籽粒莧修復(fù)土壤重金屬污染研究進(jìn)展

谷 雨 ，黃鐵平，唐珍琦，李明德，吳海勇，周峻宇，劉瓊峰

（1湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125；2湖南省土壤肥料工作站，長沙 410006）

0 引言

土壤重金屬污染具有累積性、隱蔽性、不可降解性、分布不均勻性、長期性、地域性等特點(diǎn)，修復(fù)治理難度大[1-2]。土壤重金屬污染不僅導(dǎo)致作物產(chǎn)量減產(chǎn)，還可進(jìn)入食物鏈嚴(yán)重危害人體健康[3]。植物修復(fù)技術(shù)是一種環(huán)境友好型修復(fù)技術(shù)，利用植物對土壤中的重金屬進(jìn)行吸收和固定達(dá)到凈化土壤的目的，具有廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。目前發(fā)現(xiàn)重金屬超富集植物的數(shù)量約500多種，占已知品種的0.2%左右。然而，很多超積累植物因?yàn)樯L速度緩慢、植株矮小、生物產(chǎn)量低等特點(diǎn)，極大地制約了其修復(fù)污染土壤的效率，而且還有許多具有超積累重金屬特性的植物尚未被發(fā)現(xiàn)[6-9]。因此，篩選出生長周期短、生物量大、適應(yīng)性強(qiáng)的高效超積累植物具有重要意義。

籽粒莧(Amaranthus hypochondriacus)是一年生的草本植物，在國內(nèi)的種植區(qū)域很廣，具有生長速度快、生物量大、易栽培、適應(yīng)性強(qiáng)、營養(yǎng)成分高等特點(diǎn)，是一種優(yōu)良的修復(fù)重金屬污染土壤的超富集植物[10-11]。目前，國內(nèi)外對籽粒莧在飼料、食品加工、品種選育方面的研究較多，國內(nèi)經(jīng)篩選收集的籽粒莧優(yōu)良品種已超過400 個，但對其修復(fù)土壤重金屬污染進(jìn)行系統(tǒng)研究較為少見[10-16]。筆者綜述了近年籽粒莧修復(fù)土壤重金屬污染的研究進(jìn)展，旨在為將籽粒莧進(jìn)一步應(yīng)用于修復(fù)土壤重金屬污染提供參考。

1 籽粒莧概況

1.1 籽粒莧特性

籽粒莧是莧科莧屬一年生草本植物，起源于中美洲和東南亞地區(qū)，主要有繁穗莧、尾穗莧和綠穗莧等品種。籽粒莧為C4植物，葉寬大、柔軟，直立，主莖粗壯，可高達(dá)2～3 m，莖頂有30～70 cm的大花穗，通過風(fēng)媒或蟲媒傳粉，播種后2.5～3個月結(jié)籽，籽粒細(xì)小，顏色為淡白、淡黃、橙黃或黑色。籽粒莧適應(yīng)性強(qiáng)，具有耐旱、耐鹽堿、耐貧瘠土壤的特點(diǎn)，在國內(nèi)北方地區(qū)種植較多，生育期可進(jìn)行多次收割，其鮮草產(chǎn)量達(dá)到130 t/hm2[17-18]。

1.2 籽粒莧栽培

籽粒莧可采用直播或育苗移栽。播種時可用細(xì)沙土拌種，可點(diǎn)播、條播、撒播，播種深度1～2 cm，覆土深度1～2 cm，或覆一層草木灰，上面蓋稻草。籽粒莧春、夏、秋都可播種，一般為4月中旬—5月初旬，適宜溫度為15℃。育苗移栽一般在苗高15～20 cm進(jìn)行，每公頃用量0.4 kg，直播用量不多于0.7 kg。苗期需及時中耕除草，合理施加肥料[19-20]。

