重金属在土壤-葡萄体系中的富集和迁移规律

庞荣丽，王书言，王瑞萍，党 琪，郭琳琳，谢汉忠①，方金豹② （.中国农业科学院郑州果树研究所/农业农村部果品质量安全风险评估实验室（郑州），河南郑州 450009；.洛阳市农产品安全检测中心，河南洛阳4703）

土壤重金属污染具有治理耗时长、累积性和不可逆性的特征［1-2］，主要通过食物链危及人体健康。水果是人们日常生活中必不可少的副食品，也是极易受重金属污染和影响的农产品。近年来，越来越多学者开展重金属在土壤、植物体系中的研究，但主要集中在水稻［3-5］、玉米［6］、小麦［7］、蔬菜［8-14］、烟草［15］等一年生作物中。在柑橘［16］、梨［17-18］、猕猴桃［19］、杨桃［20］、樱桃［21］、柚子［22］、苹果［23］、葡萄［24-27］等果树方面对果树不同部位如叶片、果实中重金属含量测定［28-29］研究较多，对重金属在土壤-果树体系中富集与迁移特征等研究较少且不系统。重金属由土壤向植物体内的迁移受诸多因素影响，如土壤类型和性质［30］、土壤中共存重金属拮抗或协同作用［11］、植物基因型差异［6，16，31］、生态型差异等。因此，重金属由土壤向植物体内迁移的规律至今没有统一认识。

我国是鲜食葡萄第一生产大国，2013年其栽植面积和产量分别达72万hm2和1 138万t，近年来葡萄产业仍呈迅猛的发展势头，尤其在一些山区、丘陵地带。但这些地区重金属背景值往往较高，不宜种植富集能力强的品种。笔者选择有代表性的玫瑰香、巨峰、夏黑等11个葡萄栽培品种，以Cd、Pb、Zn等重金属为目标物进行系统研究，旨在弄清重金属在园地土壤-葡萄体系中的富集能力和迁移特征，为果树对重金属御性机理研究及葡萄产业的可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

于2017—2018年在河南省南阳市方城县二郎庙乡葡萄基地进行试验。试验园地采取常规管理模式，平均每年施农药6～7次，施油饼肥（每1 hm222 500 kg，氮、磷、钾养分总量w为11%，Pb、Cd、Cr、Hg、As等重金属含量符合NY 525—2012《有机肥料》标准）1次，生物肥料（75 kg·hm2，氮、磷、钾养分总量w为18%，Pb、Cd、Cr、Hg、As等重金属含量符合NY/T 798—2015《复合微生物肥料》标准）2次，灌溉用水为深井水。试材为4 a生圣诞玫瑰、玫瑰香、茉利香、夏黑、醉金香、金手指、摩尔多瓦、户太8号、阳光玫瑰、巨峰和巨玫瑰共11个葡萄栽培品种。其中，圣诞玫瑰、茉利香、醉金香和金手指4个品种砧木为贝达，其余为自砧根。

1.2 样品采集与处理

样品采集时间为2017年8月中上旬。每个品种葡萄园地中按“S”形布点选择5～10棵葡萄树，在葡萄成熟时点对点同期采集土壤及植株样品。植株样品包括根、茎、叶、果实等部位，单独保存，带回实验室后先用自来水充分冲洗，以去除表面泥土、灰尘等，再用去离子水冲洗，根、茎、叶沥去水分后分别装牛皮纸袋，于105℃烘箱中杀青15 min，75℃条件下烘干，磨碎后过0.2 mm孔径尼龙筛备用；果实样品直接匀浆后储藏于-18℃冰箱备用。土壤样品采集时避开施肥、田埂等特殊部位，用木质或塑料工具采集0～40 cm土壤，与选择葡萄树一致，每个品种园地取5～10个点，多点混合，经风干、磨碎、过筛后备用。

园地土壤为黄棕壤，土壤性质如下：pH值为6.8，阳离子交换量为15.2 cmol·kg-1，w（有机质）为15.2 g·kg-1，w（全氮）为 1.11 g·kg-1，w（碱解氮）为105 mg·kg-1，w（全磷）为 1.02 g·kg-1，w（有效磷）为15.0 mg·kg-1，w（全钾）为22.3 g·kg-1，w（速效钾）为180 mg·kg-1。

