设施葡萄基地土壤-葡萄体系邻苯二甲酸酯(PAEs)污染及分布特征

2018-07-30李海峰任红松刘志刚吴久赟刘河疆廉苇佳

新疆农业科学 2018年5期

李海峰，任红松，刘志刚，吴久赟，刘河疆，廉苇佳，韩琛

(1.新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所，新疆吐鲁番 838000；2.新疆农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引言

【研究意义】邻苯二甲酸酯(Phthalic Acid Esters,PAEs)又称酞酸酯,作为一种添加剂广泛应用于塑料制品，添加量可达到塑料的30%～50%[1-3]。据研究[4]，PAEs可由塑料转移到外环境，能长久地持留于空气、水和土壤中。PAEs已被证实是一类高毒性的环境激素，进入人体会干扰人体自身激素的合成、代谢[5]。设施葡萄栽培是一种高效的农业生产方式,但是，葡萄树体常年被覆于棚膜之下，地表普遍覆盖地膜以保温、保湿、防草。由于吐鲁番日照长、光照强、棚内温度高、湿度大，随着种植年限的延长，棚膜及地膜中的PAEs化合物很可能迁移并富集到土壤和葡萄树体及果实中，造成土壤污染。因此，研究设施葡萄土壤-葡萄体系邻苯二甲酸酯污染特征，对土壤PAEs污染的防治，提高葡萄产品质量安全具有重要意义。【前人研究进展】我国设施葡萄栽培始于21世纪50年代，在北方严寒地区以塑料薄膜日光温室栽培为主，地表覆盖地膜，土壤和葡萄植株长年与地膜接触。据文献资料显示[6-8]，我国中东部设施土壤-农产品中PAEs化合物主要以邻苯二甲酸二正丁酯(DBP)、邻苯二甲酸(2-乙基己基)酯(DEHP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DiBP)为主，其含量水平因各地生产方式、土壤类型等因素表现出一定差异。【本研究切入点】前人研究多集中在我国中东部的设施蔬菜上，对果树尤其是对新疆设施葡萄的研究鲜有报道。东西部在农业结构、土壤类型、气候条件、生产方式等差异较大，PAEs在设施葡萄土壤和农产品中的类型、含量水平、分布特征等尚不明确。研究设施葡萄基地土壤-葡萄体系邻苯二甲酸酯(PAEs)污染及分布特征。【拟解决的关键问题】通过对吐鲁番设施葡萄生产基地不同种植年限的葡萄大棚的土壤、植株进行调查取样，研究土壤-葡萄体系中PAEs化合物的组成、含量水平和分布特征，为吐鲁番设施葡萄土壤环境质量评价和葡萄产品污染风险防控提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

2017年5月，采集吐鲁番市某设施葡萄种植基地共9个1～6 a棚龄设施葡萄土壤样品18个，根系、茎、叶、果实样品36个，同时，采集临近露地葡萄地的土壤等样品作为对照(CK)。土壤样品采用多点采样混合法，分别采集0～20、20～40 cm土层,一个样品由12个点组成，剔除石块、枯枝落叶等杂质混匀后装入布袋，回到实验室采用四分过2 mm尼龙筛，留取0.5 kg储存于棕色广口瓶中，-20℃保存备用。植株样与土壤采样点一一对应，根系、茎、叶采集后带回实验室清洗干净，烘干打成粉状，葡萄果实洗净打成浆状储于玻璃广口瓶中待测。

1.2 方法

1.2.1 样品处理

样品前处理和净化方法参考文献[9]。土壤样品称10.00 g于三角瓶中，加入水10 mL，乙腈40 mL，在摇床上以200 r/min的速率振荡2 h，倒入100 mL玻璃离心管中，以4℃，3 500 r/min下离心5 min。离心后用滤纸将上层液体过滤到装有5～6 g氯化钠的具塞量筒内，用力振荡后静置30 min，分层后取上层有机相20 mL移入150 mL圆底烧瓶内旋转蒸发至近干，加入正己烷3 mL。植物样品称取20 g放入烧杯中，加入40 mL乙腈高速匀浆2 min。用滤纸过到已加入5～6 g氯化钠的具塞量筒内，剧烈振荡1 min，静置15 min后取10 mL到150 mL圆底烧瓶内旋转蒸发至近干，加入正己烷3 mL。样品使用玻璃弗罗里硅土柱净化，用丙酮-正己烷(10+90)混合溶液淋洗液，收集的洗脱液氮吹蒸发近干，再用正己烷定容至5 mL，混匀后移入2 mL至自动进样瓶待测。

