施用有机肥对葡萄植株Hg富集的影响

冯圣东， 张雪娜， 贾海滨， 张丽秀， 马 堃， 杨志新， 王小敏

(河北农业大学资源与环境科学学院， 河北省农田生态环境重点实验室， 河北保定 071000)



施用有机肥对葡萄植株Hg富集的影响

冯圣东， 张雪娜， 贾海滨， 张丽秀， 马 堃， 杨志新*， 王小敏

(河北农业大学资源与环境科学学院， 河北省农田生态环境重点实验室， 河北保定 071000)

【目的】以葡萄果树为研究对象，研究了不同剂量Hg胁迫下施用羊粪有机肥对不同生长期葡萄植株各部位Hg富集的影响，为利用有机肥控制葡萄Hg污染提供科学依据。【方法】采用盆栽试验，每个盆钵装过5 mm筛的风干土15 kg，土壤汞含量设置0、 1.5、 25 mg/kg 3个处理水平，以HgCl2固体粉末形式施入土壤，每个水平分别设置施用有机肥和不施用有机肥两种情况。供试有机肥为羊粪，并按12.5%施入土壤，混匀后放置平衡15 d，于4月8日定植葡萄苗，每盆移栽健壮无病、 生长状况基本一致的植株1株，每个处理重复6次。【结果】不管施用有机肥与否，葡萄花瓣、 果实、 枝条和叶片中的汞含量均随土壤Hg含量的增加而明显增加，而葡萄不同部位中Hg的富集系数却呈现出显著降低的趋势，且在各部位的大小顺序为叶片>花>枝条>果实。葡萄叶片和枝条Hg含量及其富集系数基本上表现出了幼果期最高，成熟期最低的生长期富集特征。与未施有机肥处理相比，低Hg处理施用有机肥后使开花期葡萄枝条汞含量降低了69.16%; 高Hg处理施肥后使开花期、 幼果期和成熟期葡萄枝条汞含量分别降低了50.52%、 58.33%和48.35%，并使三个时期叶片汞含量的降低幅度比低Hg处理分别高出了26%、 29.70%和37%。在土壤Hg污染下，施用有机肥的葡萄各器官汞含量均低于未施肥处理，且高Hg处理下的Hg含量降低幅度大多高于低Hg处理。不管低Hg或高Hg处理，施肥使叶片汞含量在幼果期和成熟期降低均最突出，而低Hg处理施肥使枝条汞含量在开花期降幅最高，高Hg处理在幼果期降幅最高。【结论】施用有机肥后，葡萄花、 叶片、 枝条和果实受Hg污染胁迫的影响明显减轻，尤其土壤Hg含量越高，有机肥的这种抑制作用越明显。

葡萄; 生长期; Hg; 有机肥; 富集

金属矿产开采、 煤炭等化石燃料燃烧及日常生活垃圾导致向环境中释放大量的Hg，而土壤作为环境中Hg的汇受到了严重的污染[1-2]。我国Hg污染的耕地面积约有3.2×104hm2，涉及15个省市的21个地区[3]。土壤汞污染的治理和修复技术已成为目前研究的热点问题。土壤汞污染治理与修复技术较多，其中利用有机质对土壤重金属Hg的抑制作用说法不一。有些研究指出，有机物料的加入降低了土壤重金属Hg的活性。例如，刘文拔等[4]研究表明，在低汞处理下，施用商品有机肥完全抑制了土壤中汞向小麦籽粒的转移。而另一些报道的结果则不同。张孟孟等[5]认为长期施用有机物料的土壤，重金属有向土壤深层迁移的现象。Wallschlager等[6]也表明在Elbe河洪泛区汞都是以胡敏酸的形式迁移到河流中。但是腐植酸组成不同，对金属离子的络合能力有很大的差异[7]。国内外许多研究揭示了商品有机肥、 腐植酸(化学纯试剂)、 煤基腐植酸物质对土壤-作物系统汞形态和生物有效性的影响[8-10]； 王开峰等[11]报道了长期施用有机肥导致土壤Hg向水稻地上部迁移，此现象是否在有机肥施用量高的果树生产中存在，对果品质量安全非常重要。本课题组前期研究发现，葡萄果园土壤Hg含量和有机质显著相关，但施用农家肥对于葡萄果树土壤Hg的迁移抑制作用，以及在葡萄生长哪个阶段受影响较强都不清楚。因此，本研究以葡萄植株为研究对象，通过施入不同剂量的外源汞，探索施用腐熟羊粪有机肥对土壤-葡萄植株系统重金属汞的富集影响，以期为施用有机肥控制葡萄Hg污染提供科学依据。

