可降解液态膜在葡萄越冬应用中的安全性调查

李一晗，薛婷婷，要菲，钟晓敏，刘兴凯，王华,4,5*，李华,4,5*

（1.西北农林科技大学葡萄酒学院，陕西杨凌 712100；2.宁夏大学葡萄酒与园艺学院，宁夏银川 750021；3.君顶酒庄有限公司，山东蓬莱 265600；4.陕西省葡萄与葡萄酒工程技术研究中心，陕西杨凌 712100；5.中国葡萄酒产业技术研究院，宁夏银川 750021）

腐殖酸（Humic acid，HA）大分子的基本结构是芳环和脂环，同时含有多种官能团（羟基、羧基、胺基、醌基、半醌基和烯醇基等），主要组成元素是C、H、O、N和S，具有络合作用和吸附分散能力[1]。腐殖酸类物质作为生物刺激素，可以调节植物的代谢过程[2]、促进植物对养分的吸收[3]、提高相关基因的表达[4-6]，从而促进植物生长，提高植物的抗逆性。腐殖酸类液态地膜喷施于地表后会形成一层保护膜，可以提高地温、抑制水分蒸发、固定表层土壤、防止水分流失[7-9]，且能够自然降解，不会造成环境污染[10]。

对于腐殖酸类液态地膜在葡萄园中的应用研究报道极少。在韩星等[11]的研究中，将可降解液态膜（Biodegradable liquid film，BLF）施用于葡萄植株及定植沟表面，尝试用可降解液态膜来代替部分北方地区的传统埋土越冬措施，结合春季修剪等技术共同构成免埋栽培模式，提高我国埋土防寒区葡萄冬季越冬能力。研究发现，BLF中的乳化沥青成分可能会对环境造成重金属或苯并[α]芘污染，但同时含有的腐殖酸成分被广泛应用于土壤重金属污染治理中[12-13]。因此，有必要对BLF的田间应用进行安全性评估。

本文通过对连续5年冬季使用BLF的葡萄园土壤及成熟果实进行污染物检测，并对春季短期使用BLF的葡萄园土壤及枝条进行污染物检测，调查并评估使用BLF在保障葡萄植株安全越冬以及预防倒春寒中的土壤安全性。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

奥普乐MD8H型微波消解仪；奥普乐GD25/40型石墨消解仪（石墨赶酸器）；安捷伦A240Duo型原子吸收光谱仪；招风耳150 g粉碎机；试验所用容器均经稀硝酸（20%）浸泡12 h以上，用蒸馏水洗净，备用。铅、镉、铬、砷及镍单元素标准溶液（1000 mg•L-1）来源于国家有色金属及电子材料分析测试中心，所有试剂均为优级纯。

1.2 试验材料与处理

1.2.1 试验区概况

山西省夏县格瑞特葡萄园，海拔450～560 m，年降雨量500～700 mm，日照时数2242.8 h左右，年均活动积温4490.5 ℃，无霜期205.4 d。气候温和，昼夜温差大，冬季极端气温可达-15 ℃。

陕西省杨凌示范区盛唐酒庄，海拔418～540 m，年均降雨量600～800 mm，日照时数2163.8 h左右，年均活动积温4708.5 ℃，无霜期211 d。气候温和，四季冷热干湿分明，冬季极端气温可达-7 ℃。

1.2.2 试验材料

山西省夏县格瑞特葡萄园：连续5年冬季使用BLF地块的‘赤霞珠’成熟葡萄果实和土壤。

陕西省杨凌示范区盛唐酒庄：2022年3月1日使用BLF地块的‘媚丽’葡萄枝条和土壤。

本研究使用的BLF与韩星等[11]试验中的BLF均产自陕西明瑞科技公司，又被称作乳化沥青，主要由农业用乳化沥青、腐植酸大分子物质加悬浮剂等制成，是一种新型的环保土壤结构调理剂，其中腐殖酸含量为121.6 g•kg-1。这种长链烃基分子构成的液体乳剂，喷施地表后可以迅速形成胶结薄膜，具有强烈的粘附能力，可联结土粒成团聚体。

