不同超富集植物對菜田土壤重金屬提取效應(yīng)研究

崔夏倩，張宗迪，奧巖松

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240）

不同超富集植物對菜田土壤重金屬提取效應(yīng)研究

崔夏倩，張宗迪，奧巖松*

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240）

以蜈蚣草、遏藍菜、印度芥菜和龍葵為供試植物，分別用Cu、Zn、Cd和Hg四種重金屬污染土壤進行盆栽模擬試驗，比較了供試植物的生物量、吸收量和富集系數(shù)，以期篩選出適合于特定重金屬的超富集植物。結(jié)果表明：在低中度重金屬污染土壤中，龍葵對Cd的提取效果最好，積累量可達9.39 mg/kg；遏藍菜對Zn的提取效果最好，積累量可達419.20 mg/kg；印度芥菜用于Cu污染土壤最為適宜，積累量可達146.93 mg/kg；印度芥菜對Hg的提取效果最好，積累量可達1.06 mg/kg。

菜地；土壤污染；重金屬污染；超富集植物

近年來，世界各國土壤存在著不同程度的重金屬污染。全球平均每年排放Hg約1.5萬t、Ni約100萬t、Cu約340萬t、Pb約500萬t、Mn約1 500萬t［1］。當(dāng)前我國受Cd、Hg、As、Cu、Zn、Pb污染的耕地面積約2 000萬hm2，每年因重金屬污染而損失的糧食約1 000萬t，經(jīng)濟損失至少達20億元［2］。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌溉用水常受到重金屬污染，且在有機肥中也不可避免地殘留著一定量的重金屬，隨著菜田大量施用有機肥［3］而使其在土壤中發(fā)生富集。迄今在上海市郊區(qū)的一些蔬菜基地已出現(xiàn)了部分重金屬超標(biāo)現(xiàn)象［4］。這些重金屬在蔬菜中也會有一定積累，對人們的健康造成危害［5-6］。因此，菜田土壤的重金屬污染治理已成為全社會亟待解決的問題。

土壤重金屬治理方法主要包括物理治理、化學(xué)治理和生物治理。植物治理法是生物治理中的一種，根據(jù)其原理可以分為植物穩(wěn)定、植物萃取、植物揮發(fā)以及植物促進等幾種技術(shù)［7］。其中植物萃取是指在受到重金屬污染的土壤中連續(xù)種植超富集植物，用其根系將土壤中有害物質(zhì)轉(zhuǎn)移到植物的地上部分，通過收割地上部分物質(zhì)帶走土壤中污染物的一種方法［8］。這種方法所需費用低、不會造成二次污染，十分適用于中低度重金屬污染土壤，且可利用換茬或自然休耕期間進行修復(fù)。迄今為止，國際上已經(jīng)報道的重金屬超富集植物已有500多種［9］，但大多數(shù)研究都是基于土壤重金屬污染濃度超過標(biāo)準(zhǔn)十幾倍乃至幾十倍的背景下，并不符合如今菜田重金屬輕度超標(biāo)的基本現(xiàn)狀。而且并沒有研究找出在同一背景下，對土壤重金屬的最高效提取的超富集植物。

菜田中常見的重金屬超標(biāo)元素有Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Hg和As，其中最嚴重的有Cu、Zn、Cd和Hg這四種元素［10］。本研究選取4種超富集植物作為供試植物，每種菜田主要重金屬模擬兩種污染濃度，最后根據(jù)結(jié)果比較并選取四種主要重金屬元素各自最適合的超富集植物用于菜田治理。

1 材料與方法

1．1 供試土壤

取上海市奉賢區(qū)星輝農(nóng)場的菜田耕層土（0—30 cm）進行調(diào)制，其原土質(zhì)地為粘壤土。將原土過篩（6目），去除植物殘體和較大的石礫，備用。原土的理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of experimental soil

1．2 供試用土調(diào)制

分別將CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O、Cd（NO3）2和HgSO4以特定濃度的溶液加入原土中，使土壤中重金屬元素達到設(shè)計濃度（表2），共設(shè)低、中（T1、T2）兩組水平，對照（CK）為無添加。將樣土充分拌勻，置于容器內(nèi)，頂部覆蓋薄膜，靜置45 d待用。靜置期間保持土壤持水量在30%—40%。靜置完成后，將樣土再次拌勻，裝入花盆（直徑40 cm，高度35 cm）中，每盆土壤的重量為20 kg。

表2 試驗用土中重金屬污染水平設(shè)計Table 2 Set heavy metal concentrations in experimental soilmg·kg－1soil

1．3 試驗設(shè)計

對每種重金屬的不同污染程度樣土，分別配植蜈蚣草（Pteris vittata，種苗由上?；ㄧR園藝公司提供）、印度芥菜（Brassica juncea，種子由上海市嘉定區(qū)蔬菜站提供）、龍葵（Solanum nigrum，種子由中國科學(xué)院生態(tài)所提供）和遏藍菜（Thlaspi caerulescens，種子由上海市嘉定區(qū)蔬菜站提供）。四種供試植物均適宜在上海地區(qū)種植。整體試驗設(shè)3次重復(fù)，計128盆。

