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不同葡萄品種對重金屬吸收能力評價

時間:2019-09-27 來源:干旱區資源與環境 作者:龐榮麗,吳斯洋,黨琪, 本文字數:7013字

  摘    要: 在成熟期, 測定土壤以及葡萄根、莖、葉和果實中Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Hg、As等重金屬含量, 探討其在植株不同部位分布特征及不同品種吸收能力。結果表明:植株不同部位重金屬分布特征不一致, Cd主要積累在莖和根, As主要在根和葉, Zn、Cu、Hg主要在葉, Pb、Cr、Ni主要在根;葡萄對不同重金屬吸收能力差異較大, 其中對Cd吸收能力最強, 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吸收能力相對很弱, 基本無富集作用;不同品種吸收能力差異明顯, 戶太8號較強, 其次為巨峰、醉金香和陽光玫瑰, 茉莉香等綜合吸收能力較弱。

  關鍵詞: 葡萄; 重金屬; 吸收能力; 差異性;

  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;

  我國是葡萄生產大國, 2016年葡萄種植面積為84.06萬hm2, 占全世界種植面積的11%, 產量居世界第一位, 面積居第二位。但是隨著工農業的快速發展, 以及含重金屬農藥、化肥的不合理施用, 使得我國土壤受重金屬威脅的范圍不斷加大[1]。當重金屬積累到一定程度時會對生態系統產生危害, 并可能通過食物鏈等途徑危害人類生命和健康[2]。攝取過量的鉛、鉻等重金屬會引起慢性中毒[3]。植物在生長過程中直接接觸土壤, 極易從土壤中吸收重金屬等污染物。劉亨桂等[4]研究指出, 葡萄等水果果實中重金屬含量在一定程度上與土壤中重金屬含量正相關, 在高含量地區葡萄中砷、鎘等均存在超無公害農產品或綠色食品標準現象。康露[5]等在對葡萄中重金屬風險評價時發現, 雖然葡萄中鉛、鎘等單個重金屬含量水平并未超過國家相關標準, 但就綜合污染指數來看鄯善縣等地鮮食葡萄是處于警戒線水平的, 存在一定安全隱患。由于葡萄產業迅猛發展, 在一些山區、丘陵、礦產等地帶在逐步大力發展葡萄種植, 但這些地區重金屬背景往往較高, 不宜種植吸收能力強的品種。前人對植物中重金屬研究主要集中在小麥[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葉片、果實重金屬含量測定, 且多為單元素研究[9,10]。對葡萄植株中多個重金屬元素分布特征及品種差異鮮有報道。葡萄為多年生植物, 其生長特性不同于一年生作物, 且品種繁多, 各個品種生產適宜性、品質特性及抗逆性能等均有差異[11,12]。不同品種對鉛、鎘、汞、砷等重金屬污染物的吸收能力及分布特征不很清楚, 適宜在重金屬背景值偏高的地區栽培的品種不明確。因而, 篩選對重金屬不具富集能力的葡萄栽培品種, 對于重金屬高背景地區葡萄產業的發展具有重要意義。本研究以11個葡萄栽培品種為研究對象, 測定園地土壤以及葡萄根、莖、葉、果實中Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Hg、As重金屬元素含量, 分析葡萄植株不同部位重金屬累積分布差異性及其吸收特征。擬通過系統分析, 弄清重金屬在葡萄植株不同部位的累積分布情況, 并評價不同葡萄品種對重金屬吸收能力, 以期為果樹對重金屬御性機理研究提供科學數據, 為重金屬背景值偏高的地區安全生產葡萄保駕護航。
 

不同葡萄品種對重金屬吸收能力評價
 

  1、 材料與方法

  1.1、 試驗試材

  試驗于2017年至2018年在河南省南陽市方城縣葡萄基地進行。試驗果園地處平原地帶, 周圍無污染源, 采取常規管理模式, 平均每年施藥6~7次, 施油餅肥一次, 生物肥料2次, 灌溉用水為深井水。試材為四年生的圣誕玫瑰、玫瑰香、茉利香、夏黑、醉金香、金手指、摩爾多瓦、戶太8號、陽光玫瑰、巨峰、巨玫瑰共11個葡萄栽培品種。圣誕玫瑰、茉利香、醉金香、金手指四個品種砧木為貝達, 其余為自根。

