?莧菜對耕作地重金屬的吸收研究?

摘 要：根據前期研究可知莧菜具有吸收土壤重金屬污染物的作用，為此選擇8個不同莧菜品種為試驗對象，以湖南省典型耕作地為試驗土壤，研究莧菜對土壤重金屬的吸收作用。結果表明：（1）莧菜對耕作地中的多種重金屬均有一定吸收作用，從而使土壤中重金屬含量下降，下降率大小依次為：錳（Mn）>鎘（Cd）>砷（As）>鉛（Pb）>汞（Hg）>鉻（Cr）;（2）連續2 a定期種植紅圓葉莧菜后的土壤重金屬含量<種植1 a紅圓葉莧菜后的土壤重金屬含量<未種植紅圓葉莧菜土壤重金屬含量，連續2 a種植紅圓葉莧菜對耕作地重金屬污染等級具有持續降低能力;（3）8個莧菜品種對Cd的富集系數均大于1，僅贛科大圓葉紅莧菜品種對Mn的富集系數大于1，種植莧菜前后Mn在莧菜中和土壤中的含量變化差異不顯著，篩選出綜合吸收能力最優的品種為紅圓葉莧菜。研究結果表明種植莧菜能顯著降低耕作地中重金屬含量，減輕重金屬污染程度，起到修復土壤重金屬污染的作用。

關鍵詞：耕作地;莧菜;重金屬污染;富集系數

中圖分類號：S636.4; X53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）11-0026-05

Study on Absorption of Heavy Metals by Amaranth in Hunan Cultivated Land

CAO Hai-jia1，2，3，LIU Qing1，2，3，MA Wen-yue1，2，3，ZHANG Ya1，2，3，SU Pin4，LIAO Xiao-lan1，2，3

（1. College of Plant Protection， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC; 2. Key Laboratory of Plant Disease and Pest

Biology and Prevention and Control， Changsha 410128， PRC; 3. Agricultural Pest Control and Early Warning Hunan Engineering

Research Center， Changsha 410128， PRC; 4. Hunan Institute of Plant Protection， Changsha 410125， PRC）

Abstract： According to previous studies， amaranth can absorb heavy metal pollutants in soil. For this reason， eight different amaranth varieties were selected as experimental objects， and typical cultivated land in Hunan Province was used as experimental soil to study the absorption of heavy metals in soil by amaranth. The results are as follows： （1） Amaranth can absorb many kinds of heavy metals in cultivated land to a certain extent， so that the content of heavy metals in soil decreases. The descending rates are manganese （Mn） gt; cadmium （Cd） gt; arsenic （As） gt; lead （Pb） gt; mercury （Hg） gt; chromium （Cr）; （2） the contents of heavy metals in the soil after planting Hongyuanye Amaranth regularly for two consecutive years lt; after planting Hongyuanye Amaranth for one year lt; no planting Hongyuanye Amaranth; planting Hongyuanye Amaranth in succession for 2 years can continuously reduce the pollution level of heavy metals in cultivated land. （3） The enrichment coefficients of Cd in eight amaranth cultivars were all greater than 1， followed by Gankedayuanye Amaranth cultivars. There was no significant difference in the content of Mn in amaranth and soil before and after planting amaranth. The best comprehensive absorption ability was found to be Hongyuanye Amaranth. The results showed that amaranth planting could significantly reduce the content of heavy metals in cultivated land， reduce the degree of heavy metal pollution， and play a role in remediation of soil heavy metal pollution.

Key words： cultivated land; amaranth; heavy metal pollution; enrichment coefficient

目前我國各地土壤重金屬污染形勢嚴峻[1]，由于重金屬污染物具有隱蔽性、難遷移、無法自我降解、毒性大[2]，使其成為難以解決的一大生態難題。我國土壤重金屬污染治理起步晚、理論體系不完善、手段方法單一[3]，目前常采用的有換土法、電動修復法、玻璃化技術、化學淋洗修復技術等物理與化學手段，需要專門的設備、勞力密集和高成本的投入，并且二次污染可能性更高[4-5]。1983年美國科學家Chaney首次提出植物修復技術這一概念[6]。植物修復技術能夠去除、轉化、降解或固定土壤中的各種有毒有機物和無機重金屬污染物[7-8]，其對環境干擾較少，投資投入成本較低等優勢，目前受到公眾高度關注[9];但隨著對其研究的不斷深入，植物修復技術的局限性也逐漸顯露出來，主要是所發現的富集植物幾乎是對單一重金屬污染物具有吸附效果，且生物量小、對種植存活環境要求具有一定特殊性或者條件性，不能廣泛適種于很多地區[10-11]，另外不同地區土壤環境、不同植物品種之間也存在差異和影響[12]。