1.3 测定项目及方法

按照GB/T 17141—1997《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》、GB/T 17139—1997《土壤质量镍的测定火焰原子吸收分光光度法》、GB/T 17138—1997《土壤质量铜、锌的测定火焰原子吸收分光光度法》、GB/T 22105—2008《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法》、HJ 491—2009《土壤总铬的测定火焰原子吸收分光光度法》进行土壤样品中Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As和Cr含量的测定；按照GB 5009.12—2017《食品安全国家标准食品中铅的测定》、GB 5009.15—2014《食品安全国家标准食品中镉的测定》、GB 5009.138—2017《食品安全国家标准食品中镍的测定》、GB 5009.13—2017《食品安全国家标准食品中铜的测定》、GB 5009.14—2017《食品安全国家标准食品中锌的测定》、GB 5009.17—2014《食品安全国家标准食品中总汞及有机汞的测定》、GB 5009.11—2014《食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定》、GB 5009.123—2014《食品安全国家标准食品中铬的测定》进行葡萄植株样品中重金属Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As和Cr含量的测定。每个样品重复3次，采用土壤成分分析标准物质GBW 07401和生物成分分析标准物质GBW 10019进行质量控制。

主要仪器设备：Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn用原子吸收分光光度计（Z700，德国耶拿）测定；Hg和As用原子荧光光度计（AFS930，北京吉天）测定。

1.4 重金属富集系数及迁移系数计算

用富集系数（BCF，FBC）来表示葡萄对重金属富集能力，富集系数越大［21］，说明其吸收能力越强。计算公式为

式（1）中，C根为根部重金属含量，mg·kg-1；C土为土壤重金属含量，mg·kg-1。

用迁移系数FT1、FT2、FT3分别表示重金属在根-茎、茎-叶、茎-果实间的迁移能力［32］，用累计富集系数ß表示葡萄果实中重金属相对于土壤的富集系数，计算公式分别为

式（2）～（5）中，C根、C茎、C叶、C果分别为葡萄根、茎、叶、果实中重金属含量，mg·kg-1。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0软件分析。

2 结果分析

2.1 葡萄植株各器官中重金属分布特征

8个重金属在园地土壤-葡萄体系中含量分布情况见表1。同一重金属在葡萄植株各器官中含量分布不同。Pb、Cr、As、Ni规律一致，从大到小依次为根＞叶＞茎＞果实，根部含量显著高于叶片和果实含量，叶片含量显著高于果实含量（P＜0.05）；Zn、Cu、Hg规律一致，即叶＞根/茎＞果实，叶片中Zn、Cu含量与根、茎差异不显著，但均显著高于果实，而叶片中Hg含量极显著高于根、茎和果实，根、茎中Hg含量极显著高于果实（P＜0.01）；Cd含量从大到小依次为茎＞根＞叶＞果实，茎、根含量极显著高于叶片与果实（P＜0.01）。植株中大部分重金属在根部位含量最高［16，21，32］，这是因为根细胞壁中存在大量交换位点，能将重金属离子固定在这些位点上，从而阻止重金属离子进一步向地上部分转移［33］。但该研究中叶片Zn、Cu和Hg含量高于根部，可能是叶面肥的施用和大气污染所致。

表1 园地土壤-葡萄体系中重金属含量分布Table 1 Content distribution of heavy metals in soil‐grape system mg·kg-1

不同重金属含量在土壤-葡萄体系中不同。如土壤中 Pb、Cr、As、Ni、Cu、Hg含量均极显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、茎、叶部。葡萄植株对8个重金属的累积总量（根、茎、叶、果重金属含量之和）差异较大。累积总量从大到小依次为Zn＞Cu＞Ni＞Cr＞Pb＞As＞Cd＞Hg。Zn 和 Cu 是葡萄生长必需的营养元素，其含量也占绝对优势，这与ROBA［29］及陆素芬等［34］研究结果相符。

2.2 葡萄植株各器官中重金属富集能力

葡萄植株积累重金属在一定程度上受土壤重金属含量影响（表2）。葡萄植株对不同重金属吸收能力差异较大，富集系数平均值大小顺序为Cd＞Zn＞Cu＞Hg＞Ni＞Cr＞As＞Pb，这与陈永涛等［16］对重金属在柑橘中的富集能力研究结果基本一致。Cd与Zn之间富集能力平均值差异不显著，Cd、Zn与Cr、Pb之间差异达极显著水平（P＜0.01）。对8个重金属元素聚类如图1所示，阈值为5时将重金属划分为3类：第1类是Cd，富集能力很强；第2类是Zn，具有一定富集能力；第3类是Cr、Pb、Ni、Hg、As、Cu，无富集作用。

表2 园地土壤-葡萄体系中重金属富集系数（FBC）Table 2 The enrichment coefficient of heavy metals in soil‐grape system

图1 不同重金属富集能力树状图Fig.1 Tree pattern of heavy metal enrichment

2.3 土壤-葡萄体系中重金属迁移能力

园地土壤-葡萄体系中不同重金属迁移能力差异较大。从表3可知，根部富集能力（FBC根）大小顺序为Cd＞Zn＞Cu＞Ni＞Hg＞Cr＞As＞Pb，其中Cd最强，其FBC，根范围为0.60～8.39，平均值为2.60；其次为Zn和Cu，其FBC，根范围分别为0.28～3.53和0.45～0.78，平均值分别为0.95和0.55；而Ni、Hg、Cr、As和Pb富集能力很弱，FBC，根平均值均远小于0.50，尤其是As和Pb。

