閩中南紅麻種植田土壤重金屬含量及其富集特征

李豐濤，祁建民，2，牛韶華，方平平，林荔輝，陶愛(ài)芬，徐建堂，2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)作物遺傳育種與綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州350002;2.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州350002)

隨著我國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)的快速發(fā)展，農(nóng)田土壤重金屬污染問(wèn)題日益突出，對(duì)糧食和蔬菜食品安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注［1－4］.福建省菜園土壤存在不同程度的重金屬污染，主要污染元素為Pb、Hg和Cd，其污染源主要來(lái)自土壤母質(zhì)和大量施用的農(nóng)藥和化肥［5］.目前福建城市垃圾、垃圾滲濾液及其浸蝕土壤存在較嚴(yán)重的重金屬污染，與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(2級(jí))相比，垃圾滲濾液浸蝕土壤重金屬超標(biāo)［6］.福建省福州市、泉州市、漳州市、龍巖市、三明市、建陽(yáng)縣等6個(gè)市縣耕地土壤也存在著不同程度的重金屬污染，重金屬可浸提態(tài)含量占全量的10.0% －52.2%［7］.我國(guó)受重金屬污染的耕地面積已占污灌區(qū)面積的64.8%［8］，閩中南是福建重要的果蔬生產(chǎn)基地.其中，福建漳浦前亭鎮(zhèn)是沿海較大的火山爆發(fā)地之一，其噴發(fā)出的火山土覆蓋周邊幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，農(nóng)田山地重金屬狀況及污染修復(fù)亟待研究.

對(duì)環(huán)境干擾少、修復(fù)成本低，且能大面積推廣應(yīng)用的土壤修復(fù)技術(shù)——植物修復(fù)［9］，一般包括4種類(lèi)型:植物提取、植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)和根際過(guò)濾.尋找和篩選重金屬超富集植物及重金屬耐性植物是技術(shù)的研究熱點(diǎn)，但是大多數(shù)富集重金屬效率高的植物都存在生物量偏小的先天性缺陷［10］，因而其吸收重金屬總量也較少.因此，探尋生物量大、高富集重金屬、耐性較強(qiáng)的植物，對(duì)土壤污染修復(fù)有重要意義.紅麻(Hibiscus cannabinusl)是錦葵科木槿屬一年生韌皮纖維作物，具有耐旱、耐鹽堿、速生、生物產(chǎn)量高、根系發(fā)達(dá)、抗逆性強(qiáng)等特性，其生物產(chǎn)量為林木的3－4倍，二氧化碳吸收能力為森林的3－4倍以上［11］，4個(gè)月生長(zhǎng)周期內(nèi)，干物質(zhì)量≥25.5 t·hm－2，排氧量≥26557 kg·hm－2，二氧化碳吸收量≥36517.8 kg·hm－2，在麻紡、造紙、汽車(chē)內(nèi)襯、可降解地膜、板材、麻塑、麻碳、麻油、動(dòng)物飼料和藥用等領(lǐng)域被廣泛開(kāi)發(fā)利用，是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)作物.有研究資料表明紅麻對(duì)鉛、銅都有較高的富集作用［12，13］.本研究主要檢測(cè)福建部分山地農(nóng)田重金屬含量，分析種植紅麻對(duì)修復(fù)土壤污染的潛能，為土壤重金屬污染的修復(fù)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料及種植地點(diǎn)

植物材料為福建農(nóng)林大學(xué)選育的高產(chǎn)紅麻新品種福紅952.種植地點(diǎn):莆田市白沙鎮(zhèn)某村(A)、閩侯縣白沙鎮(zhèn)某村(B)、漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村(C)和龍海縣龍文鎮(zhèn)某村(D)的農(nóng)田或山地土壤.

莆田市白沙鎮(zhèn)位于北緯 25°23'－25°27'、東經(jīng) 119°04'－119°10'，年降水量 1300 mm;主要作物為水稻和果蔬，灌溉水源來(lái)自水庫(kù)，沒(méi)有污染源.閩侯縣白沙鎮(zhèn)位于北緯 25°47'－26°37'，東經(jīng) 118°51'－119°25'，農(nóng)田四周多是丘陵環(huán)繞，灌溉水源上游有畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)，年平均降水量為1673.9 mm.漳浦縣前亭鎮(zhèn)位于北緯 24°6'－24°32'、東經(jīng) 117°35'－117°58'，為山地，褐壤土(火山土)，其中年平均降雨量 1524.7 mm;龍?？h龍文鎮(zhèn)土壤為沙壤土，位于北緯 24°35'－24°41'、東經(jīng) 117°21'－117°33'，平均降水量為 1450 mm.

