热带对比土壤中粮食作物对潜在有毒元素的生物富集与转移：基于土壤类型与盐基饱和度差异的评估

《Soil Systems》：Potentially Toxic Element Transfer and Bioconcentration in Food Crops Across Contrasting Tropical Soils

　　

摘要：潜在有毒元素（potentially toxic element，PTE）向粮食作物的转移在很大程度上取决于土壤性质。本研究评估了在两种作物特异性盐基饱和度条件下（代表通过石灰改良土壤酸度的不同水平），Ba、Cd、Cu、Ni和Zn在冲积土（Entisol）和氧化土（Oxisol）中于生菜、水稻、向日葵和番茄体内的积累情况。研究人员根据土壤和植物组织中PTE的浓度测定了生物富集因子（bioconcentration factor，BCF）和转移因子（transfer factor，TF）。BCF和TF随作物种类、土壤类型和盐基饱和度的变化而变化。总体而言，砂质冲积土的土壤-植物转移能力高于黏质氧化土。例如，生菜地上部中Cd的BCF在冲积土中为17.0至26.9，而在氧化土中为2.2至3.4。Cd表现出最大的整体转移和内部转运能力，尤其是在生菜、向日葵和番茄中，而Ba和Cu在植物体内的转移总体上受到更多限制。名义PTE添加量基于圣保罗州环境公司（Companhia Ambiental do Estado de S?o Paulo，CETESB）制定的预防值。这些研究结果表明，在评估PTE向作物的转移以及旨在限制可食用组织中PTE积累的土壤管理决策中，应纳入土壤特异性属性。

论文解读

一、研究背景与问题

潜在有毒元素（potentially toxic element，PTE）对土壤的污染是一个全球性的环境问题，因为这些元素具有持久性、在环境各组分中的积累性以及通过食物链传递的潜在风险。全球已有超过500万个受污染场地，涉及约2000万公顷土地。在农业系统中，PTE污染问题尤为突出，因为土壤中的PTE可能被转移到作物中，形成土壤污染、粮食生产与人体暴露之间的直接联系。PTE的主要人为来源包括工业、农业和采矿废物的不当处置、未经处理的工业排放、农用化学品的滥用以及采矿和金属冶炼活动。Cd、Cu、Ni、Zn和Ba等元素可能在土壤中积累，并在高浓度下产生环境风险。

尽管全球约75个国家的监管机构使用监管指导值（Regulatory Guidance Values，RGVs）来管理土壤PTE污染，但各司法管辖区对健康风险开始的污染值尚无共识。巴西立法建立了土壤中PTE的预防值和干预值，考虑不同土地利用情景下对环境和人类健康的风险。虽然Cu、Ni和Zn是必需微量元素，但高浓度可能损害植物生理过程，包括光合作用、叶绿素合成、气孔调节和植物生长。PTE在植物中的积累取决于气候条件、土壤性质和作物基因型。在土壤属性中，pH、有机碳和氧化物组成强烈影响金属的迁移性和对植物的生物有效性。

冲积土（Entisol）和氧化土（Oxisol）代表了与热带土壤PTE行为相关的对比性物理化学条件。本研究中，冲积土以砂质为主，阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC）和有机碳含量较低，这些特征与较低的保留能力和较高的金属离子迁移性相关。相比之下，高度风化的氧化土通常富含黏土矿物和铁铝氧化物，这些物质提供能够通过吸附和表面络合过程保留金属离子的反应表面。尽管对农业土壤中PTE行为的认识不断增加，但尚不清楚等效的名义PTE输入是否在物理化学性质对比鲜明的热带土壤中产生可比的土壤-植物转移。盐基饱和度是土壤酸度校正的重要指标，代表阳离子交换量中被盐基阳离子占据的比例，通常通过石灰施用进行调整。研究人员假设，基于监管标准的相同名义PTE添加量将根据土壤性质、作物种类和盐基饱和度条件产生不同的生物富集和转移模式。因此，本研究评估了在冲积土和氧化土中，在作物特异性盐基饱和度条件下，Ba、Cd、Cu、Ni和Zn在水稻、生菜、向日葵和番茄中的土壤-植物转移和器官特异性分布，重点关注向可食用组织的潜在转移。