  1.2、 樣品采集

  每個品種葡萄園中按"S"形布點選擇5~10棵樹, 成熟期采集土壤和植株樣品。植株樣品包括根、莖、葉、果實等部位, 單獨保存。帶回實驗室后先用自來水充分沖洗, 以去除表面泥土、灰塵等, 再用去離子水沖洗, 根、莖、葉瀝去水分后分別裝牛皮紙袋。于105℃烘箱中殺青15min, 再75℃條件下烘干, 磨碎后過0.2mm尼龍篩備用。果實樣品直接勻漿后儲藏于-18℃冰箱備用。土壤取樣時避開施肥、田埂等特殊部位。用木質或塑料工具采集0~40cm土壤, 與選擇葡萄樹一致每個品種園取5~10個點, 多點混合, 經風干、磨碎、過篩后備用。

  1.3、 分析方法

  按照GB/T 17141、GB/T 17139、GB/T 17138、GB/T 22105、HJ 491規定測定土壤中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規定測定植株樣品中Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As、Cr。重復3次, 采用土壤成分分析標準物質GBW07401和生物成分分析標準物質 GBW10019進行質量控制。

  儀器設備:Pb、Cd、Cr、Ni用石墨爐原子吸收儀測定, Cu、Zn用火焰原子吸收儀 (德國耶拿Z700) 測定;Hg、As用原子熒光光度計 (北京吉天AFS930) 測定。

  1.4、 重金屬富集系數

  重金屬富集系數 (bioaccumulation coefficient, BCF) 是衡量植物對重金屬吸收能力大小的一個重要指標[13]。植物對某種重金屬富集系數越大, 表明該種植物越易從土壤中吸收該種重金屬, 其吸收能力就越強。當BCF≥1時, 表明該種植物對重金屬有強富集作用。本研究以根、莖、葉、果實等不同部位重金屬富集系數表示植株的吸收能力, 按公式 (1) 進行計算:

  式中:C為植物體中 (根、莖、葉、果實等) 重金屬含量;C土為土壤重金屬含量。

  1.5、 數據處理

  試驗數據采用Microsoft Excel 2007和SPSS21.0統計軟件進行分析和制圖。

  2、 結果與分析

  2.1、 葡萄果實中重金屬質量安全評價

  參照我國《食品安全國家標準 食品中污染物限量》 (GB 2762-2017) [14]和農業行業標準《綠色食品 溫帶水果》 (NY/T 844-2017) [15]對重金屬等污染物的限量規定, 本研究11個葡萄品種葡萄果實重金屬含量水平及限量標準見表1。可以看出所研究葡萄果實的重金屬元素含量符合我國相關重金屬限量標準。鉛、鎘平均含量遠低于上述兩個標準的限量要求, 鎳、鋅、銅、汞平均含量也遠低于GB 2762-2017限量要求, 說明試驗品種葡萄在重金屬方面是安全的, 可以放心食用。

  表1 葡萄果實中重金屬含量水平 (mg/kg)
表1 葡萄果實中重金屬含量水平 (mg/kg)

  2.2、 重金屬累積分布特征及吸收能力分析

  2.2.1、 葡萄植株不同部位重金屬累積分布特征

  葡萄植株不同部位重金屬分布差異性見表2。可以看出, 研究范圍內不同重金屬在植株不同部位含量差異較大, 分布特征不一致。各類重金屬主要集中在根、莖或葉中, 果實中含量均很少。多數品種果實中的重金屬含量要低于其它部位含量一至兩個數量級。

  表2 葡萄植株中重金屬分布差異性 (mg/kg)
表2 葡萄植株中重金屬分布差異性 (mg/kg)

