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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)土地總面積的52.5%，而水資源量?jī)H占全國(guó)總水量的17.1%[1]，隨著全球氣候的變暖，干旱對(duì)北方農(nóng)業(yè)的影響愈加嚴(yán)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(dú)特的地形、地貌、氣候和土壤條件為果樹(shù)的生長(zhǎng)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(píng)果種植面積約34 萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量高達(dá)480 萬(wàn)t，位居全國(guó)第二[2]。山西省作為國(guó)家的能源重化工基地，土壤污染問(wèn)題尤為嚴(yán)重，而重金屬對(duì)土壤的污染比其對(duì)大氣和水體的污染更具隱蔽性，不宜覺(jué)察，修復(fù)困難且周期長(zhǎng)，重金屬通過(guò)食物鏈傳遞與富集等途徑嚴(yán)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(dá)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(shù)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(guò)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(jī)質(zhì)、果樹(shù)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(jìn)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(duì)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(qiáng)了Cd向水稻植株中的遷移能力[13]。果園重金屬大多針對(duì)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(kāi)展[14,15]，關(guān)于灌溉方式對(duì)果園土壤在果樹(shù)中的富集遷移特征的相關(guān)研究較少。因此，本研究對(duì)蓄水坑灌作用下的蘋(píng)果樹(shù)果園開(kāi)展試驗(yàn)，研究蓄水坑施灌對(duì)蘋(píng)果樹(shù)果園土壤中重金屬Cd富集遷移特征的影響及評(píng)價(jià)果園土壤和果實(shí)中重金屬Cd的風(fēng)險(xiǎn)，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(guó)水土資源的可持續(xù)利用和無(wú)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(yàn)區(qū)概況

本研究試驗(yàn)于2019年4月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)研究所(E112°32ˊ，N37°23ˊ)開(kāi)展，試驗(yàn)地位于太谷縣西南方向，距離208國(guó)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(wú)霜期為175 d。試驗(yàn)區(qū)種植果樹(shù)品種為十年生的紅富士丹霞果樹(shù)，蘋(píng)果樹(shù)種植方向?yàn)槟媳毕?，行株距? 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(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)21.71 g/kg，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.79 g/kg，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.4 g/kg，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?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(guó)農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB5084-1992)[16]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)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(shí)進(jìn)行灌溉，傳統(tǒng)灌溉管理方式采用當(dāng)?shù)亓?xí)慣方式。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共6個(gè)重復(fù)。蓄水坑灌下每棵樹(shù)周圍均勻?qū)ΨQ地挖4 個(gè)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(yàn)于2019年4月9日進(jìn)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(shí)施。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

在果樹(shù)試驗(yàn)期末，利用根鉆對(duì)蘋(píng)果樹(shù)根際土壤進(jìn)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(gè)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(jìn)行風(fēng)干、粉碎、過(guò)100目篩，于各生育期在樹(shù)冠上中下層?xùn)|南西北四個(gè)方向上分別隨機(jī)選取果樹(shù)的枝梢和葉片，于生育期末在樹(shù)冠上中下層外圍東南西北4個(gè)方向上分別隨機(jī)選取1個(gè)成熟果實(shí)，將根系、枝梢、葉片和果樹(shù)取樣混勻，用于測(cè)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(cè)定；土壤重金屬采用歐盟驗(yàn)證并推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法-改進(jìn)BCR法進(jìn)行預(yù)處理[18]，果樹(shù)植株和果實(shí)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(jì)測(cè)定Cd的含量，土壤和果實(shí)重金屬Cd的預(yù)處理和測(cè)定均設(shè)置空白樣，以保證測(cè)定結(jié)果的質(zhì)量。

1.4 重金屬污染評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)

1.4.1 評(píng)價(jià)方法

采用單因子污染指數(shù)法[20]對(duì)果園土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。

污染指數(shù)計(jì)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(shí)測(cè)濃度，mg/kg；S為重金屬Cd的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

P值越高，土壤Cd污染越重，具體見(jiàn)表1。

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

1.4.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本研究蘋(píng)果園土壤重金屬污染的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用GBl5618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)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(shí)中的重金屬污染等級(jí)采用GB2762—2005[23]，其中，若超過(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的標(biāo)準(zhǔn)值，土壤會(huì)遭受重金屬危害，而以當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸涤?jì)算的評(píng)價(jià)結(jié)果則反映的是外源重金屬輸入對(duì)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(shù)系統(tǒng)遷移的難易程度，采用果樹(shù)某部位重金屬元素含量與土壤或者下一層果樹(shù)器官中重金屬含量的比值進(jìn)行計(jì)算[25]。吸收富集系數(shù)越大，果樹(shù)器官對(duì)重金屬的遷移能力越強(qiáng)，越易被植物吸收富集。計(jì)算公式為：

Fi=Ci/Cj

(2)

