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性

徐浩龍

(1.渭南師范學院化學與材料學院， 渭南 714099； 2.陜西省河流濕地生態與環境重點實驗室， 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的黃體素、酪氨酸、天然肌醇等各種營養成分，被譽為“水果之王”。還含有大量可溶性膳食纖維并具有低脂肪、無膽固醇的優點和降壓降脂、穩定情緒和預防便秘的藥用功效，宜食體質范圍廣，是老少皆宜的果品之一。陜西省秦嶺北麓北緯33°～34°的山區，氣候非常適宜獼猴桃生長，種植面積達70多萬畝(1畝≈666.67 km2)，年產量約100萬t，現已成為中國最大的獼猴桃產業帶。影響水果品質的因素，除氣候和人工施肥因素以外，土壤中重金屬對植物的污染，具有隱蔽性，通過食物鏈傳遞對人體造成的危害具有長期累積性。植物根系對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越多的關注，科研工作者們也從不同的角度對不同植物展開了很多工作[1]。目前，研究主要集中在重金屬污染土壤植物改良修復技術[2]、重金屬高富集植物的篩選[3-4]、重金屬污染對植物的影響[5-7]和植物不同器官重金屬含量分析四個方向；研究的對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水果類的植物的整體影響，特別是水果類植物各器官對土壤重金屬元素的富集能力和遷移特性研究較少。

目前，對獼猴桃的研究主要集中在新品種的培育和病蟲害防治，對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，對長白山獼猴桃根、葉、果中常見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)分別測定了江蘇丘陵地區獼猴桃葉和果在不同生長期K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn的含量；彭婷等[11]從科學施肥的角度測定了兩年生長期內氮、磷、鉀等植物生長必需元素在葉部的動態含量。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系以及重金屬元素在根-葉/果-土壤之間的富集遷移性。現以陜西省秦嶺北麓獼猴桃產業帶中的獼猴桃樹下根-葉/果-土壤體系為研究對象，探索獼猴桃對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，以期為科學種植、產品品質優化提供建議。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

1.1.1 土壤和樹根采集

獼猴桃為淺根性果樹，其主根(直徑>1 cm)、側根(直徑0.2～1.0 cm)、細根(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，撿出適量側根和細根，編號并保存；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，并標記標號，以備后續處理。土壤和根系樣品采集時避開施肥位置。

1.1.2 獼猴桃葉采集

對應1.1.1節內容，隨機采集無瑕疵的成熟獼猴桃果子4～6枚和果子所在枝條的樹葉數片，分別裝入透氣布袋并標號。

1.2 樣品測定

1.2.1 土壤樣品消解

借鑒孔光輝等[14]報道的原子吸收光譜測定法并加以改進，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轉入50 mL高壓反應釜的聚四氟乙烯內膽中，去離子水潤濕，依次緩慢滴加HNO3(15 mL)、HF(10 mL)、HClO4(2 mL)；安裝高壓反應釜，在恒溫干燥箱中120 ℃高壓消解2 h，冷卻至室溫，在通風櫥中加入幾滴HCl，定容，待測。

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并預消解至棕色氣體消失且不產生氣泡為止，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次，合并洗滌液，加入5%鹽酸溶液5 mL，蒸餾水定容、待測。如待測元素含量低于檢出限，適當增加樣品量。

1.2.3 金屬元素含量測定

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，對土壤、根、葉、果中的Sr、Zn、Cu、Mn、Pb、Cr含量進行了測定，通過標準曲線法確定了吸光度(A)與待測金屬元素濃度(c)之間的工作曲線。相關系數(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；通過各元素的線性范圍，可以確定樣品消解液的稀釋體積，使測試液的濃度滿足朗伯比爾定律，相關數值如表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、相關系數、線性范圍和檢出限Table 2 The linear correlation, linear correlation coefficient and linear range the method

1.3 分析與評價

1.3.1 根部重金屬富集能力評價

生物富集因子(bioconcentration factor，BCF)是評價生物組織對生長環境中化學物質吸收能力的重要指標，表示生物組織對化學物質的富集能力，也是土壤化學研究化學物質表現行為的常用指標之一[15-16]。富集因子可以反映土壤金屬元素含量對植物根部金屬元素含量的影響程度。其表達式為