1.3 籽粒莧利用價(jià)值

籽粒莧營養(yǎng)價(jià)值豐富，具有藥、食、飼、肥、點(diǎn)綴景區(qū)等多種用途。籽粒莧含有多種微量元素和礦質(zhì)元素，富含蛋白質(zhì)、氨基酸、不飽和脂肪酸等，不僅是豬、雞、鴨和牛等動物的優(yōu)質(zhì)飼料，也可加工為人類食品。另外，籽粒莧籽實(shí)中含有角鯊烯、多酚類、黃酮類等功能性成分，可提取制成藥物，具有抗氧化、降低血糖、降血脂和膽固醇等功能。籽粒莧吸收鉀的能力強(qiáng)，可作天然富鉀綠肥使用。籽粒莧吸收累積重金屬的能力較好，在修復(fù)重金屬污染土壤上具有較大的應(yīng)用潛力[11]。

2 籽粒莧在土壤修復(fù)中的應(yīng)用

2.1 籽粒莧對鎘的富集

鎘是一種毒性很強(qiáng)的非必需重金屬元素，在環(huán)境中難以被降解。鎘被作物吸收后，通過進(jìn)入食物鏈容易富集生物體內(nèi)，嚴(yán)重威脅動物和人類的健康生存。自然因素和人類活動（工業(yè)“三廢”、礦產(chǎn)開發(fā)和加工、農(nóng)藥農(nóng)膜大量使用等）是其主要來源[21-22]。周啟星等[23]于1995 年在沈陽張土污灌區(qū)研究，發(fā)現(xiàn)莧科植物（尤其是野生莧）是富鎘植物，通過收獲富鎘莧科植物，可達(dá)到治理和減輕鎘污染的目的。Chunilall等[24]研究也發(fā)現(xiàn)，食用紅葉莧菜和綠葉莧菜對鎘有很強(qiáng)的富集作用。

龍玉梅等[25]通過溫室盆栽試驗(yàn)比較籽粒莧、龍葵、商陸、青葙4種植物對鎘污染土壤修復(fù)效果，結(jié)果表明在廣西河池土壤（鎘含量為22.44 mg/kg）中，4 種植物可收獲的鎘含量總量由高到低順序?yàn)樽蚜Ｇ{＞青葙＞商陸＞龍葵。谷雨等[26]通過在湖南省長株潭休耕區(qū)輕、中、重度鎘污染農(nóng)田開展小區(qū)試驗(yàn)，研究6 種植物（籽粒莧、商陸、甜高粱、生物質(zhì)高粱、玉米、油葵）對土壤中鎘的富集特性，發(fā)現(xiàn)籽粒莧地上部重金屬鎘的含量和對鎘的富集系數(shù)均最高。

在鎘污染土壤中，鎘的濃度會對籽粒莧的生長發(fā)育產(chǎn)生影響。李凝玉等[27]研究發(fā)現(xiàn)，籽粒莧2 個品種（K112和R104）均對土壤中鎘有很強(qiáng)的耐性和積累能力，2 種籽粒莧生物量隨土壤中鎘濃度的增加而逐步下降，籽粒莧體內(nèi)鎘含量則隨土壤中鎘濃度增加而快速上升，在土壤鎘濃度為16 mg/kg 時，體內(nèi)積累鎘濃度達(dá)到超富集植物的臨界標(biāo)準(zhǔn)。李虹穎等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在鎘濃度低時，籽粒莧受鎘離子影響，抗氧化能降低。在鎘濃度高時，籽粒莧會調(diào)節(jié)營養(yǎng)元素的吸收和分配，啟動其活性氧防御機(jī)制，抗脅迫能力提高。

