農(nóng)作物富集土壤重金屬的規(guī)律及其運用

楊海菊

(廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站,廣西南寧530022)

1 引言

農(nóng)作物包括糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物(油料作物、蔬菜作物、嗜好作物)、飼料作物,藥用作物等。農(nóng)作物中重金屬含量是表征其質(zhì)量的重要指標(biāo)。國內(nèi)外對有關(guān)蔬菜和糧食等農(nóng)作物中重金屬含量及其健康風(fēng)險等問題進(jìn)行了大量的研究[1,2]。長期食用受重金屬污染的農(nóng)產(chǎn)品會嚴(yán)重影響人體健康。農(nóng)作物對重金屬元素的富集并不僅僅是無選擇地疊加作用,研究表明：作物的不同種類及同一品種的不同部位對重金屬元素的富集大不相同[3,4]。

2 農(nóng)作物對土壤重金屬的富集特點

2.1 不同農(nóng)作物對重金屬富集能力存在差異

不同的作物種類對重金屬的富集存在差異[5]。根據(jù)作物富集重金屬能力的強(qiáng)弱,可將作物分為低積累型、中等積累型和高積累型。以作物對鎘的積累量來區(qū)分,豆科(大豆、豌豆)屬于低積累型作物,禾本科(水稻、大麥、小麥、玉米、高粱等)屬于中等積累型,十字花科(油菜、蘿卜、蕪箐等)、藜科(唐萵苣、唐甜菜)、茄科(番茄、茄子)、菊科(萵苣)等屬于高積累型作物[6]。

一般來說,蔬菜富集重金屬能力較禾谷類強(qiáng)。一些蔬菜不但可以嗜吸收某種重金屬,而且還具備有特殊富集能力的器官,用來儲存污染物,如砷在胡蘿卜根中的富集,汞在菜豆莢中的富集,鉛、鎘在蘿卜根中的富集,錫在蘿卜葉片中富集等。根據(jù)蔬菜的食用部位分為葉菜類、根莖類、花果類等,以葉菜類富集重金屬能力最大,其次是根莖類,鮮豆類及茄果類富集能力較低。肖細(xì)元等研究發(fā)現(xiàn),在常見蔬菜中,芹菜的砷富集能力最高;蕹菜、茼蒿、芥菜等蔬菜的砷富集系數(shù)次之;菜苔、生菜、菠菜、蒜、蔥、黃秋葵、豇豆、莧菜、茄子的砷富集能力稍低;富集能力最低的為甜菜根、豌豆、花椰菜、韭菜、甜菜、南瓜、紅薯 、冬瓜 、番茄 、四季豆 、大白菜 、胡蘿卜 、洋蔥 、蘿卜 、辣椒、甘藍(lán)、芋頭、土豆等[3]。對于汞元素,以根莖類富集的能力最大,其次為葉菜類、豆類,而茄果類、瓜類汞的富集能力較低;對鉛、鋅的富集,以葉菜類蔬菜最高,果實類蔬菜較低[7]。

此外,還有研究表明,同一種農(nóng)作物的不同基因型吸收重金屬存在差異。如秈型水稻(46個基因型)精米的含鎘量比粳型水稻(39個基因型)精米的含鎘量高[8]。

2.2 不同農(nóng)作物品種對重金屬的富集能力不同

同一作物的不同品種間對重金屬的富集差異顯著。對水稻吸收富集鎘元素的大量研究表明,有些品種是植株和稻谷均屬于高積累型,如 9311(秈稻),有的品種如jia-48(粳稻)植株屬于高積累型,糙米積累鎘含量很低,可選育成為中低鎘積累的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的水稻品種。顧繼光等對玉米、小麥、大麥、煙草、菜心等作物的不同品種間富集鎘的能力進(jìn)行研究,也發(fā)現(xiàn)品種間差異較大[9]。郭曉方等[10]在中度污染土壤上種植云石5號、華農(nóng)1號、樂滿田1號等3種不同玉米品種,云石5號玉米富集重金屬較低。有專家對硬粒小麥進(jìn)行的長期研究表明了低鎘品種具有較低的鎘根冠轉(zhuǎn)移特征,這種低轉(zhuǎn)移特征與較低的木質(zhì)部汁液分泌有關(guān)。

