不同钝化剂处理下镉和铅在土壤

（1.浙江科技学院生物与化学工程学院，浙江杭州 310023）（2.浙江省检验检疫科学技术研究院，浙江杭州311202）（3.中国计量大学生命科学学院，浙江杭州 310018）（4.浙江科技学院环境与资源学院，浙江杭州 310023）

摘 要：为综合评价生物质炭、调理剂和腐殖酸3 种不同钝化剂对杭白菊镉（Cd）和铅（Pb）含量降解的影响，通过土壤盆栽实验研究了钝化剂处理下Cd 和Pb 在2 种土壤-杭白菊体系中的富集迁移特性及菊花品质的变化。结果表明：在2 种不同程度Cd 和Pb污染土壤中添加3 种钝化剂杭白菊整体对Cd 富集系数均降低，其中添加生物质炭降幅最显著（54.70%、72.27%）；添加生物质炭相较于其它2 种钝化剂对抑制Cd 和Pb 在茎-花间的迁移以及菊花茶茶渣中的残留量效果均最显著，茶渣中两者的残留在土壤1 中分别下降48.91%、56.10%，土壤2 中分别下降62.77%、86.00%。土壤1 中添加生物质炭花中绿原酸、木犀草苷和异绿原酸A 含量与对照相比增幅最显著，分别为154.93%、77.11%和99.09%；而土壤2 中添加3 种钝化剂，3 种有效成分含量均极显著提高。综合分析，生物质炭对Cd 和Pb 在杭白菊植株中的降解，降低菊花茶中的残留以及提升菊花品质方面效果最佳，可作为杭白菊种植区土壤钝化修复首选材料。

土壤重金属污染是全球性的环境问题之一，主要通过食物链进入人体，其过量富集会对人体健康造成不同程度的危害[1]。2014 年全国土壤污染调查公报指出，重金属镉（Cadmium，Cd）是土壤中主要的无机污染物，占土壤样本总污染物的7.00%[2]；铅（Lead，Pb）是土壤污染中最典型的重金属污染物之一[3]。Cd和Pb 均为剧毒重金属元素，不易降解；两者均是植物生长的非必需元素，在植物体内过量积累会影响植株对养分的吸收，甚至导致植株无法生长[4,5]。

杭白菊（Chrysanthemum morifolium）为菊科菊属、多年生草本，是浙江省特色农产品之一，主产于浙江省桐乡市。浙江省农业技术推广中心统计结果显示，2019 年浙江省杭白菊种植面积3 600.00 hm2，总产量9 500.00 t，市场对饮用菊需求量逐年增加[6]。杭白菊种植面积和产量不断增长的同时，其质量安全仍不容忽视，其中重金属污染是影响杭白菊质量安全的重要因素之一[7]。重金属在不同地区、不同环境条件下的土壤、不同植物品种中的富集存在差异，呈现复杂、多样化的特点。近年来，关于重金属在土壤、植物体系中的富集和迁移特征的研究已有报道，但主要集中在作物、蔬菜或水果中，如水稻、玉米、小麦、辣椒、苹果、葡萄、樱桃、猕猴桃和梨等[8-16]。植物对重金属的吸收和积累受多种因素影响，如土壤pH 值、土壤团粒体结构以及土壤重金属含量等[3]。土壤中添加钝化剂不仅会影响重金属有效态含量，也可以改变土壤肥力，甚至微生物的结构等，因此会在一定程度上影响植物对金属元素的吸收和富集[17]。然而重金属在土壤-杭白菊体系中的富集和迁移规律及钝化修复的研究尚未见报道。

