獼猴桃根、葉、果與土壤中6種金屬元素的分布特征及其相關(guān)性

徐浩龍

(1.渭南師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院， 渭南 714099； 2.陜西省河流濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 渭南 714099)

獼猴桃(ActinidiachinensisPlanch)，柔軟多汁、口感酸甜，富含各種維生素和其他水果少見(jiàn)的黃體素、酪氨酸、天然肌醇等各種營(yíng)養(yǎng)成分，被譽(yù)為“水果之王”。還含有大量可溶性膳食纖維并具有低脂肪、無(wú)膽固醇的優(yōu)點(diǎn)和降壓降脂、穩(wěn)定情緒和預(yù)防便秘的藥用功效，宜食體質(zhì)范圍廣，是老少皆宜的果品之一。陜西省秦嶺北麓北緯33°～34°的山區(qū)，氣候非常適宜獼猴桃生長(zhǎng)，種植面積達(dá)70多萬(wàn)畝(1畝≈666.67 km2)，年產(chǎn)量約100萬(wàn)t，現(xiàn)已成為中國(guó)最大的獼猴桃產(chǎn)業(yè)帶。影響水果品質(zhì)的因素，除氣候和人工施肥因素以外，土壤中重金屬對(duì)植物的污染，具有隱蔽性，通過(guò)食物鏈傳遞對(duì)人體造成的危害具有長(zhǎng)期累積性。植物根系對(duì)土壤中重金屬元素的富集能力和重金屬元素在植物各器官的遷移性受到越來(lái)越多的關(guān)注，科研工作者們也從不同的角度對(duì)不同植物展開(kāi)了很多工作[1]。目前，研究主要集中在重金屬污染土壤植物改良修復(fù)技術(shù)[2]、重金屬高富集植物的篩選[3-4]、重金屬污染對(duì)植物的影響[5-7]和植物不同器官重金屬含量分析四個(gè)方向；研究的對(duì)象主要集中在綠化植物、藥材原植物、濕地易生植物、蔬菜、糧食作物。栽培土壤中重金屬元素對(duì)水果類的植物的整體影響，特別是水果類植物各器官對(duì)土壤重金屬元素的富集能力和遷移特性研究較少。

目前，對(duì)獼猴桃的研究主要集中在新品種的培育和病蟲(chóng)害防治，對(duì)金屬元素特別是重金屬的分析主要停留在含量分析上。20世紀(jì)90年代初，張甲生等[8-9]曾利用原子熒光光譜法和火焰原子吸收光譜法，對(duì)長(zhǎng)白山獼猴桃根、葉、果中常見(jiàn)微量元素含量做出首次檢出；閻永齊等[10]利用濕法消解-ICP(inductively coupled plasma)分別測(cè)定了江蘇丘陵地區(qū)獼猴桃葉和果在不同生長(zhǎng)期K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn的含量；彭婷等[11]從科學(xué)施肥的角度測(cè)定了兩年生長(zhǎng)期內(nèi)氮、磷、鉀等植物生長(zhǎng)必需元素在葉部的動(dòng)態(tài)含量。以上研究工作均未涵蓋土壤重金屬含量與根、葉、果的富集能力之間的關(guān)系以及重金屬元素在根-葉/果-土壤之間的富集遷移性?，F(xiàn)以陜西省秦嶺北麓獼猴桃產(chǎn)業(yè)帶中的獼猴桃樹(shù)下根-葉/果-土壤體系為研究對(duì)象，探索獼猴桃對(duì)土壤重金屬元素的富集能力和重金屬元素在獼猴桃各器官中的分布及遷移性特征，以期為科學(xué)種植、產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)化提供建議。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

1.1.1 土壤和樹(shù)根采集

獼猴桃為淺根性果樹(shù)，其主根(直徑>1 cm)、側(cè)根(直徑0.2～1.0 cm)、細(xì)根(直徑<0.2 cm)均分布在0～40 cm土層[12]，距主干約100 cm處根系分布最茂密[13]。以距離主干100 cm處為圓心，挖出半徑為20 cm的圓坑，圓坑深度為40 cm，撿出適量側(cè)根和細(xì)根，編號(hào)并保存；用固定體積樣杯在坑壁每間隔10 cm深度取樣(去除碎石)，采用四分法縮分，保留適量樣品裝入保鮮袋保存，并標(biāo)記標(biāo)號(hào)，以備后續(xù)處理。土壤和根系樣品采集時(shí)避開(kāi)施肥位置。

