重金屬在土壤-葡萄體系中的富集和遷移規(guī)律

龐榮麗，王書言，王瑞萍，黨 琪，郭琳琳，謝漢忠①，方金豹② （.中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部果品質(zhì)量安全風險評估實驗室（鄭州），河南鄭州 450009；.洛陽市農(nóng)產(chǎn)品安全檢測中心，河南洛陽4703）

土壤重金屬污染具有治理耗時長、累積性和不可逆性的特征［1-2］，主要通過食物鏈危及人體健康。水果是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚母笔称罚彩菢O易受重金屬污染和影響的農(nóng)產(chǎn)品。近年來，越來越多學者開展重金屬在土壤、植物體系中的研究，但主要集中在水稻［3-5］、玉米［6］、小麥［7］、蔬菜［8-14］、煙草［15］等一年生作物中。在柑橘［16］、梨［17-18］、獼猴桃［19］、楊桃［20］、櫻桃［21］、柚子［22］、蘋果［23］、葡萄［24-27］等果樹方面對果樹不同部位如葉片、果實中重金屬含量測定［28-29］研究較多，對重金屬在土壤-果樹體系中富集與遷移特征等研究較少且不系統(tǒng)。重金屬由土壤向植物體內(nèi)的遷移受諸多因素影響，如土壤類型和性質(zhì)［30］、土壤中共存重金屬拮抗或協(xié)同作用［11］、植物基因型差異［6，16，31］、生態(tài)型差異等。因此，重金屬由土壤向植物體內(nèi)遷移的規(guī)律至今沒有統(tǒng)一認識。

我國是鮮食葡萄第一生產(chǎn)大國，2013年其栽植面積和產(chǎn)量分別達72萬hm2和1 138萬t，近年來葡萄產(chǎn)業(yè)仍呈迅猛的發(fā)展勢頭，尤其在一些山區(qū)、丘陵地帶。但這些地區(qū)重金屬背景值往往較高，不宜種植富集能力強的品種。筆者選擇有代表性的玫瑰香、巨峰、夏黑等11個葡萄栽培品種，以Cd、Pb、Zn等重金屬為目標物進行系統(tǒng)研究，旨在弄清重金屬在園地土壤-葡萄體系中的富集能力和遷移特征，為果樹對重金屬御性機理研究及葡萄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

于2017—2018年在河南省南陽市方城縣二郎廟鄉(xiāng)葡萄基地進行試驗。試驗園地采取常規(guī)管理模式，平均每年施農(nóng)藥6～7次，施油餅肥（每1 hm222 500 kg，氮、磷、鉀養(yǎng)分總量w為11%，Pb、Cd、Cr、Hg、As等重金屬含量符合NY 525—2012《有機肥料》標準）1次，生物肥料（75 kg·hm2，氮、磷、鉀養(yǎng)分總量w為18%，Pb、Cd、Cr、Hg、As等重金屬含量符合NY/T 798—2015《復合微生物肥料》標準）2次，灌溉用水為深井水。試材為4 a生圣誕玫瑰、玫瑰香、茉利香、夏黑、醉金香、金手指、摩爾多瓦、戶太8號、陽光玫瑰、巨峰和巨玫瑰共11個葡萄栽培品種。其中，圣誕玫瑰、茉利香、醉金香和金手指4個品種砧木為貝達，其余為自砧根。

1.2 樣品采集與處理

樣品采集時間為2017年8月中上旬。每個品種葡萄園地中按“S”形布點選擇5～10棵葡萄樹，在葡萄成熟時點對點同期采集土壤及植株樣品。植株樣品包括根、莖、葉、果實等部位，單獨保存，帶回實驗室后先用自來水充分沖洗，以去除表面泥土、灰塵等，再用去離子水沖洗，根、莖、葉瀝去水分后分別裝牛皮紙袋，于105℃烘箱中殺青15 min，75℃條件下烘干，磨碎后過0.2 mm孔徑尼龍篩備用；果實樣品直接勻漿后儲藏于-18℃冰箱備用。土壤樣品采集時避開施肥、田埂等特殊部位，用木質(zhì)或塑料工具采集0～40 cm土壤，與選擇葡萄樹一致，每個品種園地取5～10個點，多點混合，經(jīng)風干、磨碎、過篩后備用。