本研究采集了不同程度Cd 和Pb 污染的种植区土壤，选择了3 种对环境友好且符合重金属钝化原理的钝化剂，进行杭白菊盆栽实验，通过对重金属在土壤到杭白菊根、茎、叶和花各器官的富集与迁移规律，杭白菊茶汤和茶渣中Cd 和Pb 残留，以及对杭白菊品质的影响分析，对3 种钝化剂进行综合评价，以期为Cd和Pb污染土壤的修复和杭白菊品质的提升提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试重金属污染土壤采自浙江省杭州市富阳区两个不同种植区，根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）中的风险筛选标准，2 种土壤分别为低浓度Cd 污染、Pb 在安全范围内的土壤（土壤1）和高浓度Cd 与低浓度Pb 混合污染土壤（土壤2），其基本理化性质见表1。生物质炭（稻壳550～600 ℃高温裂解碳化物）、腐殖酸（风化褐煤胡敏酸）和调理剂（主要成分CaO、MgO、SiO2）3 种供试钝化剂来自孟俊实验室[2,18]。盆栽杭白菊幼苗源自桐乡市绿康菊业有限公司。

表1 土壤基本理化性质
Table 1 The basic physical-chemical characteristics of the tested soil

1.2 盆栽实验

杭白菊土培盆栽试验采用1.1 中所述的种植区原土壤1 和2。土壤风干后筛除杂质并磨碎，然后过100目筛。称取2.00 kg 土壤置于花盆（26.00 cm×24.00 cm，3 加仑）中，充分搅拌混匀。将生物质炭、腐殖酸和调理剂分别按照土壤干质量的2.00%、0.50%、0.20%进行混合，放置平衡7 d。在2 种土壤中分别添加3种钝化剂，共6 个处理，每个处理设置3～4 个重复，以不添加任何钝化剂的原土壤作为对照。于2020 年6月中旬移栽杭白菊种苗，每盆移栽2 株，培养过程中不定期浇水，使土壤含水量保持80.00%左右。

1.3 样品采集与制备

在杭白菊收获期（2020 年11 月中上旬），点对点同期采集种植土壤及根、茎、叶和花样品。土壤样品选取5～10 个点混合，先进行风干，然后研磨并过100目筛，保存待测。根、茎、叶和花组织材料，采集后做好标记，先用自来水充分冲洗，以去除表面泥土、灰尘等，再用去离子水冲洗，然后用吸水纸擦干水分，并于105 ℃烘箱杀青30 min，50 ℃烘干至恒重，充分研磨后过100 目筛，保存备用。

杭白菊冲泡试验：取0.20 g干制杭白菊于50.00 mL离心管中，加入20.00 mL 沸水，浸泡20 min。离心后倒出茶汤、烘干茶渣，待检。

1.4 重金属含量检测方法及富集系数、迁移系数计算

杭白菊根、茎、叶和花4 个器官以及菊花茶汤和茶渣中Cd 和Pb 含量的测定分别按照GB 5009.15-2014《食品安全国家标准食品中镉的测定》和GB 5009.12-2017《食品安全国家标准食品中铅的测定》进行。

重金属富集系数计算：用富集系数（FBC）来表示杭白菊对重金属富集能力，富集系数越大，说明其吸收能力越强。计算公式为[19]：

式中：

FBC——富集系数；

C器官——杭白菊根、茎、叶和花部位重金属含量，mg/kg；

C土——土壤重金属含量，mg/kg。

用迁移系数FT1、FT2、FT3 分别表示重金属在根-茎、茎-叶、茎-花间的迁移能力，计算公式分别为[20]：

式中：

FT1、FT2、FT3——分别表示重金属在根-茎、茎-叶、茎-花间的迁移能力；

C根、C茎、C叶、C花——分别为杭白菊根、茎、叶和花中重金属含量，mg/kg。

1.5 杭白菊化学成分测定

杭白菊中绿原酸、木犀草苷和异绿原酸A 含量的测定，参照《中国药典》2020 年版菊花含量测定方法进行[21]。色谱条件：填充剂为以十八烷基硅烷键合硅胶；流动相A 为乙腈，流动相B 为0.10%磷酸水溶液；流速1.00 mL/min，柱温35 ℃，检测波长348 nm。