1.2.2 仪器

1.2.2.1 色谱

采用DB～1701MS色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)；载气为氦气，流量为1.2 mL/min；进样口温度为280℃。脉冲不分流，关闭载气，传输线温度为300℃，进样量为2 μL。柱升温程序：初始温度为60℃，保持2 min；以15℃/min速率升到150℃，保持2 min；再以10℃/min速率升到290℃，保持11 min。

1.2.2.2 质谱

采用电子轰击离子源，离子源温度为250℃，电离能力为70 eV；四极杆温度为180℃；碰撞气为氩气，压力为0.133 Pa；采用多反应监测方式进行数据采集。

1.3 数据处理

数据采用Excle2010进行整理，使用 SPSS 19.0对土壤-葡萄果实中PAEs含量进行相关分析,以Pearson系数评价其相关性。

2 结果与分析

2.1设施葡萄土壤PAEs污染水平及垂直分布特征

研究表明，土壤中有6种PAEs被检出，分别为DBP、DIBP、DEHP、DMP、DEP、BBZP，检出率在83.3%以上，∑PAEs含量在1.500～2.718 mg/kg。其中，DBP、DIBP、DEHP三者含量较高，浓度范围在0.337～1.350 mg/kg，占总含量的98.9%，其余三种含量较低，均在0.01 mg/kg以下，仅占∑PAEs的1.1%。表1

PAEs各单体中，DIBP含量最高，其次为DEHP和DBP。DIBP浓度范围在0.758～1.350 mg/kg，平均含量为1.47 mg/kg，占∑PAEs含量48.6%；DEHP的含量在0.382～0.798 mg/kg，平均含量为0.629 mg/kg，占∑PAEs含量29.2%；DBP的含量在0.337～0.640 mg/kg，平均含量为0.456 mg/kg，占∑PAEs含量21.2%。根据美国PAEs化合物的控制标准和治理标准[10]，调查的设施葡萄大棚中，100%土壤样品中DBP含量超过0.08 mg/kg的控制标准，但未超过治理标准，其余组分含量均未超过控制标准。表2

土壤中三种主要PAEs化合物DBP、DIBP、DEHP总量在垂直方向上的分布差异较大。在0～20 cm的土层中，总含量范围在0.869～1.603 mg/kg，平均含量为1.257 mg/kg,三者总量在这个土层所占比例达到70%；在20～40 cm土层中，三种化合物总含量在0.281～0.845 mg/kg，平均含量为0.535 mg/kg，所占比例仅为30%。图1

表1 吐鲁番市设施葡萄基地土壤中的PAEs化合物含量
Table 1 Concentration of PAEs compounds in soils of facility grape bases in Turpan

项目 ProjectDMPDEPBBZPDIBPDBPDEHP∑PAEs范围 Content range (mg/kg)nd^0.010nd^0.007nd^0.0070.758^1.3500.337^0.6400.382^0.7981.500^2.718平均值 Average value (mg/kg)0.0090.0060.0061.0470.4560.6292.153标准差 Standard deviation (mg/kg)0.000 20.000 50.0010.2420.1320.1780.554变异系数 Coefficient of variation0.0220.0830.1670.2310.2890.2831.076检出率 Detection rate (%)83.383.383.3100100100100超标率 Over standard rate (%)00001000

注：nd为未检出

Note:nd stands for undetected

表2 美国土壤PAEs化合物控制标准与治理标准[10]

Table 2 Soil allowable concentraions and cleanup objective of PAEs compounds in USA

