蓄水坑灌果园土-树系统中重金属Cd富集特征与风险评价

高晓丽，马娟娟，杨治平，王若兰

(1.土壤环境与养分资源山西省重点实验室, 太原 030031; 2. 太原理工大学水利科学与工程学院, 太原 030024)

北方地区土地面积占全国土地总面积的52.5%，而水资源量仅占全国总水量的17.1%[1]，随着全球气候的变暖，干旱对北方农业的影响愈加严重，节水灌溉是北方农业发展的必然之路。山西省独特的地形、地貌、气候和土壤条件为果树的生长发育和优良品质提供了优越的种植环境条件，省内苹果种植面积约34 万hm2，总产量高达480 万t，位居全国第二[2]。山西省作为国家的能源重化工基地，土壤污染问题尤为严重，而重金属对土壤的污染比其对大气和水体的污染更具隐蔽性，不宜觉察，修复困难且周期长，重金属通过食物链传递与富集等途径严重地威胁着人类的生命和健康等[3]，其中，大气沉降的Cd高达农田Cd 总输入量的35%[4]，且土壤Cd 在植株中的富集量较大[5]。果树蓄水坑灌技术是集节水农业和旱地农业为一体的灌溉方式，该技术节水灌溉通过调节土壤水分的农业生态环境，改变了土壤中有机质、果树根系活力、土壤pH值和氧化还原状况及土温、土壤含水量等生态因子[6-8]，进一步有效改变作物根系活力和根际土壤的酶活性，最终导致土壤重金属发生迁移转化。

灌溉方式对土壤重金属在植株中的迁移转化研究均集中在污水灌溉重金属在植株中的迁移[9,10]以及水稻作物中重金属的迁移等方面[11,12]，乔振芳研究表明控制灌溉稻田增强了Cd向水稻植株中的迁移能力[13]。果园重金属大多针对重金属胁迫下果园土壤与植株中重金属的累积规律所开展[14,15]，关于灌溉方式对果园土壤在果树中的富集迁移特征的相关研究较少。因此，本研究对蓄水坑灌作用下的苹果树果园开展试验，研究蓄水坑施灌对苹果树果园土壤中重金属Cd富集迁移特征的影响及评价果园土壤和果实中重金属Cd的风险，以探索集水资源高效利用、水土资源可持续发展和农产品的安全生产等综合目标的节水灌溉模式，为我国水土资源的可持续利用和无公害果品的发展与生产提供方法与依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究试验于2019年4月在山西省农业科学院果树研究所(E112°32ˊ，N37°23ˊ)开展，试验地位于太谷县西南方向，距离208国道约2 km，属于典型的暖温带大陆性气候，年平均气温为9.8 ℃，年平均降雨量约460 mm，多集中在6-8月份，无霜期为175 d。试验区种植果树品种为十年生的红富士丹霞果树，苹果树种植方向为南北向，行株距为2 m×4 m。土壤质地为粉砂壤土，0～30 cm土壤容重为1.49 g/cm3，田间持水率为26%，土壤有机质质量分数21.71 g/kg，全氮质量分数1.79 g/kg，全磷质量分数1.4 g/kg，全钾质量分数20.86 g/kg，pH 值6.52(土水质量比为1∶2.5)。灌溉水为地下水，水体Cd浓度为0.000 6～0.001 2，满足中国农田灌溉水质标准(GB5084-1992)[16]。

1.2 试验设计

本次试验设2种灌溉管理方式：蓄水坑灌[17]和常规灌溉(传统灌溉)，蓄水坑灌处理土壤水分下限和上限分别为60%和100%的田间持水率，当土壤含水率降至水分下限时进行灌溉，传统灌溉管理方式采用当地习惯方式。试验共设计2个处理，每个处理设3个重复，共6个重复。蓄水坑灌下每棵树周围均匀对称地挖4 个蓄水坑，坑深为60 cm，直径30 cm。蓄水坑使用PVC 网布作固壁处理，防止坑壁坍塌，坑底铺设土工膜防止深层渗漏。试验于2019年4月9日进行了田间布置，于10月10日结束，各处理的施肥、打药、田间管理等方式均按照当地习惯实施。

