設(shè)施葡萄基地土壤-葡萄體系鄰苯二甲酸酯(PAEs)污染及分布特征

李海峰，任紅松，劉志剛，吳久赟，劉河疆，廉葦佳，韓 琛

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆吐魯番 838000；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】鄰苯二甲酸酯(Phthalic Acid Esters,PAEs)又稱酞酸酯,作為一種添加劑廣泛應(yīng)用于塑料制品，添加量可達(dá)到塑料的30%～50%[1-3]。據(jù)研究[4]，PAEs可由塑料轉(zhuǎn)移到外環(huán)境，能長久地持留于空氣、水和土壤中。PAEs已被證實是一類高毒性的環(huán)境激素，進(jìn)入人體會干擾人體自身激素的合成、代謝[5]。設(shè)施葡萄栽培是一種高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,但是，葡萄樹體常年被覆于棚膜之下，地表普遍覆蓋地膜以保溫、保濕、防草。由于吐魯番日照長、光照強、棚內(nèi)溫度高、濕度大，隨著種植年限的延長，棚膜及地膜中的PAEs化合物很可能遷移并富集到土壤和葡萄樹體及果實中，造成土壤污染。因此，研究設(shè)施葡萄土壤-葡萄體系鄰苯二甲酸酯污染特征，對土壤PAEs污染的防治，提高葡萄產(chǎn)品質(zhì)量安全具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】我國設(shè)施葡萄栽培始于21世紀(jì)50年代，在北方嚴(yán)寒地區(qū)以塑料薄膜日光溫室栽培為主，地表覆蓋地膜，土壤和葡萄植株長年與地膜接觸。據(jù)文獻(xiàn)資料顯示[6-8]，我國中東部設(shè)施土壤-農(nóng)產(chǎn)品中PAEs化合物主要以鄰苯二甲酸二正丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸(2-乙基己基)酯(DEHP)、鄰苯二甲酸二異丁酯(DiBP)為主，其含量水平因各地生產(chǎn)方式、土壤類型等因素表現(xiàn)出一定差異?！颈狙芯壳腥朦c】前人研究多集中在我國中東部的設(shè)施蔬菜上，對果樹尤其是對新疆設(shè)施葡萄的研究鮮有報道。東西部在農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、土壤類型、氣候條件、生產(chǎn)方式等差異較大，PAEs在設(shè)施葡萄土壤和農(nóng)產(chǎn)品中的類型、含量水平、分布特征等尚不明確。研究設(shè)施葡萄基地土壤-葡萄體系鄰苯二甲酸酯(PAEs)污染及分布特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過對吐魯番設(shè)施葡萄生產(chǎn)基地不同種植年限的葡萄大棚的土壤、植株進(jìn)行調(diào)查取樣，研究土壤-葡萄體系中PAEs化合物的組成、含量水平和分布特征，為吐魯番設(shè)施葡萄土壤環(huán)境質(zhì)量評價和葡萄產(chǎn)品污染風(fēng)險防控提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

2017年5月，采集吐魯番市某設(shè)施葡萄種植基地共9個1～6 a棚齡設(shè)施葡萄土壤樣品18個，根系、莖、葉、果實樣品36個，同時，采集臨近露地葡萄地的土壤等樣品作為對照(CK)。土壤樣品采用多點采樣混合法，分別采集0～20、20～40 cm土層,一個樣品由12個點組成，剔除石塊、枯枝落葉等雜質(zhì)混勻后裝入布袋，回到實驗室采用四分過2 mm尼龍篩，留取0.5 kg儲存于棕色廣口瓶中，-20℃保存?zhèn)溆?。植株樣與土壤采樣點一一對應(yīng)，根系、莖、葉采集后帶回實驗室清洗干凈，烘干打成粉狀，葡萄果實洗凈打成漿狀儲于玻璃廣口瓶中待測。

1.2 方 法

1.2.1 樣品處理

樣品前處理和凈化方法參考文獻(xiàn)[9]。土壤樣品稱10.00 g于三角瓶中，加入水10 mL，乙腈40 mL，在搖床上以200 r/min的速率振蕩2 h，倒入100 mL玻璃離心管中，以4℃，3 500 r/min下離心5 min。離心后用濾紙將上層液體過濾到裝有5～6 g氯化鈉的具塞量筒內(nèi)，用力振蕩后靜置30 min，分層后取上層有機(jī)相20 mL移入150 mL圓底燒瓶內(nèi)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干，加入正己烷3 mL。植物樣品稱取20 g放入燒杯中，加入40 mL乙腈高速勻漿2 min。用濾紙過到已加入5～6 g氯化鈉的具塞量筒內(nèi)，劇烈振蕩1 min，靜置15 min后取10 mL到150 mL圓底燒瓶內(nèi)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干，加入正己烷3 mL。樣品使用玻璃弗羅里硅土柱凈化，用丙酮-正己烷(10+90)混合溶液淋洗液，收集的洗脫液氮吹蒸發(fā)近干，再用正己烷定容至5 mL，混勻后移入2 mL至自動進(jìn)樣瓶待測。