園地土壤為黃棕壤，土壤性質(zhì)如下：pH值為6.8，陽離子交換量為15.2 cmol·kg-1，w（有機質(zhì)）為15.2 g·kg-1，w（全氮）為 1.11 g·kg-1，w（堿解氮）為105 mg·kg-1，w（全磷）為 1.02 g·kg-1，w（有效磷）為15.0 mg·kg-1，w（全鉀）為22.3 g·kg-1，w（速效鉀）為180 mg·kg-1。

1.3 測定項目及方法

按照GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》、GB/T 17139—1997《土壤質(zhì)量鎳的測定火焰原子吸收分光光度法》、GB/T 17138—1997《土壤質(zhì)量銅、鋅的測定火焰原子吸收分光光度法》、GB/T 22105—2008《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測定原子熒光法》、HJ 491—2009《土壤總鉻的測定火焰原子吸收分光光度法》進行土壤樣品中Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As和Cr含量的測定；按照GB 5009.12—2017《食品安全國家標準食品中鉛的測定》、GB 5009.15—2014《食品安全國家標準食品中鎘的測定》、GB 5009.138—2017《食品安全國家標準食品中鎳的測定》、GB 5009.13—2017《食品安全國家標準食品中銅的測定》、GB 5009.14—2017《食品安全國家標準食品中鋅的測定》、GB 5009.17—2014《食品安全國家標準食品中總汞及有機汞的測定》、GB 5009.11—2014《食品安全國家標準食品中總砷及無機砷的測定》、GB 5009.123—2014《食品安全國家標準食品中鉻的測定》進行葡萄植株樣品中重金屬Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As和Cr含量的測定。每個樣品重復3次，采用土壤成分分析標準物質(zhì)GBW 07401和生物成分分析標準物質(zhì)GBW 10019進行質(zhì)量控制。

主要儀器設(shè)備：Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn用原子吸收分光光度計（Z700，德國耶拿）測定；Hg和As用原子熒光光度計（AFS930，北京吉天）測定。

1.4 重金屬富集系數(shù)及遷移系數(shù)計算

用富集系數(shù)（BCF，F(xiàn)BC）來表示葡萄對重金屬富集能力，富集系數(shù)越大［21］，說明其吸收能力越強。計算公式為

式（1）中，C根為根部重金屬含量，mg·kg-1；C土為土壤重金屬含量，mg·kg-1。

用遷移系數(shù)FT1、FT2、FT3分別表示重金屬在根-莖、莖-葉、莖-果實間的遷移能力［32］，用累計富集系數(shù)?表示葡萄果實中重金屬相對于土壤的富集系數(shù)，計算公式分別為

式（2）～（5）中，C根、C莖、C葉、C果分別為葡萄根、莖、葉、果實中重金屬含量，mg·kg-1。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0軟件分析。

2 結(jié)果分析

2.1 葡萄植株各器官中重金屬分布特征

8個重金屬在園地土壤-葡萄體系中含量分布情況見表1。同一重金屬在葡萄植株各器官中含量分布不同。Pb、Cr、As、Ni規(guī)律一致，從大到小依次為根＞葉＞莖＞果實，根部含量顯著高于葉片和果實含量，葉片含量顯著高于果實含量（P＜0.05）；Zn、Cu、Hg規(guī)律一致，即葉＞根/莖＞果實，葉片中Zn、Cu含量與根、莖差異不顯著，但均顯著高于果實，而葉片中Hg含量極顯著高于根、莖和果實，根、莖中Hg含量極顯著高于果實（P＜0.01）；Cd含量從大到小依次為莖＞根＞葉＞果實，莖、根含量極顯著高于葉片與果實（P＜0.01）。植株中大部分重金屬在根部位含量最高［16，21，32］，這是因為根細胞壁中存在大量交換位點，能將重金屬離子固定在這些位點上，從而阻止重金屬離子進一步向地上部分轉(zhuǎn)移［33］。但該研究中葉片Zn、Cu和Hg含量高于根部，可能是葉面肥的施用和大氣污染所致。

