土壤和产地污染管控与修复岗位

 

（以山西、陕西、新疆葡萄园土壤为例）

 

  初步摸清了外源镉在外源镉在西北及黄土高原传统优势产区葡萄园土壤中的稳定性以及对葡萄苗的影响。陕西葡萄园土壤中的Cd以可还原态和酸容态为主，可氧化态的含量很少；老化的第75天才开始稳定。新疆和山西的葡萄园土壤中的Cd以残渣态为主；老化的第75天才开始稳定。各个处理组可还原态和可氧化态的含量比例变化幅度不大，比较稳定；在低浓度处理的条件下，陕西和新疆的葡萄园土壤中的葡萄苗株高始终未受到外源镉的影响，反而促进葡萄苗的生长；山西的葡萄园土壤中的葡萄株高均受到外源Cd的抑制，抑制作用随时间逐渐降低；在高浓度处理的条件下，陕西的葡萄园土壤中的葡萄苗第一个月未受到外源镉的影响，反而促进葡萄苗的生长，抑制率为 -49%；但是第60天开始受到限制，抑制率分别为27%，30%，46%；外源Cd始终限制山西和新疆的葡萄园土壤中的葡萄苗生长，而且抑制作用逐日增强；

 

  1 引言

 

  葡萄在我国是一种重要的水果，仅次于苹果、柑橘、梨及桃。随着中国人民生活水平的提高，葡萄及葡萄制品的消费量逐渐增加。我国作为全球最大的鲜食葡萄生产国和消费国，近年来随着葡萄需求量不断增加，品种不断增多、产区不断扩大、规模不断提升、上市期不断延长等，葡萄质量安全问题日益得到重视。尤其是产区土壤重金属污染问题逐日加重，直接影响果品质量安全。如，康露等在对葡萄中重金属风险评价时发现，虽然葡萄中Pb、Cd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，存在一定安全隐患。葡萄可能不是重金属的过度蓄积者，但重金属的吸收及其潜在风险仍需要更多的关注。目前有很多学者研究葡萄园土壤重金属污染问题 ，虽然葡萄果实中重金属并未超标，但仍引发了人们对葡萄累积重金属食用风险的担忧。

 

  葡萄园的地理位置和土壤对葡萄的质量和安全有一定的影响，特别是土壤中的某些金属元素影响。

 

  葡萄植株的生长及果实的产量和质量。受到重金属污染的葡萄园，土壤中的重金属可能会在葡萄植株内富集，并能够最终进入葡萄果实，这不仅会对葡萄安全生产造成不良影响，也会危害人类健康。葡萄园土壤中的重金属会被葡萄根系等器官吸收，而进入葡萄体内。刘亨桂等研究指出，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。Garcia-Esoarizae M A等对来自意大利的38个葡萄样品进行了分析，发现在红葡萄中铜含量平均值为11.32±8.61 mg/kg，白葡萄中铜含量平均值为7.54±7.50 mg/kg，其中共有13％的荀萄样品铜含量超标（20 mg/kg）。

 

  果农为了提高果品质量和产量，长期使用农药、 化肥，加之不当的农业生产方式，造成许多果园土壤质量下降，微生物数量减少，甚至有的果园土壤还出现了重金属累积。果园土壤被 Cd 污染后，轻者阻碍果树的生长和发育，影响果品的产量和质量，严重者导致果品富集 Cd，并通过食物链进入人体，给人类健康带来潜在的风险。土壤中重金属的总浓度并不能代表生物可利用度，由于，重金属以几种不同的形式存在，为分析清楚葡萄园土壤镉的主要主控因素，应该先了解镉形态的变化规律。西北及黄土高原地区是我国葡萄栽培历史最为悠久的地区和传统的优质葡萄生产区，同时也是目前全国葡萄栽培面积最大的地区。该区日照充足，气候温和，年活动积温量高，日温差大、降雨量少，自然条件适宜发展优质葡萄生产，是我国今后优质葡萄、葡萄酒的重点发展地区。我们团队先对西北及黄土高原传统优势产区葡萄园土壤样品进行人工添加重金属，分析重金属在三个月内的化学形态变化，初步了解了重金属在葡萄园土壤中的化学形态变化规律，同时分析了外源镉对葡萄苗株高的影响。这就是我们修复重金属污染土壤的第一步，也是最重要的基础工作。

