含量最高，其次为油菜籽和大豆，但三者差异不显著。粮食类作物中谷子Pb含量最高，其次是马铃薯、啤酒大麦、小麦和玉米，但5种作物差异均不显著。与空白对照比较，娃娃菜和芹菜在Pb胁迫下，可食部分Pb含量极显著高于空白对照，其他作物与空白对照比较，差异不显著。由此可见，蔬菜对Pb的吸收能力较强，油料作物中胡麻对Pb的吸收能力较强，粮食作物中谷子和马铃薯对Pb的吸收能力较强。在所有供试作物中，玉米和大豆对Pb的吸收能力较弱。

2.2 不同作物可食部分对重金属的富集性

供试的3类10种作物中，同一作物可食部分Cd的富集系数最高，明显高于Hg和Pb（表 3）。按作物类型分析，Cd污染土壤上，蔬菜类作物对Cd的富集系数最大，油料作物次之，粮食作物最小；Hg和Pb污染土壤上，蔬菜类作物的富集系数最大，粮食作物次之，油料作物最小。按作物品种分析，Cd污染土壤上，胡麻籽粒Cd的富集系数最高，为2.39，玉米籽粒Cd的富集系数最低，为0.02；Hg和Pb污染土壤上，娃娃菜Hg和Pb的富集系数最高，分别为0.052和0.091，玉米籽粒Hg和Pb的富集系数最低，均为0.001。由此可见，Cd、Hg、Pb污染土壤上，娃娃菜、芹菜和胡麻对重金属的富集能力较高，玉米和啤酒大麦的富集能力较低。

2.3 农产品质量安全评价

根据食品安全国家标准《食品中污染物限量》（GB 2762—2012）中限量值，采用单因子指数法对农产品质量安全进行评价，结果如表 4所示。

在Cd重度污染土壤上，10种作物可食部分P_Cd在0.47~72.5之间。从作物类型上来看，蔬菜类作物污染指数最大，油料作物次之，粮食作物最小。按作物分析，除玉米籽粒Cd污染指数小于1，未受到污染外，其他农产品Cd污染指数均大于1，出现不同程度的污染。胡麻籽粒污染指数最高，为72.5，污染程度最为严重，显著高于其他农产品；其次为马铃薯、芹菜、娃娃菜和小麦，污染指数均大于10。油菜籽、啤酒大麦、大豆和谷子Cd污染指数较低，但仍超过农产品卫生标准值，农产品中Cd含量超标。

在Hg重度污染土壤上，P_Hg值在0.15~21.2之间。从作物类型分析，蔬菜作物全部超过食品质量标准限量值，在三类作物中超标最严重；粮食作物中只有马铃薯块茎中Hg含量超标，油料作物中均未出现Hg含量超标现象。从作物品种分析，娃娃菜、芹菜和马铃薯Hg污染指数分别为21.2、18.5和3.24，农产品受到Hg污染；其他农产品质量安全指数均小于1，农产品是安全的，玉米污染指数最小。

在Pb重度污染土壤上，P_Pb值在0.74~127.0之间。从作物类型分析，蔬菜作物全部超过食品质量标准限量值，在三类作物中超标最严重；按作物品种分析，大豆和玉米Pb污染指数小于1，Pb含量未超标，农产品是安全的；其他作物Pb污染指数均大于1，出现不同程度的污染，其中娃娃菜Pb污染指数最高，为127.0，污染程度最为严重，显著高于其他农产品；其次为芹菜，污染指数为67.1；胡麻、谷子、马铃薯、啤酒大麦、油菜籽、小麦污染指数相对较低，但仍超过农产品卫生标准值，农产品中Pb含量超标。

3 讨论

对重金属污染土壤的治理方法包括物理措施、化学方法及生物技术等，但这些方法在有效性、持久性及经济性方面难以达到预期效果^[20]。通过评价比较不同农作物吸收、积累重金属的能力，调节农作物种植结构，可以有效地防止重金属对农产品的污染，降低农产品中重金属污染风险。作物吸收重金属主要取决于作物本身的遗传因素和外界的环境条件^[21-22]。作物对重金属的吸收能力通过富集系数（Bioconcentration Coefficient，BCF）量化表现，反映植物对重金属富集程度的高低或富集能力的强弱^[23-25]。