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 轉運系數評價

轉運系數(transfer factor，TF)是指植物葉、果的金屬元素含量與根部對應元素含量的比值[17]。轉運系數可以反映出金屬元素經植物根部吸收后，轉運到葉、果的難易程度。通過考察轉運系數，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 結果與討論

2.1 土壤中金屬元素含量分布特征

變異系數可表示金屬元素含量分布的均勻性。變異系數越小，金屬元素在不同樣品中的含量越趨于均勻；反之，變異系數越大，表示該元素在不同樣品中的含量差異性越強。通過表3可以發現，Sr、Zn、Cu、Mn、Pb、Cr在不同采樣點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，變異系數高達0.613；Zn在9個采樣點中平均含量較低，但含量的差異性僅次于Cu，平均含量和變異系數分別為47.7 mg/kg、0.433。Mn的含量最高，變異系數最小，1#～9#采樣點的含量分別為440、459、471、385、538、327、458、411、486 mg/kg，9個采樣點的含量平均值為442 mg/kg，變異系數僅為0.131。Cr的含量在6種元素中僅次于Mn，平均值和變異系數分別為224 mg/kg、0.167，說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。在測試樣本范圍內，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分別為136 mg/kg、0.270。以上數據表明，土壤條件比較復雜多樣，各元素含量差異性顯著，考察土壤對獼猴桃各器官中元素含量的影響，具有重要的生產指導意義。

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 根對土壤中的金屬元素富集能力評價

獼猴桃根是土壤中各金屬元素轉移到葉和果的第一個“門戶”，根部BCF越大，富集和滯留在根部的金屬元素越多，說明根部對土壤中金屬元素的富集能力和通過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之間的關系，結果如圖1所示。

結果發現，在考察范圍內，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呈總體減小趨勢但有一定波動[圖1(a)]，Zn的BCF值在0.681～0.740呈遞增趨勢[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范圍內存在不規律的顯著波動[圖1(d)]；Pb富集系數較小，BCF在0.058 8～0.059 3輕微波動[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，說明根部對土壤中Sr、Cu、Cr的富集能力可能具有一定的自限性，而對Cr的富集能力缺乏這種能力。在采集樣品區域范圍，整體氣候基本一致，而Mn的BCF呈明顯的波動性，這可能與人工灌溉和施肥導致的根部土壤水分和肥力差異性有關。6種元素根部BCF差值較大，平均值從大到小的順序為：Zn(0.711)>Sr(0.655)>Cu(0.226)>Mn(0.120)>Pb(0.059 1)>Cr(0.001 90)，結合表3數據，可以發現，根部對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含量僅次于Mn，但富集系數最小；Pb的含量較少，富集系數也較小。以上結論也初步說明獼猴桃對土壤中不同金屬元素的耐受性或者抗污染能力有明顯區別。

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

2.3 金屬遷移性評價結果

根部富集系數只能反映金屬元素被根部吸收并儲存的能力，轉運系數可以直接反映根部吸收的金屬元素經過莖遷移到并儲存在葉和果的能力。TF>1，說明葉、果元素含量大于根部含量，可以認為根部對該元素具有較強的轉運能力；TF為0.5～1，說明葉、果元素含量大于根部含量的1/2，可以認為根部對該金屬具有顯著的轉運能力；TF<0.5，說明葉、果金屬含量顯著少于根部含量，可以認為根部對該元素具有較弱的轉運能力。為了探究根部元素的含量對葉、果的影響，考察了根部元素含量與葉、果轉運系數(TF)之間的關系，結果如圖2所示。Sr、Zn、Cu、Cr葉部TF(平均值)分別為1.30、5.39、2.24、1.12，根部對這4種元素具有較強的轉運能力；Mn和Pb的TF(平均值)分別為0.877和0.873，也具有顯著的轉運能力。Cr向果部轉運能力較強，TF(平均值)高達2.59；Zn和Cu也具有顯著的轉運能力，TF(平均值)分別為0.570和0.530；Mn和Sr的轉運能力較弱，TF(平均值)僅為0.103和0.006 30。未在果部檢測到Pb。