 

  2 土样采集和实验设计

 

  前往西北及黄土高原传统优势产区葡萄产区的陕西西安、山西晋中和新疆吐鲁番等3个典型的葡萄园，采集葡萄园土壤（2~5吨）并在天津农业科学院武清创新基地晾干，过筛。

 

  2.1 人工添加重金属Cd老化试验

 

  共设三种浓度，高浓度、低浓度和对照浓度。如表1所示，高浓度是国家土壤环境质量农用地土壤污染风险筛选值（GB15618-2018）的 2.5 倍，低浓度是筛选值的1倍。外源为是 CdCl2·2.5H2O， 3种土壤三种浓度，三个重复，总27个。如图3所示，添加完重金属后，土壤样品装载玻璃温室里的限域器，定时浇水，保持土壤60%的湿度。隔15天采一次样，持续3个月，先后取七次样并测定pH，Cd化学形态等指标。老化结束后移栽葡萄苗。

 

 

  2.2 测定葡萄园土壤主要理化性质

 

  通过室内试验测定华北及环渤海传统优势葡萄产区葡萄园原土壤的主要理化性质。主要结果如表2所示：

 

 

  2.3 提取Cd在土壤中老化过程的化学形态

 

  重金属在土壤中以不同形式存在，根据存在形态的不同，其重金属生物有效性有差异。不同形态的重金属具有不同的生物毒性和环境化学行为，尤其是重金属在理化性质比较复杂的土壤沉积物中可以发生很多不同类型的反应。土壤中重金属总量并不能够充分说明其在土壤中的污染特性与生物毒性，因为重金属是具有多种形态并存于土壤之中。已有研究发现，土壤中重金属的形态与土壤中重金属总量无关，只与土壤中重金属的生物毒性、迁移转化能力呈显著相关关系。欧共体标准局建议的BCR （Bureau Community of Reference）连续提取法将重金属形态划分为醋酸提取态（F1，包括可交换态和碳酸盐结合态）、可还原态（F2，铁锰氧化物结合态）、可氧化态（F3，有机结合态）和残渣态（F4）。BCR 法因其步骤较少，操作交单，被广泛应用于土壤和沉积物中重金属的形态分析。通过室内试验，采用BCR连续提取法，提取分别7次采取的756个葡萄园土壤样品中Cd的四种化学形态（如表3所示）。

 

 

  3 结果与分析

 

  3.1 陕西葡萄园土壤中Cd的形态变化

 

  陕西葡萄园土壤在不同处理，不同的老化时间内，Cd各个形态的含量变化有所差异（图2）。实验刚开始的第一天，在三个处理组Cd四种形态的含量百分比均F4>F1>F2>F3。这说明，没有受到外源因素的条件下，Cd以残渣态形式存在，比较稳定，不易影响植物。随着时间的推移，各处理组Cd四种形态的含量百分比例逐渐发生变化。这说明，人工添加Cd后，Cd的化学形态重新组分，各形态之间发生转化。 由于我们外源添加的是水溶态Cd，酸溶态（F1）的比例逐渐增多；人工添加镉以后，前60 天酸溶态的比例逐渐增多，第60天达到最大值；而残渣态逐渐减少，第60天达到最小值；在第75天酸溶态稍微减少，反而，残渣态开始增加，到第90天，处理组的酸溶态比例比第一天还少，并且两种处理的酸溶态含量基本上相等。说明，Cd的活跃形态开始转变为较稳定的形态。

 

 

  3.3 山西葡萄园土壤中Cd的形态变化

 

