摘 要： 在成熟期, 测定土壤以及葡萄根、茎、叶和果实中Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Hg、As等重金属含量, 探讨其在植株不同部位分布特征及不同品种吸收能力。结果表明:植株不同部位重金属分布特征不一致, Cd主要积累在茎和根, As主要在根和叶, Zn、Cu、Hg主要在叶, Pb、Cr、Ni主要在根;葡萄对不同重金属吸收能力差异较大, 其中对Cd吸收能力最强, 具有富集能力, Zn吸收能力次之, 具有一定富集能力, 而Cu、Hg、Ni、Cr、As、Pb吸收能力相对很弱, 基本无富集作用;不同品种吸收能力差异明显, 户太8号较强, 其次为巨峰、醉金香和阳光玫瑰, 茉莉香等综合吸收能力较弱。
关键词： 葡萄; 重金属; 吸收能力; 差异性;
Abstract： The contents of Pb, Cd, Cr, Ni, Cu, Zn, Hg, and As in the soils, roots, stems, leaves and fruits of grape trees were determined in mature period, and the differences in accumulation distribution of heavy metals in different parts of plants and their absorptive capacity was explored. The results showed that the distribution characteristics of heavy metals in different parts of grape plants were inconsistent. Among them, Cd was mainly accumulated in stems and roots. As was mainly accumulated in the roots and leaves. Zn, Cu and Hg were mainly accumulated in leaves. Pb, Cr and Ni were mainly accumulated in the roots. The absorptive capacity of heavy metals was quite different, among them Cd had the strongest absorptive capacity, which had enrichment ability. The absorption capacity of Zn was second to Cd, which had certain enrichment ability. The absorption capacity of Cu, Hg, Ni, Cr, As and Pb was relatively weak, which had no enrichment basically. Different grape varieties had obvious differences in the absorption capacity of heavy metals, and ‘Hutai No.8' had strong absorptive capacity, followed by ‘Kyoho', ‘Zuijinxiang' and ‘Shine Muscat', but ‘Molixiang' and others had weak absorptive capacity.
Keyword： grape; heavy metals; absorptive capacity; difference;
