蓄水坑灌果園土-樹系統(tǒng)中重金屬Cd富集特征與風(fēng)險評價

高曉麗，馬娟娟，楊治平，王若蘭

(1.土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室, 太原 030031; 2. 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院, 太原 030024)

北方地區(qū)土地面積占全國土地總面積的52.5%，而水資源量僅占全國總水量的17.1%[1]，隨著全球氣候的變暖，干旱對北方農(nóng)業(yè)的影響愈加嚴重，節(jié)水灌溉是北方農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然之路。山西省獨特的地形、地貌、氣候和土壤條件為果樹的生長發(fā)育和優(yōu)良品質(zhì)提供了優(yōu)越的種植環(huán)境條件，省內(nèi)蘋果種植面積約34 萬hm2，總產(chǎn)量高達480 萬t，位居全國第二[2]。山西省作為國家的能源重化工基地，土壤污染問題尤為嚴重，而重金屬對土壤的污染比其對大氣和水體的污染更具隱蔽性，不宜覺察，修復(fù)困難且周期長，重金屬通過食物鏈傳遞與富集等途徑嚴重地威脅著人類的生命和健康等[3]，其中，大氣沉降的Cd高達農(nóng)田Cd 總輸入量的35%[4]，且土壤Cd 在植株中的富集量較大[5]。果樹蓄水坑灌技術(shù)是集節(jié)水農(nóng)業(yè)和旱地農(nóng)業(yè)為一體的灌溉方式，該技術(shù)節(jié)水灌溉通過調(diào)節(jié)土壤水分的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，改變了土壤中有機質(zhì)、果樹根系活力、土壤pH值和氧化還原狀況及土溫、土壤含水量等生態(tài)因子[6-8]，進一步有效改變作物根系活力和根際土壤的酶活性，最終導(dǎo)致土壤重金屬發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化。

灌溉方式對土壤重金屬在植株中的遷移轉(zhuǎn)化研究均集中在污水灌溉重金屬在植株中的遷移[9,10]以及水稻作物中重金屬的遷移等方面[11,12]，喬振芳研究表明控制灌溉稻田增強了Cd向水稻植株中的遷移能力[13]。果園重金屬大多針對重金屬脅迫下果園土壤與植株中重金屬的累積規(guī)律所開展[14,15]，關(guān)于灌溉方式對果園土壤在果樹中的富集遷移特征的相關(guān)研究較少。因此，本研究對蓄水坑灌作用下的蘋果樹果園開展試驗，研究蓄水坑施灌對蘋果樹果園土壤中重金屬Cd富集遷移特征的影響及評價果園土壤和果實中重金屬Cd的風(fēng)險，以探索集水資源高效利用、水土資源可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)等綜合目標(biāo)的節(jié)水灌溉模式，為我國水土資源的可持續(xù)利用和無公害果品的發(fā)展與生產(chǎn)提供方法與依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究試驗于2019年4月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所(E112°32ˊ，N37°23ˊ)開展，試驗地位于太谷縣西南方向，距離208國道約2 km，屬于典型的暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為9.8 ℃，年平均降雨量約460 mm，多集中在6-8月份，無霜期為175 d。試驗區(qū)種植果樹品種為十年生的紅富士丹霞果樹，蘋果樹種植方向為南北向，行株距為2 m×4 m。土壤質(zhì)地為粉砂壤土，0～30 cm土壤容重為1.49 g/cm3，田間持水率為26%，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)21.71 g/kg，全氮質(zhì)量分數(shù)1.79 g/kg，全磷質(zhì)量分數(shù)1.4 g/kg，全鉀質(zhì)量分數(shù)20.86 g/kg，pH 值6.52(土水質(zhì)量比為1∶2.5)。灌溉水為地下水，水體Cd濃度為0.000 6～0.001 2，滿足中國農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB5084-1992)[16]。