式中：Fi為重金屬在果樹(shù)各器官的富集系數(shù)；Tj為重金屬由土壤或果樹(shù)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(shù)各器官中的重金屬含量，mg/kg。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行初步整理和統(tǒng)計(jì)，用SPSS 24.0軟件進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析，用Origin9.0進(jìn)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(guò)一個(gè)果樹(shù)生長(zhǎng)季后，受果樹(shù)對(duì)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(guò)一個(gè)果樹(shù)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)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(yàn)結(jié)果相一致；但是控制灌溉促進(jìn)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(rùn)作用下，伴隨20～40 cm土層土壤水分向表層滲潤(rùn)過(guò)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(yùn)動(dòng)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(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 基于國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)結(jié)果

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

2.2.2 基于晉中市背景值的評(píng)價(jià)結(jié)果

蓄水坑灌促進(jìn)了土壤中重金屬在土壤表層的累積和向果樹(shù)中的遷移，而傳統(tǒng)灌溉加劇了土壤深層Cd的污染，對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤哂幸欢ǖ耐{。由單因子污染指數(shù)法評(píng)價(jià)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(guò)果樹(shù)的一個(gè)生長(zhǎng)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(jí)內(nèi)，具有一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)，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(jí)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(xiǎn)評(píng)價(jià)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(xiǎn)評(píng)價(jià)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(duì)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(xiǎn)需加強(qiáng)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(dòng)頻繁，試驗(yàn)區(qū)果園土壤重金屬Cd的來(lái)源可能有能源、運(yùn)輸、冶金等生產(chǎn)產(chǎn)生的氣體和粉塵隨降雨進(jìn)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(guò)嚴(yán)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(jī)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(shí)，也可在果園空地適當(dāng)?shù)姆N植適宜生長(zhǎng)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(shù)中的遷移，降低果實(shí)中重金屬Cd的含量和潛在危害。

2.3 土樹(shù)系統(tǒng)重金屬分布富集特征

2.3.1 果樹(shù)各器官對(duì)Cd的富集特征

由圖1可知，果樹(shù)各器官均隨著生育期的推進(jìn)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(dòng)，果樹(shù)根系活力和蒸騰速率均于幼果期達(dá)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(dá)到最大。

圖1 不同灌溉模式各生育期果樹(shù)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(shù)各器官對(duì)土壤Cd的富集量依次為根系>枝梢>葉片>果實(shí)，蓄水坑灌果樹(shù)各器官Cd含量高于傳統(tǒng)灌溉處理。蓄水坑灌果樹(shù)根系、枝梢、葉片和果實(shí)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(shí)中的Cd含量較低，根系中Cd含量最高，是由于根細(xì)胞壁中大量交換位點(diǎn)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?yàn)楣麡?shù)根系/枝梢>葉片>果實(shí)。如表6所示，不同灌溉模式果樹(shù)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(dá)到了最大值，葉片對(duì)重金屬Cd富集遷移能力則隨著生育期的推進(jìn)而遞減，在生育前期，重金屬在果樹(shù)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(shù)枝梢中的遷移能力大于根系，葉片對(duì)重金屬的富集遷移能力在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)均小于根系和枝梢，果實(shí)對(duì)土壤重金屬Cd的富集遷移能力最弱?？傮w上，果樹(shù)根系對(duì)重金屬Cd具有較強(qiáng)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(shí)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(shù)吸收的重金屬Cd大部分儲(chǔ)存在根部，只有部分向地上部遷移，這是由于果樹(shù)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(shí)中的遷移能力最差。

表6 不同灌溉模式果樹(shù)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(shù)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(shù)根系、枝梢、葉片和果實(shí)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(qiáng)了重金屬Cd在果園土壤-果樹(shù)系統(tǒng)中的遷移能力，這是由于是蓄水坑灌提高了果樹(shù)根系活力，使得果樹(shù)吸收Cd的能力和范圍增加，同時(shí)，蓄水坑灌提高了果園土壤的酶活性[8]，促進(jìn)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(jìn)了重金屬Cd向果樹(shù)植株地上器官的富集遷移。

2.4 果實(shí)重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

蘋(píng)果果實(shí)中重金屬Cd含量的安全評(píng)價(jià)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(shí)中Cd的含量，但低于我國(guó)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，蓄水坑灌和傳統(tǒng)灌溉蘋(píng)果果實(shí)中重金屬Cd含量均未超標(biāo)，可安全食用。

3 結(jié) 語(yǔ)

(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(jìn)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(gè)生長(zhǎng)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(jìn)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(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值評(píng)價(jià)的結(jié)果顯示果園土壤Cd為安全等級(jí)，但基于晉中市背景值的評(píng)價(jià)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(jí)內(nèi)，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，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(shù)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(shù)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(shí)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(píng)果果實(shí)中Cd的含量高于傳統(tǒng)灌溉處理，但兩處理果實(shí)中重金屬Cd含量均低于我國(guó)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可安全食用。