1　材料与方法

1.1供试材料

土培试验于2010年3月至2012年9月在河北农业大学标本园内进行。供试土壤取自保定市乌马庄村农田潮褐土(0—20 cm)，有机质含量为23.43 g/kg，有效氮、磷及速效钾含量分别为1.171、 7.720和242.6 mg/kg，全汞含量为0.363 mg/kg。供试葡萄品种为巨峰，属中熟品种，欧美杂交种，于保定市满城县小马坊村购买。试验用塑料盆，盆底直径20 cm，盆口直径30 cm，盆高26 cm。

1.2试验设计

采用盆栽试验方法。每个塑料盆装入过5 mm筛的风干土15 kg，根据污灌区及矿区实际污染情况，设置Hg2+0、 1.5、 25 mg/kg 3个处理水平，分别以Hg 0、 Hg 1.5、 Hg 25表示，其中Hg2+1.5 mg/kg为土壤质量三级标准，Hg2+25 mg/kg相当于严重污染区的实际水平。每个汞浓度均设置施有机肥和不施有机肥两个因素共6个处理。汞为HgCl2，按照处理量以固体粉末形式施入土壤，供试有机肥为羊粪(有机质 48.46 g/kg、 汞 0.365 mg/kg)，按照1 ∶8的比例加入土壤。将土壤、 有机肥、 HgCl2混匀后放置平衡15 d，于4月8日定植葡萄苗，选择健壮无病、 生长状况基本一致的植株每盆移栽1株，每个处理6个重复。生长过程中及时补充土壤水分，为防止重金属流失，塑料盆下垫塑料托盘，将渗出的溶液倒回盆中。

1.3样品采集与制备

1.4测定方法

土壤和植株样品重金属 Hg采用氢氟酸-高氯酸-硝酸消化—原子吸收分光光度法。

2　结果与分析

2.1施用有机肥对葡萄花瓣与果实富集Hg的影响

无论施用有机肥或不施肥，葡萄花瓣与果实中的汞含量均随土壤Hg含量的增加而明显增加(表1)。低Hg处理与对照相比，花瓣与果实Hg含量差异均不显著，表明土壤添加 Hg1.5 mg/kg时对葡萄果实和花瓣的吸收影响不大，果实中汞的含量符合我国食品中污染物限量标准的规定(GB 2762-2005)。在土壤轻度污染地区，建议通过改种高富集Hg的蔬菜或粮食作物为葡萄果树，可以大大降低食品安全风险。土壤添加Hg 25 mg/kg时葡萄果实和花瓣的吸收明显增大，在施肥处理下，花瓣和果实Hg的含量分别为施肥对照的9.99倍、 8.33倍; 在不施肥处理下，花瓣和果实Hg的含量分别为不施肥对照的13.37倍、 8.60倍。

表1　不同Hg浓度土壤中葡萄花和果实Hg含量(mg/kg)

注(Note): 同列数据后不同字母表示在相同有机肥施用量下处理间差异显著(P<0.05)Values followed by different letters are significantly different among treatments with the same rate of organic manure(P<0.05).