1.2 試驗設(shè)計

本次試驗設(shè)2種灌溉管理方式：蓄水坑灌[17]和常規(guī)灌溉(傳統(tǒng)灌溉)，蓄水坑灌處理土壤水分下限和上限分別為60%和100%的田間持水率，當(dāng)土壤含水率降至水分下限時進行灌溉，傳統(tǒng)灌溉管理方式采用當(dāng)?shù)亓?xí)慣方式。試驗共設(shè)計2個處理，每個處理設(shè)3個重復(fù)，共6個重復(fù)。蓄水坑灌下每棵樹周圍均勻?qū)ΨQ地挖4 個蓄水坑，坑深為60 cm，直徑30 cm。蓄水坑使用PVC 網(wǎng)布作固壁處理，防止坑壁坍塌，坑底鋪設(shè)土工膜防止深層滲漏。試驗于2019年4月9日進行了田間布置，于10月10日結(jié)束，各處理的施肥、打藥、田間管理等方式均按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣實施。

1.3 樣品采集與測定方法

在果樹試驗期末，利用根鉆對蘋果樹根際土壤進行取樣，S形取樣得到0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140和140～160 cm的根系與根際土樣，每個樣本取樣量在20 g以上，將剔除根系和石塊等雜物的土樣進行風(fēng)干、粉碎、過100目篩，于各生育期在樹冠上中下層?xùn)|南西北四個方向上分別隨機選取果樹的枝梢和葉片，于生育期末在樹冠上中下層外圍東南西北4個方向上分別隨機選取1個成熟果實，將根系、枝梢、葉片和果樹取樣混勻，用于測定土壤pH和重金屬Cd的含量。

土壤pH采用水浸提-電位法(水土質(zhì)量比為2.5∶1)測定；土壤重金屬采用歐盟驗證并推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法-改進BCR法進行預(yù)處理[18]，果樹植株和果實采用硝酸-高氯酸法消解[19]，預(yù)處理后的樣品經(jīng)原子吸收分光光度計測定Cd的含量，土壤和果實重金屬Cd的預(yù)處理和測定均設(shè)置空白樣，以保證測定結(jié)果的質(zhì)量。

1.4 重金屬污染評價方法和標(biāo)準(zhǔn)

1.4.1 評價方法

采用單因子污染指數(shù)法[20]對果園土壤重金屬污染進行評價。

污染指數(shù)計算方法為：

P=C/S

(1)

式中：P為土壤中Cd的單因子污染指數(shù)值；C為土壤中重金屬Cd的實測濃度，mg/kg；S為重金屬Cd的評價標(biāo)準(zhǔn)值。

P值越高，土壤Cd污染越重，具體見表1。

表1 土壤重金屬污染分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The classification standard of soil heavy metal pollution

1.4.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

本研究蘋果園土壤重金屬污染的評價標(biāo)準(zhǔn)采用GBl5618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)(表2)[21]和晉中市土壤重金屬元素背景值(0.152 mg/kg)[22]，果實中的重金屬污染等級采用GB2762—2005[23]，其中，若超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的標(biāo)準(zhǔn)值，土壤會遭受重金屬危害，而以當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸涤嬎愕脑u價結(jié)果則反映的是外源重金屬輸入對農(nóng)田土壤的危害[24]。

表2 農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值 mg/kg

1.5 富集遷移系數(shù)

富集遷移系數(shù)反映了重金屬元素在土壤-果樹系統(tǒng)遷移的難易程度，采用果樹某部位重金屬元素含量與土壤或者下一層果樹器官中重金屬含量的比值進行計算[25]。吸收富集系數(shù)越大，果樹器官對重金屬的遷移能力越強，越易被植物吸收富集。計算公式為：

Fi=Ci/Cj

(2)

式中：Fi為重金屬在果樹各器官的富集系數(shù)；Tj為重金屬由土壤或果樹器官i向其他器官j的遷移系數(shù)；Ci和Cj均為重金屬在果園土壤和果樹各器官中的重金屬含量，mg/kg。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016 進行初步整理和統(tǒng)計，用SPSS 24.0軟件進行顯著性和相關(guān)性分析，用Origin9.0進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 果園土壤重金屬Cd含量