1.3 样品采集与测定方法

在果树试验期末，利用根钻对苹果树根际土壤进行取样，S形取样得到0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140和140～160 cm的根系与根际土样，每个样本取样量在20 g以上，将剔除根系和石块等杂物的土样进行风干、粉碎、过100目筛，于各生育期在树冠上中下层东南西北四个方向上分别随机选取果树的枝梢和叶片，于生育期末在树冠上中下层外围东南西北4个方向上分别随机选取1个成熟果实，将根系、枝梢、叶片和果树取样混匀，用于测定土壤pH和重金属Cd的含量。

土壤pH采用水浸提-电位法(水土质量比为2.5∶1)测定；土壤重金属采用欧盟验证并推荐的标准方法-改进BCR法进行预处理[18]，果树植株和果实采用硝酸-高氯酸法消解[19]，预处理后的样品经原子吸收分光光度计测定Cd的含量，土壤和果实重金属Cd的预处理和测定均设置空白样，以保证测定结果的质量。

1.4 重金属污染评价方法和标准

1.4.1 评价方法

采用单因子污染指数法[20]对果园土壤重金属污染进行评价。

污染指数计算方法为：

P=C/S

(1)

式中：P为土壤中Cd的单因子污染指数值；C为土壤中重金属Cd的实测浓度，mg/kg；S为重金属Cd的评价标准值。

P值越高，土壤Cd污染越重，具体见表1。

表1 土壤重金属污染分级标准Tab.1 The classification standard of soil heavy metal pollution

1.4.2 评价标准

本研究苹果园土壤重金属污染的评价标准采用GBl5618-1995《土壤环境质量标准》中的二级标准(表2)[21]和晋中市土壤重金属元素背景值(0.152 mg/kg)[22]，果实中的重金属污染等级采用GB2762—2005[23]，其中，若超过《土壤环境质量标准》的标准值，土壤会遭受重金属危害，而以当地土壤背景值计算的评价结果则反映的是外源重金属输入对农田土壤的危害[24]。

表2 农田土壤环境质量标准值 mg/kg

1.5 富集迁移系数

富集迁移系数反映了重金属元素在土壤-果树系统迁移的难易程度，采用果树某部位重金属元素含量与土壤或者下一层果树器官中重金属含量的比值进行计算[25]。吸收富集系数越大，果树器官对重金属的迁移能力越强，越易被植物吸收富集。计算公式为：

Fi=Ci/Cj

(2)

式中：Fi为重金属在果树各器官的富集系数；Tj为重金属由土壤或果树器官i向其他器官j的迁移系数；Ci和Cj均为重金属在果园土壤和果树各器官中的重金属含量，mg/kg。

1.6 数据处理

试验所得数据采用Microsoft Excel 2016 进行初步整理和统计，用SPSS 24.0软件进行显著性和相关性分析，用Origin9.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 果园土壤重金属Cd含量

由表4可知，在果园生育期初，由于生育初期前的大气沉降和表层土壤随化肥施入所携带的重金属Cd的累积等原因，使果园土壤上层和土壤深层100～120 cm处的土壤Cd含量较晋中市土壤背景值略高，最高值为土壤背景值的1.44倍。经过一个果树生长季后，受果树对土壤中重金属Cd的富集作用影响，不同灌溉处理模式在生育末期的果园土壤重金属Cd含量均小于晋中市土壤背景值，土壤重金属Cd含量均未超标。

经过一个果树生长季后，蓄水坑灌果园表层土壤重金属Cd含量的下降幅度小于传统灌溉处理，而在深层土壤重金属Cd含量的下降幅度则高于传统灌溉处理。由表3可知，蓄水坑灌果园表层0～40 cm土壤重金属Cd含量在2019年生长季的下降幅度较传统灌溉处理低7.59%～15.72%，而40～160 cm土层土壤重金属Cd含量下降幅度较传统灌溉处理高0.96%～20.95%。蓄水坑灌模式促进了果园土壤重金属Cd向土壤深层的迁移和转化，这与Xu[19]在控制灌溉抑制了稻田土壤重金属Cd向深层土壤的迁移转化的试验结果相一致；但是控制灌溉促进了稻田表层土壤重金属Cd的迁移转化，而蓄水坑灌则抑制了果园表层土壤重金属Cd的迁移和转化，这是由于在蓄水坑的渗润作用下，伴随20～40 cm土层土壤水分向表层渗润过程中所发生的重金属Cd迁移所致，而控制灌溉土壤20～40 cm土层的土壤水分运动大部分表现为下渗。

