可降解液態膜在葡萄越冬應用中的安全性調查

李一晗，薛婷婷，要菲，鐘曉敏，劉興凱，王華,4,5*，李華,4,5*

（1.西北農林科技大學葡萄酒學院，陜西楊凌 712100；2.寧夏大學葡萄酒與園藝學院，寧夏銀川 750021；3.君頂酒莊有限公司，山東蓬萊 265600；4.陜西省葡萄與葡萄酒工程技術研究中心，陜西楊凌 712100；5.中國葡萄酒產業技術研究院，寧夏銀川 750021）

腐殖酸（Humic acid，HA）大分子的基本結構是芳環和脂環，同時含有多種官能團（羥基、羧基、胺基、醌基、半醌基和烯醇基等），主要組成元素是C、H、O、N和S，具有絡合作用和吸附分散能力[1]。腐殖酸類物質作為生物刺激素，可以調節植物的代謝過程[2]、促進植物對養分的吸收[3]、提高相關基因的表達[4-6]，從而促進植物生長，提高植物的抗逆性。腐殖酸類液態地膜噴施于地表后會形成一層保護膜，可以提高地溫、抑制水分蒸發、固定表層土壤、防止水分流失[7-9]，且能夠自然降解，不會造成環境污染[10]。

對于腐殖酸類液態地膜在葡萄園中的應用研究報道極少。在韓星等[11]的研究中，將可降解液態膜（Biodegradable liquid film，BLF）施用于葡萄植株及定植溝表面，嘗試用可降解液態膜來代替部分北方地區的傳統埋土越冬措施，結合春季修剪等技術共同構成免埋栽培模式，提高我國埋土防寒區葡萄冬季越冬能力。研究發現，BLF中的乳化瀝青成分可能會對環境造成重金屬或苯并[α]芘污染，但同時含有的腐殖酸成分被廣泛應用于土壤重金屬污染治理中[12-13]。因此，有必要對BLF的田間應用進行安全性評估。

本文通過對連續5年冬季使用BLF的葡萄園土壤及成熟果實進行污染物檢測，并對春季短期使用BLF的葡萄園土壤及枝條進行污染物檢測，調查并評估使用BLF在保障葡萄植株安全越冬以及預防倒春寒中的土壤安全性。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

奧普樂MD8H型微波消解儀；奧普樂GD25/40型石墨消解儀（石墨趕酸器）；安捷倫A240Duo型原子吸收光譜儀；招風耳150 g粉碎機；試驗所用容器均經稀硝酸（20%）浸泡12 h以上，用蒸餾水洗凈，備用。鉛、鎘、鉻、砷及鎳單元素標準溶液（1000 mg?L-1）來源于國家有色金屬及電子材料分析測試中心，所有試劑均為優級純。

1.2 試驗材料與處理

1.2.1 試驗區概況

山西省夏縣格瑞特葡萄園，海拔450～560 m，年降雨量500～700 mm，日照時數2242.8 h左右，年均活動積溫4490.5 ℃，無霜期205.4 d。氣候溫和，晝夜溫差大，冬季極端氣溫可達-15 ℃。

陜西省楊凌示范區盛唐酒莊，海拔418～540 m，年均降雨量600～800 mm，日照時數2163.8 h左右，年均活動積溫4708.5 ℃，無霜期211 d。氣候溫和，四季冷熱干濕分明，冬季極端氣溫可達-7 ℃。

1.2.2 試驗材料

山西省夏縣格瑞特葡萄園：連續5年冬季使用BLF地塊的‘赤霞珠’成熟葡萄果實和土壤。

陜西省楊凌示范區盛唐酒莊：2022年3月1日使用BLF地塊的‘媚麗’葡萄枝條和土壤。

本研究使用的BLF與韓星等[11]試驗中的BLF均產自陜西明瑞科技公司，又被稱作乳化瀝青，主要由農業用乳化瀝青、腐植酸大分子物質加懸浮劑等制成，是一種新型的環保土壤結構調理劑，其中腐殖酸含量為121.6 g?kg-1。這種長鏈烴基分子構成的液體乳劑，噴施地表后可以迅速形成膠結薄膜，具有強烈的粘附能力，可聯結土粒成團聚體。