由表4可知，在果園生育期初，由于生育初期前的大氣沉降和表層土壤隨化肥施入所攜帶的重金屬Cd的累積等原因，使果園土壤上層和土壤深層100～120 cm處的土壤Cd含量較晉中市土壤背景值略高，最高值為土壤背景值的1.44倍。經(jīng)過一個果樹生長季后，受果樹對土壤中重金屬Cd的富集作用影響，不同灌溉處理模式在生育末期的果園土壤重金屬Cd含量均小于晉中市土壤背景值，土壤重金屬Cd含量均未超標(biāo)。

經(jīng)過一個果樹生長季后，蓄水坑灌果園表層土壤重金屬Cd含量的下降幅度小于傳統(tǒng)灌溉處理，而在深層土壤重金屬Cd含量的下降幅度則高于傳統(tǒng)灌溉處理。由表3可知，蓄水坑灌果園表層0～40 cm土壤重金屬Cd含量在2019年生長季的下降幅度較傳統(tǒng)灌溉處理低7.59%～15.72%，而40～160 cm土層土壤重金屬Cd含量下降幅度較傳統(tǒng)灌溉處理高0.96%～20.95%。蓄水坑灌模式促進了果園土壤重金屬Cd向土壤深層的遷移和轉(zhuǎn)化，這與Xu[19]在控制灌溉抑制了稻田土壤重金屬Cd向深層土壤的遷移轉(zhuǎn)化的試驗結(jié)果相一致；但是控制灌溉促進了稻田表層土壤重金屬Cd的遷移轉(zhuǎn)化，而蓄水坑灌則抑制了果園表層土壤重金屬Cd的遷移和轉(zhuǎn)化，這是由于在蓄水坑的滲潤作用下，伴隨20～40 cm土層土壤水分向表層滲潤過程中所發(fā)生的重金屬Cd遷移所致，而控制灌溉土壤20～40 cm土層的土壤水分運動大部分表現(xiàn)為下滲。

表3 果園土壤重金屬Cd含量Tab.3 The Cd content of soil in orchard

2.2 土壤累積重金屬風(fēng)險評價

2.2.1 基于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的評價結(jié)果

果園土壤pH值在6.0～7.0的范圍內(nèi)變動，均呈弱酸性，根據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值計算單因子污染指數(shù)，單因子污染指數(shù)均未超過0.7，果園土壤污染水平為清潔，屬于安全等級。

2.2.2 基于晉中市背景值的評價結(jié)果

蓄水坑灌促進了土壤中重金屬在土壤表層的累積和向果樹中的遷移，而傳統(tǒng)灌溉加劇了土壤深層Cd的污染，對當(dāng)?shù)氐叵滤哂幸欢ǖ耐{。由單因子污染指數(shù)法評價結(jié)果(表4、表5)可知，不同灌溉處理生育期初果園土壤單因子污染指數(shù)值介于0.066～0.122之間，生育期末果園土壤單因子污染指數(shù)值介于0.435～0.829之間。經(jīng)過果樹的一個生長季后，蓄水坑灌果園20～40 cm土壤Cd含量為尚清潔，處于土壤污染警戒級內(nèi)，具有一定的潛在風(fēng)險，其他土層均為清潔狀態(tài)；而傳統(tǒng)灌溉在60～160 cm的土層范圍內(nèi)表現(xiàn)為不同程度的警戒級尚清潔狀態(tài)。

表4 蓄水坑灌果園生育末期土壤重金屬Cd風(fēng)險評價結(jié)果Tab.4 Risk assessment of Cd in soil at the end of growth period under water storage pit irrigation

表5 傳統(tǒng)灌溉果園生育末期土壤重金屬Cd風(fēng)險評價結(jié)果Tab.5 Risk assessment of Cd in soil at the end of growth period under conventional irrigation