所有Hg处理水平下，施用有机肥的葡萄花瓣与果实汞含量均低于未施肥的处理(表1)。在对照和低Hg处理下，施肥的葡萄花瓣与果实汞含量比未施肥大约降低了30%和10%。在高Hg处理下，施肥的葡萄花瓣与果实汞含量比未施肥大约降低了48.3%和12.8%。可以看出，施用有机肥后，葡萄花瓣和果实受Hg污染胁迫的影响明显减轻，尤其Hg含量越高，有机肥的这种抑制作用越明显。因此，在Hg污染土壤中施用羊粪可以大大降低葡萄果实的安全风险。

图1　葡萄不同生长期施肥与不施肥叶片Hg含量Fig.1　Hg content in grape leaves with and without fertilization in different growth periods

2.2施用有机肥对葡萄叶片富集Hg的影响

无论施用有机肥或不施肥，葡萄叶片中的汞含量均随土壤Hg含量的增加而明显增加，且不同时期叶片对Hg的吸收差异较大(图1)。在未施肥情况下，低Hg处理开花期、 幼果期和成熟期葡萄叶片中Hg含量分别为对照的1.56、 2.73、 0.79倍，而高Hg处理分别为7.03、 7.22、 4.66倍。低Hg和高Hg胁迫下叶片吸收Hg均表现出了幼果期>开花期>成熟期的特征，差异显著。在施肥情况下，低Hg处理与对照相比，开花期、 幼果期和成熟期葡萄叶片中Hg含量分别为对照的1.26、 3.82、 1.41倍，而高Hg处理分别为4.04、 6.58、 4.79倍。在低Hg胁迫下叶片吸收Hg表现出了幼果期>开花期>成熟期的特征，而高Hg胁迫下也表现出了幼果期≈开花期>成熟期的类似特征，不同时期具有明显的差异性，且均在幼果期表现最高。可见，叶片在该时期更容易受到Hg的伤害。

由图1可以看出，对照Hg0处理，幼果期和成熟期施有机肥的葡萄叶片汞含量比未施肥处理分别降低了39.2%和50.9%，而开花期却增加了10.4%; 在低Hg处理下，开花期、 幼果期和成熟期施有机肥的葡萄叶片汞含量均比未施肥处理有所下降，分别降低了10.5%、 14.9%和12.5%; 而高Hg处理下分别降低了36.5%、 44.6%和49.5%。可见，在Hg胁迫下，施用有机肥的葡萄叶片汞含量均明显低于未施肥处理，葡萄叶片受Hg污染胁迫的影响明显减轻，尤其是Hg含量越高，有机肥的这种抑制作用越明显。

2.3施用有机肥对葡萄枝条富集汞的影响

所有处理葡萄枝条中的汞含量均随土壤Hg含量的增加而明显增加，且Hg在不同生长期枝条中的积累存在着显著差异(图2)。在未施肥情况下，低Hg处理开花期、 幼果期和成熟期葡萄枝条中Hg含量分别为对照的3.12倍、 3.01倍和2.94倍，高Hg处理分别为22.17倍、 19.54倍和21.16倍。低Hg和高Hg处理下枝条吸收Hg均表现出了幼果期>开花期>成熟期的共同特征，不同生长期差异明显。在施肥情况下，低Hg处理开花期、 幼果期和成熟期葡萄枝条中Hg含量分别为对照的0.73倍、 3.35倍和1.86倍，而高Hg处理分别为8.32倍、 8.91倍和6.80倍。在低Hg胁迫下枝条吸收Hg量表现为幼果期>成熟期≈开花期，而高Hg胁迫下表现出了幼果期≈开花期>成熟期的特征，均在幼果期表现最高，与叶片结果相似。

由图2可以看出，在Hg胁迫下，施用有机肥对葡萄枝条吸收汞产生了明显的影响。在对照处理下，开花期和成熟期施有机肥的葡萄枝条汞含量比未施肥处理分别提高了31.8%和60.78%，而幼果期降低了8.61%。在低Hg处理下，施有机肥对开花期葡萄枝条汞含量影响较大，与未施肥处理相比，降低了69.16%，而在幼果期和成熟期对葡萄枝条汞的含量影响不大，分别提高了1.79%和1.90%。在高Hg处理下，施肥对三个生长期的葡萄枝条汞含量影响均较大，分别比未施肥处理降低了50.52%、 58.33%和48.35%。可见，施用有机肥后开花期葡萄枝条受低Hg污染胁迫的影响明显减轻，而受高Hg胁迫的葡萄枝条在生长的三个时期内，施用有机肥均能明显减少葡萄枝条对汞的富集。