1．4 試驗實施

在上海市星輝蔬菜有限公司溫室內(nèi)對遏藍菜、龍葵和印度芥菜進行育苗。全部試材達到株高15 cm左右時，統(tǒng)一移至預(yù)裝好的花盆內(nèi)，每盆5株。按重金屬種類不同將花盆在試驗大棚內(nèi)擺成四列，相鄰兩列間隔80 cm，每列中相鄰花盆間隔30 cm。試驗期間，植株及水分管理按常規(guī)管理。

1．5 調(diào)查取樣方法

定植45 d后，將四種供試植物全部收割，統(tǒng)一測試各種供試植物在四種重金屬的不同污染水平下的生物量、吸收量和富集系數(shù)。

1．6 樣品測定與方法

1.6.1 植物樣品前處理

將采集的植物樣品用自來水沖洗干凈，瀝去水分。Hg污染的植物樣品，殺青溫度為70℃，時間為0.5 h，隨后在50℃下烘干至恒重。其他植物樣品殺青溫度為105℃，時間為0.5 h，后在70℃下烘干至恒重。分別將烘干后的植物樣品粉，過100目篩，備用。

1.6.2 植物體內(nèi)重金屬含量測定方法

植物體內(nèi)Hg含量測定方法：采用原子吸收分光光度法。稱取0.5 g植物樣品，放入消化罐，再加5 mL HNO3、1.5 mL HF，靜置過夜，加入1 mL H2O2，將消化罐放入烘箱內(nèi)，160℃下消化4 h，自然冷卻轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶，定容后轉(zhuǎn)入50 mL離心管，放入4℃冰箱內(nèi)冷藏待測，用原子吸收分光光度法測定（AA-6800原子吸收分光光度儀，日本島津公司）。

植物體內(nèi)Zn、Cu、Cd的測定方法：采用原子吸收分光光度法。稱取0.5 g植物樣品，置于燒杯中，加混酸（HClO4∶HNO3＝1∶4，V/V）10 mL，加玻璃片浸泡過夜，翌日，置于電爐上消解至溶液完全透明（消解期間可加入混酸）后定容到25 mL容量瓶中，定容后轉(zhuǎn)入50 mL離心管中，用原子吸收分光光度法測定（AA-6800原子吸收分光光度儀，日本島津公司）。

1．7 數(shù)據(jù)處理

樣品測試數(shù)據(jù)結(jié)果，用Microsoft Excel 2007和SAS統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同超富集植物對Zn的富集特性

Zn污染土壤上四種富集植物植株定植45 d后的生長量結(jié)果如圖1所示。與對照相比，遏藍菜、龍葵和印度芥菜的植株生長量在處理間（CK、T1、T2）均無顯著性差異；T1、T2處理下的蜈蚣草，其生物量與CK相比有所降低。

四種供試植物體內(nèi)Zn含量測定結(jié)果（圖2）表明，四種供試植物體內(nèi)Zn含量高低為：遏藍菜＞龍葵＞印度芥菜＞蜈蚣草，其中，遏藍菜的積累量達到303.17 mg/kg和419.20 mg/kg，遠大于其他三種供試植物。

圖1 不同超富集植物在Zn污染土壤下的生長量Fig．1 Growth quantities of different hyperaccumulators in Zn polluted soil

圖2 不同超富集植物對Zn的提取效應(yīng)Fig．2 Absorbing effects of different hyper-accumulators on Zn

2．2 四種供試植物對Cu的富集特性

Cu污染土壤上四種富集植物植株定植45 d后的生長量結(jié)果如圖3所示。與對照相比，龍葵和印度芥菜的植株生長量在處理間（CK、T1、T2）均無顯著性差異；T1、T2處理下的蜈蚣草和遏藍菜，其生物量與CK相比有所降低。

四種供試植物體內(nèi)Cu含量測定結(jié)果（圖4）表明，四種供試植物體內(nèi)Cu含量高低為：印度芥菜＞遏藍菜＞龍葵＞蜈蚣草，其中，印度芥菜的積累量達到130.37 mg/kg和146.93 mg/kg，遠大于其他三種供試植物。

2．3 四種供試植物對Cd的富集特性

在Cd污染土壤上四種富集植物植株定植45 d后的生長量結(jié)果如圖5所示。與對照相比，四種供試植物的植株生長量在處理間（CK、T1、T2）均無顯著性差異。

四種供試植物體內(nèi)Cd含量測定結(jié)果如圖6所示，圖中表明，四種供試植物體內(nèi)Cd含量高低為：龍葵＞遏藍菜＞印度芥菜＞蜈蚣草；其中，龍葵的積累量達到5.73 mg/kg和9.39 mg/kg，遠大于其他三種供試植物。

圖3 不同超富集植物在Cu污染土壤下的生長量Fig．3 Growth quantities of different hyperaccumulators in Cu polluted soil

圖4 不同超富集植物對Cu的提取效應(yīng)Fig．4 Absorbing effects of different hyper-accumulators on Cu