二、研究内容与结论

研究人员选取了两种性质对比鲜明的热带土壤：一种是以砂质为主、有机碳和阳离子交换量较低的冲积土，采自巴西圣保罗州圣佩德罗；另一种是黏质、有机碳和阳离子交换量较高的氧化土，采自皮拉西卡巴。两种采样地点均位于柯本气候分类中的Cwa气候区，具有干燥冬季和炎热多雨夏季的特征。土壤酸度使用分析纯钙镁碳酸盐进行校正，将盐基饱和度调整至30%以及各作物的推荐水平（水稻为50%，生菜、向日葵和番茄为70%）。四种作物在温室条件下以随机区组设计种植，三次重复。对于每种作物，Ba、Cd、Cu、Ni和Zn分别单独评估，每种PTE处理均设有对应的未添加对照。PTE以硝酸盐溶液形式单独添加到土壤中，名义剂量对应CETESB制定的预防值：Ba为120 mg kg^?1，Cd为1.3 mg kg^?1，Cu为60 mg kg^?1，Ni为30 mg kg^?1，Zn为86 mg kg^?1。番茄（品种Santa Clara VF 5600）和生菜（品种Amanda）采用移栽方式，向日葵（品种Aguará 4）和水稻（品种IAC-202）采用直接播种方式。生菜和番茄分别在移栽后42天和68天收获，向日葵和水稻在生理成熟期收获，分别在播种后82天和98天，对应R9和R8阶段。收获后分离地上部、果实、籽粒和根。土壤中PTE的准总浓度按照EPA 3051A方法测定，植物样品采用微波辅助酸消解后通过电感耦合等离子体发射光谱法（inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES）定量。生物富集因子（bioconcentration factor，BCF）计算为植物组织中PTE浓度与土壤中准总浓度之比，转移因子（transfer factor，TF）计算为地上部与根部PTE浓度之比。统计分析使用Sisvar软件6.6版本，对每种作物和PTE分别进行，采用2×2因子设计，包括两种土壤类型和两种作物特异性盐基饱和度条件，三次重复。数据在方差分析前进行正态性和方差齐性检验，显著效应通过Tukey检验在5%概率水平进行比较。

三、研究结果

3.1 土壤中PTE含量

土壤中PTE的准总浓度在土壤类型之间的差异通常大于同一土壤类型内不同作物之间的差异。氧化土来源于火成岩和变质岩，天然具有比砂岩来源的冲积土更高的PTE背景浓度。氧化土具有较高的黏土含量、阳离子交换量和有机碳，有利于更强的吸附并降低PTE迁移性。相比之下，砂质冲积土缓冲能力较低、吸附位点减少，可能促进了可溶性PTE组分的更大有效性。无论作物种类如何，PTE的添加均增加了两种土壤中的准总浓度，但环境意义因土壤性质而异。

3.2 作物中PTE的生物富集和转移因子

PTE的积累和转运根据作物种类、土壤类型和盐基饱和度条件发生显著变化。总体而言，冲积土中观察到较高的生物富集因子，特别是在较低盐基饱和度条件下。该土壤较低的黏土和有机碳含量可能降低了PTE保留，增加了溶解离子的迁移性和植物吸收。相反，氧化土通常降低了PTE积累，表明更强的吸附和较低的生物有效性。然而，对盐基饱和度的响应因元素和作物而异。在冲积土中，Cu、Ni和Zn在某些处理下限制了植物发育，特定情况下出现植物发育失败。这些响应表明，基于监管标准的PTE添加量对植物的影响可能随热带土壤性质和PTE生物有效性而大幅变化。Cd在生菜和向日葵中表现出特别高的土壤-植物转移，而其向水稻籽粒的转移仍然有限。

3.3 生菜中的PTE

生菜对Ba、Cu、Ni和Zn的积累比例相对较低，通常低于施用总剂量的4%。然而，Cd表现出显著更高的吸收和转运，特别是在盐基饱和度最低（30%）的冲积土中，超过14%的施用Cd积累在根和叶中。冲积土中较高的积累表明较低的阳离子交换量、减少的黏土组分和较低的有机碳含量增加了Cd的迁移性和植物有效性。在冲积土中，Cd在评估的PTE中呈现最高的BCF值，特别是在地上部和叶片中，表明向可食用组织的大量转移。相比之下，Cu呈现相对较低的BCF和TF值，表明在根部较强保留和较低内部迁移性。在氧化土中，Cd在地上部和叶片中的BCF比冲积土（V=30%）低约12倍。Cd和Ni的TF接近或高于1，表明在特定条件下从根到地上部的显著迁移性，特别是在冲积土中。

3.4 水稻中的PTE

水稻对Cu的吸收高于生菜，且Cu暴露在冲积土中严重损害植物发育，无论盐基饱和度水平如何。基于CETESB预防值的名义Cu添加量在生物有效性较高的条件下足以诱导植物毒性效应。水稻对Ba和Ni的积累比例与生菜相似，但Ni表现出更大的内部迁移性，在籽粒中积累相对较高。相比之下，Cd在根部表现出强烈保留，导致籽粒中浓度极低，多个处理中水稻籽粒Cd浓度低于ICP-OES分析的定量限。尽管根部吸收显著，Cd向水稻籽粒的转移受到限制。Zn在所有评估的PTE中呈现最高的TF值，表明从根到地上组织和籽粒的更大迁移性。籽粒Zn浓度范围为43.8至60.9 mg kg^?1。BCF值的总体顺序为BCF_Roots > BCF_Stems+Leaves > BCF_Fruits，表明PTE从根到可食用组织的转移逐步受限。

