土壤与产地环境污染管控与修复

  目前重金属已成为农业土壤主要污染源之一，土壤重金属污染已成为全球面临的一个严重环境问题。有研究表明，我国受重金属污染的耕地面积近2500万hm2, 约占耕地总面积的20%，其中Cd、Pb被列为我国土壤最典型的污染重金属。我国每年因重金属污染而减产粮食1000多万t ,合计经济损失至少200亿元。更为严重的是土壤重金属污染具有长期性、滞后性、累积性等特点，沉积在土壤中的重金属不仅会影响葡萄的生长和质量，还会在葡萄的籽粒或果实中积累，最终被富集在食物链中进入人体，危害人类健康。

  重金属超标的农产品安全愈来愈引起消费者的关注，当人体摄入或吸入过量的Cd，会引起身体各器官一系列的病变，尤以对肾脏损害最为明显，还可导致骨质疏松和软化。Cd的人体毒性不仅体现在摄入者本身，更为严重的是Cd的遗传毒性，会造成染色体结构异常致基因突变、DNA系统遭受损害癌细胞基因表达引起癌变及增加HCG分泌量导致胎盘畸形而发育异常。在日本，痛痛病即是由于人们饮用了 Cd 污染的水而引起的。而Pb能导致包括人类在内的各种生物的生殖功能下降，机体免疫力降低，并引起头晕、头疼、记忆力减退和腹疼等一系列症状。

  土壤重金属的植物活性是指重金属从土壤向植物迁移而被植物吸收的特性，主要受重金属在土壤中迁移能力的控制，迁移能力增强其活性增大。不同植物种类和同一植物种类不同基因型对不同元素的摄收与分配形式存在着显著的差异。一般而言，植物吸收土壤重金属的主要器官是根，溶解于土壤溶液中的水溶态重金属通过植物体内的质体流和扩散作用到达植物根表面被吸收，再依靠根部质膜上的转运蛋白随植物流向地上部运输。pH和肥料状况等是影响植物吸收重金属的重要因素，由于植物吸收不同形态元素后在体内代谢作用上的差异，有可能影响到重金属在植物体内的化学形态，而在植物体内不同结合形态重金属的迁移能力有明显的差异，进而影响到在植物体内的运输和转移。同一种类的植物对不同重金属元素的吸收富集能力不同，不同种类的植物对同一种重金属元素的吸收富集能力也不同。因此，我们探究了重金属Cd和Pb对葡萄植株对各部位的迁移转化特征和积累特性，分析葡萄元素迁移转化累积效应，为优质葡萄的开发利用和重金属污染修复提供理论依据。

  1 样品采集

  考虑到湖南省葡萄主要种植区域分布及重金属污染分布，选择常德市、浏阳市、湘潭市典型葡萄园为监测对象，在2020年7月至9月选择不同葡萄品种的16个葡萄园共采集30组土壤-葡萄根系-葡萄茎叶-葡萄果实样品（表1）。调查葡萄品种主要有湖南省主栽的阳光玫瑰、巨峰、夏黑、红宝石等品种。

  （1）葡萄根系样品采集

  以葡萄根为圆心，取四分之一扇形区域的根系，用铁锹挖去土壤，暴露根系，然后用剪刀剪下扇形区域的所有根系，装袋，带回实验室。

  （2）葡萄茎叶样品采集

  选取同一葡萄植株上的两条枝条，沿第一个分叉口剪取枝条上的所有茎叶，然后将茎修剪成10 cm的枝段，收集所有叶片，装袋，带回实验室。

  （3）葡萄果实样品采集

  选取与（2）相同葡萄植株上的两条枝条，剪去枝条上的葡萄果实，去除烂果、瘪果，装袋，带回实验室。

  2 测定项目及测定方法

  葡萄根系和茎叶Cd和Pb含量测定均按照常规方法测定。葡萄果实样品Cd和Pb含量测定方法如下：

  葡萄果实样品带回实验室后，先用清水洗去浮尘，然后再用去离子水冲洗，冲洗干净后装到牛皮纸袋中放置烘箱中，105℃半个小时杀青，然后65℃烘干至恒重，烘干后的样品用粉碎机粉碎过筛备用。测定时，准确称取0.200 g样品转移进细口三角瓶，加入10 ml混酸（HNO3:HClO4=8：2），在电热板中于120℃加热0.5 h，升温至180℃加热0.5 h，升温至200℃（温度不可超过210℃），直至溶液透明或冒白烟即可，升温至220℃将漏斗拿开赶走HClO4，直至白烟冒尽，待测液近干，出现白色粘稠固体即可取下三角瓶（若出现黑色沉淀物，即消煮不完全，需重新加混酸消煮），消煮完成后，待锥形瓶冷却后，用蒸馏水润洗锥形瓶和漏斗，将其转移至25 ml容量瓶中并用蒸馏水定容至刻度线，待摇匀后将其干过滤于塑料瓶中，待测。在样品消化的同时做空白和标准植株样品检测，定容后消煮液中的Cd和Pb含量用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）测定。分析过程中所用试剂均为优级纯,水为去离子水。