根与茎间迁移能力（FT1）大小顺序为 Cd＞Zn＞Cu＞Hg＞Pb＞As＞Ni＞Cr。其中 Cd 和 Zn 的FT1值分别为1.87和1.78，迁移能力很强；而Cu和Hg的FT1值分别0.90和0.62，迁移能力一般；Pb、As、Ni和Cr的FT1值分别为0.60、0.40、0.12和0.11，迁移能力很弱。茎与叶间迁移能力（FT2）大小顺序为Hg＞Ni＞Pb＞As＞Zn＞Cu＞Cr＞Cd。其中 Hg 的FT2值最强，为7.00；其次为 Ni、Pb、As、Zn、Cu 和 Cr，平均值为1.29～4.60；Cd最弱，仅为0.18。茎与果间迁移能力（FT3）大小顺序为 Hg＞As＞Cu＞Ni＞Pb＞Cr＞Zn＞Cd。其中Hg的FT3值最强，为0.10；其次为As和Cu（0.05），其余重金属的FT3值均＜0.05；而Cr、Cd和Zn的FT3值最弱，仅为0.01。园地土壤与果实之间累计富集系数（β）大小顺序为Cu＞Cd＞Zn＞Hg＞Ni＞As＞Cr＞Pb。果实对Cu、Cd、Zn的β值分别为0.13、0.09和0.07，Hg为0.05，其余均＜0.01。

表3 园地土壤‐葡萄体系中重金属迁移系数Table 3 The migration coefficient of heavy metals in soil‐grape system

2.4 土壤-葡萄体系中重金属迁移特征

Zn是植物生长的必需元素，其在园地土壤-葡萄体系中的分布特征从大到小依次为叶＞茎＞根＞土＞果实，迁移系数为FT1＞FT2＞FBC，根＞β＞FT3，除FT1与FT2、FT2与FBC，根差异不显著外，其余迁移系数间差异均达到极显著水平（P＜0.01），果实中Zn含量仅为茎的1%，表明Zn在根-土界面、根-茎间、茎-叶间的迁移比较通畅，而阻止葡萄对土壤中Zn吸收的主要界面为茎-果。

Cu也是植物生长的必需元素，其在园地土壤-葡萄体系中的分布特征从大到小依次为土＞叶＞根＞茎＞果实，迁移系数为FT2＞FT1＞FBC，根＞β＞FT3，除FT1与FT2差异不显著外，其余迁移系数间差异均达极显著水平。FBC，根仅为0.55，说明阻止葡萄对土壤中Cu吸收的主要场所发生在根-土界面和茎-果界面上，但是Cu一旦被根部吸收后，在根-茎、茎-叶间的迁移通畅，叶片的Cu含量甚至高于茎。

Cd是对生物体毒性很高的元素，其在园地土壤-葡萄体系中的分布特征从大到小依次为茎＞根＞土＞叶＞果实，迁移系数为FBC，根＞FT1＞FT2＞β＞FT3，除FBC，根与FT1差异不显著外，其余迁移系数间差异均达极显著水平。葡萄根部Cd含量为土壤的2.59倍，表现为明显的富集作用，其FT1高达1.87，说明Cd进入葡萄植株体内后在根-茎间的传输非常通畅。FT2仅为0.18，FT3仅为0.01，阻止葡萄对土壤中Cd吸收的主要场所是茎-叶和茎-果界面。

Hg也是对生物体毒性很高的元素，其在园地土壤-葡萄体系中的分布特征从大到小依次为土＞叶＞根＞茎＞果实，迁移系数为FT2＞FT1＞FBC，根＞FT3＞β，除FT1与FBC，根差异不显著外，其余迁移系数间差异均达极显著水平。阻止葡萄对土壤中Hg吸收的主要场所发生在根-土界面上，其FBC，根仅为0.21。另外FT1仅为0.62，FT3为0.10，因而对葡萄吸收Hg也有一定的阻碍作用。Hg在茎-叶间的传输极为通畅，FT2高达7.00。