表1 園地土壤-葡萄體系中重金屬含量分布Table 1 Content distribution of heavy metals in soil‐grape system mg·kg-1

不同重金屬含量在土壤-葡萄體系中不同。如土壤中 Pb、Cr、As、Ni、Cu、Hg含量均極顯著高于葡萄植株各器官中含量，而Cd在土壤中含量低于根部，Zn在土壤中含量低于根、莖、葉部。葡萄植株對8個重金屬的累積總量（根、莖、葉、果重金屬含量之和）差異較大。累積總量從大到小依次為Zn＞Cu＞Ni＞Cr＞Pb＞As＞Cd＞Hg。Zn 和 Cu 是葡萄生長必需的營養(yǎng)元素，其含量也占絕對優(yōu)勢，這與ROBA［29］及陸素芬等［34］研究結(jié)果相符。

2.2 葡萄植株各器官中重金屬富集能力

葡萄植株積累重金屬在一定程度上受土壤重金屬含量影響（表2）。葡萄植株對不同重金屬吸收能力差異較大，富集系數(shù)平均值大小順序為Cd＞Zn＞Cu＞Hg＞Ni＞Cr＞As＞Pb，這與陳永濤等［16］對重金屬在柑橘中的富集能力研究結(jié)果基本一致。Cd與Zn之間富集能力平均值差異不顯著，Cd、Zn與Cr、Pb之間差異達極顯著水平（P＜0.01）。對8個重金屬元素聚類如圖1所示，閾值為5時將重金屬劃分為3類：第1類是Cd，富集能力很強；第2類是Zn，具有一定富集能力；第3類是Cr、Pb、Ni、Hg、As、Cu，無富集作用。

表2 園地土壤-葡萄體系中重金屬富集系數(shù)（FBC）Table 2 The enrichment coefficient of heavy metals in soil‐grape system

圖1 不同重金屬富集能力樹狀圖Fig.1 Tree pattern of heavy metal enrichment

2.3 土壤-葡萄體系中重金屬遷移能力

園地土壤-葡萄體系中不同重金屬遷移能力差異較大。從表3可知，根部富集能力（FBC根）大小順序為Cd＞Zn＞Cu＞Ni＞Hg＞Cr＞As＞Pb，其中Cd最強，其FBC，根范圍為0.60～8.39，平均值為2.60；其次為Zn和Cu，其FBC，根范圍分別為0.28～3.53和0.45～0.78，平均值分別為0.95和0.55；而Ni、Hg、Cr、As和Pb富集能力很弱，F(xiàn)BC，根平均值均遠小于0.50，尤其是As和Pb。

根與莖間遷移能力（FT1）大小順序為 Cd＞Zn＞Cu＞Hg＞Pb＞As＞Ni＞Cr。其中 Cd 和 Zn 的FT1值分別為1.87和1.78，遷移能力很強；而Cu和Hg的FT1值分別0.90和0.62，遷移能力一般；Pb、As、Ni和Cr的FT1值分別為0.60、0.40、0.12和0.11，遷移能力很弱。莖與葉間遷移能力（FT2）大小順序為Hg＞Ni＞Pb＞As＞Zn＞Cu＞Cr＞Cd。其中 Hg 的FT2值最強，為7.00；其次為 Ni、Pb、As、Zn、Cu 和 Cr，平均值為1.29～4.60；Cd最弱，僅為0.18。莖與果間遷移能力（FT3）大小順序為 Hg＞As＞Cu＞Ni＞Pb＞Cr＞Zn＞Cd。其中Hg的FT3值最強，為0.10；其次為As和Cu（0.05），其余重金屬的FT3值均＜0.05；而Cr、Cd和Zn的FT3值最弱，僅為0.01。園地土壤與果實之間累計富集系數(shù)（β）大小順序為Cu＞Cd＞Zn＞Hg＞Ni＞As＞Cr＞Pb。果實對Cu、Cd、Zn的β值分別為0.13、0.09和0.07，Hg為0.05，其余均＜0.01。

表3 園地土壤‐葡萄體系中重金屬遷移系數(shù)Table 3 The migration coefficient of heavy metals in soil‐grape system

