地中海农业岛屿痕量金属污染生物指示剂中的杏树

《Environmental Pollution》：Almond trees as bioindicators of trace metal pollution in a Mediterranean agricultural island

　　

地中海农业土壤正面临潜在有毒元素（PTEs）日益增加的弥散性污染威胁，特别是在农业、城市化与旅游业共存的海岛环境中。尽管杏树（Prunus dulcis Mill.）栽培广泛分布于地中海盆地，但针对该物种痕量元素行为的田间研究仍然匮乏。本研究评估了西班牙马略卡岛以杏树为基础的农业生态系统中痕量元素的动态变化，通过整合土壤物理化学表征、植物组织分析及多元统计方法，系统评价了杏树作为生物指示剂的潜力。研究人员采集了该岛主要杏树种植区的表层土壤及杏树茎、叶组织样品。研究结果显示，土壤呈中等碱性（平均pH≈8.2），碳酸盐含量较高（~40%），极大地限制了痕量元素的迁移性与生物有效性。土壤中PTE总量普遍处于低至中等水平（如Pb平均24.3 mg kg^-1；Zn平均68.6 mg kg^-1），主要反映自然背景值水平。杏树组织中痕量元素浓度亦较低，所有元素的生物富集系数（BCF）均远低于1（如<0.4），表明在地中海钙质土壤条件下，Prunus dulcis并不表现为金属富集植物。土壤—植物关系在不同器官间差异显著：在茎中，Pb和Cd与土壤含量关联更紧密，而Cd则因受限的转运作用表现出解耦现象；Hg呈现独特行为，叶片中出现强烈的富集现象（叶片平均28.3 μg kg^-1，茎中为16.2 μg kg^-1），与弥散性大气沉降一致。总体而言，杏树不能作为通过生物富集反映土壤污染的可靠指示剂，但其叶片可有效作为地中海农业及海岛环境中大气Hg污染生物指示剂。

该研究旨在探究地中海农业岛屿钙质土壤中，广泛分布的木本经济作物杏树（只求均为否能重金属的积累并作为Se、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni、As和Pb的生物指示剂，同时评估土壤性质如何影响金属有效性。研究背景在于，工业发展、人口增长及现代社会相关服务业的扩张导致环境污染显著增加，其中潜在有毒元素（PTEs）因其持久性、毒性及在土壤和生物体中的积累趋势而备受关注。Cd、Pb、Hg和As等元素即使在较低浓度下也可引起神经系统损伤、肾脏损害、致癌效应及发育毒性。土壤作为污染物的主要汇，其重金属积累可直接影响植被并通过食物链传递风险。植物作为环境污染生物指示剂的方法已得到广泛确立，叶片因其直接暴露于大气并能够拦截和滞留大气颗粒物，尤其适用于生物监测研究。然而，针对木本作物物种记录污染物的研究相对匮乏。杏树作为地中海地区具有悠久栽培历史的代表性树种，其在该区域内的痕量元素动态研究明显不足。此外，地中海岛屿如马略卡岛，旅游业驱动的城市扩张与基础设施发展与传统农业空间共存，使其成为评估人类活动压力下环境受损的典型案例。但旅游、农业及城市发展的复合效应仅需详细研究。

研究人员以西班牙马略卡岛为研究区，该岛面积为3640 km²，具有典型地中海气候，是全岛尺度上进行痕量金属污染评估的代表性农业生态系统研究对象。研究人员采用8 km×8 km系统网格布设19个采样点，采集杏树冠层下方0-25 cm表层土壤样品（每点不少于10个子样混合为约3 kg复合样），并同时采集5棵杏树的枝条，分离叶片（每树不少于20片）和茎组织（枝条木质化部分），于果实成熟期（4-5月）取样。土壤样品经风干、过2 mm筛后，采用环刀法测定容重（BD），吸管法测定颗粒组成；pH以1:5土水比玻璃电极法测定，电导率（EC）采用电极法测定，有机质（SOM）采用Walkley-Black法，碳酸盐含量采用盐酸释放CO2的气量法测定，阳离子交换量（CEC）以pH 7.0的醋酸铵法测定，全氮（N）采用凯氏定氮法，有效磷（P）采用Olsen法。土壤及植物样品中As、Se、Cd、Cu、Cr、Ni、Pb、Zn经王水消解后，采用原子吸收光谱法（AAS）测定，其中As和Zn用火焰原子吸收光谱法（FAAS），Se、Cd、Cu、Cr、Ni、Pb用石墨炉原子吸收光谱法（GF-AAS）。Hg采用直接汞分析仪（DMA-80）测定，方法检出限（LOD）和定量限（LOQ）分别为0.50和1.25 μg kg^-1。研究采用认证参考物质（ERM-CD100、BCR-141R、BCR 62）进行质量控制，土壤回收率93%-104%，植物材料回收率97%-108%。研究人员计算了初级转运系数（TF，叶片浓度/茎浓度）和生物富集系数（BCF，植物组织浓度/土壤浓度），并采用典型相关分析（CCorA）探索土壤变量与植物组织PTE浓度间的关系，分别建立叶片和茎与土壤变量的相关模型，以Wilks' Lambda评估统计学意义。

