2019, Vol. 39
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蔬菜中含有多种丰富的营养成分, 包括膳食纤维、矿质元素和维生素等, 是人们日常饮食中不可或缺的.随着人们对蔬菜摄入量的不断增加, 食入Pb含量超标的蔬菜会对人体健康造成极大危害(Liu et al., 2011).乌鲁木齐市地产蔬菜Pb超标时有检出.王灵等(2008)采集了乌鲁木齐市城乡结合部和蔬菜基地的零散菜地的蔬菜并测定了重金属含量, 发现6大类28种蔬菜存在不同程度的Pb超标(《食品中污染物限量标准(GB 2762—2005)》), 综合超标率达85.3%.张娜等(2015)在乌鲁木齐市采用盆栽试验种植小白菜、萝卜和辣椒, 发现灌溉水和土壤Pb含量均未超标情况下, 3种蔬菜可食用部分Pb含量均超标((《食品安全国家标准-食品中污染物限量(GB 2762—2012)》)叶类蔬菜Pb含量限值为0.3 mg·kg-1).探明乌鲁木齐蔬菜中Pb的污染来源, 是解决蔬菜Pb污染问题的关键, 对蔬菜Pb污染的防治具有十分重要的意义.
乌鲁木齐市内及其周边地区的蔬菜多年来是由城乡结合部和郊区的蔬菜基地提供的, 而被评为“菜篮子”的安宁渠镇周边的工厂较多, 对蔬菜和土壤Pb污染的问题也较严重.乌鲁木齐市本地蔬菜中Pb的来源较复杂, 除了灌溉用水和土壤外, 大气Pb污染被认为可能也是其主要来源之一(Li et al., 2012).
Pb同位素组成具有明显的指纹特征, 环境污染物质与其来源区的Pb同位素组成一致, 用其研究污染来源能够得到理想的结果.因此, 将Pb同位素用于污染物质来源的示踪具有实际意义.Pb同位素示踪技术是示踪污染物质来源的一种重要手段, 它不仅可以弥补标志元素地球化学研究的某些不足, 还可为环境系统污染物源解析提供新的途径(王琳等, 2006).目前, 利用Pb同位素示踪技术在土壤、水体、大气重金属来源方面已有较多研究, 但利用这种方法在蔬菜重金属污染来源方面的研究较少(倪玮怡, 2016).本研究采用Pb同位素示踪法, 结合盆栽试验分析灌溉水、土壤、降尘对小白菜地上部和根系Pb的实际贡献率及小白菜Pb的可能来源, 以期为蔬菜的安全生产和环境Pb污染的防治提供理论依据.
2 试验材料与方法(Test materials and methods) 2.1 供试材料供试小白菜(Brassica campestris L.)品种为山东青州新世纪种苗有限公司生产的“正旺达58号”, 杂交速生型；供试同位素206Pb(NO3)2(99.98%)、207Pb(NO3)2(98.84%)、208Pb(NO3)2(99.14%)试剂购自OAK Ridge National Laboratory, America；供试土壤购自新疆乌鲁木齐市沙依巴克区明珠花卉市场, 是取自市郊南山的森林土, 土壤理化性质见表 1.
| 表 1 供试土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil |
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① 土壤、降尘、窗灰的同位素计数值测定(预实验) 为了确定土壤、降尘和灌溉水中标记的Pb同位素种类和含量, 收集了乌鲁木齐市西外环高架桥附近农大小区距离地面1~1.5 m窗台的窗灰, 在西外环高架桥附近的试验地分3个不同的点位布设了降尘缸收集降尘, 并在试验地采集了表层土样.对收集到的降尘、窗灰和表层土样进行本底值的测定, 测定了单同位素206Pb、207Pb和208Pb计数值, 见表 2.结果显示：不同样品中Pb同位素单体计数值大小为：集尘缸降尘＞窗灰＞土样；同一样品不同Pb同位素单体计数值大小为：208Pb>207Pb>206Pb, 集尘缸降尘中208Pb值是最大的, 土样中的206Pb值是最小的, 且集尘缸降尘的Pb同位素计数值约是表层土样的6倍.以此设置了土壤、降尘、灌溉水中标记的Pb同位素种类和含量分别为：以206Pb标记土壤, 因为测定土壤总Pb≤20 mg·kg-1, 故设置土壤中添加Pb2+浓度为20 mg·kg-1, 即32 mg·kg-1的206Pb(NO3)2；以207Pb标记灌溉水, 依据《绿色食品：产地环境技术条件(NY/T 391—2000)》中农田灌溉水质要求：Pb≤0.1 mg·L-1, 故设置灌溉水中添加Pb浓度为0.1 mg·L-1, 即0.16 mg·kg-1的207Pb(NO3)2；以208Pb标记降尘, 因集尘缸降尘的Pb同位素计数值约为表层土壤的6倍, 故设置降尘中添加Pb2+浓度为120 mg·kg-1, 即191 mg·kg-1的208Pb(NO3)2.