圖5 不同超富集植物在Cd污染土壤下的生長量Fig．5 Growth quantities of different hyperaccumulators in Cd polluted soil

圖6 不同超富集植物對Cd的提取效應(yīng)Fig．6 Absorbing effects of different hyper-accumulators on Cd

2．4 四種供試植物對Hg的富集特性

Hg污染土壤上四種富集植物植株定植45 d后的生長量結(jié)果如圖7所示。與對照相比，遏藍菜、蜈蚣草和印度芥菜的植株生長量在處理間（CK、T1、T2）均無顯著性差異；T1、T2處理下的龍葵，其生物量與CK相比有所降低。

四種供試植物體內(nèi)Hg含量測定結(jié)果（圖8）表明，四種供試植物體內(nèi)Hg含量高低為：印度芥菜＞遏藍菜＞龍葵＞蜈蚣草，其中，印度芥菜的積累量達到0.68 mg/kg和1.06 mg/kg，遠大于其他三種供試植物。

圖7 不同超富集植物在Hg污染土壤下的生長量Fig．7 Growth quantities of different hyperaccumulators in Hg polluted soil

圖8 不同超富集植物對Hg的提取效應(yīng)Fig．8 Absorbing effects of different hyper-accumulators on Hg

3 討論

用超富集植物提取菜田重金屬的過程中，根據(jù)污染濃度的不同，選用更高效、合理的超富集植物進行治理，可以大大縮短治理年限且不影響菜田正常種植，保證了人們的食品安全，是非常值得研究的問題。

從表3可知，在低濃度重金屬污染的菜田中，遏藍菜對Zn的富集系數(shù)為0.89、1.01和0.70，印度芥菜對Cu的富集系數(shù)達到0.93、1.30和0.73，龍葵對Cd的富集系數(shù)高達1.43、5.67和4.70，印度芥菜對Hg的富集系數(shù)為1.67、0.68和0.53。所以，治理Zn、Cu、Cd和Hg污染的菜田可分別用遏藍菜、印度芥菜、龍葵和印度芥菜三種超富集植物。

重金屬富集系數(shù)計算式為：

式中：Cp——植物地上部分重金屬含量；Cs——沉積物中重金屬含量；BCF——植物對沉積物中重金屬的富集特征。

表3 不同重金屬污染土壤中不同供試植物的富集系數(shù)Table 3 Enrichment factors of different hyper-accumulators in various heavy metal polluted soils

在實施植物修復(fù)工程中，在中低度污染菜田上，按蔬菜輪作休耕期為2個月，平均可收獲的超富集植物生物量以干重計，龍葵、印度芥菜、遏藍菜分別可達6 000 kg/hm2、3 750 kg/hm2、3 000 kg/hm2。由此可推算出，對Hg、Zn和Cu污染菜田土壤，僅需3年即可修復(fù)到污染閾值以下，而對Cd污染土壤則僅需2年。

根據(jù)不同超富集植物的生長特性，可選用兩種不同的超富集植物在不同的季節(jié)進行治理，從而提升治理效果。對于Zn污染菜田土壤，除遏藍菜對其有較好的治理效果外，龍葵對其治理效果也較好，且龍葵可耐高溫，則在夏季選擇使用龍葵，秋冬季選擇使用遏藍菜也可提高Zn污染菜田土壤的治理效率。

4 結(jié)論

在中輕度菜田重金屬污染中，針對Zn污染可應(yīng)用遏藍菜進行治理，針對Cu和Hg污染可應(yīng)用印度芥菜，針對Cd污染可應(yīng)用龍葵進行治理。

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（責(zé)任編輯：程智強）

Absorbing effects of hyper-accumulators on heavy metal in vegetable field

CUI Xia-qian，ZHANG Zong-di，AO Yan-song*
（School of Agriculture and Biology，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Pot experiments of Pteris vittata，Thlaspi caerulescens，Brassica juncea and Solanum nigrum were conducted with soils polluted respectively by Cu，Zn，Cd and Hg，and those plants’biomass，absorbing capacities and enrichment coefficients were compared so as to select a suitable hyper-accumulator absorbing a specified heavy metal.The results showed that S.nigrum had the best effect on absorbing Cd in soil polluted by low/ medium-concentration heavy metal，and its cumulant could be up to 9.39 mg/kg；T.caerulescens had the best absorbing ability of Zn，and its cumulant could be up to 419.20 mg/kg；B.juncea was the most suitable to Cupolluted soil，and its cumulant could be up to 146.93 mg/kg；B.juncea was also the best accumulator of Hg，and its cumulant could be up to 1.06 mg/kg.

Vegetable field；Soil pollution；Heavy metal pollution；Hyper-accumulator

X53；S156

A

1000-3924（2016）06-059-05

2015-12-01

上海市科技興農(nóng)重點攻關(guān)項目［滬農(nóng)科攻字（2014）第5-2號］

崔夏倩（1990—），女，在讀碩士，研究方向：污染土壤的植物修復(fù)。E-mail：cuixiaqian3516＠163.com

*通信作者，E-mail：shanghaijt＠hotmail.com