1.1.2 獼猴桃葉采集

對(duì)應(yīng)1.1.1節(jié)內(nèi)容，隨機(jī)采集無(wú)瑕疵的成熟獼猴桃果子4～6枚和果子所在枝條的樹(shù)葉數(shù)片，分別裝入透氣布袋并標(biāo)號(hào)。

1.2 樣品測(cè)定

1.2.1 土壤樣品消解

借鑒孔光輝等[14]報(bào)道的原子吸收光譜測(cè)定法并加以改進(jìn)，將適量樣品放入潔凈燒杯，恒溫干燥箱中100 ℃干燥至恒重，混勻并稱取1.00 g轉(zhuǎn)入50 mL高壓反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中，去離子水潤(rùn)濕，依次緩慢滴加HNO3(15 mL)、HF(10 mL)、HClO4(2 mL)；安裝高壓反應(yīng)釜，在恒溫干燥箱中120 ℃高壓消解2 h，冷卻至室溫，在通風(fēng)櫥中加入幾滴HCl，定容，待測(cè)。

1.2.2 根、葉、果消解

將洗凈、干燥、研碎后的樣品1.00 g置于50 mL聚四氟乙烯高壓釜中，加入HNO3/H2SO4(體積比3∶2)混合液12 mL并預(yù)消解至棕色氣體消失且不產(chǎn)生氣泡為止，然后加入HNO3/H2O2(體積比4∶4)混合液7 mL，程控恒溫箱中180 ℃高壓消解60 min，冷卻后將消解液移至100 mL的容量瓶中，用蒸餾水洗滌高壓釜數(shù)次，合并洗滌液，加入5%鹽酸溶液5 mL，蒸餾水定容、待測(cè)。如待測(cè)元素含量低于檢出限，適當(dāng)增加樣品量。

1.2.3 金屬元素含量測(cè)定

用空氣-乙炔火焰原子吸收光譜法，儀器工作條件如表1所示，對(duì)土壤、根、葉、果中的Sr、Zn、Cu、Mn、Pb、Cr含量進(jìn)行了測(cè)定，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線法確定了吸光度(A)與待測(cè)金屬元素濃度(c)之間的工作曲線。相關(guān)系數(shù)(r)取值證明工作曲線滿足定量分析的要求；檢出限表明，此方法具有較好的靈敏度；通過(guò)各元素的線性范圍，可以確定樣品消解液的稀釋體積，使測(cè)試液的濃度滿足朗伯比爾定律，相關(guān)數(shù)值如表2所示。

表1 儀器工作條件Table 1 Instrument working parameters

表2 方法的工作曲線、相關(guān)系數(shù)、線性范圍和檢出限Table 2 The linear correlation, linear correlation coefficient and linear range the method

1.3 分析與評(píng)價(jià)

1.3.1 根部重金屬富集能力評(píng)價(jià)

生物富集因子(bioconcentration factor，BCF)是評(píng)價(jià)生物組織對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)吸收能力的重要指標(biāo)，表示生物組織對(duì)化學(xué)物質(zhì)的富集能力，也是土壤化學(xué)研究化學(xué)物質(zhì)表現(xiàn)行為的常用指標(biāo)之一[15-16]。富集因子可以反映土壤金屬元素含量對(duì)植物根部金屬元素含量的影響程度。其表達(dá)式為

BCF=Cp/Cs

(1)

式(1)中：Cs為干燥土壤的金屬元素含量，mg/kg；Cp為獼猴桃根部干粉的金屬元素含量，mg/kg。

1.3.2 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)評(píng)價(jià)

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(transfer factor，TF)是指植物葉、果的金屬元素含量與根部對(duì)應(yīng)元素含量的比值[17]。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可以反映出金屬元素經(jīng)植物根部吸收后，轉(zhuǎn)運(yùn)到葉、果的難易程度。通過(guò)考察轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，可以反映根部金屬元素含量與植物其他組織金屬元素含量之間的關(guān)系。

TF=Cm/Cp

(2)