大氣沉降、灌溉、施肥和農(nóng)藥等對果園土壤輸入的重金屬Cd所導(dǎo)致的土壤重金屬潛在危險需加強關(guān)注。太谷縣礦產(chǎn)資源十分豐富，縣內(nèi)形成了煤化工、鑄造、冶金、醫(yī)藥和食品加工等五大工業(yè)產(chǎn)業(yè)，工礦活動頻繁，試驗區(qū)果園土壤重金屬Cd的來源可能有能源、運輸、冶金等生產(chǎn)產(chǎn)生的氣體和粉塵隨降雨進入土壤，以及農(nóng)藥和化肥的不合理施用等。由于植物中重金屬含量與土壤重金屬含量水平具有正相關(guān)關(guān)系[26]，因此，可通過嚴格控制工業(yè)“三廢”的排放以及合理施用化肥和農(nóng)藥，改施化肥為有機生物肥或酵素等方法減少重金屬Cd向果園土壤中的輸入，同時，也可在果園空地適當(dāng)?shù)姆N植適宜生長在北方氣候環(huán)境下的超富集植物，如龍葵、莧菜和苜蓿草等[27-29]，以吸收土壤表層重金屬，減少重金屬向果樹中的遷移，降低果實中重金屬Cd的含量和潛在危害。

2.3 土樹系統(tǒng)重金屬分布富集特征

2.3.1 果樹各器官對Cd的富集特征

由圖1可知，果樹各器官均隨著生育期的推進呈現(xiàn)為先增大后減小的變化規(guī)律。根部與枝梢部Cd含量的峰值均出現(xiàn)在幼果期，而葉部Cd含量的峰值均出現(xiàn)在膨大期，這是由于重金屬在作物中的遷移是由根系活力和蒸騰拉力所驅(qū)動，果樹根系活力和蒸騰速率均于幼果期達到峰值，而在根系吸收和蒸騰作用下傳輸?shù)饺~片中的Cd累積量在膨大期達到最大。

圖1 不同灌溉模式各生育期果樹器官的Cd含量Fig.1 Cd content in each organs of apple tree under different irrigation modes

不同灌溉模式果樹各器官對土壤Cd的富集量依次為根系>枝梢>葉片>果實，蓄水坑灌果樹各器官Cd含量高于傳統(tǒng)灌溉處理。蓄水坑灌果樹根系、枝梢、葉片和果實中Cd含量分別為0.053～0.188、0.037～0.178、0.019～0.075和0.014 mg/kg，分別為傳統(tǒng)灌溉處理的1.01～1.11、1.12～1.41、1.04～1.36和1.57倍。各灌溉處理根部在不同生育期的Cd含量最高(高于土壤)，枝梢中的Cd含量次之，葉片和果實中的Cd含量較低，根系中Cd含量最高，是由于根細胞壁中大量交換位點將重金屬離子固定，阻止了重金屬離子向地上部分的轉(zhuǎn)移[30]，且累積在根系中的Cd含量高于地面。

2.3.2 富集遷移特征

蓄水坑灌果園土植系統(tǒng)Cd的富集遷移能力大小順序為果樹根系/枝梢>葉片>果實。如表6所示，不同灌溉模式果樹根系和枝梢的重金屬Cd富集遷移能力先增大后減小，均于幼果期達到了最大值，葉片對重金屬Cd富集遷移能力則隨著生育期的推進而遞減，在生育前期，重金屬在果樹枝梢中的富集遷移能力大于根系，而在生育后期重金屬在果樹枝梢中的遷移能力大于根系，葉片對重金屬的富集遷移能力在整個生長季內(nèi)均小于根系和枝梢，果實對土壤重金屬Cd的富集遷移能力最弱?？傮w上，果樹根系對重金屬Cd具有較強的富集作用，本研究結(jié)果與重金屬Cd在土壤-葡萄以及其他草本植物系統(tǒng)中的富集規(guī)律[25, 31]相一致。果實Cd吸收富集系數(shù)僅占根系吸收富集系數(shù)的9.0%～14.0%，果樹吸收的重金屬Cd大部分儲存在根部，只有部分向地上部遷移，這是由于果樹較大的根系活力使大量土壤中重金屬Cd向根系中遷移，但根系表面形成的根表鐵膜可抑制土壤中Cd 向植株地上部分的遷移[32]，使根系中重金屬Cd的富集遷移能力大于其他器官，重金屬在根系、枝梢和葉片中的重金屬Cd向果實中的遷移能力最差。