1.2 采樣與分析

1.2.1 紅麻種植區(qū)生物產(chǎn)量測(cè)定及樣品采集 每個(gè)地點(diǎn)選取3個(gè)土壤采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)(15 m×15 m)采集0－20 cm表層土壤樣品，各采集點(diǎn)土壤采用四分法取舍，剔除植物殘?bào)w和石塊，保留1 kg土樣，用自封樣品袋包裝標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后，研磨并過(guò)80目篩［14］.

在對(duì)應(yīng)的土壤采樣點(diǎn)內(nèi)隨機(jī)選擇20株全株拔起測(cè)產(chǎn)，做好標(biāo)簽帶回實(shí)驗(yàn)室，105℃殺青0.5 h，65℃烘干至恒重［15］.本實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)地點(diǎn)內(nèi)紅麻種植面積都在3 hm2以上，品種為紅麻福紅952.

1.2.2 樣品處理與分析 將紅麻樣品分為地上部(莖和葉)和地下部根系，用磨碎機(jī)研磨，過(guò)120目篩.將樣品委托福建省地質(zhì)測(cè)試研究中心測(cè)定，土壤樣品用王水——高氯酸法消化，植物樣品用硝酸——高氯酸法消化［16］;采用 ICP-MS［14］測(cè)定土壤和植物樣品中的重金屬 Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd.土壤重金屬生物有效態(tài)采用 DTPA 溶液(0.005 mol·L－1DTPA+0.01 mol·L－1CaCl2·2H2O+0.1 mol·L－1TEA，pH 7.3，水土比為5∶1)進(jìn)行提?。?5］.每個(gè)樣品平行3份，同時(shí)做空白試驗(yàn)，并以國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 07423)進(jìn)行全過(guò)程質(zhì)量控制［17］.

紅麻樣品富集系數(shù)=植株中某種重金屬含量/土壤中某種重金屬全量;紅麻樣品轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=地上部某種重金屬含量/地下部某種重金屬含量;紅麻樣品某種重金屬遷移總量=植株地上部某種重金屬含量×植株地上部生物量.

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤重金屬全量

4個(gè)調(diào)查地區(qū)中，莆田市白沙鎮(zhèn)某村、龍?？h龍文鎮(zhèn)某村和閩侯縣白沙鎮(zhèn)某村土壤類(lèi)型為酸性土，漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村土壤類(lèi)型為火山灰質(zhì)土.除莆田白沙某村Cu全量的平均值較低外，其他3個(gè)地區(qū)均超過(guò)福建省和全國(guó)的土壤元素背景值(表1)，其中閩侯縣白沙鎮(zhèn)某村分別是福建省和全國(guó)土壤元素背景值的2.2倍和2.4倍，漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村分別是二者的2.4倍和2.5倍，并且漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村(61.1 mg·kg－1)超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618－1995)［18］的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)50 mg·kg－1;土壤Pb全量的平均值僅漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村低于福建省和全國(guó)土壤元素背景值，其中莆田市白沙鎮(zhèn)某村分別是二者的2.2倍和3.5倍，閩侯縣白沙鎮(zhèn)某村分別是二者的1.8倍和3.1倍;漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村農(nóng)田土壤Cr(187.1 mg·kg－1)和Ni(109.5 mg·kg－1)全量的平均值分別是福建省土壤元素背景值的4.5倍和7.6倍，是全國(guó)土壤元素背景值的2.9倍和4.9倍，超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Cr 150 mg·kg－1、Ni 40 mg·kg－1).結(jié)果表明，福建漳浦前亭鎮(zhèn)農(nóng)田Cr和Ni嚴(yán)重超標(biāo)，應(yīng)引起關(guān)注和警惕，需對(duì)土壤修復(fù)治理.

表1 4個(gè)地區(qū)土壤的基本理化性質(zhì)1)Table 1 Properties of soils from the four areas of farmland

2.2 土壤重金屬有效態(tài)含量

盡管某些農(nóng)田土壤中一些重金屬全量不高，但有效態(tài)含量偏高(圖1)，這與農(nóng)田過(guò)度使用化學(xué)肥料、農(nóng)藥及除草劑有極大關(guān)系［20］，此外還與土壤形成的原始環(huán)境條件有關(guān).莆田市白沙鎮(zhèn)某村農(nóng)田土壤Pb有效態(tài)含量為22 mg·kg－1，占該重金屬全量的27.4%，Cd有效態(tài)含量占重金屬全量的27.80%;閩侯縣白沙鎮(zhèn)某村土壤Cu有效態(tài)含量為3.12 mg·kg－1，占全量的6.89%，Cd有效態(tài)含量占重金屬全量的25.49%;龍?？h龍文鎮(zhèn)某村農(nóng)田土壤Zn有效態(tài)含量為12.69 mg·kg－1，Cd有效態(tài)含量占重金屬全量的24.79%.漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村農(nóng)田土壤Cu有效態(tài)含量占重金屬全量的5.3%，Cd有效態(tài)含量比例為16.10%，該地區(qū)為火山土質(zhì)，很多重金屬以有效態(tài)存在，可能是其有效態(tài)含量偏高的主要因素之一.