我国是葡萄生产大国, 2016年葡萄种植面积为84.06万hm2, 占全世界种植面积的11%, 产量居世界第一位, 面积居第二位。但是随着工农业的快速发展, 以及含重金属农药、化肥的不合理施用, 使得我国土壤受重金属威胁的范围不断加大[1]。当重金属积累到一定程度时会对生态系统产生危害, 并可能通过食物链等途径危害人类生命和健康[2]。摄取过量的铅、铬等重金属会引起慢性中毒[3]。植物在生长过程中直接接触土壤, 极易从土壤中吸收重金属等污染物。刘亨桂等[4]研究指出, 葡萄等水果果实中重金属含量在一定程度上与土壤中重金属含量正相关, 在高含量地区葡萄中砷、镉等均存在超无公害农产品或绿色食品标准现象。康露[5]等在对葡萄中重金属风险评价时发现, 虽然葡萄中铅、镉等单个重金属含量水平并未超过国家相关标准, 但就综合污染指数来看鄯善县等地鲜食葡萄是处于警戒线水平的, 存在一定安全隐患。由于葡萄产业迅猛发展, 在一些山区、丘陵、矿产等地带在逐步大力发展葡萄种植, 但这些地区重金属背景往往较高, 不宜种植吸收能力强的品种。前人对植物中重金属研究主要集中在小麦[6]、蔬菜[7,8]等一年生作物中, 葡萄等多年生植物研究多限于叶片、果实重金属含量测定, 且多为单元素研究[9,10]。对葡萄植株中多个重金属元素分布特征及品种差异鲜有报道。葡萄为多年生植物, 其生长特性不同于一年生作物, 且品种繁多, 各个品种生产适宜性、品质特性及抗逆性能等均有差异[11,12]。不同品种对铅、镉、汞、砷等重金属污染物的吸收能力及分布特征不很清楚, 适宜在重金属背景值偏高的地区栽培的品种不明确。因而, 筛选对重金属不具富集能力的葡萄栽培品种, 对于重金属高背景地区葡萄产业的发展具有重要意义。本研究以11个葡萄栽培品种为研究对象, 测定园地土壤以及葡萄根、茎、叶、果实中Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Hg、As重金属元素含量, 分析葡萄植株不同部位重金属累积分布差异性及其吸收特征。拟通过系统分析, 弄清重金属在葡萄植株不同部位的累积分布情况, 并评价不同葡萄品种对重金属吸收能力, 以期为果树对重金属御性机理研究提供科学数据, 为重金属背景值偏高的地区安全生产葡萄保驾护航。
1、 材料与方法
1.1、 试验试材
试验于2017年至2018年在河南省南阳市方城县葡萄基地进行。试验果园地处平原地带, 周围无污染源, 采取常规管理模式, 平均每年施药6～7次, 施油饼肥一次, 生物肥料2次, 灌溉用水为深井水。试材为四年生的圣诞玫瑰、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、巨玫瑰共11个葡萄栽培品种。圣诞玫瑰、茉利香、醉金香、金手指四个品种砧木为贝达, 其余为自根。
1.2、 样品采集
每个品种葡萄园中按"S"形布点选择5～10棵树, 成熟期采集土壤和植株样品。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15min, 再75℃条件下烘干, 磨碎后过0.2mm尼龙筛备用。果实样品直接匀浆后储藏于-18℃冰箱备用。土壤取样时避开施肥、田埂等特殊部位。用木质或塑料工具采集0～40cm土壤, 与选择葡萄树一致每个品种园取5～10个点, 多点混合, 经风干、磨碎、过筛后备用。
1.3、 分析方法
按照GB/T 17141、GB/T 17139、GB/T 17138、GB/T 22105、HJ 491规定测定土壤中Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As、Cr;按照GB 5009.12、GB 5009.15、GB 5009.138、GB 5009.13、GB 5009.14、GB 5009.17、GB 5009.11、GB 5009.123规定测定植株样品中Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As、Cr。重复3次, 采用土壤成分分析标准物质GBW07401和生物成分分析标准物质 GBW10019进行质量控制。
仪器设备:Pb、Cd、Cr、Ni用石墨炉原子吸收仪测定, Cu、Zn用火焰原子吸收仪 (德国耶拿Z700) 测定;Hg、As用原子荧光光度计 (北京吉天AFS930) 测定。
1.4、 重金属富集系数