| 表 2 土壤、降尘、窗灰中Pb同位素单体计数值 Table 2 Pb isotope monomer counts in soil, dustfall, and window dust |
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② 盆栽试验设置 在新疆农业大学农科楼进行试验, 采用透明塑料布搭建蔬菜大棚, 防止降尘落入.称取1 kg土样于1个自封袋中, 并加入206Pb(NO3)2同位素(Pb2+浓度为20 mg·kg-1)；在装有灰尘样品的自封袋中加入208Pb(NO3)2同位素(Pb2+浓度为120 mg·kg-1), 然后加入适量超纯水使土壤或灰尘充分混合均匀, 陈化15 d.陈化期间, 每天每份土壤或灰尘混合30 min, 以保证加入的同位素均匀分布在土壤或灰尘中.在蒸馏水中加入207Pb(NO3)2同位素(Pb2+浓度为0.1 mg·L-1), 对蒸馏水进行标记.
2017年6月20日开始种植小白菜.将陈化后的土壤置于干净的盆钵(内径15 cm, 高12 cm)中, 浇入适量的蒸馏水, 并搅拌均匀, 平衡一晚后开始种植小白菜.每盆中均匀撒入20粒菜种, 并用被207Pb标记过的蒸馏水进行灌溉.待小白菜出芽后, 将陈化后被208Pb标记的灰尘涂到小白菜叶片上, 用以模拟干沉降, 记为处理1.以未加入Pb同位素的土壤样品种植, 未加Pb同位素的蒸馏水灌溉, 并用不加Pb同位素的灰尘涂抹在叶片上, 记为对照CK1.各处理重复3次.每周涂抹降尘1次, 每次每盆涂抹60 mg, 第1次涂前, 将小白菜地上部和盆钵表层土壤之间用白纸做一个屏障, 使涂的降尘不会沉降到花盆土壤中, 直至收菜时取下白纸.每周间苗1次, 保持每盆株数相等, 定期调换盆钵的位置, 均匀接受自然光照, 定时记录小白菜的生长状况.2017年8月10日收获小白菜.
2.2.2 试验2：端元Pb同位素比值试验① 样品采集与前处理 2017年8月5日采集了汽车尾气烟灰、建筑降尘、燃煤、表层土壤、化肥、污泥、动物粪便、植物及石油等环境介质.
汽车尾气烟灰采自新疆农业大学停车场内小型汽车和中型客车的排气筒；建筑降尘采自乌鲁木齐市工地彩钢房的窗台和屋顶；燃煤采自乌鲁木齐市水磨沟区苇湖庄煤炭销售点；石油采自克拉玛依油田, 取油深度小于1000 m, 属稠油范畴；表层土壤和植物落叶采自乌鲁木齐市距西外环约100 m处的试验田；污泥采自乌鲁木齐市虹桥污水处理厂；动物粪便采自乌鲁木齐市北郊养鸡场；化肥为尿素(分析纯, 天津市福晨化学试剂厂).
将采集的表层土壤、化肥、污泥、动物粪便、植物落叶等环境介质放入烘箱内于65 ℃下烘干, 碾碎, 过100目尼龙筛后装入管中备用.