圖1 土壤重金屬有效態(tài)含量Fig.1 The content of available heavy metals in four areas

2.3 紅麻體內(nèi)重金屬含量

除了重金屬Cd之外，其他5種重金屬在根部含量都大于地上部含量，說(shuō)明紅麻由根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱(表2).與其他重金屬相比，紅麻對(duì)Pb和Zn的富集能力較強(qiáng)，莆田市白沙鎮(zhèn)某村的紅麻根部含量分別為20.95和96.53 mg·kg－1.采集區(qū)內(nèi)土壤重金屬含量越高，紅麻體內(nèi)中重金屬含量就越高，但漳浦土壤重金屬Zn和Cr含量比莆田白沙土壤低，而莆田白沙紅麻樣品體內(nèi)重金屬總量是漳浦的2倍，這與莆田白沙土壤中Zn和Cr生物有效態(tài)高于漳浦有關(guān).因此，紅麻體內(nèi)重金屬含量與土壤中重金屬的存在形態(tài)有密切相關(guān)性.

表2 紅麻體內(nèi)重金屬含量1)Table 2 Heavy metals content in kenaf mg·kg－1

2.4 土壤重金屬有效態(tài)含量與紅麻體內(nèi)重金屬含量的相關(guān)性分析

由表3可知，Cu、Zn、Cd、Pb、Cr和Ni有效態(tài)含量與紅麻體內(nèi)重金屬含量之間呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān)性，尤其是Cd和Pb，說(shuō)明紅麻對(duì)Cd和Pb可能具有協(xié)同吸收作用.

表3 土壤重金屬有效態(tài)含量與紅麻體內(nèi)重金屬含量的相關(guān)性分析1)Table 3 Correlation matrix for heavy metals concentration in kenaf and available heavy metals content in soil

2.5 紅麻對(duì)土壤重金屬富集和轉(zhuǎn)運(yùn)特征

在4個(gè)樣點(diǎn)中，紅麻對(duì)Pb、Cr和Ni的富集系數(shù)＜1，但是Cd在土壤中移動(dòng)性大，毒性高，盡管勘測(cè)的土壤中Cd濃度較小，但在4個(gè)樣點(diǎn)中，Cd的富集系數(shù)＞1;在莆田白沙，Cu的富集系數(shù)為1.37，其他3個(gè)樣點(diǎn)＜1;莆田市白沙鎮(zhèn)某村和漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村Zn的富集系數(shù)分別為1.42和1.17.說(shuō)明紅麻從土壤中富集重金屬的能力較強(qiáng).

綜合分析表明，漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村和龍?？h龍文鎮(zhèn)某村紅麻對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為1.27和1.56，其他重金屬＜1.說(shuō)明紅麻根部富集了大量重金屬元素，對(duì)去除土壤中的重金屬元素起到了很好的固定作用.

圖2 紅麻對(duì) Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.2 The bioaccumulation factor and transfer factor of Cu，Pb，Zn，Cd，Ni，Cr in kenaf

2.6 紅麻干物質(zhì)產(chǎn)量及對(duì)重金屬的吸收總量

紅麻干物質(zhì)產(chǎn)量最高的是漳州龍文地區(qū)根部和地上部，分別為7.1和37.3 t·hm－2(表4、表5)，說(shuō)明紅麻生物量遠(yuǎn)大于很多其他超富集植物.當(dāng)然，這些超富集植物對(duì)重金屬污染地區(qū)的植物修復(fù)作用也不容忽視［21］.

表4 紅麻地上部干物質(zhì)的產(chǎn)量及重金屬累積量1)Table 4 Dry matter and heavy metals accumulation in kenaf shoots

表5 紅麻根部干物質(zhì)的產(chǎn)量及重金屬累積量1)Table 5 Dry matter and heavy metals accumulation in kenaf roots

漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村紅麻地上部的Ni和Cr累積總量為81.6和64.3 g·hm－2，莆田市白沙鎮(zhèn)某村紅麻地上部對(duì)Cu和Pb累積量最高，分別為177.9和124.8 g·hm－2;漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村紅麻地上部的Zn累積量最高為509.3 g·hm－2(表4).紅麻根部對(duì)重金屬 Pb和 Zn的累積量分別為138.6和633.4 g·hm－2，并且Zn在紅麻體內(nèi)的總累積量達(dá)到了1021.1 g·hm－2;漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村紅麻根部的Cr和Ni累積量最高，分別為40.7 和31.5 g·hm－2(表5).