研究结果显示，土壤性质与PTE浓度方面，杏树土壤pH均值约8.2，电导率低（中位数<0.2 dS m^-1），碳酸盐含量高（~40%），有机碳（SOC）低至中等（约2%-3%），有效磷中等，全氮和交换性钾亦处于中等水平。PTE浓度总体不高，As、Se、Cr、Ni、Cd、Cu、Pb、Zn均值分别为11.21、1.32、36.38、23.73、0.358、24.63、24.31、68.60 mg kg^-1，Hg均值为61.17 μg kg^-1。Ni和Cr受母岩控制，Cd与碳酸盐含量相关，Cu和Zn受农业投入品影响，Hg则反映化石燃料燃烧的区域性大气输入，其浓度超过欧洲表土平均值和西班牙地中海区域背景值。

杏树组织中PTE含量方面，叶片多数元素浓度高于茎，尤其是Zn、Pb和Hg；As、Cd、Cr、Ni则较为平衡或由茎主导。Zn叶片均约20.6 mg kg^-1、茎约19.7 mg kg^-1，Cu两性状相近（≈8 mg kg^-1），Pb叶片（0.92 mg kg^-1）高于茎（0.58 mg kg^-1），Hg叶片（28.3 μg kg^-1）显著高于茎（16.2 μg kg^-1）。与克罗地亚同类研究及其他用于生物监测的落叶树种相比，Prunus dulcis积累能力较低。Cu和Zn的TF≈1，表明均匀分布；Ni和Cr的TF略大于1，适度偏向叶片分配；Cd的TF均值约0.6，转运受限；As的TF略低于1，倾向茎部滞留；Pb的TF变异大（均值1.8），受大气沉降影响；Hg的TF最高（均值>2.5），强烈指示大气吸收主导。

典型相关分析与土壤-植物转移关系方面，CCorA结果显示茎和叶对土壤的响应存在器官特异性。茎中Pb和Cd与土壤浓度关联紧密，反映土壤有效性和长期根吸收，但BCF低于1，转移受限；叶中Cd与土壤解耦，表明其从木质部向叶片转运效率低下。Hg在叶序图中与土壤Hg共关联，而这种关系在茎中较弱或缺失，结合极高TF值，证实叶片Hg积累反映大气沉降与表面吸收的组合，而非根系介导转运。

研究结论是，杏树土壤受钙质岩性强烈控制，中等碱性pH和高碳酸盐含量有效限制了痕量元素迁移性和生物有效性。杏树组织中痕量元素浓度普遍较低，所有分析元素的生物富集系数均远低于1，证实在地中海钙质土壤条件下，Prunus dulcis不表现为金属富集植物。土壤-植物关系在茎和叶间存在差异：茎中Pb和Cd主要受土壤有效性控制，而叶中大气影响更为显著。Hg呈现独特行为，显示叶片优先积累，与弥散性大气沉降和表面吸收一致。这些结果表明，尽管杏树不适合作为通过生物富集指示土壤金属污染的指标，但其叶片可作为地中海农业景观中大气Hg污染的有效生物指示剂。该研究推进了广泛栽培木本作物在环境监测中的应用，并为评估人为压力下地中海农业生态系统中土壤-植物-大气相互作用提供了框架。该论文发表于《Environmental Pollution》。