2.3 農(nóng)作物不同部位對重金屬的富集特點

作物不同部位對重金屬的吸收差異較大。一般是新陳代謝旺盛的器官中積累量大,而營養(yǎng)貯存器官中積累量少。劉金林等研究也發(fā)現(xiàn)谷物、蔬菜不同部位吸收土壤重金屬能力具有如下規(guī)律：吸收器官＞同化器官和輸導(dǎo)器官＞繁殖器官。如鎘被植物吸收后,大部分富集在根部,遷移至地上部的一般較少 。水稻、玉米、高粱、小麥 、大豆 、豌豆、黃瓜等對重金屬砷、鎘 、鉛、銅、鋅的吸收能力以根部最大,其次為葉、莖,籽實吸收能力最小[11]。水稻、菜豆根莖吸收鎘的能力較強(qiáng),其中水稻中80%的鎘富集在根部[12],玉米、小麥根對鎘和鋅的吸收量分別占總吸收量的70%～8%,58%～68%,子實分別占1%～10%,9%～25%。而煙草、胡蘿卜等葉片鎘含量較高[13]。

另外,作物的非食用部分富集重金屬的能力常常大于食用部分,如甘蔗、青菜、豌豆的非食用部分鉛、鉻、鋅元素含量高于食用部分。豌豆非食用部分鉛元素含量是食用部分的21倍。甘蔗的蔗葉富集重金屬能力較根莖大,受污染土壤所種植的甘蔗其蔗葉重金屬含量明顯大于根莖的含量[14]。

2.4 農(nóng)作物對不同重金屬富集的差異

作物對不同重金屬吸收和累積存在差異。如小麥對鋅吸收能力大于銅、鉛,對鎘的吸收能力最小;玉米、水稻對銅、鋅富集能力較鉛、鎘大;大白菜、青菜、橄欖、花菜、蘿卜易于富集鋅,辣椒、萵筍等易于富集銅;油菜對鋅、鎘的富集能力較強(qiáng),對鉻、鉛富集能力較弱[15]。

3 土壤環(huán)境對農(nóng)作物富集重金屬的影響

3.1 土壤中重金屬種類及存在形態(tài)的影響

土壤中不同重金屬之間具有加和、拮抗、協(xié)同等作用。鎘—鉛交互作用促進(jìn)鎘向地上部分的遷移,比如鎘—鉛交互作用時使油菜莖葉中鎘的含量明顯高于受鎘單一元素污染的影響,這可能是因為鉛會奪取鎘在土壤中的吸附位,而提高土壤中鎘的有效性,或者取代根中吸附的鎘,促進(jìn)了根中滯留鎘的活性,使鎘進(jìn)一步向莖葉轉(zhuǎn)移。鎘—鉛—銅復(fù)合污染減弱鎘從根部向地上部分的遷移。土壤銅—鎘之間具有協(xié)同作用,在土壤中適量施用銅元素,促進(jìn)小白菜對鎘的吸收富集[16]。鎘—鉛、鎘—鉻以及鎘—鉛—鉻之間均有協(xié)同作用,玉米、小麥各部位的某一種重金屬含量,因另外一種或幾種金屬的共存而增加。

土壤中重金屬存在形態(tài)也會影響作物對重金屬的富集。重金屬存在形態(tài)一般分為水溶交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)5種,交換態(tài)重金屬是植物可吸收利用的主要形態(tài),重金屬在農(nóng)作物中的含量主要取決于土壤中重金屬的有效態(tài),土壤中重金屬有效態(tài)含量的多少直接影響到重金屬在土壤——作物系統(tǒng)中的遷移,影響著作物體中重金屬的含量[17]。

3.2 土壤理化性質(zhì)的影響

作物吸收富集重金屬還受土壤理化性質(zhì)影響,包括pH值、土壤陽離子交換量(CEC)、有機(jī)質(zhì)、土壤顆粒組成等。

3.2.1 土壤pH值

土壤pH值是影響土壤重金屬生物有效性的最顯著因素之一,pH值通過影響重金屬化合物在土壤溶液中的溶解度來影響重金屬的行為。土壤pH值降低,使存在土壤中的以難溶態(tài)形式存在的重金屬溶解、釋放,使土城中重金屬的有效態(tài)含量增加,利于作物的吸收富集,如土壤pH值降低,在一定程度上使蔬菜中重金屬含量增加;升高土壤的pH值,小麥吸收鎘量明顯降低[18]。一般來說,pH值升高降低土壤中大多數(shù)重金屬元素的有效性,也有部分元素變化不是很明顯如可交換態(tài)的銅,但是砷的情況有所不同,其在溶液中常呈陰離子態(tài)存在,當(dāng)pH值在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的條件下,溶解度反而增加。

3.2.2 土壤陽離子交換量(CEC)