表3 果园土壤重金属Cd含量Tab.3 The Cd content of soil in orchard

2.2 土壤累积重金属风险评价

2.2.1 基于国家土壤环境质量二级标准的评价结果

果园土壤pH值在6.0～7.0的范围内变动，均呈弱酸性，根据国家土壤环境质量二级标准值计算单因子污染指数，单因子污染指数均未超过0.7，果园土壤污染水平为清洁，属于安全等级。

2.2.2 基于晋中市背景值的评价结果

蓄水坑灌促进了土壤中重金属在土壤表层的累积和向果树中的迁移，而传统灌溉加剧了土壤深层Cd的污染，对当地地下水具有一定的威胁。由单因子污染指数法评价结果(表4、表5)可知，不同灌溉处理生育期初果园土壤单因子污染指数值介于0.066～0.122之间，生育期末果园土壤单因子污染指数值介于0.435～0.829之间。经过果树的一个生长季后，蓄水坑灌果园20～40 cm土壤Cd含量为尚清洁，处于土壤污染警戒级内，具有一定的潜在风险，其他土层均为清洁状态；而传统灌溉在60～160 cm的土层范围内表现为不同程度的警戒级尚清洁状态。

表4 蓄水坑灌果园生育末期土壤重金属Cd风险评价结果Tab.4 Risk assessment of Cd in soil at the end of growth period under water storage pit irrigation

表5 传统灌溉果园生育末期土壤重金属Cd风险评价结果Tab.5 Risk assessment of Cd in soil at the end of growth period under conventional irrigation

大气沉降、灌溉、施肥和农药等对果园土壤输入的重金属Cd所导致的土壤重金属潜在危险需加强关注。太谷县矿产资源十分丰富，县内形成了煤化工、铸造、冶金、医药和食品加工等五大工业产业，工矿活动频繁，试验区果园土壤重金属Cd的来源可能有能源、运输、冶金等生产产生的气体和粉尘随降雨进入土壤，以及农药和化肥的不合理施用等。由于植物中重金属含量与土壤重金属含量水平具有正相关关系[26]，因此，可通过严格控制工业“三废”的排放以及合理施用化肥和农药，改施化肥为有机生物肥或酵素等方法减少重金属Cd向果园土壤中的输入，同时，也可在果园空地适当的种植适宜生长在北方气候环境下的超富集植物，如龙葵、苋菜和苜蓿草等[27-29]，以吸收土壤表层重金属，减少重金属向果树中的迁移，降低果实中重金属Cd的含量和潜在危害。

2.3 土树系统重金属分布富集特征

2.3.1 果树各器官对Cd的富集特征

由图1可知，果树各器官均随着生育期的推进呈现为先增大后减小的变化规律。根部与枝梢部Cd含量的峰值均出现在幼果期，而叶部Cd含量的峰值均出现在膨大期，这是由于重金属在作物中的迁移是由根系活力和蒸腾拉力所驱动，果树根系活力和蒸腾速率均于幼果期达到峰值，而在根系吸收和蒸腾作用下传输到叶片中的Cd累积量在膨大期达到最大。

图1 不同灌溉模式各生育期果树器官的Cd含量Fig.1 Cd content in each organs of apple tree under different irrigation modes

不同灌溉模式果树各器官对土壤Cd的富集量依次为根系>枝梢>叶片>果实，蓄水坑灌果树各器官Cd含量高于传统灌溉处理。蓄水坑灌果树根系、枝梢、叶片和果实中Cd含量分别为0.053～0.188、0.037～0.178、0.019～0.075和0.014 mg/kg，分别为传统灌溉处理的1.01～1.11、1.12～1.41、1.04～1.36和1.57倍。各灌溉处理根部在不同生育期的Cd含量最高(高于土壤)，枝梢中的Cd含量次之，叶片和果实中的Cd含量较低，根系中Cd含量最高，是由于根细胞壁中大量交换位点将重金属离子固定，阻止了重金属离子向地上部分的转移[30]，且累积在根系中的Cd含量高于地面。