湖南作為我國農業大省，農作物種植面積廣、種類多[13]，而湖南省又被稱之為“有色金屬之鄉”，大量的工業開采、礦場污水排放等因素導致每年因土壤重金屬污染的農作物損失非常大，且呈現出逐年上升的趨勢[14]。在近期國務院印發的《“十三五”生態環境保護規劃》[15]中，湖南花垣縣被列為需要建立“錳三角”治理區，湖南常德市啟動土壤污染綜合防治先行區建設。當前湖南省常采用的是穩定化修復性技術和土壤生物活性改良技術相結合的修復手段[16]，并取得較好的修復效果，但是花費人力、物力及資金過高，若能與植物修復技術相配合，將會大大彌補這一缺點，因此能夠尋找到對湖南地區鎘、錳等重金屬污染物具有修復性作用的植物，將會對治理土壤重金屬污染具有重要意義。

目前尚未有關于莧菜對湖南耕作地重金屬吸收相關研究報道，雖已有部分學者通過土培和水培相關試驗證明莧菜對Cd、Pb等重金屬具有一定耐受作用[17]，但大田中環境復雜，重金屬污染具有許多不確定性因素。為明確莧菜對耕作地土壤重金屬污染的吸收效能和主要作用，筆者進行為期2 a的紅圓葉莧菜和60 d的不同品種莧菜田間種植試驗，以評價其對土壤中重金屬污染物的吸收效果，為湖南省耕作地土壤重金屬污染的治理提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于湖南省長沙市瀏陽縣龍伏鎮，27°51′～

28°34′ N，113°10′～114°15′ E，屬亞熱帶季風濕潤氣候，全年平均氣溫約為18.5℃，雨水充沛、光照充足;耕作地土壤全鉀（K）、速效磷（P）和有機質含量分別為0.116 mg/kg、75.860 mg/kg和35.556 g/kg，土壤中全鎘（Cd）、全錳（Mn）、全鉻（Cr）、全鎳（Ni）、全鉛（Pb）、全砷（As）和全汞（Hg）等重金屬污染狀況分別為1.107 mg/kg、888.630 mg/kg、85.880 mg/kg、

48.770 mg/kg、51.035 mg/kg、19.718 g/kg和0.213 g/kg。

1.2 試驗材料

供試莧菜品種共有8個，其來源見表1。

1.3.1 紅圓葉莧菜連續種植對土壤重金屬吸收試驗 選擇30 m×15 m的耕作地于2016年6月種植紅圓葉莧菜，8月下旬（共60 d）將莧菜連根收獲，測定種植前、后土壤及植株內重金屬含量;試驗地閑置至第二年2017年6月，繼續種植紅圓葉莧菜至8月下旬（共60 d），連根收獲莧菜，測定種植前、后土壤及植株內重金屬含量。

1.3.2 不同莧菜品種對重金屬的吸收作用試驗 選擇30 m×20 m的耕作地為試驗地，共設8個不同莧菜品種，每個品種種植1個小區，重復3次，共24個小區，每個小區面積均為25 m2，小區中間間隔為30 cm，小區采用單因素隨機區組設計。于2017年6月開始進行種植，8月下旬（共60 d）對莧菜連根收獲，測定種植前、后土壤及植株內重金屬含量。

1.4 試驗方法

1.4.1 樣品采集方法 土壤樣品采集：進行五點取樣法采集土壤樣品;首先確定取樣點，其次在每個取樣點耕層挖15 cm，沿著切斷面從下往上取適量的土，各個取樣點土層深度，取土厚度和寬窄一致，最后將所取土樣混和均勻;樣品進行自然風干、研磨、過篩（100目），備用待測。

莧菜樣品采集：每個莧菜品種采用“S”形法布點，選取10個采樣點，每個點收集10株莧菜，不破壞莖、葉、根，采集后用蒸餾水清洗，樣品則通過105℃殺青30 min、70℃烘干12 h、粉碎、過篩（40目），備用待測。

1.4.2 樣品測定方法 植株和土壤內重金屬含量測定：硝酸-高氯酸消化各種樣品后，用TAS-990F火焰原子分光光度計對樣品進行重金屬含量測定。

1.4.3 計算方法 （1）地累積指數法。地累積指數法[18]是根據劃分7個污染程度為定量指標（表2），其計算如公式（1）。

Bi為湖南省土壤重金屬元素的平均背景值（mg/kg）（2）重金屬富集系數。重金屬富集系數通常將其作為評判某種植物對某重金屬是否具有富集能力的標準，可以反映出植物對重金屬富集能力的強弱，若富集系數gt;1，則表明該植物對這種重金屬具有一定富集效果，且系數越大，則效果越好[19]。計算如公式（2）。