土壤陽離子交換量是帶負(fù)電荷的土壤膠體,借靜電引力而對溶液中陽離子所吸附的數(shù)量。土壤中陽離子交換吸附非常普遍,它是土壤中可溶性有效陽離子的主要保存形式。土壤陽離子交換量較高時,可能會提高重金屬在土壤中的有效性,使根表面與根系土壤溶液發(fā)生離子交換量增大,重金屬離子進(jìn)入根部的幾率變大,從而使蔬菜對重金屬的吸收增加。同時,重金屬的形態(tài)在土壤中存在一個向碳酸鹽和鐵錳氧化態(tài)等難溶態(tài)轉(zhuǎn)化的過程。蔬菜等作物根的分泌物不斷溶解碳酸鹽態(tài)、鐵錳氧化態(tài)重金屬,使重金屬的遷移性和有效性增加。

3.2.3 土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)包括腐殖質(zhì)和非腐殖質(zhì),其中腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的主體。腐殖質(zhì)對金屬離子的遷移作用主要表現(xiàn)為有機(jī)膠體對金屬離子有很強(qiáng)的表面吸附與離子交換吸附及螯合作用。如腐殖質(zhì)中胡敏酸可與重金屬形成胡敏酸鹽,大多為難溶的。通過提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量,改變土壤溶液中絡(luò)合、螯合作用,可改變土壤溶液中重金屬的活性,降低作物的吸收。

研究發(fā)現(xiàn),在高污染背景下,添加腐質(zhì)酸等有機(jī)質(zhì)對抑制土壤汞、鎘進(jìn)入蔬菜具有良好的效果[19]。施入有機(jī)肥后土壤中有效態(tài)鎘、鋅的含量明顯降低,降低了植物對鎘、鋅的吸收[20]。在土壤有機(jī)質(zhì)含量較低時,增加有機(jī)質(zhì)的含量,可在一定程度上降低蔬菜中重金屬含量。但土壤中有機(jī)質(zhì)含量過高時,可能導(dǎo)致重金屬的有效性提高,反而使蔬菜中重金屬的含量增加。所以,適量增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量,可減輕土壤中重金屬對農(nóng)作物的污染及遷移。

3.3 土壤N、P、K含量的影響

N、P、K在作物的生長過程中起著至關(guān)重要的作用,但是長期施用對土壤重金屬的生物有效性有很大的影響,包括對重金屬的活化及對重金屬的鈍化。尿素在某些條件下使土壤pH值上升,致使鉛和鎘向相對活性較低的碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化;H2 PO-4通過改變土壤表面電荷增加了鎘的吸附量,這些又都是施肥對重金屬的穩(wěn)定化作用。在土壤中施用磷灰石和KH 2 PO4,影響作物中鋅含量 ,施用 KCl、K2SO4、KNO3,影響水稻對鎘吸收累積,Cl-促進(jìn)水稻吸收鎘,而SO2-4顯著降低水稻對鎘的吸收和糙米中鎘的含量[21]。

4 農(nóng)作物富集土壤重金屬特點的運用

4.1 在開展無公害農(nóng)業(yè)種植區(qū)劃,調(diào)整種植結(jié)構(gòu)方面的運用

利用不同植物及植物的不同器官對重金屬污染的富集特點,指導(dǎo)人們進(jìn)行無公害作物的栽培和生產(chǎn)。在掌握土壤環(huán)境質(zhì)量的基礎(chǔ)上,開展種植區(qū)劃,選擇適宜作物,保證農(nóng)產(chǎn)品的安全。比如,在土壤中砷含量較高區(qū)域,選擇種植玉米或者根莖類蔬菜,避免種植芹菜、蕹菜、茼蒿、芥菜等對砷富集能力較大的作物。在含鎘量較高的土壤中,避免種植青菜等葉菜類,尤其在鎘污染區(qū),慎重選擇種植水稻,其對鎘的富集能力很強(qiáng);在含汞量較高的土壤中,盡量少種植蘿卜、西蘭花、包心菜、茭白等,可選擇種植毛豆、四季豆、番茄、黃瓜等對汞的富集能力相對較低的作物。

4.2 在土壤生態(tài)修復(fù)方面的運用

土壤重金屬污染修復(fù)主要包括工程治理、生物治理(主要是植物修復(fù))、化學(xué)治理等方法,這些方法存在修復(fù)時間長或者費用大等缺點。目前農(nóng)業(yè)治理法在土壤修復(fù)中運用也越來越多。包括在污染土壤上種植不進(jìn)入食物鏈的植物,控制土壤水分、選擇化肥、增施有機(jī)肥、選擇農(nóng)作物品種等措施。根據(jù)某些作物根部對重金屬富集能力較強(qiáng),子實較弱的特點,可以選擇那些根部富集最強(qiáng),而子實富集弱的作物種植在污染區(qū)。因地制宜地種植玉米、水稻、大豆、小麥等,水稻根系吸收重金屬的含量占整個作物吸收量的80%,稻谷吸收量最少,在收獲作物的同時,從土壤中去除根部,集中處理,減輕土壤污染。另外,在污染區(qū)繁育種子(水稻、玉米),移栽至非污染區(qū)種植;或種植非食用作物(高梁、玉米),收獲后從秸稈提取酒精,殘渣壓制纖維板,并提取糠醛,或?qū)堅谱髡託庾髂茉础＿@些措施均可達(dá)到土壤生態(tài)修復(fù)的目的,同時也保證農(nóng)民的收入。