由于土壤并未嚴(yán)重污染，故可供紅麻吸收的重金屬量不足，可能由于轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)較低，在一定程度上限制了紅麻對(duì)土壤重金屬的累積量.

3 討論

在紅麻植物修復(fù)研究方面，王國(guó)慶等［12］研究了紅麻對(duì)Cu的吸收和富集效應(yīng)，預(yù)測(cè)在Cu污染土壤上種植紅麻，可望實(shí)現(xiàn)紅麻纖維的安全生產(chǎn)，同時(shí)有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)輕度Cu污染土壤的植物穩(wěn)定和吸取修復(fù).Wai et al［13］以沙尾礦的土壤做介質(zhì)，通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)研究紅麻在施肥和非施肥條件下對(duì)Pb的吸收和富集特征.結(jié)果表明，Pb主要富集在根、莖和種子，葉中含量很少，施肥可增加紅麻地上部生物產(chǎn)量和Pb吸收量，說(shuō)明施肥可提高重金屬Pb的植物有效吸收率.本研究首次以重金屬超標(biāo)的農(nóng)田土壤為介質(zhì)，初步研究紅麻對(duì)多種重金屬吸收和富集，結(jié)果表明紅麻具備一定修復(fù)土壤的能力.

在漳浦縣前亭鎮(zhèn)某村的農(nóng)田中，Cu、Cr和Ni含量都超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，重金屬全量是影響重金屬形態(tài)含量的主要因素，而且某些重金屬在外界可變環(huán)境下，如酸雨、堆肥使用、農(nóng)藥化肥等［22－25］都會(huì)使重金屬生物有效態(tài)含量升高，影響當(dāng)?shù)鼐用竦氖称钒踩?如果植物地上部分對(duì)重金屬富集量大于根部，則可用于植物提取修復(fù)，如果植物吸收的重金屬大部分富集在根部，則可用于植物固定修復(fù)，如果植物吸收重金屬少而又在污染基質(zhì)中生長(zhǎng)旺盛、生物量大，則可用于植被重建［26，27］.在研究中，大部分采樣區(qū)內(nèi)的紅麻對(duì)Pb、Cr、Zn、Cu、Ni的轉(zhuǎn)移系數(shù)＜1，且根部重金屬含量是地上部重金屬含量的2－8倍，說(shuō)明紅麻是典型的固定修復(fù)植物類(lèi)型［27］;紅麻根部對(duì)重金屬累積量的貢獻(xiàn)并不低于地上部，這與蔡慶生等［28］研究大麻和花生根部具有較高重金屬累積量的結(jié)果一致.

植物修復(fù)將成為修復(fù)土壤重金屬污染的重要方法.用于修復(fù)土壤重金屬污染的植物必須具備較高的地上部干物質(zhì)產(chǎn)量，才能保證植物體內(nèi)的重金屬累積量，包括紅麻在內(nèi)的很多能源植物都具備較高的地上部干物質(zhì)產(chǎn)量.佘瑋等［26］對(duì)湖南省石門(mén)、冷水江、瀏陽(yáng)3個(gè)礦區(qū)土壤和苧麻體內(nèi)重金屬進(jìn)行測(cè)定和分析，其中瀏陽(yáng)礦區(qū)苧麻地上部干物質(zhì)產(chǎn)量最大(15.7 t·hm－2)，而紅麻地上部在漳州龍文地區(qū)為37.3 t·hm－2;但苧麻地上部對(duì) Cd、Pb、Zn 和 Cu 最大累積量分別為 0.11、1.17、6.71、1.69 kg ·hm－2，苧麻取材于礦區(qū)是其高于紅麻累積量的主要原因.因此，要進(jìn)一步研究紅麻對(duì)重金屬的富集能力，必須在污染區(qū)種植紅麻或盆栽紅麻.

4 結(jié)論

閩中南4個(gè)紅麻種植區(qū)中，都有重金屬超出福建省土壤元素背景值或全國(guó)土壤元素背景值，此外漳浦縣前亭鎮(zhèn)農(nóng)田的Cr和Ni超標(biāo)較嚴(yán)重.紅麻干物質(zhì)產(chǎn)量高，這種優(yōu)良品質(zhì)是進(jìn)一步研究其超富集能力和重金屬累積量的關(guān)鍵.

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