式(2)中：Cm為獼猴桃葉或果的金屬元素含量，mg/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤中金屬元素含量分布特征

變異系數(shù)可表示金屬元素含量分布的均勻性。變異系數(shù)越小，金屬元素在不同樣品中的含量越趨于均勻；反之，變異系數(shù)越大，表示該元素在不同樣品中的含量差異性越強(qiáng)。通過(guò)表3可以發(fā)現(xiàn)，Sr、Zn、Cu、Mn、Pb、Cr在不同采樣點(diǎn)土壤中的含量均具有明顯的不均勻性。Cu含量的差異性最大，1#～9#采樣點(diǎn)的含量分別為59.5、185、44.1、50.3、153、82.2、34.5、66.4、51.7 mg/kg，最高含量(2#)是最低含量(7#)的4.43倍，平均值為80.8 mg/kg，變異系數(shù)高達(dá)0.613；Zn在9個(gè)采樣點(diǎn)中平均含量較低，但含量的差異性僅次于Cu，平均含量和變異系數(shù)分別為47.7 mg/kg、0.433。Mn的含量最高，變異系數(shù)最小，1#～9#采樣點(diǎn)的含量分別為440、459、471、385、538、327、458、411、486 mg/kg，9個(gè)采樣點(diǎn)的含量平均值為442 mg/kg，變異系數(shù)僅為0.131。Cr的含量在6種元素中僅次于Mn，平均值和變異系數(shù)分別為224 mg/kg、0.167，說(shuō)明在土壤中的分布和Mn相似，具有含量高和分布均勻的特點(diǎn)。在測(cè)試樣本范圍內(nèi)，土壤中Pb含量最低，含量分布也有明顯的差異性，平均值僅為30.8 mg/kg，變異系數(shù)為0.264。Sr的含量介于Cu和Cr之間，分布差異性與Pb接近，平均值為和分布系數(shù)分別為136 mg/kg、0.270。以上數(shù)據(jù)表明，土壤條件比較復(fù)雜多樣，各元素含量差異性顯著，考察土壤對(duì)獼猴桃各器官中元素含量的影響，具有重要的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。

表3 土壤中金屬含量及分布特征Table 3 Content and distribution characteristics of the metal in soil

2.2 根對(duì)土壤中的金屬元素富集能力評(píng)價(jià)

獼猴桃根是土壤中各金屬元素轉(zhuǎn)移到葉和果的第一個(gè)“門戶”，根部BCF越大，富集和滯留在根部的金屬元素越多，說(shuō)明根部對(duì)土壤中金屬元素的富集能力和通過(guò)根部向葉和果輸送金屬元素的潛力越大。為了探究土壤中的6種金屬元素含量對(duì)根部BCF的影響，考察了樣本土壤中金屬元素含量與根部的BCF之間的關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在考察范圍內(nèi)，土壤中6種元素在根部的富集能力有明顯不同。Sr和Zn的富集系數(shù)較大，隨著在土壤中含量的增加，Sr的BCF在0.686～0.624呈總體減小趨勢(shì)但有一定波動(dòng)[圖1(a)]，Zn的BCF值在0.681～0.740呈遞增趨勢(shì)[圖1(b)]；其次是Cu和Mn，兩者BCF分別在0.229～0.223遞減[圖1(c)]，Mn的BCF在0.106～0.126范圍內(nèi)存在不規(guī)律的顯著波動(dòng)[圖1(d)]；Pb富集系數(shù)較小，BCF在0.058 8～0.059 3輕微波動(dòng)[圖1(e)]；Cr的BCF值最小且在0.001 95～0.001 87遞減[圖1(f)]。究其原因，這可能與獼猴桃根部的生物特性有關(guān)，說(shuō)明根部對(duì)土壤中Sr、Cu、Cr的富集能力可能具有一定的自限性，而對(duì)Cr的富集能力缺乏這種能力。在采集樣品區(qū)域范圍，整體氣候基本一致，而Mn的BCF呈明顯的波動(dòng)性，這可能與人工灌溉和施肥導(dǎo)致的根部土壤水分和肥力差異性有關(guān)。6種元素根部BCF差值較大，平均值從大到小的順序?yàn)椋篫n(0.711)>Sr(0.655)>Cu(0.226)>Mn(0.120)>Pb(0.059 1)>Cr(0.001 90)，結(jié)合表3數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，根部對(duì)不同元素的富集能力有明顯的選擇性。在6種元素中，土壤中Cr含量?jī)H次于Mn，但富集系數(shù)最?。籔b的含量較少，富集系數(shù)也較小。以上結(jié)論也初步說(shuō)明獼猴桃對(duì)土壤中不同金屬元素的耐受性或者抗污染能力有明顯區(qū)別。