名称Name简写Abbreviation控制标准(mg/kg)Control standard治理标准(mg/kg)Admisistrative standard邻苯二甲酸二甲酯Dimethyl phthalateDMP0.022邻苯二甲酸二乙酯Diethyl phthalateDEP0.077.1邻苯二甲酸二正丁酯dibutyl phthalateDBP0.088.1邻苯二甲酸丁基苄基酯Benzyl butyl phthalateBBP1.2250邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯Dibutyl phthalate (2-ethyl) hexyl phthalate.DEHP4.3550邻苯二甲酸二正辛酯Di-n-octyl phthalate.DnOP1.250

图1 土壤中PAEs垂直分布特征
Fig.1 The vertical distribution of PAEs in soil

2.2不同种植年限设施葡萄土壤PAEs污染特征

研究表明，设施葡萄土壤三种主要PAEs化合物含量显著高于对照(未铺膜土壤)，随着葡萄种植年限的变化，土壤中PAEs化合物的含量变化具有明显的差异性。但随着种植年限的增长，∑PAEs并非成线性增长趋势，种植4a的葡萄土壤∑PAEs含量最高，6a龄低于4a龄葡萄土壤含量。就各单体分析，DIBP和DBP的含量是随着种植年限的增长而先增加后降低，DEHP的含量是随着种植年限的增长而缓慢的降低。图2

图2 不同种植年限大棚土壤中PAEs的含量
Fig.2 Concentration of PAEs comp ounds in greenhouse soil with different cultivation years

2.3 葡萄植株体PAEs的含量和分布特征

在葡萄植株体检出了8种PAEs化合物，分别为DBP、DIBP、DEHP、DMP、DEP、BBZP、DEEP、DN0P，其中DEEP、DN0P均未在根系中检出，仅在叶片和茎中微量存在。8种化合物中以DBP、DIBP、DEHP为主，三者在葡萄植株体内的含量达到2.984 mg/kg,占总含量的95.4%。各单体中，DEHP含量最高，达到2.071 mg/kg，占比66.2%；DIBP和DBP次之，含量分别为0.462 mg/kg、0.452 mg/kg，差异不大，各占14.5%左右；其余5种化合物以DEEP和BBZP含量较高，占比分别为2.6%和1.1%，剩余3种单体均小于1%。图3

葡萄植株各部位PAEs含量为，各部位∑PAEs的含量由高到低为根>茎>叶>果实。经分析，根、茎、叶中∑PAEs的含量范围在0.745～1.264 mg/kg，三个部位∑PAEs含量占整个植株的95.4%，根部占比40.3%、茎占31.3%、叶占23.8%，果实中的含量为0.045 mg/kg，仅占4.5%，差异显著。根、茎、叶中DEHP含量最高，均高于其他组分，DEHP从根、茎、叶到果实其含量急剧下降，且果实中的DEHP低于DIBP和DBP；茎中的DIBP和DBP的含量高于根部。图4

2.4 葡萄果实与土壤PAEs的相关性

用SPSS19统计软件对葡萄果实与同一采样点土壤中的PAEs含量进行相关性分析，结果表明，葡萄果实与土壤中∑PAEs呈显著正相关，Pearson相关系数(r)为0.878(P=0.021)。土壤与葡萄果实中PAEs化合物占主导成分的DIBP、DBP、DEHP的含量也显著相关，相关系数分别为0.855(P=0.030)、0.820(P=0.045)、0.981(P=0.001)。葡萄果实与土壤中∑PAEs、DIBP、DBP、DEHP均有一定的线性共变趋势。图5

图3 葡萄植株体PAEs化合物的组成

Fig.3 Compositions of PAEs in grapeplants (%)

图4 葡萄植株体不同部位PAEs的含量
Fig.4 Contents of PAEs in different parts of grape

图5 葡萄果实与土壤中PAEs的回归曲线
Fig.5 Regression curve of concentration of PAEs between grapes and soils