1.2.3 試驗設計

山西省夏縣格瑞特葡萄園的‘赤霞珠’地塊：每年冬季埋土防寒前在葡萄園土壤表面噴施BLF，使用濃度為液態膜∶水=1∶3（Vol，下同），用量為每畝10 kg，葡萄不再采取埋土防寒措施。在葡萄成熟期取果實和土壤進行重金屬物質殘留檢測；對液態膜進行土柱淋溶試驗后接收的水、與液態膜混合的土壤以及連續5年使用液態膜試驗地土壤中苯并[α]芘含量進行檢測。

陜西省楊凌示范區盛唐酒莊：于2022年3月1日使用噴霧器噴施BLF，濃度為液態膜∶水=1∶3，每畝地使用10 kg，使用范圍包括植株主干、留芽部位及行內地面。取樣方法：（1）土樣：分別于2022年3月28日（噴施BLF后1個月）、4月27日（噴施BLF后2個月）使用環刀采集噴施BLF后的干燥無雜草土樣各3處，進行重金屬（砷、鉻、鎘、鉛、鎳）殘留檢測，并在使用BLF后每隔30 d對田間進行液態膜降解情況觀察。（2）枝條樣品：分別于2022年3月28日、4月27日采集噴施BLF后的1年生枝條，隨機選擇粗0.5～1.0 cm、長25～50 cm，且長勢好、無病蟲害的枝條各3組，同時采集空白對照的枝條，進行以上重金屬物質殘留的檢測。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 BLF降解情況

2022年3月1 日在盛唐酒莊葡萄園于葡萄植株及土壤使用BLF后，每隔約30 d觀察BLF在枝條和土壤表面的降解情況并進行記錄。

1.3.2 重金屬物質殘留測定

（1）連續5年冬季使用BLF的土壤及果實重金屬殘留的檢測。于山西省夏縣格瑞特酒莊葡萄園進行。土壤中砷、鉻、鎘、鉛和鎳元素的檢測由農業部農業環境質量監督檢驗測試中心（西安）完成；葡萄果實中鉛和鎘元素的檢測由農業部食品質量監督檢驗測試中心（楊凌）完成。

（2）春季使用BLF的土壤及枝條重金屬殘留的檢測在蓬萊君頂酒莊邵學東創新工作室進行。樣品采自陜西省楊凌示范區盛唐酒莊葡萄園。消解方法均參照奧普樂MD8H型微波消解儀操作手冊。重金屬含量使用安捷倫A240Duo型原子吸收光譜儀檢測。土壤中鉛、鎘、砷的檢測采用石墨爐原子吸收光譜法測定；鉻、鎳的檢測采用火焰原子吸收光譜法測定；枝條中的鉛、鎘采用石墨爐原子吸收光譜法測定。檢測參數均參考儀器數據庫，并通過預試驗進行完善。

1.3.3 苯并[α]芘殘留測定

（1）實驗室使用土壤BLF混合水殘留檢測。混合水殘留苯并[α]芘檢測使用高壓液相色譜GB/T5750.8—2006方法，送樣至西安國聯質量檢測技術股份有限公司進行檢測。具體方法：稱取0.14 g的BLF樣品加入到土壤柱（長175 cm，直徑10 cm）表層厚度20 cm的土壤中混勻，裝入柱子中加入5 L水進行土柱淋溶試驗。接收淋洗液于聚乙烯容器中，共接收500 mL的淋洗液供試驗測定，供試水為實驗室三級蒸餾水。

（2）實驗室使用BLF混合土壤殘留檢測。混合土壤殘留檢測使用高壓液相色譜GB/T5750.8—2006方法。檢測由西安國聯質量檢測技術股份有限公司完成。具體方法：稱取0.14 g的BLF樣品噴施到面積為0.00785 m2的土壤表面進行混勻，混勻后1～2 h內取表層4 cm的土樣1 kg用于分析，試驗用土為黃黏土。

（3）田間使用BLF土壤殘留檢測。使用高效液相色譜HJ784—2016方法。于山西省夏縣格瑞特酒莊葡萄園取連續5年冬季使用BLF地塊土壤，用鄰近未使用BLF的土壤為對照。檢測由青島斯坦德檢測股份有限公司完成。