重金属富集系数 (bioaccumulation coefficient, BCF) 是衡量植物对重金属吸收能力大小的一个重要指标[13]。植物对某种重金属富集系数越大, 表明该种植物越易从土壤中吸收该种重金属, 其吸收能力就越强。当BCF≥1时, 表明该种植物对重金属有强富集作用。本研究以根、茎、叶、果实等不同部位重金属富集系数表示植株的吸收能力, 按公式 (1) 进行计算:
式中:C为植物体中 (根、茎、叶、果实等) 重金属含量;C土为土壤重金属含量。
1.5、 数据处理
试验数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS21.0统计软件进行分析和制图。
2、 结果与分析
2.1、 葡萄果实中重金属质量安全评价
参照我国《食品安全国家标准 食品中污染物限量》 (GB 2762-2017) [14]和农业行业标准《绿色食品 温带水果》 (NY/T 844-2017) [15]对重金属等污染物的限量规定, 本研究11个葡萄品种葡萄果实重金属含量水平及限量标准见表1。可以看出所研究葡萄果实的重金属元素含量符合我国相关重金属限量标准。铅、镉平均含量远低于上述两个标准的限量要求, 镍、锌、铜、汞平均含量也远低于GB 2762-2017限量要求, 说明试验品种葡萄在重金属方面是安全的, 可以放心食用。
表1 葡萄果实中重金属含量水平 (mg/kg)
2.2、 重金属累积分布特征及吸收能力分析
2.2.1、 葡萄植株不同部位重金属累积分布特征
葡萄植株不同部位重金属分布差异性见表2。可以看出, 研究范围内不同重金属在植株不同部位含量差异较大, 分布特征不一致。各类重金属主要集中在根、茎或叶中, 果实中含量均很少。多数品种果实中的重金属含量要低于其它部位含量一至两个数量级。
表2 葡萄植株中重金属分布差异性 (mg/kg)
注:表中每列数据右上角英文字母反映不同部位间的差异，字母不同表示差异显着 (p=0.05) ;含量均以干基计。
2.2.2 、不同品种葡萄对重金属吸收能力分析
重金属吸收能力差异性见表3。可以看出, 葡萄植株对重金属吸收能力差异显着。其中:对Cd吸收能力最强, 具有富集作用。富集系数范围0.6744～4.3331, 平均1.66;对Zn吸收能力仅次于Cd, 具有一定富集作用。富集系数范围为0.5742～2.0843, 平均接近1.00;对Cu、Hg、Ni、Cr、As、Pb吸收能力相对很弱, 基本无富集作用。Cu富集系数范围0.3422～0.5414, Hg和Ni富集系数范围分别为0.1162～0.3541和0.0495～0.1562, 均远小于0.50。Cr、As、Pb富集系数范围分别为0.0139～0.0836、0.0137～0.0322和0.0030～0.0108, 均不足0.10。
综上分析, 葡萄植株对重金属吸收能力因重金属自身特性及植物品种而异。11个品种葡萄植株对重金属平均富集系数大小顺序为Cd>Zn>Cu>Hg>Ni>Cr>As>Pb。平均富集系数Cd1.66, Zn接近1.00, Cu接近0.500, Hg远小于0.50, 而Ni、Cr、As和Pb富集系数均不足0.10。据此判断, 对Cd吸收能力最强, 具有富集能力;对Zn吸收能力次之, 具有一定富集能力;而对Cu、Hg、Ni、Cr、As、Pb吸收能力相对很弱, 基本无富集作用。
表3 葡萄植株对不同重金属富集系数
注:表中每列数据右上角英文字母反映品种间吸收能力的差异, 字母不同表示差异显着 (p=0.05) 。
2.3、 不同葡萄品种对重金属吸收能力评价
图1 不同葡萄品种重金属吸收能力聚类分析图
Figure 1 Tree pattern of heavy metal absorptive capacity in different grape varieties
本研究中各品种葡萄生长环境一致, 不同品种间重金属含量差异来自于其对不同重金属的吸收能力。综合不同品种葡萄植株重金属分布特征及对重金属元素富集系数大小, 对不同品种葡萄进行聚类分析。图1显示, 按植株对Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As、Cr吸收能力, 在与聚类中心距离为5时, 11个葡萄栽培品种可分为3类:第1类是户太8号, 对重金属综合吸收能力较强, Cd、Cr、Pb的富集系数均居11个葡萄品种之首, 对As的吸收能力仅次于圣诞玫瑰。第2类是巨峰、醉金香和阳光玫瑰, 对重金属综合吸收能力仅次于户太8号。第3类是茉莉香、玫瑰香、圣诞玫瑰、摩尔多瓦、夏黑、巨玫瑰和金手指, 其中茉莉香、玫瑰香、圣诞玫瑰吸收能力又较强于其它品种, 而摩尔多瓦、夏黑、巨玫瑰和金手指对重金属综合吸收能力最弱。