  注:表中每列數據右上角英文字母反映不同部位間的差異,字母不同表示差異顯著 (p=0.05) ;含量均以干基計。

  2.2.2 、不同品種葡萄對重金屬吸收能力分析

  重金屬吸收能力差異性見表3。可以看出, 葡萄植株對重金屬吸收能力差異顯著。其中:對Cd吸收能力最強, 具有富集作用。富集系數范圍0.6744~4.3331, 平均1.66;對Zn吸收能力僅次于Cd, 具有一定富集作用。富集系數范圍為0.5742~2.0843, 平均接近1.00;對Cu、Hg、Ni、Cr、As、Pb吸收能力相對很弱, 基本無富集作用。Cu富集系數范圍0.3422~0.5414, Hg和Ni富集系數范圍分別為0.1162~0.3541和0.0495~0.1562, 均遠小于0.50。Cr、As、Pb富集系數范圍分別為0.0139~0.0836、0.0137~0.0322和0.0030~0.0108, 均不足0.10。

  綜上分析, 葡萄植株對重金屬吸收能力因重金屬自身特性及植物品種而異。11個品種葡萄植株對重金屬平均富集系數大小順序為Cd>Zn>Cu>Hg>Ni>Cr>As>Pb。平均富集系數Cd1.66, Zn接近1.00, Cu接近0.500, Hg遠小于0.50, 而Ni、Cr、As和Pb富集系數均不足0.10。據此判斷, 對Cd吸收能力最強, 具有富集能力;對Zn吸收能力次之, 具有一定富集能力;而對Cu、Hg、Ni、Cr、As、Pb吸收能力相對很弱, 基本無富集作用。

  表3 葡萄植株對不同重金屬富集系數
表3 葡萄植株對不同重金屬富集系數

  注:表中每列數據右上角英文字母反映品種間吸收能力的差異, 字母不同表示差異顯著 (p=0.05) 。

  2.3、 不同葡萄品種對重金屬吸收能力評價

  圖1 不同葡萄品種重金屬吸收能力聚類分析圖
圖1 不同葡萄品種重金屬吸收能力聚類分析圖

  Figure 1 Tree pattern of heavy metal absorptive capacity in different grape varieties

  本研究中各品種葡萄生長環境一致, 不同品種間重金屬含量差異來自于其對不同重金屬的吸收能力。綜合不同品種葡萄植株重金屬分布特征及對重金屬元素富集系數大小, 對不同品種葡萄進行聚類分析。圖1顯示, 按植株對Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Hg、As、Cr吸收能力, 在與聚類中心距離為5時, 11個葡萄栽培品種可分為3類:第1類是戶太8號, 對重金屬綜合吸收能力較強, Cd、Cr、Pb的富集系數均居11個葡萄品種之首, 對As的吸收能力僅次于圣誕玫瑰。第2類是巨峰、醉金香和陽光玫瑰, 對重金屬綜合吸收能力僅次于戶太8號。第3類是茉莉香、玫瑰香、圣誕玫瑰、摩爾多瓦、夏黑、巨玫瑰和金手指, 其中茉莉香、玫瑰香、圣誕玫瑰吸收能力又較強于其它品種, 而摩爾多瓦、夏黑、巨玫瑰和金手指對重金屬綜合吸收能力最弱。