1.6 数据分析

数据利用Excel 2010 和SPSS 20.0 进行处理和分析，图片采用Origin 8.5 绘制。

2 结果与分析

2.1 杭白菊各器官中重金属分布特征

在收获期将2 种重金属污染土壤盆栽的杭白菊植株取出，清洗干净后，按照1.4 项方法对土壤以及根、茎、叶和花4 个器官中Cd 和Pb 含量进行测定，结果如表2。

表2 土壤1 和2 培养条件下杭白菊各器官中Cd 和Pb 含量
Table 2 Cd and Pb contents in each organs of Chrysanthemum in soil 1 and 2 (mg/kg)

注：表中同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05），不同大写字母表示处理间差异极显著（P＜0.01），下同。

由表2 可知，土壤及杭白菊各器官中Cd 含量大小顺序为花＞叶＞土壤＞茎和根（均为0.33 mg/kg）（土壤1 培养条件下），叶＞花＞土壤＞茎＞根（土壤2 培养条件下）。因此，2 种土壤培养条件下，杭白菊茎、叶、花中Cd 含量均大于根，表明地上部Cd含量高于地下部，这与张亚静等对野菊各部位Cd 元素含量分布特征的研究报道一致[22]。且2 种土壤培养下，花中Cd 含量均超出了《药用植物及及制剂进出口绿色行业标准》中Cd 限量标准（≤0.30 mg/kg），分别为限量值的3.45、8.17 倍，表明2 种土壤培养下的杭白菊花中Cd 均存在质量安全隐患。此外，杭白菊植株对Cd 和Pb 的累积总量（根、茎、叶、花中重金属含量之和）差异较大；Cd 累积总量在2 种土壤培养下分别为2.30（土壤1）、7.90 mg/kg（土壤2），Pb 累积总量分别为1.45（土壤1）、2.46 mg/kg（土壤2），表明，在重金属含量相对较高的土壤培养下，杭白菊对Cd 和Pb 的累积总量也较高，这一结果与蒋攀等对2 种不同Cd 污染程度土壤下麦冬地植株对Cd吸收的数据结果一致[23]。

对于重金属Pb，2 种土壤培养条件下，其在杭白菊各器官中的含量均小于1，极显著低于土壤中（P＜0.01）；其中，花中Pb 含量分别为0.12、0.07 mg/kg，均低于《药用植物及及制剂进出口绿色行业标准》中Pb 限量标准（≤5.00 mg/kg），表明2 种土壤培养下的杭白菊花中Pb 含量均在安全范围内。

2.2 不同钝化剂处理下杭白菊各器官中Cd 和Pb 的富集特性

在土壤1 和2 中分别添加腐殖酸、调理剂和生物质炭3 种钝化剂，测定了杭白菊各器官中Cd 和Pb 含量，并计算了富集系数，结果如表3 和4。

由表3 可知，2 种土壤培养条件下，杭白菊各器官对重金属Cd的富集系数表现为花＞叶＞根和茎（均为0.72）（土壤1），叶＞花＞茎＞根（土壤2），各器官之间的差异达到极显著水平（P＜0.01）。土壤1 中分别添加3 种钝化剂后，杭白菊植株整体对Cd 富集系数与对照相比，分别降低16.76%（腐殖酸）、40.62%（调理剂）和62.03%（生物质炭），花对Cd 富集系数分别降低11.16%（腐殖酸）、41.59%（调理剂）和54.70%（生物质炭）。土壤2 中分别添加3 种钝化剂后，杭白菊植株整体对Cd 富集系数分别降低22.31%（腐殖酸）、46.29%（调理剂）和73.69%（生物质炭），花对Cd 富集系数分别降低21.92%（腐殖酸）、56.95%（调理剂）和72.27%（生物质炭）。因此，整体上，在相对高浓度Cd 污染的土壤2 下杭白菊植株对Cd 的富集量也较高，2 种土壤中杭白菊整体和花对Cd 富集系数平均值均表现为对照＞添加腐殖酸＞添加调理剂＞添加生物质炭；且2 种土壤中添加生物质炭，Cd的富集系数与对照相比均降低最显著。