3.5 向日葵中的PTE

向日葵对Cd、Ni和Zn表现出显著的积累和转运，特别是向生殖组织。在评估的作物中，向日葵对Cd呈现一些最高的BCF_Fruits值，表明在特定土壤条件下该元素向籽粒的大量转移。Ba被大量吸收，特别是在冲积土中，但其在植物体内的迁移性相对较低。盐基饱和度增加条件下观察到的较高积累可能与改善的植物生长和更有利的肥力条件下的更大养分吸收相关。土壤类型对PTE转移的影响对Cu、Ni和Zn尤为明显，冲积土和氧化土呈现对比鲜明的积累模式。Cd在评估元素中呈现最高的BCF_Fruits值和TF，特别是在冲积土中，表明从根到籽粒的大量内部转运。积累的总体模式遵循根 > 地上部 > 果实的顺序，表明PTE向生殖组织转移的部分限制。

3.6 番茄中的PTE

番茄植物表现出对PTE的大量吸收，特别是在根和地上部。在冲积土中，较低盐基饱和度增加了PTE有效性，并导致地上部和叶片中较高的BCF值。尽管在较低盐基饱和度下种植的植物积累了高浓度的PTE，但植物发育在这些条件下受到限制。番茄果实对大多数评估元素的PTE积累浓度低于根和地上部。Ba呈现特别低的TF值，表明向果实的转移受限。相反，Cd在植物体内表现出显著迁移性，TF值范围为0.8至2.3，BCF_Fruits值最高达2.0。Cd向果实的大量转移具有环境重要性，因为番茄是广泛消费的作物，对膳食暴露具有潜在影响。氧化土中较低的Cd积累表明较高的黏土含量、有机碳和吸附能力显著降低了Cd的生物有效性和向可食用组织的转移。Ni和Zn也呈现相对较高的TF值，特别是在低盐基饱和度的冲积土中。Cu主要保留在根中，导致低TF值和果实中有限的积累。

3.7 环境意义与未来展望

在所有作物中，PTE转移的最强决定因素是元素特性与土壤性质之间的相互作用。砂质冲积土通常促进更大的生物富集，而氧化土较高的黏土含量、阳离子交换量和有机碳有利于PTE保留。然而，对盐基饱和度的响应并不一致，表明PTE行为不能从单一土壤属性或管理变量推断。CETESB预防值被用作定义名义PTE添加量的参考，而非重现老化的田间污染或验证监管阈值本身。由于PTE以可溶性硝酸盐形式施用并在相对较短的平衡期后评估，其行为可能不同于长期老化和稳定化过程中的田间污染物。镉表现出最大的整体土壤-植物转移和转运潜力，特别是在生菜和向日葵中，而Ba和Cu通常更局限于根和营养组织中。水稻对Cd向籽粒的转移有限，进一步表明作物特异性转运行为是环境解释的主要组成部分。提高盐基饱和度经常减少PTE吸收，但该响应的幅度和方向取决于元素、作物、土壤类型和植物组织。土壤改良可能在某些土壤-作物组合下降低PTE生物有效性，但不应被解释为对所有元素产生一致响应。未来研究应整合准总浓度与反应性和有效性PTE组分、土壤溶液化学和作物特异性生理响应，以改进PTE转移预测并支持更土壤敏感的热带农业系统环境评估框架。

四、讨论与结论

讨论部分强调，PTE向可食用组织的转移也需要从食品安全角度考虑。然而，与最大允许浓度的比较应仅限于已建立特定监管限值的元素-食品组合。巴西和欧洲法规对特定食品类别中的选定污染物建立了最大限量，包括Cd和Ni。因此，本研究中可食用组织中观察到的浓度应结合相应食品类别和监管框架进行解释，而非跨作物或元素外推。结论指出，对比鲜明的热带土壤性质强烈影响了Ba、Cd、Cu、Ni和Zn向粮食作物的生物富集和转移。砂质冲积土通常表现出更大的土壤-植物转移，而黏质氧化土以较高的阳离子交换量和有机碳为特征，在大多数土壤-作物组合中限制了PTE积累。Cd表现出最大的整体转移和转运潜力，特别是在生菜、向日葵和番茄中，而Ba和Cu向地上组织的转移通常更受限。盐基饱和度的影响并不一致，随元素、作物、土壤类型和植物组织而变化。因此，石灰相关的土壤化学条件变化并未在所有土壤-作物组合中产生一致的PTE转移减少或增加。等效的名义PTE添加量也在两种土壤之间产生了显著不同的生物富集和转移模式，强调了土壤特异性特征在控制土壤-作物转移中的重要性。这些发现表明，在评估污染物向可食用组织转移的潜力时，应将准总PTE浓度与土壤性质和作物特异性响应结合解释。由于PTE以可溶性硝酸盐形式在受控温室条件下施用，结果不应直接外推至老化田间污染。然而，土壤之间的对比响应证明了将土壤特异性信息纳入环境评估和管理策略的重要性，以减少PTE向粮食作物的转移。