1.4 數據統計方法

采用Office excel 2021對所得數據進行統計與分析，使用SPSS 26.0軟件對試驗結果進行方差顯著性分析，所有試驗數據均設3個重復。

2 結果與分析

2.1 BLF降解情況觀察

由表1可知，在葡萄枝條和土壤噴施BLF后均會逐漸降解。噴施60 d后，枝條表面及土壤表面的膜出現破洞，開始降解；120 d后，枝條表面及土壤表面的膜降解程度達到50%以上；180 d后，枝條表面及土壤表面的膜基本完成降解。由此說明在葡萄園噴施BLF后，其會在5—6個月完全降解，保證葡萄植株安全越冬的同時具有很大的安全性。

表1 可降解液態膜的降解度Table 1 Degradation level of biodegradable liquid film

2.2 使用BLF對土壤及植株重金屬元素殘留的影響

2.2.1 連續使用BLF對土壤及果實重金屬殘留的影響

由表2可知，砷（As）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、鉛（Pb）和鎳（Ni）元素的含量均小于《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB15618—2018）中相應的標準值。由此數據可知，冬季長期使用BLF試驗地土壤中重金屬元素殘留均在安全范圍內，進一步證明了使用BLF的安全性。

表2 連續使用5年且當年噴施BLF后對土壤重金屬元素殘留的影響Table 2 Eあects on soil heavy metal element residues after five consecutive years of use and the current year of BLF spraying mg·kg-1

由表3可知，連續5年冬季使用BLF試驗地塊上，葡萄果實中未檢測出主要重金屬元素Cd、Pb元素殘留，且兩元素的檢出限值均小于參照《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2012）國家標準，其中Cd元素檢出限值為0.001 mg?kg-1，國家標準值為0.05 mg?kg-1；Pb元素檢出限值為0.005 mg?kg-1，國家標準值為0.2 mg?kg-1。本研究沒有對未噴施BLF的果實進行重金屬檢測。因此試驗是為了驗證BLF是否會引起重金屬在果實中富集，噴施BLF的果實中未檢出重金屬，且檢出限遠低于國家標準值，故推測出未噴施BLF的果實中更不會有重金屬檢出。

表3 連續5年使用BLF對葡萄果實重金屬元素殘留的影響Table 3 Eあects on grape fruit heavy metal element residues after five consecutive years of use BLF mg·kg-1

由此可知，連續5年冬季使用BLF不會引起鎘（Cd）、鉛（Pb）元素在葡萄果實中富集，確保長期在冬季使用BLF的安全性。

2.2.2 春季使用BLF對土壤及枝條重金屬殘留的影響

由圖1可知，As、Cr、Cd、Pb和Ni元素的含量均小于《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB15618—2018）中相應的標準值（As、Cr、Cd、Pb、Ni分別為25、250、0.6、350、60 mg?kg-1）。且使用BLF顯著降低了土壤中Cr、Pb和Ni元素的含量。由此可知，春季使用BLF的試驗地土壤，重金屬元素殘留均在安全范圍內，證明了春季使用BLF的安全性。

圖1 噴施BLF后不同取樣時間的土壤中重金屬元素含量Figure 1 Heavy metal elements in soil at diあerent sampling times after BLF spraying

由圖2可知，春季使用BLF試驗地塊上，葡萄枝條中重金屬元素殘留量與對照無明顯差別。使用BLF 1個月（3月28日）的葡萄枝條Cd元素的檢出值高于對照，而使用2個月（4月27日）的枝條檢出值低于對照，但三者無顯著性差異；使用BLF 1個月的葡萄枝條Pb元素的檢出值為0.2 mg?kg-1，明顯低于對照，但使用BLF兩個月的枝條檢出值稍有升高，但低于對照。以上數據說明，春季使用BLF不會使重金屬在葡萄植株內富集，確保春季使用BLF的安全性。

圖2 噴施BLF后不同取樣時間的枝條中重金屬元素含量Figure 2 Heavy metal elements in branches at diあerent sampling times after BLF spraying