3、 讨论
本研究中Cd主要积累在葡萄的茎和根, As主要积累在根和叶, Pb、Cr、Ni主要积累在根, Zn、Cu、Hg主要积累在叶, 而果实中积累重金属相对很少, 表明不同重金属在葡萄植株不同部位分布特征不一致。李小红等[10]和李洪敬等[16]的研究结果均表明葡萄植株各器官中Cd含量有从地下根到地上叶片呈梯度性下降趋势。但也有研究指出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[17]。Cd、As、Pb、Cr、Ni在根部与茎部积累相对较多, 反映出这些重金属元素在葡萄植株中移动性较小[11], 具有较强的积累特征。进入植物体内以后这些重金属元素以不具生物活性的形式存在, 如结合到细胞壁上、离子主动运输进入液泡、与某些蛋白质或有机酸络合等[18,19], 使得这些元素不易转移到植株叶部及果实, 减少重金属污染的危害。Zn、Cu在叶部含量较高, 主要原因是这两种元素是植物生长过程中必不可少的微量营养元素, 反映了植物的生理需求[18,20]。而Hg主要积累在叶, 反映出植株本身对重金属的耐性, 通过自身耐性机理对重金属离子吸收的阻止和控制。
富集系数可较好地反映植株对土壤重金属的富集能力和重金属从土壤向植株的迁移积累强度, 本研究中重金属平均富集系数大小顺序为Cd>Zn>Cu>Hg>Ni>Cr>As>Pb。这与他人对土壤-植株系统中重金属富集特征的研究结果基本一致[13,21,22], 尤其是陈燕等研究结果表明杨桃对Cd的富集能力远高于Hg、Ni、Cr等元素[23]。Cd平均富集系数为1.66, 表明具有较强富集能力, Zn接近1.00, 富集能力较弱, 其余重金属元素基本无富集作用, 这种差异与各元素在土壤中的赋存形态和含量有关, 也与植物对元素的需求量及植物对土壤中元素的选择吸收有直接关系[20,24]。可见Cd、Zn、Cu较易被葡萄植株吸收与富集, Zn、Cu是植物生长必需的营养元素, 而Cd是有害元素具有较强的潜在生态风险, 在实际农业生产过程中应控制该重金属的外源性输入。
不同葡萄品种对重金属吸收能力差异明显, 表明在相同环境下的不同植物类型, 由于其自身的结构和生理特征, 对重金属元素的积累能力存在一定差异。本研究11个葡萄品种中, 户太8号对重金属综合吸收能力强于巨峰、醉金香和阳光玫瑰, 而后者又强于其余品种, 这与他人研究指出的品种差异是影响植物对重金属元素吸收的主要因素[25,26]结果相吻合。由于葡萄品种不同, 作物形态结构和生理特性产生差异, 导致其对重金属元素的吸收和分配存在很大差异。从本研究结果可以看出, 在重金属背景值较高地区不宜种植户太8号、巨峰、醉金香、阳光玫瑰等品种葡萄, 而摩尔多瓦、夏黑、巨玫瑰和金手指几个品种则可以作为重金属抗性品种的初步筛选对象。但由于没有系统进行不同葡萄砧木的重金属吸收能力研究, 因而重金属抗性品种的筛选工作还有待于进一步研究, 从而为研究果树对重金属御性机理提供技术支撑。
4、 结论
基于本研究综合分析, 可获得以下结论:
(1) 不同重金属在葡萄植株不同部位分布特征不一致。其中Cd主要积累在茎和根, 其次是叶;As主要积累在根和叶, 其次是茎;Zn、Cu、Hg主要积累在叶, 其次是根和茎;Pb、Cr、Ni主要积累在根, 其次为茎和叶;而果实中积累重金属相对很少。
(2) 葡萄植株对重金属吸收能力因重金属自身特性而差异显着。对Cd吸收能力最强, 具有较强富集能力。对Zn吸收能力次之, 具有弱富集能力。而对Cu、Hg、Ni、Cr、As、Pb吸收能力相对很弱, 基本无富集作用。
(3) 不同葡萄品种对重金属吸收能力差异明显。本研究11个葡萄品种中, 户太8号对重金属综合吸收能力较强, 巨峰、醉金香和阳光玫瑰仅次于户太8号, 而其余品种相对较弱。
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