② 盆栽试验设置 2017年6月27日开始种植小白菜.试验用盆钵为塑料花盆, 内径30 cm、高19 cm.每个处理称取5 kg土样, 将适量的蒸馏水倒入土样中渗透, 并搅拌均匀, 待平衡后种植小白菜.每盆中均匀撒入20粒小白菜种子, 定期浇自来水, 每周间苗1次, 最后每盆留苗3株, 定期调换盆钵的位置, 均匀接受自然光照, 定时记录小白菜的生长状况.处理2在西外环高架桥附近的试验地种植(露天自然条件下), 浇自来水；对照CK2置于洁净的室内, 浇蒸馏水, 并用透明塑料布搭建大棚, 防止降尘落入.每组重复4次.2017年8月17日收获小白菜.
2.3 测定项目与方法将小白菜收获后用自来水冲洗干净后再用去离子水清洗, 并分为地上部和根系.小白菜地上部和根系用硝酸-高氯酸消解, 土壤总Pb用HNO3-HCl-HClO4-HF消解(刘凤枝, 2001), 消解仪器为LWY-84B控温式远红外消煮炉(四平电子技术研究所)；Pb含量分析测定采用TAS-990石墨炉原子吸收光谱仪(北京普析通用仪器有限责任公司)；小白菜及各环境介质的Pb同位素单体计数值和比值测定采用8800电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, 美国安捷伦科技有限公司)；土样的基本理化指标均采用常规法测定(鲁如坤, 2000).
2.4 数据处理与分析计算公式：
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(1) |
式中：ω表示Pb同位素单体的实际贡献率；W1表示处理组中的Pb同位素单体的计数值；W0表示空白对照中的Pb同位素单体的计数值；W表示处理组Pb同位素的总计数值; WCK表示空白对照中Pb同位素总计数值.
数据用Microsoft Excel进行统计分析, 用SPSS Statistics 19.0进行聚类分析.
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 小白菜Pb同位素示踪试验分析 3.1.1 小白菜中Pb同位素计数值及Pb含量分析小白菜地上部和根系Pb同位素计数值及Pb含量见表 3.由表 3可以看出, 处理1小白菜地上部和根系的204Pb计数值低于对照CK1地上部的204Pb计数值, 而206Pb、207Pb、208Pb计数值均高于对照CK1地上部的207Pb、206Pb、208Pb计数值.处理1小白菜地上部Pb含量是CK1地上部的1.75倍, 根系Pb含量是CK1根系的2.7倍.依据《食品安全国家标准-食品中污染物限量(GB 2762—2017)》, 叶类蔬菜Pb含量限值为0.3 mg·kg-1, CK1和处理1的小白菜地上部Pb含量均超标.
| 表 3 小白菜Pb同位素计数值及Pb含量 Table 3 Pb isotope count and Pb content in Chinese cabbage |
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图 1反映了小白菜中不同Pb同位素单体的实际贡献率.从图 1可以看出大气降尘、灌溉水和土壤对小白菜地上部Pb的累积均有贡献.大气降尘(208Pb)对小白菜地上部Pb含量的贡献最大, 达到51.50%；其次为灌溉水(207Pb), 贡献率达31.8%；而土壤(206Pb)贡献较少, 仅为16.7%.
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| 图 1 小白菜Pb同位素单体贡献率 Fig. 1 Contribution rate of Pb isotope monomers in Chinese cabbage |
与小白菜地上部不同的是灌溉水(207Pb)对小白菜根系Pb的贡献最大, 达到77.5%, 其次为土壤(206Pb), 贡献率达20.30%, 而大气降尘(208Pb)对小白菜根系Pb的贡献最少, 仅为2.20%.
3.2 小白菜Pb同位素比值试验分析 3.2.1 小白菜中Pb同位素计数值分析环境介质中Pb同位素计数值见表 4.由表 4可知, Pb同位素总计数值大小顺序为：污泥＞尾气烟灰＞植物落叶＞化肥＞动物粪便＞建筑降尘＞表层土壤＞燃煤＞石油.处理2小白菜地上部的204Pb、206Pb、207Pb、208Pb计数值均高于对照CK2地上部.处理2小白菜根系中的204Pb、206Pb、207Pb、208Pb计数值均低于对照CK2的根系.
