設施葡萄基地土壤-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.新疆農業科學院吐魯番農業科學研究所，新疆吐魯番 838000；2.新疆農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，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用于塑料制品，添加量可達到塑料的30%～50%[1-3]。據研究[4]，PAEs可由塑料轉移到外環境，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境激素，進入人體會干擾人體自身激素的合成、代謝[5]。設施葡萄栽培是一種高效的農業生產方式,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，提高葡萄產品質量安全具有重要意義。【前人研究進展】我國設施葡萄栽培始于21世紀50年代，在北方嚴寒地區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。據文獻資料顯示[6-8]，我國中東部設施土壤-農產品中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方式、土壤類型等因素表現出一定差異。【本研究切入點】前人研究多集中在我國中東部的設施蔬菜上，對果樹尤其是對新疆設施葡萄的研究鮮有報道。東西部在農業結構、土壤類型、氣候條件、生產方式等差異較大，PAEs在設施葡萄土壤和農產品中的類型、含量水平、分布特征等尚不明確。研究設施葡萄基地土壤-葡萄體系鄰苯二甲酸酯(PAEs)污染及分布特征。【擬解決的關鍵問題】通過對吐魯番設施葡萄生產基地不同種植年限的葡萄大棚的土壤、植株進行調查取樣，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，為吐魯番設施葡萄土壤環境質量評價和葡萄產品污染風險防控提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

2017年5月，采集吐魯番市某設施葡萄種植基地共9個1～6 a棚齡設施葡萄土壤樣品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℃保存備用。植株樣與土壤采樣點一一對應，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[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，用力振蕩后靜置30 min，分層后取上層有機相20 mL移入150 mL圓底燒瓶內旋轉蒸發至近干，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，劇烈振蕩1 min，靜置15 min后取10 mL到150 mL圓底燒瓶內旋轉蒸發至近干，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近干，再用正己烷定容至5 mL，混勻后移入2 mL至自動進樣瓶待測。

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；進樣口溫度為280℃。脈沖不分流，關閉載氣，傳輸線溫度為300℃，進樣量為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；采用多反應監測方式進行數據采集。

1.3 數據處理

數據采用Excle2010進行整理，使用 SPSS 19.0對土壤-葡萄果實中PAEs含量進行相關分析,以Pearson系數評價其相關性。

2 結果與分析

2.1設施葡萄土壤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%。根據美國PAEs化合物的控制標準和治理標準[10]，調查的設施葡萄大棚中，100%土壤樣品中DBP含量超過0.08 mg/kg的控制標準，但未超過治理標準，其余組分含量均未超過控制標準。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標準差 Standard deviation (mg/kg)0.000 20.000 50.0010.2420.1320.1780.554變異系數 Coefficient of variation0.0220.0830.1670.2310.2890.2831.076檢出率 Detection rate (%)83.383.383.3100100100100超標率 Over standard rate (%)00001000

注：nd為未檢出

Note:nd stands for undetected

表2 美國土壤PAEs化合物控制標準與治理標準[10]

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

名稱Name簡寫Abbreviation控制標準(mg/kg)Control standard治理標準(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不同種植年限設施葡萄土壤PAEs污染特征

研究表明，設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的含量達到2.984 mg/kg,占總含量的95.4%。各單體中，DEHP含量最高，達到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的相關性

用SPSS19統計軟件對葡萄果實與同一采樣點土壤中的PAEs含量進行相關性分析，結果表明，葡萄果實與土壤中∑PAEs呈顯著正相關，Pearson相關系數(r)為0.878(P=0.021)。土壤與葡萄果實中PAEs化合物占主導成分的DIBP、DBP、DEHP的含量也顯著相關，相關系數分別為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，關于新疆及全國其它各省對設施葡萄土壤中鄰苯二甲酸酯的研究未見報道，相關研究主要集中在我國中東部設施蔬菜上。研究發現[11-13]，吐魯番設施葡萄土壤中的PAEs含量與中東部省份設施菜地土壤相比，總體水平較低。這可能是由于菜地土壤使用農膜量相對于果園較大所致，并且經濟發達的城市，其農田土壤PAEs含量較高[14]。

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

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含量并無顯著相關性，這是由于PAEs在土壤中積累的同時，也在發生降解,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入植株體。

DBP、DIBP、DEHP三者在葡萄植株體內的含量占總含量的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行了研究，發現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鏈長度、分子量、水溶性大小及植物體的本身結構、生理功能等因素有關。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現，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]研究發現 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、果實運輸轉移。

結果顯示，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；崔明明[26]對山東花生主產區土壤-花生籽粒中6種PAEs含量進行調查，也證實了花生籽粒與土壤中的PAEs含量具有一定的相關性，∑PAEs、DBP、DEHP的相關系數分別為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 論

4.1 吐魯番設施葡萄生產基地土壤中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%。∑PAEs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及主導成分DIBP、DBP、DEHP的含量顯著相關，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。