  由图3可以看出，在山西葡萄园土壤各个处理土样中Cd残渣态的比例始终最高（33%~76%），对照组土样中Cd残渣态的比例占49%~76%，处理组土样中Cd残渣态的比例占33%~70%；说明，在山西葡萄园土壤Cd以残渣态为主，该葡萄园土壤的Cd很稳定，不易影响葡萄。可氧化态的含量比例最少（1%~12%）；对照组残渣态的比例在第一天最高，然后逐渐减少，到45天达到最小值，然后又开始增多；酸溶态逐渐增多，到30天达到最大值，然后又开始减少；处理组的残渣态也前45天逐渐较少后，又开始增加。各个处理组可还原态和可氧化态的含量比例变化幅度不大，比较稳定；可还原态含量比例也在第45天达到最大值后，开始减少。说明，山西葡萄园土壤中的Cd 第45天开始稳定。

 

 

  3.3 新疆葡萄园土壤中Cd的形态变化

 

  如图4所示，在对照组残渣态的比例占49%~79%，在低浓度Cd处理组残渣态含量比例占36%~72%，在高浓度Cd处理组残渣态含量比例占39%~75%，表明，在新疆葡萄园土壤Cd主要是以残渣态为主；酸溶态含量的变化趋势跟山西葡萄园土壤Cd酸容态含量的变化有点相似。各个处理组的酸溶态和可还原态含量比例随时间逐渐增加，而残渣态逐渐减少；到45天残渣态达到最小值（对照，低浓度和高浓度的残渣态含量分别为49%，39%，26%）；可氧化态在处理组（1%~9%）占的比例比对照组（8%~14%）少，而且变化幅度不大；处理组的酸溶态在第60天才达到最大值后开始减少；说明，新疆葡萄园土壤中的Cd 第60天开始稳定。

 

 

  3.4 西北及黄土高原传统优势产区土壤的外源镉对葡萄株高的抑制作用

 

  老化结束后每个培养盆移栽一颗阳光玫瑰葡萄苗并每一个月测量一次葡萄苗株高，对比分析西北及黄土高原传统优势产区土壤的不同浓度的外源镉对葡萄株高的抑制作用。由图5可知，在低浓度处理的条件下，陕西和新疆的葡萄园土壤中的葡萄苗株高始终未受到外源镉的影响，反而促进葡萄苗的生长；陕西葡萄园土壤的葡萄第一个月的抑制率最低（即-112%），第二个月-40%，然后逐渐降低；新疆的葡萄园土壤中的葡萄苗随时间逐渐降低，第120天达到最低值（即-111%）；山西的葡萄园土壤中的葡萄株高均受到外源Cd的抑制，抑制作用随时间逐渐降低；说明，随着时间的推移，土壤中的比较不稳定的Cd形态逐渐转化为交稳定的形态，因此，从土壤迁移到葡萄株的Cd含量也逐渐减少，土壤Cd对葡萄的抑制作用也逐渐减弱。

 

 

  由图6可知，在高浓度处理的条件下，陕西的葡萄园土壤中的葡萄苗第一个月未受到外源镉的影响，反而促进葡萄苗的生长，抑制率为 -49%；但是第60天开始受到限制，抑制率分别为27%，30%，46%；外源Cd始终限制山西和新疆的葡萄园土壤中的葡萄苗生长，而且抑制作用逐日增强；新疆葡萄园土壤的葡萄苗第一个月的抑制率很低，从第二个月开始抑制率逐渐增强，均高于50%；山西葡萄园土壤的葡萄苗第一个月的抑制率最高（46%），后三个月的抑制率比较低（均小于30%），不过从第二个月开始抑制率逐渐增强；说明随着时间的推移，土壤Cd逐渐从土壤转移到葡萄苗并积累，过一段时间后，葡萄苗体内积累的Cd打到一定的成都，并开始限制葡萄的正常生长，导致，促进作用逐渐减弱，抑制作用逐渐增强。

 

 

  5 小结

 

  1.陕西葡萄园土壤Cd以酸容态为主，新疆和山西的葡萄园土壤Cd以残渣态为主；外源Cd浓度越高，Cd在土壤中稳定所需要的时间越长。

 

  2.低浓度外源Cd促进新疆和陕西葡萄园土壤中的葡萄苗生长，抑制山西葡萄园土壤中的葡萄苗生长；高浓度外源Cd胁迫下，西北三个地区葡萄园土壤中的葡萄苗均受到抑制。