1.2.3 试验设计

山西省夏县格瑞特葡萄园的‘赤霞珠’地块：每年冬季埋土防寒前在葡萄园土壤表面喷施BLF，使用浓度为液态膜∶水=1∶3（Vol，下同），用量为每亩10 kg，葡萄不再采取埋土防寒措施。在葡萄成熟期取果实和土壤进行重金属物质残留检测；对液态膜进行土柱淋溶试验后接收的水、与液态膜混合的土壤以及连续5年使用液态膜试验地土壤中苯并[α]芘含量进行检测。

陕西省杨凌示范区盛唐酒庄：于2022年3月1日使用喷雾器喷施BLF，浓度为液态膜∶水=1∶3，每亩地使用10 kg，使用范围包括植株主干、留芽部位及行内地面。取样方法：（1）土样：分别于2022年3月28日（喷施BLF后1个月）、4月27日（喷施BLF后2个月）使用环刀采集喷施BLF后的干燥无杂草土样各3处，进行重金属（砷、铬、镉、铅、镍）残留检测，并在使用BLF后每隔30 d对田间进行液态膜降解情况观察。（2）枝条样品：分别于2022年3月28日、4月27日采集喷施BLF后的1年生枝条，随机选择粗0.5～1.0 cm、长25～50 cm，且长势好、无病虫害的枝条各3组，同时采集空白对照的枝条，进行以上重金属物质残留的检测。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 BLF降解情况

2022年3月1 日在盛唐酒庄葡萄园于葡萄植株及土壤使用BLF后，每隔约30 d观察BLF在枝条和土壤表面的降解情况并进行记录。

1.3.2 重金属物质残留测定

（1）连续5年冬季使用BLF的土壤及果实重金属残留的检测。于山西省夏县格瑞特酒庄葡萄园进行。土壤中砷、铬、镉、铅和镍元素的检测由农业部农业环境质量监督检验测试中心（西安）完成；葡萄果实中铅和镉元素的检测由农业部食品质量监督检验测试中心（杨凌）完成。

（2）春季使用BLF的土壤及枝条重金属残留的检测在蓬莱君顶酒庄邵学东创新工作室进行。样品采自陕西省杨凌示范区盛唐酒庄葡萄园。消解方法均参照奥普乐MD8H型微波消解仪操作手册。重金属含量使用安捷伦A240Duo型原子吸收光谱仪检测。土壤中铅、镉、砷的检测采用石墨炉原子吸收光谱法测定；铬、镍的检测采用火焰原子吸收光谱法测定；枝条中的铅、镉采用石墨炉原子吸收光谱法测定。检测参数均参考仪器数据库，并通过预试验进行完善。

1.3.3 苯并[α]芘残留测定

（1）实验室使用土壤BLF混合水残留检测。混合水残留苯并[α]芘检测使用高压液相色谱GB/T5750.8—2006方法，送样至西安国联质量检测技术股份有限公司进行检测。具体方法：称取0.14 g的BLF样品加入到土壤柱（长175 cm，直径10 cm）表层厚度20 cm的土壤中混匀，装入柱子中加入5 L水进行土柱淋溶试验。接收淋洗液于聚乙烯容器中，共接收500 mL的淋洗液供试验测定，供试水为实验室三级蒸馏水。

（2）实验室使用BLF混合土壤残留检测。混合土壤残留检测使用高压液相色谱GB/T5750.8—2006方法。检测由西安国联质量检测技术股份有限公司完成。具体方法：称取0.14 g的BLF样品喷施到面积为0.00785 m2的土壤表面进行混匀，混匀后1～2 h内取表层4 cm的土样1 kg用于分析，试验用土为黄黏土。

（3）田间使用BLF土壤残留检测。使用高效液相色谱HJ784—2016方法。于山西省夏县格瑞特酒庄葡萄园取连续5年冬季使用BLF地块土壤，用邻近未使用BLF的土壤为对照。检测由青岛斯坦德检测股份有限公司完成。