4.3 為選育低富集重金屬農(nóng)作物品種提供依據(jù)

目前有研究報道,已篩選出低富集鎘的花生品種以及低積累/低富集重金屬蔬菜品種[22]。利用農(nóng)作物品種間重金屬富集能力存在差異的特點,為生產(chǎn)上篩選低富集作物品種提供了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),促進(jìn)農(nóng)業(yè)友好型模式的發(fā)展。

[1]宋 波,陳同斌,鄭袁明,等.北京市菜地土壤和蔬菜鎘含量及其健康風(fēng)險分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2006,26(8)：1 343～1 353.

[2]蔡保松,陳同斌,廖曉勇,等.土壤砷污染對蔬菜砷含量及食用安全性的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2004,24(4)：711～717.

[3]肖細(xì)元,陳同斌,廖曉勇,等.我國主要蔬菜和糧油作物的砷含量與砷富集能力比較[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009,29(2)：291～296.

[4]李秀蘭,胡雪峰.上海郊區(qū)蔬菜重金屬污染現(xiàn)狀及累積規(guī)律研究[J].化學(xué)工程,2005(5)：36～ 39.

[5]Punz W F,Sieghardt H.The response of roots of herbaceous plan t specises to heavymetals[J].Envir Exp Bot,1993,33(1)：85～98.

[6]A rthur E,crew s H,Morgan C.Opotim izing plant genetic strategies form inim izingenvironmental contam ination in the food chain[J].International JPhytorem ediation,2000,2(1)：1～ 21.

[7]何江華,柳 勇,王少毅,等.蔬菜對重金屬富集能力的研究-以廣州蔬菜生產(chǎn)基地為例[J].重慶環(huán)境科學(xué),2003,25(12)：4～6.

[8]刁維萍.水稻不同基因型吸收積累鎘的差異及其機(jī)理研究[J].江西科技,2004(6)：17～18.

[9]顧繼光.不同作物品種對重金屬的積累特性及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)安全[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2003(8)：31～ 32.

[10]郭曉方,黃細(xì)花,衛(wèi)澤斌,等.低累積作物與化學(xué)固定聯(lián)合利用中度重金屬污染土壤[J].科研快報,2008(9)：92～93.

[11]周振民.土壤重金屬污染作物體內(nèi)分布特征和富集能力研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2010,21(4)：2～4.

[12]紀(jì)玉琨,李廣賀.作物對重金屬吸收能力的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2006(25)：104～108.

[13]C larke B B,Brennan E.Differential cadm ium acm ulation and phytotoxicity insixteen tobacco ltivars[J].M anagem ent Sociation.1989(39)：1 319～ 1 322.

[14]劉艷紅,張德剛,劉 杰,等.云南個舊錫工礦區(qū)周邊甘蔗植株中重金屬分布特征及污染分析[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2010(8)：242～243.

[15]艾海艦,張 雄,劉翠英,等.陜蒙高速兩旁糧食作物中重金屬含量分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(18)：8 669～8 671.

[16]婁 庭,楊麗娟.土壤重金屬的生物有效性及對植物的毒害作用[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,34(5)：28～ 32.

[17]劉 霞,劉樹慶,王勝愛,等.重金屬復(fù)合污染對土壤微生物生態(tài)特征的影響研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2007(26)：407～410.

[18]祖艷群,李 元.蔬菜中鉛鎘銅鋅含量的影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2003,22(3)：229～292.

[19]陳玉成,趙中金,孫彭壽,等.重慶市土壤-蔬菜系統(tǒng)中重金屬的分布特征及其化學(xué)調(diào)控研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2003,22(1)：44～ 47.

[20]華 珞,陳世寶,白玲玉.有機(jī)肥對鎘鋅污染土壤的改良效應(yīng)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),1998,17(2)：55～ 59,62

[21]依純真,傅桂平,張福鎖.不同鉀肥對水稻鎘吸收和運移的影響[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1996,1(5)：79～84.

[22]單世華,萬書波,李春娟,等.一種熒光定量P鉻技術(shù)篩選低富集鎘花生品種的方法[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2000(5)：51～52.