| 表 4 环境介质及小白菜中Pb同位素计数值 Table 4 Pb isotope counts in environmental media and Chinese cabbage |
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聚类分析是对类似的对象进行分类组合的重要方法之一, 可用于各元素分类判别(张棕巍等, 2016; Micó et al., 2006).采用离差平方和法(Ward′s method)和欧氏距离法(Euclidean distance)将表 5中各环境介质的Pb稳定同位素比值分别和小白菜地上部、根系Pb同位素比值进行系统聚类分析, 结果见图 2.可以看出CK2小白菜地上部和9种环境介质Pb同位素比值可以分为4类.第一类：石油；第二类：CK2地上部、污泥、表层土壤；第三类：化肥、动物粪便；第四类：植物落叶、尾气烟灰、燃煤、建筑降尘.这说明, CK2地上部Pb稳定同位素比值与污泥和表层土壤最接近, Pb含量易受到污泥和表层土壤的影响.
| 表 5 环境介质及小白菜Pb同位素比值 Table 5 Pb isotope ratios in environmental media and Chinese cabbage |
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| 图 2 环境介质及小白菜中Pb同位素比值聚类分析图 Fig. 2 Cluster analysis of Pb isotopic ratios in environmental media and Chinese cabbage |
处理2小白菜地上部和9种环境介质Pb同位素比值可以分为4类.第一类：石油；第二类：污泥、表层土壤；第三类：化肥、动物粪便；第四类：植物落叶、尾气烟灰、处理2地上部、燃煤、建筑降尘.这说明, 处理2地上部Pb稳定同位素比值与植物落叶、尾气烟灰、燃煤和建筑降尘最接近, Pb含量易受尾气烟灰、燃煤、建筑降尘的影响, 和植物落叶相近, 主要与人为因素有关.
CK2和处理2小白菜根系与各环境介质Pb同位素比值均分为四类.与CK2小白菜地上部分类一致, 说明小白菜根系Pb主要受土壤和污泥影响.
4 讨论(Discussion)Pb同位素组成具有明显的“指纹特征”, 在研究环境污染物来源方面已经被证明是一种行之有效的方法(Wang et al., 2013).在本研究中, 大气降尘对小白菜地上部Pb的贡献率为51.5%, 土壤的贡献率为16.7%, 灌溉水的贡献率为31.8%, 大气降尘对小白菜地上部(可食用部)Pb含量的贡献率最大.Liu等通过借鉴已有数据推测大气沉降对烟叶重金属Pb含量的贡献率超过50%(Liu et al., 2017).程珂等研究表明, 大气降尘对蔬菜叶面重金属Pb的贡献最大(程珂等, 2015).这与本研究结果基本一致.这可能与叶类蔬菜相比其他类蔬菜暴露在空气中的表面积较大有关.大气降尘中的Pb有两种途径进入植物体内：一是以干沉降或者湿沉降进入土壤, 间接被植物根系吸收(孙贤斌, 2005).当Pb被植物根系表面所吸附, 就可能借助非共质体(质外体)途径向根内转运, 即Pb可以通过细胞间隙和细胞壁等质外体空间以横向流形式迁移, 穿过皮层并在内皮层组织中积累(徐颉, 2011; Liu et al., 2015; Salazar et al., 2016).除了非共质体途径外, 植物根系对Pb的吸收也可以通过共质体途径进行(Sahi et al., 2016), 其中包括胞吞作用(Krzesowska et al., 2010)、钙调蛋白(施翔, 2017)、Ca2+通道(Pourrut et al., 2008)及阳离子转运蛋白(Shahid et al., 2011)的转运等.二是从叶面角质层小孔、气孔器或排水孔直接进入植物体内(Birbaum et al., 2010; Tian et al., 2010).而降尘中的Pb从小白菜叶面气孔进入体内是小白菜地上部累积Pb最直接的途径, 这是造成植物叶片铅含量升高的一个重要因素.相关研究结果表明, 蔬菜可以通过叶片从大气中吸收气态或者颗粒态重金属Pb, 主要以亲水或亲脂的方式通过叶片角质层的水孔和气孔, 并转化为PbO、PbSO4或PbCO3等形态储存在叶片内部(Uzu et al., 2010), 而叶面积大、叶面粗糙的蔬菜吸收Pb能力强, 含量就高(Dahmani-muller et al., 2000; Rattan et al., 2005).张焕焕等(2015)的研究结果表明, 大气降尘对叶类蔬菜的影响远大于其他蔬菜.也有其他研究者发现叶菜类蔬菜重金属含量一般高于根茎类或茄果类蔬菜(Sharma, 2008; Pandey et al., , 2009; Tang et al., 2011).由此可见, 大气降尘是叶类蔬菜重金属Pb的重要来源之一.