2.3 使用BLF對土壤和水中苯并[α]芘殘留的影響

由表4可知，使用BLF時土壤中的苯并[α]芘含量從0.00164 mg?kg-1增加到0.00245 mg?kg-1，但也低于《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》（GB15618—2018）中規定的標準值0.55 mg?kg-1；在連續使用5年BLF的土壤中未檢出苯并[α]芘，檢出限為4×10-4mg?kg-1，低于GB15618—2018中規定的標準值0.55 mg?kg-1；在實驗室進行土柱淋溶試驗的混合水中未檢出苯并[α]芘，檢出限為1.4×10-6mg?kg-1，低于《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）中規定的標準值10-5mg?kg-1。

表4 BLF對土壤和水苯并[α]芘殘留的影響Table 4 Eあect of BLF on benzo[α]pyrene residues in soil and water

以上數據說明，田間使用BLF不會造成土壤中苯并[α]芘污染，且對水源苯并[α]芘的影響很小。

3 討論與結論

可降解液態膜為棕黑色乳劑，將其噴施于植株和土表后，會形成一層薄膜。在之前的研究[14]中發現，使用可降解液態膜后在土表形成的薄膜，可以抑制土壤表面水分蒸發，起到保水作用，同時對土壤有明顯的增溫效果，可以改良土壤結構，達到提高植株越冬成活率及增產的效果[15]。BLF除了對土壤有眾多改良作用外，還可以增強作物的抗逆性，提高果實品質[11]。但BLF應用于葡萄園的安全性不可忽視，本研究對其降解特性，相關重金屬和苯并[α]芘殘留進行了綜合分析。

冬季在葡萄枝條和土壤表面噴施BLF，180 d后調查得出，土壤表面的液態膜降解程度達98%以上，枝條表面的液態膜降解程度達95%以上。說明田間使用BLF會在6個月左右完全降解。

土壤中有機質含量的多少影響土壤的營養狀況，并能通過與土壤中重金屬元素形成穩定態絡合物[16]，降低土壤中重金屬元素的生物有效性[17]，從而降低植物對其的吸收積累。Boruvka等[12]和Spark等[18]的研究中將腐殖酸類物質作為絡合劑、離子交換劑和表面活性劑，用于土壤和水中重金屬離子的吸附處理。因此可降解液態膜除了在生產中的效用，對生態環境也有一定程度的保護作用。本研究中使用可降解液態膜的土壤，除Cd元素以外的其他重金屬元素含量均有一定程度的降低，且Cr、Pb和Ni的含量均顯著降低。這可能是因為可降解液態膜中腐殖酸成分所含有的COOH、-OH、CO-、-NH2和-SH等官能團螯合或絡合了部分重金屬元素[18-19]，也有研究證明了利用腐殖酸治理土壤中重金屬污染的可行性[13,20-21]。土壤中重金屬元素含量降低，也會影響植株中重金屬元素的富集，本試驗也證明了噴施可降解液態膜的葡萄枝條中Pb元素含量顯著降低。而使用可降解液態膜對Cd元素含量無明顯影響，可能是因為可降解液態膜為弱堿性，因為有試驗[22]表明在土壤pH＞6時，腐殖酸無法去除其中的Cd。

苯并[α]芘作為一種環境和食品污染物質，是多環芳烴中毒性最大的一種致癌物[23]，廣泛存在于瀝青等物質中，對其進行檢測，對人類健康及生態安全有重要意義。本研究中，在實驗室進行土柱淋溶條件下，水中未檢出苯并[α]芘，檢出限1.4×10-6mg?kg-1，低于國家生活飲用水標準；混合土壤中苯并[α]芘的含量從0.00164 mg?kg-1增加到0.00245 mg?kg-1，說明未降解前的可降解液態膜會增加土壤中苯并[α]芘的含量，但也在國家標準內；對連續5年使用可降解液態膜的試驗地塊土壤進行苯并[α]芘含量檢測，結果未檢出，檢出限為4×10-4mg?kg-1，遠低于國家標準，說明隨著可降解液態膜的降解，土壤中的苯并[α]芘也會在陽光、微生物等的作用下逐步消失。

以上結果說明，田間使用可降解液態膜不會引起Cd、Pb元素在葡萄果實中含量超標或在枝條中富集，也不會引起土壤中重金屬污染；使用BLF不會造成水體和土壤中苯并[α]芘污染。

可降解液態膜作為一種有效的葡萄越冬保護劑，田間使用對環境和植株均不具有重金屬污染風險，為埋土防寒區的葡萄越冬以及倒春寒預防提供了一種有效途徑。