Cr、Pb、As、Ni对植物生长有一定的危害，其在园地土壤-葡萄体系中的分布特征从大到小依次为土＞根＞叶＞茎＞果实。Pb和As迁移系数大小顺序为FT2＞FT1＞FT3＞FBC，根＞β，除FT3与FBC，根差异不显著外，其余迁移系数间差异均达到显著水平；而Cr和Ni迁移系数大小顺序为FT2＞FBC，根＞FT1＞FT3＞β，其中除了Cr的FBC，根与FT1差异不显著外，其余迁移系数间差异均达极显著水平。葡萄根对Cr、Pb、As、Ni的FBC，根值仅为0.01～0.25，FT1值为 0.11～0.60，FT3值为 0.01～0.05，均表现为明显的阻碍作用；FT2值为1.29～4.60，说明这几个重金属元素在茎-叶间的传输比较通畅。重金属在茎-叶间的分布异常，说明葡萄除了从土壤中吸收重金属外，还可能通过叶片从大气、灰尘中吸收重金属向茎部转移。

3 讨论

重金属在葡萄植株不同器官中分布差异较大，Pb、Cr、As、Ni含量从大到小依次为根＞叶＞茎＞果实，Zn、Cu、Hg含量为叶＞根/茎＞果实，Cd含量为茎＞根＞叶＞果实，这与已有研究基本相符。如李敬洪［35］研究表明葡萄植株各器官中Cd含量从根到叶片呈梯度性下降趋势，霞多丽葡萄幼苗根、茎、新梢和叶片中Cd含量依次呈极显著性下降趋势，根茎截留了近85%～90%的Cd。再如李小红等［24］研究指出不同砧穗组合的葡萄植株积累镉能力为根＞茎＞叶＞果实。邵小杰［36］研究结果中Cd在不同葡萄品种根茎叶中的分布与累积总体呈现根＞叶＞茎的规律。但重金属分布差异也因品种不同而不同，如邵小杰［36］指出不同葡萄品种根部Cd含量最大相差3.5倍，茎最大相差5.5倍，叶最大相差4.5倍。

富集系数是用来衡量植物或器官对重金属累积能力的指标，富集系数越高，表明植物或器官累积能力越强。植株对土壤中不同重金属吸收能力主要与植物种类有关［31］，邵小杰［36］指出不同葡萄品种对Cd的富集与迁移存在显著的基因型差异，品种间最大相差7倍，同时还受重金属物理、化学性质的影响。该研究结果中葡萄植株对土壤中不同重金属吸收能力差异较大，其中以Cd最强，其次是Zn，而Cr、Pb、Ni、Hg、As、Cu基本无富集作用。在Cd含量高的地区不宜种植葡萄。

迁移系数反映根系吸收的重金属向茎、叶、果的迁移情况，在重金属的吸收总量相同时，迁移系数越小，其根系吸收的重金属迁移到地上部叶片中的越少。该研究结果中葡萄植株不同部位对重金属吸收能力差异明显，根部Cd吸收能力最强，其次为Zn和Cu；根茎间Cd和Zn迁移能力很强，Cu和Hg一般；茎叶间及茎果间Hg迁移能力最强，其余相对较弱；果实对Cu、Cd和Zn的吸收能力较强，其余较弱。在园地土壤-葡萄体系中，根-土界面Cd、Zn和Cu迁移比较通畅，根茎间Cd和Zn迁移比较通畅，茎叶间及茎果间Hg迁移比较通畅，其他重金属在相应界面迁移均受到一定的阻碍，这与庞瑜等［37］对胡萝卜中Pb吸收的研究结果相近。葡萄植株不同部位吸收重金属能力的不同，可能与元素基本性质有关，同时也反映出污染源的不同，土壤和大气是植物摄取某些重金属如Pb等的重要场所［38-39］，在大气污染严重的地区土壤污染可能并非是农产品安全的最主要威胁。Cd和Pb等重金属在土壤-植株体系中的迁移机制及其品种差异有待于进一步深入研究。

4 结论

（1）重金属在葡萄植株各器官中含量分布特征：Pb、Cr、As、Ni含量从大到小依次为为根＞叶＞茎＞果实，Zn、Cu、Hg含量为叶＞根/茎＞果实，Cd含量为茎＞根＞叶＞果实。

（2）依据富集能力将重金属划分为3类：第1类是Cd，富集能力较强；第2类是Zn，具有一定富集能力；第3类是Cr、Pb、Ni、Hg、As、Cu，无富集作用。在Cd背景值高的地区不宜种植葡萄。

（3）不同重金属在土壤-葡萄体系中迁移特征为：Zn在根-土、根-茎和茎-叶间迁移能力强，在茎-果间迁移弱，阻止Zn吸收的主要场所发生在茎-果界面；Cd具有明显的富集作用，在根-茎间的迁移能力很强，阻止Cd吸收的主要场所为茎-叶和茎-果界面；Cu在根-茎和茎-叶间迁移能力较强，在根-土和茎-果间迁移弱，阻止Cu吸收的主要场所发生在根-土和茎-果界面；Hg在茎-叶间迁移能力很强；Cr、Pb、As、Ni在茎-叶间也有一定的迁移能力，但在其他界面其吸收均受到一定阻碍。