圖2 根部金屬含量與葉、果TF的關系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。假設獼猴桃葉、果中元素全部來源于根部對土壤元素的吸收，則Cr更容易被輸送到果中，說明獼猴桃果對土壤Cr污染的耐受性較差，Cr污染更容易對果部造成潛在的品質影響。根部吸收的Pb污染主要影響獼猴桃葉中的Pb含量，對果幾乎沒有影響，這也說明，獼猴桃果對土壤Pb污染的耐受性較強。

據圖2(b)可知，葉和果中Zn的TF出現異常值的現象，經過重新回訪采樣點農戶，發現在果發育期曾多次噴施殺蟲劑代森鋅，佐證了趙金梅等[18]關于殺蟲劑代森鋅可以被獼猴桃葉和果吸收的猜想。據圖2(c)可知，Cu在葉中的TF隨根中Cu含量的增加出現明顯規律性減小趨勢，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，推測這種現象可能與維持獼猴桃葉生長和光合作用所需Cu元素含量有關，達到所需限值時，葉對該元素的吸收可能會產生自限性，有一定的能力對抗土壤中Cu的脅迫性。圖2(d)可以發現，Mn在葉中的TF與根部的BCF一樣也出現了明顯的不規則波動性，這可能也與人工灌溉和施肥導致的生長環境差異性有關。果中Sr的TF隨根中含量的呈增加趨勢[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。

3 討論

土壤中Zn、Cu兩種金屬元素在根部無較強的富集能力(BCF<1)，但由根部向葉轉運Cu和向葉、果轉運Zn的能力都較強(TF>1)，說明土壤含量的變化對獼猴桃葉中Cu、Zn絕對含量的影響較大；土壤含量對果中Cu絕對含量影響較小而對Zn絕對含量影響較大。含Zn殺蟲劑的使用，最終會通過落葉歸田和雨水沖刷的方式進入表層土壤。而獼猴桃又是一種淺表根系植物，除了關心根系吸收導致Zn含量超標的可能性外，還需要重視含Zn殺蟲劑通過表皮吸收對果實造成Zn污染。選擇土壤Zn元素背景含量較低的栽培區域，預防含Zn殺蟲劑的濫用和替代殺蟲劑的研發、推廣，避免Zn超標，對發展有機食品獼猴桃產業鏈具有重要的意義。通過考察Zn在葉、果中的轉運系數是否異常，還提供了一種判斷是否存在人為濫用含Zn殺蟲劑導致果實內部組織造成污染的方法。

土壤中Cr的含量相對較低，獼猴桃根部對Cr的富集能力雖然也較弱，但向果轉運Cr的能力較強，TF高達2.5，而葉的TF僅為1.0左右。土壤中Cr含量超過一定限值，很難通過葉對金屬元素累積作用對土壤進行自修復。預防Cr污染，或者通過遴選對Cr具有超累積作用的植物，儲備土壤Cr污染生物修復技術，是獼猴桃產業化種植需要面對的問題之一。

探究土壤中金屬元素含量影響BCF以及根部元素含量影響葉、果TF的原因，對科學種植、提升獼猴桃品質具有重要意義，希望將來的研究對此課題進行關注。

4 結論

(1)測定了陜西省獼猴桃主產區9個采樣點Sr、Zn、Cu、Mn、Pb、Cr等6種金屬元素在土壤中的含量并評價了其差異性。6種元素平均含量由大到小的順序為Mn>Cr>Sr>Cu>Zn>Pb。Cu金屬元素的差異性最大，變異系數為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、富集系數之間的關系。結果表明，隨著6種元素在土壤中含量的增加，其根部富集量均增加，并且富集系數也會改變。

(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系以及對其TF的影響。結果表明，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，Sr在果部的TF有增大趨勢。通過分析葉、果中Zn的TF突變，篩選出過量噴施殺蟲劑代森鋅的采樣點。