有研究表明, 在某些大气Pb浓度较高的地区, 叶片的吸附与吸收对植物累积Pb的贡献要比植物经根系吸收再向地上部转运大得多(段德超等, 2014).于洪等(2014)对乌鲁木齐市大气降尘中重金属含量进行了测定, 结果显示乌鲁木齐市主城区降尘Pb含量是乌鲁木齐区域土壤背景值(11.20)的10倍, 大气降尘重金属Pb污染严重.魏疆等(2015)分析了乌鲁木齐市大气降尘中重金属含量的来源, 结果也显示大气降尘中重金属含量相对于土壤背景值相比明显偏高, 且污染严重, 受人为源的影响较大.在本研究中, 室外露地小白菜地上部与尾气烟灰、植物落叶、燃煤、建筑降尘的Pb同位素比值归为一类, 这说明大气降尘中的尾气烟灰、燃煤烟灰、建筑降尘可能是导致露天蔬菜Pb含量超标的主要原因.植物落叶中Pb累积也与上述因素有关.本试验中CK1虽然种植于室内, 但其地上部Pb含量也超标, 应与其表面被涂抹降尘有关.张海珍等(2014)的研究结果也表明乌鲁木齐市大气降尘中的Pb含量受燃煤和汽车尾气的影响较大.因此, 应重点进行大气污染治理的工作, 这对于降低叶类蔬菜可食用部分Pb含量至关重要.在大气污染治理中, 乌鲁木齐市应严格控制油品质量, 同时也要充分结合当地液化石油、天然气资源丰富的自然条件, 鼓励燃油车进行天然气改装, 从而降低汽车尾气排放对大气造成的污染.还应对燃煤进行严格控制, 最大限度的减少工业源污染物的排放量, 降低煤炭能源使用量, 增加天然气、风能与电能等清洁性能量使用占比, 将污染物排放降低(李朝阳, 2015；常娜, 2016；李霞等, 2016；李世伟, 2017；周健, 2017).以此来降低蔬菜可食用部分Pb含量, 从而减少Pb对人体的毒害.
本研究结果还表明, 灌溉水(207Pb)对小白菜根系Pb的贡献最大, 达到77.5%, 其次为土壤, 贡献率达20.30%, 而大气降尘对小白菜根系Pb的贡献最少, 仅为2.20%.这可能与灌溉水中Pb的形态有关.张娜等(2015)研究乌鲁木齐再生水-土壤-蔬菜体系中Pb的形态分布结果表明, 灌溉水中的Pb主要以水溶态存在, 迁移性较强, 易通过土壤被根系吸收进而累积在植物根部中.本试验人为添加的Pb(NO3)2是水溶态的, 易于从土壤中迁移至小白菜根系.所以在农田灌溉用水时, 不仅需要严格控制Pb的总量, 更需要关注Pb的形态, 这是保障安全生产的前提.此外, 灌溉水中的Pb可能对根茎类蔬菜影响较大, 因此灌溉用水对根茎类蔬菜Pb累积的影响还有待作进一步的研究.
5 结论(Conclusions)1) 大气降尘、灌溉水和土壤对小白菜可食用部分Pb累积的贡献率分别为51.50%、31.8%和16.7%, 大气降尘对小白菜可食用部Pb含量累积的影响最大.
2) 大气降尘、灌溉水和土壤对小白菜根系Pb累积的贡献率分别为2.20%、77.5%和20.30%, 灌溉水对小白菜根系Pb含量累积的影响最大.
3) 尾气烟灰、燃煤烟灰、建筑降尘是导致乌鲁木齐市露天蔬菜Pb含量超标的主要原因.
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