2.4 土壤-葡萄體系中重金屬遷移特征

Zn是植物生長的必需元素，其在園地土壤-葡萄體系中的分布特征從大到小依次為葉＞莖＞根＞土＞果實，遷移系數(shù)為FT1＞FT2＞FBC，根＞β＞FT3，除FT1與FT2、FT2與FBC，根差異不顯著外，其余遷移系數(shù)間差異均達到極顯著水平（P＜0.01），果實中Zn含量僅為莖的1%，表明Zn在根-土界面、根-莖間、莖-葉間的遷移比較通暢，而阻止葡萄對土壤中Zn吸收的主要界面為莖-果。

Cu也是植物生長的必需元素，其在園地土壤-葡萄體系中的分布特征從大到小依次為土＞葉＞根＞莖＞果實，遷移系數(shù)為FT2＞FT1＞FBC，根＞β＞FT3，除FT1與FT2差異不顯著外，其余遷移系數(shù)間差異均達極顯著水平。FBC，根僅為0.55，說明阻止葡萄對土壤中Cu吸收的主要場所發(fā)生在根-土界面和莖-果界面上，但是Cu一旦被根部吸收后，在根-莖、莖-葉間的遷移通暢，葉片的Cu含量甚至高于莖。

Cd是對生物體毒性很高的元素，其在園地土壤-葡萄體系中的分布特征從大到小依次為莖＞根＞土＞葉＞果實，遷移系數(shù)為FBC，根＞FT1＞FT2＞β＞FT3，除FBC，根與FT1差異不顯著外，其余遷移系數(shù)間差異均達極顯著水平。葡萄根部Cd含量為土壤的2.59倍，表現(xiàn)為明顯的富集作用，其FT1高達1.87，說明Cd進入葡萄植株體內(nèi)后在根-莖間的傳輸非常通暢。FT2僅為0.18，F(xiàn)T3僅為0.01，阻止葡萄對土壤中Cd吸收的主要場所是莖-葉和莖-果界面。

Hg也是對生物體毒性很高的元素，其在園地土壤-葡萄體系中的分布特征從大到小依次為土＞葉＞根＞莖＞果實，遷移系數(shù)為FT2＞FT1＞FBC，根＞FT3＞β，除FT1與FBC，根差異不顯著外，其余遷移系數(shù)間差異均達極顯著水平。阻止葡萄對土壤中Hg吸收的主要場所發(fā)生在根-土界面上，其FBC，根僅為0.21。另外FT1僅為0.62，F(xiàn)T3為0.10，因而對葡萄吸收Hg也有一定的阻礙作用。Hg在莖-葉間的傳輸極為通暢，F(xiàn)T2高達7.00。

Cr、Pb、As、Ni對植物生長有一定的危害，其在園地土壤-葡萄體系中的分布特征從大到小依次為土＞根＞葉＞莖＞果實。Pb和As遷移系數(shù)大小順序為FT2＞FT1＞FT3＞FBC，根＞β，除FT3與FBC，根差異不顯著外，其余遷移系數(shù)間差異均達到顯著水平；而Cr和Ni遷移系數(shù)大小順序為FT2＞FBC，根＞FT1＞FT3＞β，其中除了Cr的FBC，根與FT1差異不顯著外，其余遷移系數(shù)間差異均達極顯著水平。葡萄根對Cr、Pb、As、Ni的FBC，根值僅為0.01～0.25，F(xiàn)T1值為 0.11～0.60，F(xiàn)T3值為 0.01～0.05，均表現(xiàn)為明顯的阻礙作用；FT2值為1.29～4.60，說明這幾個重金屬元素在莖-葉間的傳輸比較通暢。重金屬在莖-葉間的分布異常，說明葡萄除了從土壤中吸收重金屬外，還可能通過葉片從大氣、灰塵中吸收重金屬向莖部轉(zhuǎn)移。