表6 不同灌溉模式果樹器官的重金屬Cd吸收富集系數(shù)Tab.6 The absorption and enrichment coefficients of Cd of individual organs under different irrigation modes

蓄水坑灌果樹各部位Cd吸收富集系數(shù)大于傳統(tǒng)灌溉處理。蓄水坑灌果樹根系、枝梢、葉片和果實Cd吸收富集系數(shù)分別在0.33～1.28、0.69～0.95、0.37～0.67和0.21之間，較傳統(tǒng)灌溉處理分別提高了1.47%～27.80%、10.01%～28.30%、3.83%～21.11%和34.31%。蓄水坑灌增強了重金屬Cd在果園土壤-果樹系統(tǒng)中的遷移能力，這是由于是蓄水坑灌提高了果樹根系活力，使得果樹吸收Cd的能力和范圍增加，同時，蓄水坑灌提高了果園土壤的酶活性[8]，促進了土壤重金屬Cd各賦存形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，提高了土壤重金屬Cd的有效性，最終促進了重金屬Cd向果樹植株地上器官的富集遷移。

2.4 果實重金屬風(fēng)險評價

蘋果果實中重金屬Cd含量的安全評價標(biāo)準(zhǔn)采用GB2762-2005食品中污染物限量(水果)限量值，鎘≤0.05 mg/kg[23]。結(jié)果表明，蓄水坑灌增加了果實中Cd的含量，但低于我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)，蓄水坑灌和傳統(tǒng)灌溉蘋果果實中重金屬Cd含量均未超標(biāo)，可安全食用。

3 結(jié) 語

(1)蓄水坑灌抑制了果園表層土壤重金屬Cd的遷移和轉(zhuǎn)化，促進了果園土壤重金屬Cd向深層土壤的遷移和轉(zhuǎn)化。蓄水坑灌果園表層0～40 cm土壤重金屬Cd含量整個生長季的下降幅度較傳統(tǒng)灌溉處理低7.59%～15.72%，而40～160 cm土層土壤重金屬Cd含量下降幅度較傳統(tǒng)灌溉處理高0.96%～20.95%。

(2)蓄水坑灌促進了土壤中重金屬Cd在土壤表層的累積，而傳統(tǒng)灌溉加劇了土壤深層Cd的污染。雖然根據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)值評價的結(jié)果顯示果園土壤Cd為安全等級，但基于晉中市背景值的評價結(jié)果表明，生育期末蓄水坑灌果園20～40 cm土壤Cd為尚清潔，處于土壤污染警戒級內(nèi)，具有一定的風(fēng)險，其他土層均為清潔狀態(tài)，而傳統(tǒng)灌溉在60～160 cm的土層范圍內(nèi)表現(xiàn)為不同程度的尚清潔狀態(tài)。

(3)蓄水坑灌提高了土壤重金屬Cd在果樹各器官中的富集遷移能力，且根系中Cd含量最高。蓄水坑灌提高了果樹的各器官活力和土壤重金屬Cd的有效性，蓄水坑灌根系、枝梢、葉片和果實Cd吸收富集系數(shù)較傳統(tǒng)灌溉處理分別提高了1.47%～27.80%、10.01%～28.30%、3.83%～21.11%和34.31%，其中，根系中Cd含量最大，為0.053～0.188 mg/kg。

(4)蓄水坑灌處理蘋果果實中Cd的含量高于傳統(tǒng)灌溉處理，但兩處理果實中重金屬Cd含量均低于我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)，可安全食用。