圖1 土壤中金屬含量與根部BCF之間的關(guān)系Fig.1 The relationships between metals content in soil and BCF in roots

2.3 金屬遷移性評(píng)價(jià)結(jié)果

根部富集系數(shù)只能反映金屬元素被根部吸收并儲(chǔ)存的能力，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可以直接反映根部吸收的金屬元素經(jīng)過(guò)莖遷移到并儲(chǔ)存在葉和果的能力。TF>1，說(shuō)明葉、果元素含量大于根部含量，可以認(rèn)為根部對(duì)該元素具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；TF為0.5～1，說(shuō)明葉、果元素含量大于根部含量的1/2，可以認(rèn)為根部對(duì)該金屬具有顯著的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；TF<0.5，說(shuō)明葉、果金屬含量顯著少于根部含量，可以認(rèn)為根部對(duì)該元素具有較弱的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。為了探究根部元素的含量對(duì)葉、果的影響，考察了根部元素含量與葉、果轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。Sr、Zn、Cu、Cr葉部TF(平均值)分別為1.30、5.39、2.24、1.12，根部對(duì)這4種元素具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力；Mn和Pb的TF(平均值)分別為0.877和0.873，也具有顯著的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。Cr向果部轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，TF(平均值)高達(dá)2.59；Zn和Cu也具有顯著的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，TF(平均值)分別為0.570和0.530；Mn和Sr的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱，TF(平均值)僅為0.103和0.006 30。未在果部檢測(cè)到Pb。

圖2 根部金屬含量與葉、果TF的關(guān)系Fig.2 The relationships between metals content in roots and TF in leaves and fruits

Sr、Zn、Cu、Mn在獼猴桃果(Pb未檢出)中的TF均明顯小于其在葉中的TF，而Cr在果中的TF明顯大于其在葉中的TF。假設(shè)獼猴桃葉、果中元素全部來(lái)源于根部對(duì)土壤元素的吸收，則Cr更容易被輸送到果中，說(shuō)明獼猴桃果對(duì)土壤Cr污染的耐受性較差，Cr污染更容易對(duì)果部造成潛在的品質(zhì)影響。根部吸收的Pb污染主要影響獼猴桃葉中的Pb含量，對(duì)果幾乎沒(méi)有影響，這也說(shuō)明，獼猴桃果對(duì)土壤Pb污染的耐受性較強(qiáng)。

據(jù)圖2(b)可知，葉和果中Zn的TF出現(xiàn)異常值的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)重新回訪采樣點(diǎn)農(nóng)戶，發(fā)現(xiàn)在果發(fā)育期曾多次噴施殺蟲(chóng)劑代森鋅，佐證了趙金梅等[18]關(guān)于殺蟲(chóng)劑代森鋅可以被獼猴桃葉和果吸收的猜想。據(jù)圖2(c)可知，Cu在葉中的TF隨根中Cu含量的增加出現(xiàn)明顯規(guī)律性減小趨勢(shì)，根部Cu含量由10.1 mg/kg增加至40.7 mg/kg，葉部TF由2.48減少至1.77，推測(cè)這種現(xiàn)象可能與維持獼猴桃葉生長(zhǎng)和光合作用所需Cu元素含量有關(guān)，達(dá)到所需限值時(shí)，葉對(duì)該元素的吸收可能會(huì)產(chǎn)生自限性，有一定的能力對(duì)抗土壤中Cu的脅迫性。圖2(d)可以發(fā)現(xiàn)，Mn在葉中的TF與根部的BCF一樣也出現(xiàn)了明顯的不規(guī)則波動(dòng)性，這可能也與人工灌溉和施肥導(dǎo)致的生長(zhǎng)環(huán)境差異性有關(guān)。果中Sr的TF隨根中含量的呈增加趨勢(shì)[圖2(a)]，根部Sr含量由59.9 mg/kg增加至131 mg/kg，果部TF由0. 399增加大至0. 698。排除噴施農(nóng)藥的因素，葉部Sr、Zn、Pb、Cr以及果部Zn、Mn、Cr的TF受根部含量的影響較小，說(shuō)明葉、果中金屬元素含量隨根部含量增加基本呈線性增大趨勢(shì)。