  3 结果分析

  3.1 葡萄根系Cd和Pb含量水平

  图1显示了葡萄根系Cd，Pb含量水平，从图中可以看出，根系中Cd含量范围值为0.12-1.22 mg/kg，平均值为0.43 mg/kg，Pb的含量范围值为1.05-6.37 mg/kg，平均值为2.56 mg/kg。其中只有CD-10和LY-6的两个阳光玫瑰样品中的葡萄根系Cd和Pb含量最高。三个地区之间葡萄根系Cd和Pb含量差异表现出了同样的趋势，均为浏阳市葡萄果园最高，其次是常德澧县葡萄果园，湘潭葡萄果园根系Cd和Pb含量最低。

  3.2 葡萄茎叶Cd和Pb含量水平

  图2显示了葡萄茎叶中Cd和Pb含量水平，从图中可以看出，茎叶中Cd含量范围值为0.02-0.29 mg/kg，平均值为0.13 mg/kg，Pb的含量范围值为0.47-1.86 mg/kg，平均值为0.99 mg/kg。其中只有CD-1和LY-1的两个样品中的葡萄根系Cd和Pb含量最高。三个地区之间葡萄茎叶Cd和Pb含量差异表现出了同样的趋势，均为浏阳市葡萄果园最高，其次是常德澧县葡萄果园，湘潭市葡萄果园根系Cd和Pb含量最低。

  3.3 葡萄果实Cd和Pb含量水平

  3显示了葡萄果实中Cd和Pb含量水平，从图中可以看出，果实中Cd含量范围值为ND-0.06 mg/kg，平均值为0.01 mg/kg，由于我们检测的是葡萄干样，葡萄含水率比较高，约90%，因此XT-2点虽为0.06 mg/kg（干样），但并未超过葡萄镉限值规定的0.05 mg/kg（鲜样）；Pb的含量范围值为0.15-0.43 mg/kg，平均值为0.25 mg/kg。其中，湘潭市葡萄果园中葡萄果实镉含量最高，常德澧县葡萄果园果实中铅含量最高。

  3.4 葡萄Cd和Pb迁移转运

  为了评价Cd和Pb在葡萄植株内的迁移水平，我们用葡萄植株各个部位的Cd和Pb浓度比土壤中的Cd和Pb浓度计算了迁移系数，同时用葡萄植株各个部位的Cd和Pb浓度比下部器官的浓度计算了转运系数（图4和图5）。从图4中可以看出，Cd从土壤中向根系的迁移系数均大于1，说明土壤中的Cd容易向葡萄根系迁移，但是Cd在根系向叶片，叶片向果实及根系向果实的转运过程中，转运系数逐级减小，其中果实/根的转运系数平均仅为0.03，反映了Cd不易从根系和叶片中向果实部位转运，从而导致了果实中Cd的积累量较低。图4中红色框标出的是监测点中果实Cd最高的XT-2点，从图4中可以直接看出，该葡萄植株中Cd从土壤向叶片迁移的能力最强，同时Cd从根部转运到叶片以及从叶片转运到果实的能力也最强，因此，尽管该点位土壤中的Cd含量最低（0.07 mg/kg），但是Cd在果实中的积累量最高（0.06 mg/kg）（鲜重）。与Cd不同（图5），土壤中的Pb较难向葡萄根系和叶片中迁移，其迁移系数仅有0.12和0.05，但其在植株不同部位的转运系数较高，叶片/根的转运系数为0.46，叶片/果实的转运系数为0.30，果实/根的转运系数为0.13。综合比较Cd和Pb从土壤向果实中的富集系数可以看出，Cd在果实/土的富集系数为0.08，铅在果实/土的富集系数为0.01，土壤中的Cd更易在葡萄果实中富集。另外，从图中还可以看出，不同的葡萄品种之间Cd和Pb的迁移能力存在一定差别，其中，巨峰葡萄的Cd和Pb根/土迁移系数要大于阳光玫瑰和红宝石，但是转运系数则没有显著差别。土壤中Cd和Pb迁移转运能力的影响因素较多，植株的生理活动，土壤的pH值、有机质，果园温度等条件都会影响重金属在土壤-植株系统中的迁移转运。且通过这30个点的监测发现，尽管目前监测地区葡萄果实样品Cd的点位没有超标现象，但是Cd迁移转运能力很强的葡萄植株即使种植在土壤含量很低的地区也会导致果实中的大量积累。因此，在以后的研究中可以加强对葡萄重金属迁移转运能力的品种筛选，以保证葡萄果实的安全生产。

  4 小结

  所监测葡萄园土壤没有Cd和Pb超标的现象，葡萄果实中Cd和Pb含量除湘潭的一个点位较高以外，均低于安全标准值。果园土壤中的Cd容易向葡萄根系迁移，但Cd不易从根系和叶片中向果实部位转运；相反，土壤中的Pb较难向葡萄根系和叶片中迁移，但其植株里的Pb易于向果实迁移；综合比较迁移转运系数发现，土壤中的Cd与Pb相比，更易在葡萄果实中富集。不同的葡萄品种之间Cd和Pb的迁移能力存在一定差别，巨峰葡萄的Cd和Pb根/土迁移系数要大于阳光玫瑰和红宝石。且通过这30个点的监测发现，尽管目前监测地区葡萄果实样品Cd的点没有超标，但是Cd迁移转运能力很强的葡萄植株即使种植在土壤含量很低的地区也会导致果实中的大量积累。因此，在以后的研究中可以加强对葡萄重金属迁移转运能力的品种筛选，以保证葡萄果实的安全生产。