重金屬富集系數=植物地上部分重金屬含量/土壤（或沉積物）中重金屬含量×100%" " " " " " " " " " " （2）

1.4.4 數據分析 采用Excel 2003和SPSS 19.0軟件進行數據分析。

2 結果與討論

2.1 種植紅圓葉莧菜后耕作地重金屬下降率

由表3可知，通過種植莧菜前后的重金屬含量對比，除重金屬Ni以外，其他重金屬含量均出現下降，耕作地土壤中重金屬下降率高低為：Mn>Cd>

As>Pb>Hg>Cr，Ni在種植莧菜后，含量反而增加了1.146 mg/kg，推測其原因，通常認為土壤酸度或H+濃度增加，使得Ni在粘土礦物上的吸附位減少或被替換出來，從而提高鎳在土壤溶液中的濃度[20]。而試驗中通過對種植莧菜前后的土壤進行pH值檢測比較，發現種植莧菜后的土壤pH值均降低20%，因此導致土壤酸度的增加[21]，致使Ni的吸附減少，出現土壤中Ni上升的現象;而莧菜表現出對重金屬Mn、Cd具有較好的植物吸收能力，耕作地中Mn含量從888.630 mg/kg下降至260.397 mg/kg，下降率為70.69%，Cd含量下降率則為44.72%。

2.2 連續種植紅圓葉莧菜對耕作地中重金屬污染物Cd、Mn的吸收效果

由表4和圖1可知，在未種植紅圓葉莧菜的耕作地中Cd含量達1.107 mg/kg，且通過公式計算得地累積指數為2.5，污染程度為Ⅲ級中度污染，2016年，通過種植紅圓葉莧菜60 d后，耕作地中Cd含量下降至0.612 mg/kg，地累積指數也降至為1.67，污染程度降至Ⅱ級偏中度污染。2017年6月至8月，繼續種植莧菜60 d的情況下，試驗區中耕作地Cd含量從0.648 mg/kg降至0.354 mg/kg，Cd地累積指數由1.69降為0.82，且污染等級也下降為Ⅰ級輕度污染;由表4和圖2同時可看到未種植紅圓葉莧菜耕作地中的Mn含量達888.630 mg/kg，污染指數為0.4，屬于輕度污染，通過種植紅莧菜60 d后，耕作地中Mn含量下降至260.397 mg/kg，污染指數則下降為-1.34，污染等級為無污染;在2017年種植莧菜60 d后，相對于未種植莧菜土壤中的Mn含量則下降速率接近3倍，通過試驗數據分析連續種植莧菜后能夠使輕中度污染土壤修復為無污染土壤;由圖1和圖2還可看出，在對該試驗區進行1 a的閑置時間當中，未種莧菜的對照土壤中出現了Cd、Mn含量減少的現象，推測其原因，可能是由于該試驗區處于河流附近，且當地氣候四季降水較為充足，降雨期間耕作地表面常形成徑流和淋溶，促進了土壤重金屬的流失[22]，因此致使閑置時試驗區中土壤Cd、Mn含量的自然降低。

2.3 不同莧菜品種對耕作地中重金屬污染物Cd、Mn的富集能力比較

由表5可知，8個不同莧菜品種后對耕作地重金屬Cd的富集系數均>1，富集系數最高可達6.30;土壤中Cd含量下降，莧菜植株內Cd含量增加;8個莧菜品種均表現出該種規律（P<0.05），表明土壤中的Cd轉移到了莧菜中，即為莧菜吸收了土壤中的Cd。8個莧菜品種對Mn有一定的富集能力，僅7號品種贛科大圓葉紅莧菜對Mn的富集系數為1.06;且其種植前后莧菜中與土壤中Mn含量變化不顯著，推測其原因，一般認為植物體內對重金屬吸收與轉運主要依靠轉運蛋白[23]，因此可能是由于莧菜植株內轉運蛋白對不同重金屬的轉運存在差別，而使得對Mn重金屬的富集同Cd相比較存在很大差異;與陳艷等[24]在研究不同莧菜品種對重金屬累積差異中的結果相一致，不同種類重金屬間因與植株營養元素相互影響，因此出現積累差異，并不能保證植物內積累重金屬同土壤重金屬下降相平衡。