图2　不同处理葡萄枝条的汞含量Fig.2　Hg content in branches of vine under different treatments

2.4施用有机肥对葡萄植株不同部位富集系数的影响

富集系数可以反映葡萄植株某部位对土壤Hg的富集能力。由表2看出，所有处理葡萄花瓣、 枝条、 叶片和果实中Hg富集系数在生长各时期均随土壤汞含量的增加而显著降低。葡萄植株不同部位对土壤Hg的吸收富集总体趋势表现是叶片>花>枝条>果实。葡萄枝条和叶片对土壤汞的富集能力在不同生长时期也表现出了不同。幼果期葡萄枝条和叶片对汞的富集能力最强，其次为开花期，富集系数最小的时期为成熟期。因此，在汞污染胁迫下葡萄在幼果生长期所受危害最大，此时期采取控制葡萄植株Hg富集的措施应该为最佳时期。在成熟期，葡萄植株对汞的富集系数最小，可能是由于葡萄在此时期已接近老化，生命活动较弱，减少了对汞的富集。无论施肥或不施肥处理，不同部位对汞的富集系数均小于1，说明葡萄果树为抗土壤汞污染强且低吸收的植物。

表2　Hg在葡萄不同生长部位的富集系数

注(Note): 富集系数=葡萄植株某部位Hg含量/土壤Hg含量 Enrichment coefficients=Hg content in some parts of grape plants/soil Hg content.

3　讨论

本研究中，无论施用有机肥与否，葡萄花瓣、 叶片、 枝条及果实各部位中的Hg含量均随土壤Hg含量的增加而明显增加。淳长品[12]在柑橘上的试验也得到了类似的结果。不同果树器官对土壤Hg的吸收累积存在着一定的差异。张连忠等[13]在苹果上的试验认为根系吸收能力和重金属累积量是地上部分重金属含量变化的前提，重金属进入根系后先与蛋白质、 多糖和核酸等结合，然后才向地上部迁移，叶片处于重金属迁移的最末端，因此重金属含量根系>枝干>叶片，柑橘试验各器官组织中的Hg含量就表现为根系>叶片>枝干>果皮>果肉[12]。本研究中葡萄植株不同部位富集Hg为叶片>花>枝条>果实，可能是在Hg胁迫下，Hg随土壤水分通过蒸腾作用进入叶片，水分蒸发后，Hg滞留于叶片，导致叶片Hg累积量相对较高。另外，本研究还发现，Hg胁迫下葡萄叶片和枝条Hg含量及其富集系数均在幼果期最高，成熟期最低，这种吸收特点可能与葡萄植株的生长旺盛期有关。

本研究结果还表明，在低Hg胁迫下施用有机肥的葡萄花瓣、 叶片、 枝条与果实汞含量均明显低于未施肥的处理，这与闫双堆等[8]发现的添加腐植酸处理的油菜植株茎叶汞的吸收量均有不同程度的降低相一致。李波[14]在莴苣上的试验结果证明腐植酸对土壤Hg形态有较大影响，腐植酸能使土壤中植物有效态Hg含量明显减少，这可能是其吸收量降低的重要原因之一。另外，在本试验中，施用有机肥对葡萄植株不同生长期不同器官Hg含量均有抑制效果，且存在着明显差异。本研究出现的这些差异特点可能归因于以下三个方面，一是与葡萄植株各器官的吸收功能有关; 二是与葡萄植株在不同生长期的分泌代谢产物有关; 三是可能与羊粪有机肥在不同生长时期的腐植酸组分不同有关。

4　结论

1)葡萄花瓣、 叶片、 枝条及果实中的汞含量均随土壤Hg含量的增加而明显增加，而Hg富集系数却显著下降，其在各部位分布规律表现为叶片>花>枝条>果实，且富集系数在各生长期表现出幼果期最高，成熟期最低的富集特征。