3 討論

重金屬在葡萄植株不同器官中分布差異較大，Pb、Cr、As、Ni含量從大到小依次為根＞葉＞莖＞果實，Zn、Cu、Hg含量為葉＞根/莖＞果實，Cd含量為莖＞根＞葉＞果實，這與已有研究基本相符。如李敬洪［35］研究表明葡萄植株各器官中Cd含量從根到葉片呈梯度性下降趨勢，霞多麗葡萄幼苗根、莖、新梢和葉片中Cd含量依次呈極顯著性下降趨勢，根莖截留了近85%～90%的Cd。再如李小紅等［24］研究指出不同砧穗組合的葡萄植株積累鎘能力為根＞莖＞葉＞果實。邵小杰［36］研究結(jié)果中Cd在不同葡萄品種根莖葉中的分布與累積總體呈現(xiàn)根＞葉＞莖的規(guī)律。但重金屬分布差異也因品種不同而不同，如邵小杰［36］指出不同葡萄品種根部Cd含量最大相差3.5倍，莖最大相差5.5倍，葉最大相差4.5倍。

富集系數(shù)是用來衡量植物或器官對重金屬累積能力的指標，富集系數(shù)越高，表明植物或器官累積能力越強。植株對土壤中不同重金屬吸收能力主要與植物種類有關(guān)［31］，邵小杰［36］指出不同葡萄品種對Cd的富集與遷移存在顯著的基因型差異，品種間最大相差7倍，同時還受重金屬物理、化學性質(zhì)的影響。該研究結(jié)果中葡萄植株對土壤中不同重金屬吸收能力差異較大，其中以Cd最強，其次是Zn，而Cr、Pb、Ni、Hg、As、Cu基本無富集作用。在Cd含量高的地區(qū)不宜種植葡萄。

遷移系數(shù)反映根系吸收的重金屬向莖、葉、果的遷移情況，在重金屬的吸收總量相同時，遷移系數(shù)越小，其根系吸收的重金屬遷移到地上部葉片中的越少。該研究結(jié)果中葡萄植株不同部位對重金屬吸收能力差異明顯，根部Cd吸收能力最強，其次為Zn和Cu；根莖間Cd和Zn遷移能力很強，Cu和Hg一般；莖葉間及莖果間Hg遷移能力最強，其余相對較弱；果實對Cu、Cd和Zn的吸收能力較強，其余較弱。在園地土壤-葡萄體系中，根-土界面Cd、Zn和Cu遷移比較通暢，根莖間Cd和Zn遷移比較通暢，莖葉間及莖果間Hg遷移比較通暢，其他重金屬在相應(yīng)界面遷移均受到一定的阻礙，這與龐瑜等［37］對胡蘿卜中Pb吸收的研究結(jié)果相近。葡萄植株不同部位吸收重金屬能力的不同，可能與元素基本性質(zhì)有關(guān)，同時也反映出污染源的不同，土壤和大氣是植物攝取某些重金屬如Pb等的重要場所［38-39］，在大氣污染嚴重的地區(qū)土壤污染可能并非是農(nóng)產(chǎn)品安全的最主要威脅。Cd和Pb等重金屬在土壤-植株體系中的遷移機制及其品種差異有待于進一步深入研究。

4 結(jié)論

（1）重金屬在葡萄植株各器官中含量分布特征：Pb、Cr、As、Ni含量從大到小依次為為根＞葉＞莖＞果實，Zn、Cu、Hg含量為葉＞根/莖＞果實，Cd含量為莖＞根＞葉＞果實。

（2）依據(jù)富集能力將重金屬劃分為3類：第1類是Cd，富集能力較強；第2類是Zn，具有一定富集能力；第3類是Cr、Pb、Ni、Hg、As、Cu，無富集作用。在Cd背景值高的地區(qū)不宜種植葡萄。

（3）不同重金屬在土壤-葡萄體系中遷移特征為：Zn在根-土、根-莖和莖-葉間遷移能力強，在莖-果間遷移弱，阻止Zn吸收的主要場所發(fā)生在莖-果界面；Cd具有明顯的富集作用，在根-莖間的遷移能力很強，阻止Cd吸收的主要場所為莖-葉和莖-果界面；Cu在根-莖和莖-葉間遷移能力較強，在根-土和莖-果間遷移弱，阻止Cu吸收的主要場所發(fā)生在根-土和莖-果界面；Hg在莖-葉間遷移能力很強；Cr、Pb、As、Ni在莖-葉間也有一定的遷移能力，但在其他界面其吸收均受到一定阻礙。