2.3.2 富集迁移特征

蓄水坑灌果园土植系统Cd的富集迁移能力大小顺序为果树根系/枝梢>叶片>果实。如表6所示，不同灌溉模式果树根系和枝梢的重金属Cd富集迁移能力先增大后减小，均于幼果期达到了最大值，叶片对重金属Cd富集迁移能力则随着生育期的推进而递减，在生育前期，重金属在果树枝梢中的富集迁移能力大于根系，而在生育后期重金属在果树枝梢中的迁移能力大于根系，叶片对重金属的富集迁移能力在整个生长季内均小于根系和枝梢，果实对土壤重金属Cd的富集迁移能力最弱。总体上，果树根系对重金属Cd具有较强的富集作用，本研究结果与重金属Cd在土壤-葡萄以及其他草本植物系统中的富集规律[25, 31]相一致。果实Cd吸收富集系数仅占根系吸收富集系数的9.0%～14.0%，果树吸收的重金属Cd大部分储存在根部，只有部分向地上部迁移，这是由于果树较大的根系活力使大量土壤中重金属Cd向根系中迁移，但根系表面形成的根表铁膜可抑制土壤中Cd 向植株地上部分的迁移[32]，使根系中重金属Cd的富集迁移能力大于其他器官，重金属在根系、枝梢和叶片中的重金属Cd向果实中的迁移能力最差。

表6 不同灌溉模式果树器官的重金属Cd吸收富集系数Tab.6 The absorption and enrichment coefficients of Cd of individual organs under different irrigation modes

蓄水坑灌果树各部位Cd吸收富集系数大于传统灌溉处理。蓄水坑灌果树根系、枝梢、叶片和果实Cd吸收富集系数分别在0.33～1.28、0.69～0.95、0.37～0.67和0.21之间，较传统灌溉处理分别提高了1.47%～27.80%、10.01%～28.30%、3.83%～21.11%和34.31%。蓄水坑灌增强了重金属Cd在果园土壤-果树系统中的迁移能力，这是由于是蓄水坑灌提高了果树根系活力，使得果树吸收Cd的能力和范围增加，同时，蓄水坑灌提高了果园土壤的酶活性[8]，促进了土壤重金属Cd各赋存形态之间的转化，提高了土壤重金属Cd的有效性，最终促进了重金属Cd向果树植株地上器官的富集迁移。

2.4 果实重金属风险评价

苹果果实中重金属Cd含量的安全评价标准采用GB2762-2005食品中污染物限量(水果)限量值，镉≤0.05 mg/kg[23]。结果表明，蓄水坑灌增加了果实中Cd的含量，但低于我国食品安全国家标准，蓄水坑灌和传统灌溉苹果果实中重金属Cd含量均未超标，可安全食用。

3 结 语

(1)蓄水坑灌抑制了果园表层土壤重金属Cd的迁移和转化，促进了果园土壤重金属Cd向深层土壤的迁移和转化。蓄水坑灌果园表层0～40 cm土壤重金属Cd含量整个生长季的下降幅度较传统灌溉处理低7.59%～15.72%，而40～160 cm土层土壤重金属Cd含量下降幅度较传统灌溉处理高0.96%～20.95%。

(2)蓄水坑灌促进了土壤中重金属Cd在土壤表层的累积，而传统灌溉加剧了土壤深层Cd的污染。虽然根据国家土壤环境质量二级标准值评价的结果显示果园土壤Cd为安全等级，但基于晋中市背景值的评价结果表明，生育期末蓄水坑灌果园20～40 cm土壤Cd为尚清洁，处于土壤污染警戒级内，具有一定的风险，其他土层均为清洁状态，而传统灌溉在60～160 cm的土层范围内表现为不同程度的尚清洁状态。

(3)蓄水坑灌提高了土壤重金属Cd在果树各器官中的富集迁移能力，且根系中Cd含量最高。蓄水坑灌提高了果树的各器官活力和土壤重金属Cd的有效性，蓄水坑灌根系、枝梢、叶片和果实Cd吸收富集系数较传统灌溉处理分别提高了1.47%～27.80%、10.01%～28.30%、3.83%～21.11%和34.31%，其中，根系中Cd含量最大，为0.053～0.188 mg/kg。

(4)蓄水坑灌处理苹果果实中Cd的含量高于传统灌溉处理，但两处理果实中重金属Cd含量均低于我国食品安全国家标准，可安全食用。