1.4 数据统计方法

采用Office excel 2021对所得数据进行统计与分析，使用SPSS 26.0软件对试验结果进行方差显著性分析，所有试验数据均设3个重复。

2 结果与分析

2.1 BLF降解情况观察

由表1可知，在葡萄枝条和土壤喷施BLF后均会逐渐降解。喷施60 d后，枝条表面及土壤表面的膜出现破洞，开始降解；120 d后，枝条表面及土壤表面的膜降解程度达到50%以上；180 d后，枝条表面及土壤表面的膜基本完成降解。由此说明在葡萄园喷施BLF后，其会在5—6个月完全降解，保证葡萄植株安全越冬的同时具有很大的安全性。

表1 可降解液态膜的降解度Table 1 Degradation level of biodegradable liquid film

2.2 使用BLF对土壤及植株重金属元素残留的影响

2.2.1 连续使用BLF对土壤及果实重金属残留的影响

由表2可知，砷（As）、铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）和镍（Ni）元素的含量均小于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618—2018）中相应的标准值。由此数据可知，冬季长期使用BLF试验地土壤中重金属元素残留均在安全范围内，进一步证明了使用BLF的安全性。

表2 连续使用5年且当年喷施BLF后对土壤重金属元素残留的影响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，连续5年冬季使用BLF试验地块上，葡萄果实中未检测出主要重金属元素Cd、Pb元素残留，且两元素的检出限值均小于参照《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2012）国家标准，其中Cd元素检出限值为0.001 mg•kg-1，国家标准值为0.05 mg•kg-1；Pb元素检出限值为0.005 mg•kg-1，国家标准值为0.2 mg•kg-1。本研究没有对未喷施BLF的果实进行重金属检测。因此试验是为了验证BLF是否会引起重金属在果实中富集，喷施BLF的果实中未检出重金属，且检出限远低于国家标准值，故推测出未喷施BLF的果实中更不会有重金属检出。

表3 连续5年使用BLF对葡萄果实重金属元素残留的影响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，连续5年冬季使用BLF不会引起镉（Cd）、铅（Pb）元素在葡萄果实中富集，确保长期在冬季使用BLF的安全性。

2.2.2 春季使用BLF对土壤及枝条重金属残留的影响

由图1可知，As、Cr、Cd、Pb和Ni元素的含量均小于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618—2018）中相应的标准值（As、Cr、Cd、Pb、Ni分别为25、250、0.6、350、60 mg•kg-1）。且使用BLF显著降低了土壤中Cr、Pb和Ni元素的含量。由此可知，春季使用BLF的试验地土壤，重金属元素残留均在安全范围内，证明了春季使用BLF的安全性。

图1 喷施BLF后不同取样时间的土壤中重金属元素含量Figure 1 Heavy metal elements in soil at diあerent sampling times after BLF spraying

由图2可知，春季使用BLF试验地块上，葡萄枝条中重金属元素残留量与对照无明显差别。使用BLF 1个月（3月28日）的葡萄枝条Cd元素的检出值高于对照，而使用2个月（4月27日）的枝条检出值低于对照，但三者无显著性差异；使用BLF 1个月的葡萄枝条Pb元素的检出值为0.2 mg•kg-1，明显低于对照，但使用BLF两个月的枝条检出值稍有升高，但低于对照。以上数据说明，春季使用BLF不会使重金属在葡萄植株内富集，确保春季使用BLF的安全性。

图2 喷施BLF后不同取样时间的枝条中重金属元素含量Figure 2 Heavy metal elements in branches at diあerent sampling times after BLF spraying

2.3 使用BLF对土壤和水中苯并[α]芘残留的影响

由表4可知，使用BLF时土壤中的苯并[α]芘含量从0.00164 mg•kg-1增加到0.00245 mg•kg-1，但也低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618—2018）中规定的标准值0.55 mg•kg-1；在连续使用5年BLF的土壤中未检出苯并[α]芘，检出限为4×10-4mg•kg-1，低于GB15618—2018中规定的标准值0.55 mg•kg-1；在实验室进行土柱淋溶试验的混合水中未检出苯并[α]芘，检出限为1.4×10-6mg•kg-1，低于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）中规定的标准值10-5mg•kg-1。