1.2.2 儀器

1.2.2.1 色譜

采用DB～1701MS色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)；載氣為氦氣，流量為1.2 mL/min；進(jìn)樣口溫度為280℃。脈沖不分流，關(guān)閉載氣，傳輸線溫度為300℃，進(jìn)樣量為2 μL。柱升溫程序：初始溫度為60℃，保持2 min；以15℃/min速率升到150℃，保持2 min；再以10℃/min速率升到290℃，保持11 min。

1.2.2.2 質(zhì)譜

采用電子轟擊離子源，離子源溫度為250℃，電離能力為70 eV；四極桿溫度為180℃；碰撞氣為氬氣，壓力為0.133 Pa；采用多反應(yīng)監(jiān)測方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excle2010進(jìn)行整理，使用 SPSS 19.0對土壤-葡萄果實中PAEs含量進(jìn)行相關(guān)分析,以Pearson系數(shù)評價其相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1設(shè)施葡萄土壤PAEs污染水平及垂直分布特征

研究表明，土壤中有6種PAEs被檢出，分別為DBP、DIBP、DEHP、DMP、DEP、BBZP，檢出率在83.3%以上，∑PAEs含量在1.500～2.718 mg/kg。其中，DBP、DIBP、DEHP三者含量較高，濃度范圍在0.337～1.350 mg/kg，占總含量的98.9%，其余三種含量較低，均在0.01 mg/kg以下，僅占∑PAEs的1.1%。表1

PAEs各單體中，DIBP含量最高，其次為DEHP和DBP。DIBP濃度范圍在0.758～1.350 mg/kg，平均含量為1.47 mg/kg，占∑PAEs含量48.6%；DEHP的含量在0.382～0.798 mg/kg，平均含量為0.629 mg/kg，占∑PAEs含量29.2%；DBP的含量在0.337～0.640 mg/kg，平均含量為0.456 mg/kg，占∑PAEs含量21.2%。根據(jù)美國PAEs化合物的控制標(biāo)準(zhǔn)和治理標(biāo)準(zhǔn)[10]，調(diào)查的設(shè)施葡萄大棚中，100%土壤樣品中DBP含量超過0.08 mg/kg的控制標(biāo)準(zhǔn)，但未超過治理標(biāo)準(zhǔn)，其余組分含量均未超過控制標(biāo)準(zhǔn)。表2

土壤中三種主要PAEs化合物DBP、DIBP、DEHP總量在垂直方向上的分布差異較大。在0～20 cm的土層中，總含量范圍在0.869～1.603 mg/kg，平均含量為1.257 mg/kg,三者總量在這個土層所占比例達(dá)到70%；在20～40 cm土層中，三種化合物總含量在0.281～0.845 mg/kg，平均含量為0.535 mg/kg，所占比例僅為30%。圖1

表1 吐魯番市設(shè)施葡萄基地土壤中的PAEs化合物含量
Table 1 Concentration of PAEs compounds in soils of facility grape bases in Turpan

項目 ProjectDMPDEPBBZPDIBPDBPDEHP∑PAEs范圍 Content range (mg/kg)nd^0.010nd^0.007nd^0.0070.758^1.3500.337^0.6400.382^0.7981.500^2.718平均值 Average value (mg/kg)0.0090.0060.0061.0470.4560.6292.153標(biāo)準(zhǔn)差 Standard deviation (mg/kg)0.000 20.000 50.0010.2420.1320.1780.554變異系數(shù) Coefficient of variation0.0220.0830.1670.2310.2890.2831.076檢出率 Detection rate (%)83.383.383.3100100100100超標(biāo)率 Over standard rate (%)00001000

注：nd為未檢出

Note:nd stands for undetected

表2 美國土壤PAEs化合物控制標(biāo)準(zhǔn)與治理標(biāo)準(zhǔn)[10]

Table 2 Soil allowable concentraions and cleanup objective of PAEs compounds in USA