3 討 論

3.1 莧菜對耕作地重金屬吸收

莧菜對湖南耕作地中多種重金屬污染物均具有一定吸附能力，且吸附效率強弱關系為：Mn>Cd>

As>Pb>Hg>Cr;聶俊華等[25]以葉片葉綠素值、株高、植株含Pb量為Pb富集植物的篩選指標，從36種植物中選出綠葉莧菜能夠作為Pb富集植物，與課題組研究所發現莧菜對耕作地中Pb具有吸收作用相一致。張騫等[26]通過水培實驗研究發現初步確定嚴選紅圓葉莧菜對砷的耐性較強，富集砷的能力最弱，試驗研究在選用紅圓葉莧菜種植后發現其對耕作地土壤重金屬As的吸收具也有較好效果，土壤中As含量下降達22.5%，因此表明莧菜確實具備能在砷污染地區進行種植。連續2 a定期種植情況下，耕作地中重金屬污染物Cd、Mn的含量出現了持續降低的現象，并且使得該地區土壤污染等級變低，表明該品種具有對該地區土壤重金屬污染修復的能力，可望能夠用于鎘污染土壤的植物修復連續長期種植莧菜可使土壤中的重金屬含量逐步下降直至為無污染狀態，起到修復土壤作用。

3.2 不同莧菜品種對耕作地重金屬Mn、Cd富集能力

不同莧菜品種中對耕作地中Cd、Mn、富集能力存在差異，一般認為超富集植物的界定需滿足以下兩個主要因素：（1）植物地上部富集的重金屬應達到一定的量;（2）植物地上部的重金屬含量應高于根部。而各種重金屬在土壤中的豐度及在土壤和植物中的背景值具有很大差異，不同重金屬其超富集植物富集質量分數界限也有所不同。根據采用Baker和Brooks[25]提出的參考值，把植物葉片或地上部（干質量）中含Cd達到100 μg/g，Mn達到10 000 μg/g以上的植物稱為超富集植物，此外植物還應滿足S/R>1的條件即轉運系數（S和R分別指植物地上部和根部重金屬的含量）;范洪黎等[27]在鎘超富集莧菜品種的篩選中證實莧菜品種適合中國生態條件，生長周期短，且有較大生物量，對重金屬Cd富集系數最大達到8.50，地上部凈化率最大為3.8%，基本具備了鎘超富集植物特征，可用于鎘污染土壤的生物修復。此次試驗結果與其基本一致，進一步驗證了莧菜對Cd具有較好的富

集能力。但因他人研究均選擇盆栽試驗進行，而課題組是在耕作地大田自然狀況下開展試驗，這為推廣應用莧菜修復重金屬污染耕作地提供了理論與實踐依據。

3.3 莧菜修復土壤重金屬的后置處理

修復植物后續處置問題，是目前土壤植物修復技術研究的重要內容，也是過去限制莧菜作為重金屬修復植物的問題之一。目前大多以高溫消解為主[28]，但其可能會造成二次污染，且耗費成本較高;根據課題組已獲自主知識產權成果[29-30]，田間收獲的莧菜可繼續提取抑菌活性物，作為植物源農藥用于多種植物病害的生物防治，很好地解決了修復植物后置處理問題，克服了植物修復技術存在的后置處理問題的局限性。其相關研究將陸續報道。另一限制莧菜用于水田耕作地重金屬修復種植的原因是莧菜與水稻栽培同期，因此田間無法同時栽培莧菜和水稻。隨著農業部《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》的實行[31]，湖南省等9個省區41.07萬hm2耕地輪作休耕試點進展順利。因此，在湖南休耕時稻田種植莧菜值得推廣應用。

4 結 論

（1）紅圓葉莧菜對湖南耕作地中多種重金屬污染物均具有一定吸附能力，且隨著連年種植莧菜，土壤重金屬含量逐步減少，甚至可達到無污染程度。表明紅圓葉莧菜具有對該地區土壤重金屬污染修復的能力，因此可將其作為在土地休耕時期的修復性植物，起到循環修復作用。

（2）試驗莧菜品種對Cd的富集系數均>1，基本具備了鎘超富集植物特征，可作為鎘污染土壤的植物修復;部分莧菜品種具有一定程度對土壤中重金屬Mn的吸收能力

（3）將所用于種植耕作地的莧菜收獲后進行活性物提取處理，很好的解決植物修復技術后置處理問題，對減小植物修復技術局限性和提高該技術實際應用具有重要意義。

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（責任編輯：肖彥資）