2)土壤Hg胁迫下，施用有机肥可显著降低葡萄花瓣、 叶片、 枝条与果实汞含量，且高Hg胁迫下的降低幅度明显高于低Hg处理。施羊粪在低汞和高汞胁迫下叶片汞含量在幼果期和成熟期降低最为明显，低Hg胁迫下枝条汞含量在开花期降幅最高(69.16%)，高Hg处理枝条汞含量在幼果期降幅最高(58.33%)。

3)施用有机肥后，葡萄花、 叶片、 枝条和果实受Hg污染胁迫的影响明显减轻，尤其土壤Hg含量越高，有机肥的这种抑制作用越明显。在Hg污染土壤中施用羊粪有机肥来降低葡萄果实的安全风险具有一定的可行性。

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Effects of sheep manure on Hg concentrations in grape vines

FENG Sheng-dong, ZHANG Xue-na, JIA Hai-bin, ZHANG Li-xiu, MA Kun, YANG Zhi-xin*, WANG Xiao-min

(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,AgriculturalUniversityofHebei/KeyLabforFarmlandEcologicalEnvironmentofHebeiProvince,Baoding,Hebei071000,China)

【Objectives】 The paper is to study the effects of applying different amounts of sheep manure on Hg accumulation in different parts of grape vines during different growing periods at different Hg addition rates in soil. 【Methods】 The experiment was conducted in the lab by using pots. Each pot contains 15 kg dry soil (< 5 mm). Three different concentrations of Hg (0, 1.5, 25 mg/kg) were added in the form of HgCl2solid powder into the soil. Each level of Hg treatment was compared between application of 12.5% (12.5% sheep manure vs 87.5% soil) of sheep manure and no sheep manure. At 15 days after mixing, a disease-free and strong grape plant was planted in each pot on April 8, 2015. Each treatment repeated 6 times.【Results】 The results showed that mercury contents in grape fruits, flowers, vines and leaves were significantly increased with the increase of soil Hg contents for all the treatments. However, the Hg accumulation rates vary dramatically in different parts of grape plants in the following order: leaves>flowers>vines>fruits. Mercury contents and their accumulation rates in vines and leaves were the highest during early fruit stage and the lowest during late fruit stage with or without sheep manure applications. The mercury concentrations in flowers, leaves, vines and fruits with sheep manure in the soil were lower than those without the sheep manure and the decreasing rates of Hg concentrations in the grape plants at the higher addition of Hg in soils are greater than those at the lower addition of Hg in the soils. Comparing to the treatments with no sheep manure, the Hg concentrations in the grape leaves with sheep mature treatments were decreased by 26%, 29.7% and 37%, respectively, during flowering, early fruit growth and late fruit growth periods. The decrease of Hg contents in the vines during flowering stage was greater than other growth stages with sheep manure application at low Hg stress and the Hg content was reduced by 69.16% comparing to no manure treatment. However, Hg content in the vines was reduced by 50.52%, 58.33% and 48.35%, respectively, during flowering period, early fruit growth and late fruit growth periods with organic fertilization comparing with no fertilization. Applying sheep manure in soils can reduce Hg accumulation in different parts of the grape plants significantly, especially under high Hg stress in soils. 【Conclusions】 Application of organic fertilizer in soils that are contaminated with Hg significantly reduces the Hg content in different parts of grape vine.

grape vine; growth stage; Hg enrichment; organic fertilizer

2015-03-19接受日期: 2015-11-19网络出版日期: 2016-05-05

国家科技支撑计划(2012BAD15B02)； 河北省教育厅项目(ZD20131013， ZH2012034)资助。

冯圣东(1969—)， 男， 河北东光人， 硕士， 副研究员， 主要从事土壤环境质量研究 。E-mail: fengshengdong@126.com

E-mail: yangzhixin@126.com

S141; S663.1

A

1008-505X(2016)04-1010-06