3 讨论

目前，关于新疆及全国其它各省对设施葡萄土壤中邻苯二甲酸酯的研究未见报道，相关研究主要集中在我国中东部设施蔬菜上。研究发现[11-13]，吐鲁番设施葡萄土壤中的PAEs含量与中东部省份设施菜地土壤相比，总体水平较低。这可能是由于菜地土壤使用农膜量相对于果园较大所致，并且经济发达的城市，其农田土壤PAEs含量较高[14]。

设施葡萄土壤∑PAEs在垂直方向上的分布差异较大。在0～20 cm的土层中占比达到70%，这与李霞[15]的研究结果大致相同。土壤中PAEs在垂直方向的分布受灌溉方式、土壤质地、酸碱性、微生物活动及本身的分子量、结构、水溶性等多种因素影响,而且是在多因素共同作用下产生的结果。

随着种植年限的增长，土壤中PAEs总量并非成线性增长趋势，4a龄的葡萄土壤含量最高，6a龄低于4a龄葡萄土壤含量；单体中，DIBP和DBP的含量与PAEs总量变化趋势一致，而DEHP的含量是随着种植年限的增长而缓慢的降低。有研究报道[16-17]，棚龄与PAEs含量并无显著相关性，这是由于PAEs在土壤中积累的同时，也在发生降解,且各单体的降解速度不同；另一方面，土壤对PAEs的吸附存在吸附平衡问题,这些原因使得不同棚龄土壤PAEs含量没有规律性。

很多研究都表明[18-19]，某些植物主要依靠叶片吸收空气中的邻苯二甲酸酯，特别是一些大叶片的植物。研究中，葡萄植株体检出了8种PAEs化合物，其中DEEP、DN0P均未在土壤和根系中检出，仅在叶片和茎中少量存在，说明二者可能是通过空气途径借助叶片进入植株体。

DBP、DIBP、DEHP三者在葡萄植株体内的含量占总含量的95.4%，与土壤中PAEs的主要成分和占比趋于一致。孙在金[20]通过盆栽试验对番茄吸收邻苯二甲酸酯的途径进行了研究，发现番茄果实吸收土壤中DBP占总量46.2%，吸收土壤中的DEHP占58.8%，表明植株体的PAEs化合物主要来源于土壤。各单体中，植株体DEHP比土壤平均含量高出了1.442 mg；DBP的含量与土壤差异不大，DIBP的含量远低于土壤中的含量，可能是由于DEHP和DBP的迁移能力较强或者是葡萄植株体对二者的吸收能力较强，这与各单体化合物的侧链长度、分子量、水溶性大小及植物体的本身结构、生理功能等因素有关。从已有报道来看[21-22]，DEHP和DBP由于分子量大，水溶性较低，在土壤中生物降解的半衰期相对较长，容易在土壤中累积而被植物吸收，且二者在某些植物中表现出较强生物富集性。

周正峰等[23]研究花椰菜和辣椒对邻苯二甲酸酯的吸收途径发现，两种蔬菜根中邻苯二甲酸酯的含量显著高于果实；宋广宇等[24]研究发现 PAEs在上海青植株各部位累积分布特征不同：根>茎、叶。研究中，葡萄植株体∑PAEs的含量从根部至下而上依次递减，根部含量最高、占比最大，其次为茎、叶，果实最低，与上述研究结论基本一致，表明葡萄植株体可能主要靠根部吸收邻苯二甲酸酯向茎、叶、果实运输转移。

结果显示，葡萄果实与土壤中∑PAEs及DIBP、DBP、DEHP的含量具有一定的线性共变趋势。据李彬等[25]报道，水果-果园土壤中∑PAEs、DBP含量在0.05水平上显著相关；崔明明[26]对山东花生主产区土壤-花生籽粒中6种PAEs含量进行调查，也证实了花生籽粒与土壤中的PAEs含量具有一定的相关性，∑PAEs、DBP、DEHP的相关系数分别为0.79、0.75、0.51(P<0.01)。表明葡萄果实中累积的邻苯二甲酸酯与土壤中的含量具有显著相关性，土壤中邻苯二甲酸酯污染水平将决定葡萄果实的安全程度。