名稱Name簡寫Abbreviation控制標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)Control standard治理標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)Admisistrative standard鄰苯二甲酸二甲酯Dimethyl phthalateDMP0.022鄰苯二甲酸二乙酯Diethyl phthalateDEP0.077.1鄰苯二甲酸二正丁酯dibutyl phthalateDBP0.088.1鄰苯二甲酸丁基芐基酯Benzyl butyl phthalateBBP1.2250鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯Dibutyl phthalate (2-ethyl) hexyl phthalate.DEHP4.3550鄰苯二甲酸二正辛酯Di-n-octyl phthalate.DnOP1.250

圖1 土壤中PAEs垂直分布特征
Fig.1 The vertical distribution of PAEs in soil

2.2不同種植年限設(shè)施葡萄土壤PAEs污染特征

研究表明，設(shè)施葡萄土壤三種主要PAEs化合物含量顯著高于對照(未鋪膜土壤)，隨著葡萄種植年限的變化，土壤中PAEs化合物的含量變化具有明顯的差異性。但隨著種植年限的增長，∑PAEs并非成線性增長趨勢，種植4a的葡萄土壤∑PAEs含量最高，6a齡低于4a齡葡萄土壤含量。就各單體分析，DIBP和DBP的含量是隨著種植年限的增長而先增加后降低，DEHP的含量是隨著種植年限的增長而緩慢的降低。圖2

圖2 不同種植年限大棚土壤中PAEs的含量
Fig.2 Concentration of PAEs comp ounds in greenhouse soil with different cultivation years

2.3 葡萄植株體PAEs的含量和分布特征

在葡萄植株體檢出了8種PAEs化合物，分別為DBP、DIBP、DEHP、DMP、DEP、BBZP、DEEP、DN0P，其中DEEP、DN0P均未在根系中檢出，僅在葉片和莖中微量存在。8種化合物中以DBP、DIBP、DEHP為主，三者在葡萄植株體內(nèi)的含量達(dá)到2.984 mg/kg,占總含量的95.4%。各單體中，DEHP含量最高，達(dá)到2.071 mg/kg，占比66.2%；DIBP和DBP次之，含量分別為0.462 mg/kg、0.452 mg/kg，差異不大，各占14.5%左右；其余5種化合物以DEEP和BBZP含量較高，占比分別為2.6%和1.1%，剩余3種單體均小于1%。圖3

葡萄植株各部位PAEs含量為，各部位∑PAEs的含量由高到低為根>莖>葉>果實。經(jīng)分析，根、莖、葉中∑PAEs的含量范圍在0.745～1.264 mg/kg，三個部位∑PAEs含量占整個植株的95.4%，根部占比40.3%、莖占31.3%、葉占23.8%，果實中的含量為0.045 mg/kg，僅占4.5%，差異顯著。根、莖、葉中DEHP含量最高，均高于其他組分，DEHP從根、莖、葉到果實其含量急劇下降，且果實中的DEHP低于DIBP和DBP；莖中的DIBP和DBP的含量高于根部。圖4

2.4 葡萄果實與土壤PAEs的相關(guān)性

用SPSS19統(tǒng)計軟件對葡萄果實與同一采樣點土壤中的PAEs含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，葡萄果實與土壤中∑PAEs呈顯著正相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)(r)為0.878(P=0.021)。土壤與葡萄果實中PAEs化合物占主導(dǎo)成分的DIBP、DBP、DEHP的含量也顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.855(P=0.030)、0.820(P=0.045)、0.981(P=0.001)。葡萄果實與土壤中∑PAEs、DIBP、DBP、DEHP均有一定的線性共變趨勢。圖5

圖3 葡萄植株體PAEs化合物的組成

Fig.3 Compositions of PAEs in grapeplants (%)

圖4 葡萄植株體不同部位PAEs的含量
Fig.4 Contents of PAEs in different parts of grape

圖5 葡萄果實與土壤中PAEs的回歸曲線
Fig.5 Regression curve of concentration of PAEs between grapes and soils

3 討 論

目前，關(guān)于新疆及全國其它各省對設(shè)施葡萄土壤中鄰苯二甲酸酯的研究未見報道，相關(guān)研究主要集中在我國中東部設(shè)施蔬菜上。研究發(fā)現(xiàn)[11-13]，吐魯番設(shè)施葡萄土壤中的PAEs含量與中東部省份設(shè)施菜地土壤相比，總體水平較低。這可能是由于菜地土壤使用農(nóng)膜量相對于果園較大所致，并且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市，其農(nóng)田土壤PAEs含量較高[14]。

設(shè)施葡萄土壤∑PAEs在垂直方向上的分布差異較大。在0～20 cm的土層中占比達(dá)到70%，這與李霞[15]的研究結(jié)果大致相同。土壤中PAEs在垂直方向的分布受灌溉方式、土壤質(zhì)地、酸堿性、微生物活動及本身的分子量、結(jié)構(gòu)、水溶性等多種因素影響,而且是在多因素共同作用下產(chǎn)生的結(jié)果。