表4 BLF对土壤和水苯并[α]芘残留的影响Table 4 Eあect of BLF on benzo[α]pyrene residues in soil and water

以上数据说明，田间使用BLF不会造成土壤中苯并[α]芘污染，且对水源苯并[α]芘的影响很小。

3 讨论与结论

可降解液态膜为棕黑色乳剂，将其喷施于植株和土表后，会形成一层薄膜。在之前的研究[14]中发现，使用可降解液态膜后在土表形成的薄膜，可以抑制土壤表面水分蒸发，起到保水作用，同时对土壤有明显的增温效果，可以改良土壤结构，达到提高植株越冬成活率及增产的效果[15]。BLF除了对土壤有众多改良作用外，还可以增强作物的抗逆性，提高果实品质[11]。但BLF应用于葡萄园的安全性不可忽视，本研究对其降解特性，相关重金属和苯并[α]芘残留进行了综合分析。

冬季在葡萄枝条和土壤表面喷施BLF，180 d后调查得出，土壤表面的液态膜降解程度达98%以上，枝条表面的液态膜降解程度达95%以上。说明田间使用BLF会在6个月左右完全降解。

土壤中有机质含量的多少影响土壤的营养状况，并能通过与土壤中重金属元素形成稳定态络合物[16]，降低土壤中重金属元素的生物有效性[17]，从而降低植物对其的吸收积累。Boruvka等[12]和Spark等[18]的研究中将腐殖酸类物质作为络合剂、离子交换剂和表面活性剂，用于土壤和水中重金属离子的吸附处理。因此可降解液态膜除了在生产中的效用，对生态环境也有一定程度的保护作用。本研究中使用可降解液态膜的土壤，除Cd元素以外的其他重金属元素含量均有一定程度的降低，且Cr、Pb和Ni的含量均显著降低。这可能是因为可降解液态膜中腐殖酸成分所含有的COOH、-OH、CO-、-NH2和-SH等官能团螯合或络合了部分重金属元素[18-19]，也有研究证明了利用腐殖酸治理土壤中重金属污染的可行性[13,20-21]。土壤中重金属元素含量降低，也会影响植株中重金属元素的富集，本试验也证明了喷施可降解液态膜的葡萄枝条中Pb元素含量显著降低。而使用可降解液态膜对Cd元素含量无明显影响，可能是因为可降解液态膜为弱碱性，因为有试验[22]表明在土壤pH＞6时，腐殖酸无法去除其中的Cd。

苯并[α]芘作为一种环境和食品污染物质，是多环芳烃中毒性最大的一种致癌物[23]，广泛存在于沥青等物质中，对其进行检测，对人类健康及生态安全有重要意义。本研究中，在实验室进行土柱淋溶条件下，水中未检出苯并[α]芘，检出限1.4×10-6mg•kg-1，低于国家生活饮用水标准；混合土壤中苯并[α]芘的含量从0.00164 mg•kg-1增加到0.00245 mg•kg-1，说明未降解前的可降解液态膜会增加土壤中苯并[α]芘的含量，但也在国家标准内；对连续5年使用可降解液态膜的试验地块土壤进行苯并[α]芘含量检测，结果未检出，检出限为4×10-4mg•kg-1，远低于国家标准，说明随着可降解液态膜的降解，土壤中的苯并[α]芘也会在阳光、微生物等的作用下逐步消失。

以上结果说明，田间使用可降解液态膜不会引起Cd、Pb元素在葡萄果实中含量超标或在枝条中富集，也不会引起土壤中重金属污染；使用BLF不会造成水体和土壤中苯并[α]芘污染。

可降解液态膜作为一种有效的葡萄越冬保护剂，田间使用对环境和植株均不具有重金属污染风险，为埋土防寒区的葡萄越冬以及倒春寒预防提供了一种有效途径。