表3 土壤-杭白菊体系中Cd 的富集系数
Table 3 The enrichment coefficient of Cd in soil-Chrysanthemum system

由表4 可知，对于重金属Pb，在2 种土壤对照组和添加钝化剂组中，杭白菊植株对Pb 的富集系数平均值为0.67×10-2～1.49×10-2，均极显著低于Cd（0.43～1.56）（表3），为Cd 富集系数平均值的0.60%～2.00%。有研究指出，当富集系数（FBC）＜0.10 时表示强烈贫化，FBC＜0.50 时相对贫化，0.50＜FBC＜1.50 时二者属于同一水平，FBC≥1.50 时相对富集，FBC＞3.00 时强烈富集[24]。2 种土壤对照组，杭白菊花对Cd 的富集系数分别为1.69、2.29（表3），均大于1.50，表明花对Cd 的富集作用较强；而其对Pb 的富集系数均远小于0.10（表4），表明杭白菊花对Pb 的富集作用强烈贫化。这一结果与张亚静等对5 种重金属在野菊花中的富集特性研究中野菊花对Cd 的富集作用较强，对Pb 的富集作用强烈贫化的结果一致[25]。添加生物质炭后，土壤1 中花对Cd 富集作用由较强降为较弱，土壤2 中其对Cd 富集作用由相对富集降为相对贫化，再次证实了生物质炭能显著抑制杭白菊花中Cd 的富集。

表4 土壤-杭白菊体系中Pb 的富集系数
Table 4 The enrichment coefficient of Pb in soil-Chrysanthemum system

2.3 不同钝化剂处理下土壤-杭白菊体系中Cd和Pb 的迁移能力

迁移系数FT 反映植物对重金属的迁移能力。当FT大于1.00 时，说明植物该部位对重金属大量吸收；而当FT 小于1.00 时，植物通过自身的排斥机制，阻止重金属向该部位的运输以减少毒害[22]。根据1.4 项方法计算土壤1 和2 对照以及分别添加腐殖酸、调理剂和生物质炭处理，土壤到杭白菊体系中Cd 和Pb 的迁移系数，结果如表5 和6。

由表5 可知，2 种对照土壤中，杭白菊对Cd 的迁移系数FBC,根均小于1.00，表明Cd 从土壤到根的运输受到一定的阻碍；而FT1、FT2和FT3均大于1.00，表明根-茎间、茎-叶间和茎-花间对Cd 的运输顺畅。在土壤1 对照组，杭白菊各器官对Cd 迁移系数表现为茎-花（FT3）＞茎-叶（FT2）＞根-茎（FT1），差异极显著（P＜0.01），添加3 种钝化剂后，FT3 均显著降低，降幅分别为28.06%（腐殖酸）、6.98%（调理剂）和29.95%（生物质炭），可见添加生物质炭对抑制Cd 在茎-花间的迁移效果最显著。在土壤2 培养条件下，杭白菊各器官对Cd 迁移系数表现为根-茎（FT1）＞茎-叶（FT2）＞茎-花（FT3），差异极显著（P＜0.01）。只有添加生物质炭后，FT3 降低，降幅为56.75%。因此，整体上，2 种土壤中添加生物质炭均能极显著降低茎-花间Cd 的迁移，这与蒋攀等[23]对不同钝化材料对川麦冬各部位Cd 吸收的数据结果一致，可能是钝化剂处理下，2 种土壤中Cd 活性被显著抑制，降低了茎-花间Cd 的迁移。

表5 土壤-杭白菊体系中重金属Cd 的迁移系数
Table 5 The migration coefficient of heavy metals Cd in soil-Chrysanthemum system