  3、 討論

  本研究中Cd主要積累在葡萄的莖和根, As主要積累在根和葉, Pb、Cr、Ni主要積累在根, Zn、Cu、Hg主要積累在葉, 而果實中積累重金屬相對很少, 表明不同重金屬在葡萄植株不同部位分布特征不一致。李小紅等[10]和李洪敬等[16]的研究結果均表明葡萄植株各器官中Cd含量有從地下根到地上葉片呈梯度性下降趨勢。但也有研究指出Cd在不同葡萄品種根、莖、葉中的分布與累積總體呈現根>葉>莖的規律[17]。Cd、As、Pb、Cr、Ni在根部與莖部積累相對較多, 反映出這些重金屬元素在葡萄植株中移動性較小[11], 具有較強的積累特征。進入植物體內以后這些重金屬元素以不具生物活性的形式存在, 如結合到細胞壁上、離子主動運輸進入液泡、與某些蛋白質或有機酸絡合等[18,19], 使得這些元素不易轉移到植株葉部及果實, 減少重金屬污染的危害。Zn、Cu在葉部含量較高, 主要原因是這兩種元素是植物生長過程中必不可少的微量營養元素, 反映了植物的生理需求[18,20]。而Hg主要積累在葉, 反映出植株本身對重金屬的耐性, 通過自身耐性機理對重金屬離子吸收的阻止和控制。

  富集系數可較好地反映植株對土壤重金屬的富集能力和重金屬從土壤向植株的遷移積累強度, 本研究中重金屬平均富集系數大小順序為Cd>Zn>Cu>Hg>Ni>Cr>As>Pb。這與他人對土壤-植株系統中重金屬富集特征的研究結果基本一致[13,21,22], 尤其是陳燕等研究結果表明楊桃對Cd的富集能力遠高于Hg、Ni、Cr等元素[23]。Cd平均富集系數為1.66, 表明具有較強富集能力, Zn接近1.00, 富集能力較弱, 其余重金屬元素基本無富集作用, 這種差異與各元素在土壤中的賦存形態和含量有關, 也與植物對元素的需求量及植物對土壤中元素的選擇吸收有直接關系[20,24]。可見Cd、Zn、Cu較易被葡萄植株吸收與富集, Zn、Cu是植物生長必需的營養元素, 而Cd是有害元素具有較強的潛在生態風險, 在實際農業生產過程中應控制該重金屬的外源性輸入。

  不同葡萄品種對重金屬吸收能力差異明顯, 表明在相同環境下的不同植物類型, 由于其自身的結構和生理特征, 對重金屬元素的積累能力存在一定差異。本研究11個葡萄品種中, 戶太8號對重金屬綜合吸收能力強于巨峰、醉金香和陽光玫瑰, 而后者又強于其余品種, 這與他人研究指出的品種差異是影響植物對重金屬元素吸收的主要因素[25,26]結果相吻合。由于葡萄品種不同, 作物形態結構和生理特性產生差異, 導致其對重金屬元素的吸收和分配存在很大差異。從本研究結果可以看出, 在重金屬背景值較高地區不宜種植戶太8號、巨峰、醉金香、陽光玫瑰等品種葡萄, 而摩爾多瓦、夏黑、巨玫瑰和金手指幾個品種則可以作為重金屬抗性品種的初步篩選對象。但由于沒有系統進行不同葡萄砧木的重金屬吸收能力研究, 因而重金屬抗性品種的篩選工作還有待于進一步研究, 從而為研究果樹對重金屬御性機理提供技術支撐。

  4、 結論

  基于本研究綜合分析, 可獲得以下結論:

  (1) 不同重金屬在葡萄植株不同部位分布特征不一致。其中Cd主要積累在莖和根, 其次是葉;As主要積累在根和葉, 其次是莖;Zn、Cu、Hg主要積累在葉, 其次是根和莖;Pb、Cr、Ni主要積累在根, 其次為莖和葉;而果實中積累重金屬相對很少。

  (2) 葡萄植株對重金屬吸收能力因重金屬自身特性而差異顯著。對Cd吸收能力最強, 具有較強富集能力。對Zn吸收能力次之, 具有弱富集能力。而對Cu、Hg、Ni、Cr、As、Pb吸收能力相對很弱, 基本無富集作用。

  (3) 不同葡萄品種對重金屬吸收能力差異明顯。本研究11個葡萄品種中, 戶太8號對重金屬綜合吸收能力較強, 巨峰、醉金香和陽光玫瑰僅次于戶太8號, 而其余品種相對較弱。

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