3 討論

土壤中Zn、Cu兩種金屬元素在根部無(wú)較強(qiáng)的富集能力(BCF<1)，但由根部向葉轉(zhuǎn)運(yùn)Cu和向葉、果轉(zhuǎn)運(yùn)Zn的能力都較強(qiáng)(TF>1)，說(shuō)明土壤含量的變化對(duì)獼猴桃葉中Cu、Zn絕對(duì)含量的影響較大；土壤含量對(duì)果中Cu絕對(duì)含量影響較小而對(duì)Zn絕對(duì)含量影響較大。含Zn殺蟲(chóng)劑的使用，最終會(huì)通過(guò)落葉歸田和雨水沖刷的方式進(jìn)入表層土壤。而獼猴桃又是一種淺表根系植物，除了關(guān)心根系吸收導(dǎo)致Zn含量超標(biāo)的可能性外，還需要重視含Zn殺蟲(chóng)劑通過(guò)表皮吸收對(duì)果實(shí)造成Zn污染。選擇土壤Zn元素背景含量較低的栽培區(qū)域，預(yù)防含Zn殺蟲(chóng)劑的濫用和替代殺蟲(chóng)劑的研發(fā)、推廣，避免Zn超標(biāo)，對(duì)發(fā)展有機(jī)食品獼猴桃產(chǎn)業(yè)鏈具有重要的意義。通過(guò)考察Zn在葉、果中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是否異常，還提供了一種判斷是否存在人為濫用含Zn殺蟲(chóng)劑導(dǎo)致果實(shí)內(nèi)部組織造成污染的方法。

土壤中Cr的含量相對(duì)較低，獼猴桃根部對(duì)Cr的富集能力雖然也較弱，但向果轉(zhuǎn)運(yùn)Cr的能力較強(qiáng)，TF高達(dá)2.5，而葉的TF僅為1.0左右。土壤中Cr含量超過(guò)一定限值，很難通過(guò)葉對(duì)金屬元素累積作用對(duì)土壤進(jìn)行自修復(fù)。預(yù)防Cr污染，或者通過(guò)遴選對(duì)Cr具有超累積作用的植物，儲(chǔ)備土壤Cr污染生物修復(fù)技術(shù)，是獼猴桃產(chǎn)業(yè)化種植需要面對(duì)的問(wèn)題之一。

探究土壤中金屬元素含量影響B(tài)CF以及根部元素含量影響葉、果TF的原因，對(duì)科學(xué)種植、提升獼猴桃品質(zhì)具有重要意義，希望將來(lái)的研究對(duì)此課題進(jìn)行關(guān)注。

4 結(jié)論

(1)測(cè)定了陜西省獼猴桃主產(chǎn)區(qū)9個(gè)采樣點(diǎn)Sr、Zn、Cu、Mn、Pb、Cr等6種金屬元素在土壤中的含量并評(píng)價(jià)了其差異性。6種元素平均含量由大到小的順序?yàn)镸n>Cr>Sr>Cu>Zn>Pb。Cu金屬元素的差異性最大，變異系數(shù)為0.613，分別是Zn、Sr、Pb、Cr、Mn的1.42、2.27、2.32、3.67、4.68倍。

(2)考察了土壤中金屬元素含量與根部富集量、富集系數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著6種元素在土壤中含量的增加，其根部富集量均增加，并且富集系數(shù)也會(huì)改變。

(3)分析了根部金屬元素富集量與葉、果部位金屬元素含量的關(guān)系以及對(duì)其TF的影響。結(jié)果表明，隨著根部金屬元素富集量的增加，6種元素在葉、果中的含量均增加，Cu在葉部的TF有明顯減小趨勢(shì)，Sr在果部的TF有增大趨勢(shì)。通過(guò)分析葉、果中Zn的TF突變，篩選出過(guò)量噴施殺蟲(chóng)劑代森鋅的采樣點(diǎn)。