由表6 可知，2 种对照土壤中，杭白菊对Pb 的迁移系数FBC,根和FT1均小于1.00，FT2均大于1.00，表明Pb在土壤-根以及根-茎间的运输受到一定程度的阻碍，茎-叶间运输通畅。在土壤1 对照组，杭白菊各器官对Pb 的迁移系数表现为茎-叶（FT2）＞茎-花（FT3）＞根-茎（FT1），差异极显著（P＜0.01）；只有添加生物质炭后，FT3与对照相比降低（降幅24.41%）。在土壤2 对照组中，杭白菊各器官对Pb 的迁移系数表现为茎-叶（FT2）＞根-茎（FT1）＞茎-花（FT3），差异极显著（P＜0.01）；添加3 种钝化剂后，FT3与对照相比无差异，可能是由于茎和叶对Pb 的吸收量较低（表2）所致。在2 种土壤对照组和处理组中，花对Pb 的累积富集系数β 均小于0.01，极显著低于花对Cd 的富集（0.45～2.30）。因此，整体来看，杭白菊花对Pb 的吸收较少，土壤中添加生物质炭能够在一定程度上降低Pb 在茎-花间的迁移。

表6 土壤-杭白菊体系中重金属Pb 的迁移系数
Table 6 The migration coefficient of heavy metals Pb in soil-Chrysanthemum system

2.4 不同钝化剂处理下杭白菊茶汤及茶渣中Cd 和Pb 含量的变化

根据1.3和1.4项方法对杭白菊茶汤及茶渣中重金属含量进行测定，结果如表7。

由表7 可知，2 种土壤培养下Cd 在杭白菊茶汤中的残留量均小于0.01，主要残留在茶渣中，所有组别茶渣中Cd 残留量在土壤2 中均高于土壤1，且均表现为对照＞添加腐殖酸＞添加调理剂＞添加生物质炭（P＜0.05）。土壤中添加生物质炭后，茶渣中Cd 含量与对照相比降低幅度最大，分别降低48.91%（土壤1）、62.77%（土壤2），但均仍超出了安全值（Cd≤0.3 mg/kg）。

2 种土壤对照组和添加钝化剂组中，杭白菊茶汤中Pb 含量远低于安全值（限量≤5.0 mg/kg），其主要残留在茶渣中，茶渣中Pb 残留量在土壤2 中的平均值高于土壤1，但均未超过安全值；添加生物质炭后，其在茶渣中的含量与对照相比降低幅度最大，分别降低56.10%（土壤1）、86.00%（土壤2）（表7）。表明，在2 种重金属污染土壤培养下，杭白菊经冲泡后，溶在茶汤中的Cd 和Pb 元素与冲泡前相比极显著降低，残留量均在安全范围内，可正常引用。而茶渣中Cd含量超出了安全值，Pb 在安全范围内；但从人体健康角度以及部分消费者有嚼食杭白菊的习惯考虑，在饮用杭白菊时，应尽量避免饮入花。本研究与刘淑娟、王峰等对茶园土壤中茶叶中Cd 溶在茶汤中的含量很少，可安全饮用的结果，以及茶汤中重金属含量与茶叶中重金属的初始浓度有关的结论一致[26-28]。

表7 杭白菊茶汤及茶渣中Cd 和Pb 含量
Table 7 The contents of Cd and Pb in Chrysanthemum tea soup an residues (mg/kg)

2.5 不同钝化剂处理下杭白菊品质的变化

2020 年版《中国药典》（以下简称“药典”）以绿原酸、木犀草苷和异绿原酸A 分别不得少于0.20%、0.08%和0.7%作为控制菊花内在品质的标准[21]。根据1.5 项方法对收获期的杭白菊花中绿原酸、木犀草苷和异绿原酸A 3 种有效成分含量分别进行测定，测定结果如图1 所示。