研究发现，3类10种作物可食部分对Cd富集能力表现为蔬菜＞油料作物＞粮食作物，对Hg、Pb富集能力表现为蔬菜＞粮食作物＞油料作物，同一类型作物（除玉米和大豆外）对不同重金属吸收能力表现为Cd＞Pb＞Hg。杨晖等^[26]研究发现，茎叶类蔬菜重金属富集能力高于禾谷类，同时供试的7种作物对土壤中Cd的吸收能力明显大于Pb；蔬菜对不同重金属富集的规律是Cd＞Zn、Cu＞Pb、Hg、As、Cr^[27]；小麦籽粒对土壤重金属富集能力的大小顺序均为Cu>Cd>Zn>Pb>Cr^[28]；胡麻对重金属Cd的吸收明显高于Pb^[29]。这与本研究结果相同，说明土壤中的Cd更易被作物吸收和转运，容易在可食部分中累积。

由于不同作物重金属富集基因型不同，其Cd、Hg、Pb的吸收富集能力也存在较大差异。蔬菜作物中，芹菜对Cd的敏感性显著高于娃娃菜，与顾燕青等^[30]研究结果相同，而在Hg、Pb污染土壤上，娃娃菜的重金属富集能力高于芹菜。粮食作物对Cd的吸收能力为马铃薯＞小麦＞谷子＞啤酒大麦＞玉米，对Hg的吸收表现为马铃薯＞啤酒大麦＞谷子＞小麦＞玉米，对Pb的吸收表现为谷子＞马铃薯＞啤酒大麦＞小麦＞玉米。马铃薯对重金属的吸收显著强于其他粮食作物，主要是因为马铃薯可食部位为块茎，其他粮食作物可食部位为籽粒，植物茎部较籽粒更易富集重金属；玉米籽粒对重金属的富集能力最低，与Florijn等^[31]的结论一致，玉米生物量大是典型的重金属富集作物^[32]，但重金属主要富集在玉米秸秆中。油料作物对Cd的吸收表现为胡麻＞大豆＞油菜籽，对Hg和Pb的吸收表现为胡麻＞油菜籽、大豆。研究发现胡麻是重金属富集作物^[33]，其在重金属污染土壤上耐性和富集性高，与本研究结论一致。油菜籽的重金属富集能力也较强^[34]，但主要富集部位为叶片。本试验在Cd、Hg、Pb胁迫条件下，不同类别作物可食部分对重金属的吸收表现出明显的差异，同一种类别作物，其基因型的差异也较大，同时也因农艺措施及环境条件的变化表现出不同的特性，吸收重金属的能力也不同。如何保证筛选出的某类农作物对特定重金属的遗传功能稳定发挥，往往受诸多因素影响，因而尚有很多工作要做。

农产品产地土壤环境重金属污染问题的出现，极有可能导致农产品质量安全问题的发生，并通过食物链最终在人体内蓄积而危害人类生命与健康。农产品质量安全风险评估是农产品质量安全监管工作推进到一定程度的客观需要和必然选择^[35]。本试验中3类10种作物可食部分对Cd、Hg、Pb等重金属的累积情况及农产品质量安全的评价研究表明：娃娃菜、芹菜、胡麻对重金属的敏感性最强，具有较强的吸收和富集能力，也是重金属最容易超标的食用性农产品。玉米对重金属的敏感性最弱，吸收和富集能力较小，是10种作物中超标率最低的农作物。因此，为保证农产品质量安全，必须对娃娃菜、芹菜、胡麻产地土壤及农产品进行定期安全检测，对农作物产地重金属含量背景值较高或已存在重金属污染的低风险区进行种植业结构调整，将胡麻、娃娃菜、芹菜、马铃薯等对Cd、Hg、Pb富集能力较强的作物调整为玉米等重金属富集能力较低的作物，以降低农产品中重金属含量且不影响农产品的生产，但在实际生产应用中，仍然需要通过大田试验验证。

4 结论

（1）蔬菜对重金属的敏感性最高，在Cd、Pb、Hg污染土壤上应尽量避免种植蔬菜作物，尤其是根茎叶类蔬菜；油料作物Cd的富集能力较强，粮食作物对Pb、Hg的富集能力较强，针对不同土壤污染物状况，适当调整油料作物和粮食作物的种植。

（2）同一作物可食部分对Cd的富集能力显著高于Hg、Pb，Cd污染土壤对农产品质量安全具有更大的潜在威胁。

（3）在供试的10种作物农产品中，Cd胁迫下有9种作物超标，Pb胁迫下有8种作物超标，Hg胁迫下有3种作物超标。Cd和Pb比Hg更容易造成农产品中重金属超标。

（4）在土壤Cd、Hg、Pb重度污染区域进行农作物种植结构调整时，综合评价：在Cd污染区可优先选择种植玉米做验证；在Hg污染区可优先选择种植玉米和油菜籽做验证；在Pb污染区可优先选择种植玉米和大豆做验证。因此，玉米可作为甘肃省农产品产地土壤重金属污染防治中低风险区域种植业结构调整的首选作物。