重金屬在土壤-葡萄體系中的富集和遷移規律

龐榮麗，王書言，王瑞萍，黨 琪，郭琳琳，謝漢忠①，方金豹② （.中國農業科學院鄭州果樹研究所/農業農村部果品質量安全風險評估實驗室（鄭州），河南鄭州 450009；.洛陽市農產品安全檢測中心，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。水果是人們日常生活中必不可少的副食品，也是極易受重金屬污染和影響的農產品。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。重金屬由土壤向植物體內的遷移受諸多因素影響，如土壤類型和性質［30］、土壤中共存重金屬拮抗或協同作用［11］、植物基因型差異［6，16，31］、生態型差異等。因此，重金屬由土壤向植物體內遷移的規律至今沒有統一認識。

我國是鮮食葡萄第一生產大國，2013年其栽植面積和產量分別達72萬hm2和1 138萬t，近年來葡萄產業仍呈迅猛的發展勢頭，尤其在一些山區、丘陵地帶。但這些地區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業的可持續發展提供參考。

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葡萄基地進行試驗。試驗園地采取常規管理模式，平均每年施農藥6～7次，施油餅肥（每1 hm222 500 kg，氮、磷、鉀養分總量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，經風干、磨碎、過篩后備用。

園地土壤為黃棕壤，土壤性質如下：pH值為6.8，陽離子交換量為15.2 cmol·kg-1，w（有機質）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《土壤質量鎳的測定火焰原子吸收分光光度法》、GB/T 17138—1997《土壤質量銅、鋅的測定火焰原子吸收分光光度法》、GB/T 22105—2008《土壤質量總汞、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GBW 07401和生物成分分析標準物質GBW 10019進行質量控制。

主要儀器設備：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 重金屬富集系數及遷移系數計算

用富集系數（BCF，FBC）來表示葡萄對重金屬富集能力，富集系數越大［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?表示葡萄果實中重金屬相對于土壤的富集系數，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 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0軟件分析。

2 結果分析

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元素，其含量也占絕對優勢，這與ROBA［29］及陸素芬等［34］研究結果相符。

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（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，FBC，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（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，遷移系數為FT2＞FT1＞FBC，根＞β＞FT3，除FT1與FT2差異不顯著外，其余遷移系數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，遷移系數為FBC，根＞FT1＞FT2＞β＞FT3，除FBC，根與FT1差異不顯著外，其余遷移系數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進入葡萄植株體內后在根-莖間的傳輸非常通暢。FT2僅為0.18，FT3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，遷移系數為FT2＞FT1＞FBC，根＞FT3＞β，除FT1與FBC，根差異不顯著外，其余遷移系數間差異均達極顯著水平。阻止葡萄對土壤中Hg吸收的主要場所發生在根-土界面上，其FBC，根僅為0.21。另外FT1僅為0.62，FT3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，FT2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，其余遷移系數間差異均達到顯著水平；而Cr和Ni遷移系數大小順序為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，FT1值為 0.11～0.60，FT3值為 0.01～0.05，均表現為明顯的阻礙作用；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］研究結果中Cd在不同葡萄品種根莖葉中的分布與累積總體呈現根＞葉＞莖的規律。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［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、化學性質的影響。該研究結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含量高的地區不宜種植葡萄。

遷移系數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有關，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土壤污染可能并非是農產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。