由图1 可知，土壤1 对照组杭白菊样品中绿原酸含量为0.08%，低于药典绿原酸≥0.20%的标准。向土壤1 中添加3 种钝化剂后，绿原酸含量比对照组分别提高154.93%（生物质炭）、25.47%（调理剂）和10.19%（腐殖酸），只有在添加生物质炭的情况下，绿原酸含量符合药典标准。无添加钝化剂下，样品中木犀草苷含量为0.10%，高于药典中木犀草苷≥0.08%的标准；添加生物质炭后，其含量与对照相比提高77.11%；而添加调理剂和腐殖酸后，其含量与对照相比无差异。土壤1 对照组异绿原酸A 含量为0.13%；添加生物质炭后，其含量增幅最高，达到99.09%，但仍低于药典中异绿原酸A≥0.70%的标准；而添加腐殖酸后，其含量与对照基本无差异。综合来看，土壤1 中添加生物质炭后，3 种有效成分含量提高效果均最为显著。

图1 添加不同钝化剂杭白菊绿原酸、木犀草苷和异绿原酸A 含量的变化
Fig.1 Changes of chlorogenic acid,luteoloside and isochlorogenic acid A of Chrysanthemum with the addition of different passivators

在土壤2 花中绿原酸、木犀草苷和异绿原酸A 3 种有效成分含量均表现为添加调理剂＞添加腐殖酸＞添加生物质炭＞对照，3 种有效成分含量比对照组分别提高49.26%～235.41%（绿原酸），45.47%～207.59%（木犀草苷）和23.42%～141.56%（异绿原酸A）。表明，土壤2 中添加3 种钝化剂后，3 种有效成分含量均极显著提高，但只有木犀草苷含量符合药典标准，绿原酸和异绿原酸A 仍均低于药典标准。

本实验结果表明，在无添加钝化剂的土壤1 培养下的杭白菊花中绿原酸、木犀草苷和异绿原酸A 含量均高于土壤2 培养下三者的含量，表明3 种化学成分与重金属元素含量存在一定的相关性，土壤中高浓度的Cd 和Pb 会抑制杭白菊花中有效成分的积累；姜涛等研究指出菊花次生代谢产物的积累与重金属元素的富集相关，本实验结果与其一致[29]。土壤1 中添加3种钝化剂，花中Cd 含量均降低（表3），而3 种化学成分含量升高。李荭荭等[30]通过对矿区周边Cu 污染土壤施用生物炭显著降低了水稻分蘖期和成熟期土壤中Cu 含量，降幅分别为低73.78%～78.96%和87.61%～96.97%；王艳红等[31]研究表明生物炭类钝化剂抑制了Cd 污染土壤上生菜对Cd 的吸收；何杰明等[32]研究结果显示栽培土壤中添加3.0%水稻生物炭，天竺桂幼苗根系的总根长、根总表面积、根总体积、根尖数和一级侧根数依次增加44.24%、139.24%、141.77%、30.42%和38.72%。由此可见，钝化剂可通过抑制杭白菊对重金属的吸收富集，减缓重金属对植株的毒害作用，进而提升杭白菊的品质。

3 结论

2种Cd和Pb不同程度混合污染土壤培养条件下，杭白菊植株对Cd 的富集能力均较强，而对Pb 的富集作用强烈贫化。2 种土壤中添加生物质炭，均能有效降低Cd 在杭白菊植株中的富集以及茎-花间对Cd 的迁移能力。杭白菊经冲泡后茶汤中Cd 和Pb 的残留无风险，其主要富集于茶渣中；土壤中添加3 种钝化剂，茶渣中Cd 和Pb 的残留量均下降，生物质炭的效果最显著。在土壤1 中添加生物质炭，杭白菊中绿原酸、木犀草苷和异绿原酸A 含量提升幅度最大；土壤2 中分别添加3 种钝化剂，均可极显著提高杭白菊中3 种有效成分含量。

综合对比施加3 种钝化剂处理试验，从Cd 和Pb在土壤-杭白菊体系中的富集和迁移特性，冲泡后重金属的残留，以及杭白菊品质提升方面来看，生物质炭均可作为Cd 和Pb 混合污染土壤的首选钝化剂。

盆栽实验不可避免会受到外界环境因素影响，其它因子也可能对本研究中杭白菊植株的重金属吸收特性造成干扰；另外，不同钝化剂的组合施用有待试验继续研究。

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