隨著種植年限的增長，土壤中PAEs總量并非成線性增長趨勢，4a齡的葡萄土壤含量最高，6a齡低于4a齡葡萄土壤含量；單體中，DIBP和DBP的含量與PAEs總量變化趨勢一致，而DEHP的含量是隨著種植年限的增長而緩慢的降低。有研究報道[16-17]，棚齡與PAEs含量并無顯著相關(guān)性，這是由于PAEs在土壤中積累的同時，也在發(fā)生降解,且各單體的降解速度不同；另一方面，土壤對PAEs的吸附存在吸附平衡問題,這些原因使得不同棚齡土壤PAEs含量沒有規(guī)律性。

很多研究都表明[18-19]，某些植物主要依靠葉片吸收空氣中的鄰苯二甲酸酯，特別是一些大葉片的植物。研究中，葡萄植株體檢出了8種PAEs化合物，其中DEEP、DN0P均未在土壤和根系中檢出，僅在葉片和莖中少量存在，說明二者可能是通過空氣途徑借助葉片進(jìn)入植株體。

DBP、DIBP、DEHP三者在葡萄植株體內(nèi)的含量占總含量的95.4%，與土壤中PAEs的主要成分和占比趨于一致。孫在金[20]通過盆栽試驗對番茄吸收鄰苯二甲酸酯的途徑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)番茄果實吸收土壤中DBP占總量46.2%，吸收土壤中的DEHP占58.8%，表明植株體的PAEs化合物主要來源于土壤。各單體中，植株體DEHP比土壤平均含量高出了1.442 mg；DBP的含量與土壤差異不大，DIBP的含量遠(yuǎn)低于土壤中的含量，可能是由于DEHP和DBP的遷移能力較強或者是葡萄植株體對二者的吸收能力較強，這與各單體化合物的側(cè)鏈長度、分子量、水溶性大小及植物體的本身結(jié)構(gòu)、生理功能等因素有關(guān)。從已有報道來看[21-22]，DEHP和DBP由于分子量大，水溶性較低，在土壤中生物降解的半衰期相對較長，容易在土壤中累積而被植物吸收，且二者在某些植物中表現(xiàn)出較強生物富集性。

周正峰等[23]研究花椰菜和辣椒對鄰苯二甲酸酯的吸收途徑發(fā)現(xiàn)，兩種蔬菜根中鄰苯二甲酸酯的含量顯著高于果實；宋廣宇等[24]研究發(fā)現(xiàn) PAEs在上海青植株各部位累積分布特征不同：根>莖、葉。研究中，葡萄植株體∑PAEs的含量從根部至下而上依次遞減，根部含量最高、占比最大，其次為莖、葉，果實最低，與上述研究結(jié)論基本一致，表明葡萄植株體可能主要靠根部吸收鄰苯二甲酸酯向莖、葉、果實運輸轉(zhuǎn)移。

結(jié)果顯示，葡萄果實與土壤中∑PAEs及DIBP、DBP、DEHP的含量具有一定的線性共變趨勢。據(jù)李彬等[25]報道，水果-果園土壤中∑PAEs、DBP含量在0.05水平上顯著相關(guān)；崔明明[26]對山東花生主產(chǎn)區(qū)土壤-花生籽粒中6種PAEs含量進(jìn)行調(diào)查，也證實了花生籽粒與土壤中的PAEs含量具有一定的相關(guān)性，∑PAEs、DBP、DEHP的相關(guān)系數(shù)分別為0.79、0.75、0.51(P<0.01)。表明葡萄果實中累積的鄰苯二甲酸酯與土壤中的含量具有顯著相關(guān)性，土壤中鄰苯二甲酸酯污染水平將決定葡萄果實的安全程度。

4 結(jié) 論

4.1 吐魯番設(shè)施葡萄生產(chǎn)基地土壤中PAEs污染物的主要成分以DIBP、DBP、DEHP為主，主要分布在0～20 cm的土層中。隨著種植年限的增長，土壤∑PAEs并非成線性增長趨勢。

4.2 葡萄植株體檢出的PAEs與土壤中PAEs的主要成分和占比趨于一致。各單體中，DEHP含量最高，占比66.2%?！芇AEs在葡萄植株各部位的分布由地下至地上依次降低，且在根、莖、葉中占比較大，果實中的含量較低。

4.3 葡萄果實與土壤中∑PAEs及主導(dǎo)成分DIBP、DBP、DEHP的含量顯著相關(guān)，二者具有一定的線性共變趨勢，果實中PAEs化合物主要來源于土壤。