2.2 籽粒莧對其他重金屬的富集

籽粒莧對多種重金屬元素存在富集作用。吳啟航等[29]利用籽粒莧修復(fù)鉈污染土壤研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤中鉈的濃度升高，籽粒莧的生物量、高度、PSII 最大量子效率、植物含鉈總量均有差異，籽粒莧根、莖、葉中鉈的濃度增加，生物富集因子增加，且都大于1，轉(zhuǎn)移系數(shù)也增加。因此，籽粒莧對鉈污染土壤的修復(fù)具有很大潛力。張習(xí)美[30]采用開頂式氣室中盆栽試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同銫濃度下，CO2濃度升高顯著增加了籽粒莧的株高、地上部分和地下部分的生物量和銫含量，說明其修復(fù)銫污染土壤的效率增加；CO2濃度升高還顯著增加了籽粒莧根際土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量和微生物C、N 含量。廖上強(qiáng)[31-33]研究發(fā)現(xiàn)，水培籽粒莧接種伯克霍爾德氏菌(D54)增加了籽粒莧生物量和重金屬銫的吸收量，提高了籽粒莧對銫的耐性指數(shù)和富集系數(shù)，一定程度上提高其對銫的修復(fù)效率；在正常CO2濃度和CO2濃度升高土培試驗(yàn)中，接種伯克霍爾德氏菌(D54)也增加了籽粒莧的生物量和對重金屬銫的吸收量。因此，籽粒莧對銫有很好的富集作用，可用于銫污染土壤修復(fù)。

2.3 籽粒莧的聯(lián)合修復(fù)應(yīng)用

土壤重金屬污染具有多樣性和復(fù)雜性，采用添加劑、微生物、動物（蚯蚓）和農(nóng)藝措施等聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，與單一植物修復(fù)措施相比能顯著提高植物修復(fù)效率，縮短植物修復(fù)周期[34]。

2.3.1 添加劑對籽粒莧修復(fù)能力的影響 在籽粒莧修復(fù)重金屬污染土壤過程中，使用添加劑（如植物生長調(diào)劑、螯合劑等）能提高籽粒莧的修復(fù)效率。植物生長調(diào)節(jié)劑對作物的生長具有明顯的促進(jìn)作用。蘭曉霞等[35]以籽粒莧為試驗(yàn)材料，采用營養(yǎng)液培養(yǎng)方式，發(fā)現(xiàn)在鎘鋅脅迫下，1×10-5mol/L表油菜素內(nèi)酯能提高籽粒莧對重金屬鎘、鋅的吸收積累。肖艷輝等[36]采用盆栽試驗(yàn)，比較葉面噴施不同濃度胺鮮酯對籽粒莧生長及富集鎘鋅的影響，發(fā)現(xiàn)葉面噴施10 mg/L 胺鮮酯的處理不僅能顯著提高籽粒莧根際土壤有效態(tài)鎘和鋅含量，還能顯著增加籽粒莧的生物量；施用植物生長調(diào)節(jié)劑胺鮮酯的籽粒莧葉、莖、根中鎘含量均提高。

籽粒莧修復(fù)過程中添加螯合劑能夠增強(qiáng)土壤中重金屬的活性，提高其修復(fù)提取效率。邰義萍[37]研究發(fā)現(xiàn)，添加EDTA不僅能增加籽粒莧地上部生物量，還能增加其對重金屬的提取量。宋波等[21]研究發(fā)現(xiàn)，添加活化劑能促進(jìn)籽粒莧對土壤中鎘的吸收，提高籽粒莧的修復(fù)效率，節(jié)約修復(fù)成本。羅艷[38]研究發(fā)現(xiàn)，可降解螯合劑(EDDS、NTA、APAM)施入后顯著增強(qiáng)了籽粒莧根系和地上部分對鎘的吸收，且高濃度的螯合劑和在植物移栽65 天后添加螯合劑更能提高籽粒莧的富集能力。王凱[39-40]在螯合劑(GLDA、NTA、CA、EDDS)及組合被用于強(qiáng)化籽粒莧修復(fù)鎘污染土壤效果的研究中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合螯合劑GN(GLDA=3 mmol/L，NTA=2 mmol/L)具有最高的鎘移除量，添加可降解螯合劑可較好地提高籽粒莧對土壤中鎘的總移除量，并且避免二次污染，是一種前景廣闊的綠色土壤鎘污染修復(fù)方法。

2.3.2 微生物對籽粒莧修復(fù)能力的影響 植物根際的微生物通過把大分子化合物轉(zhuǎn)化成小分子化合物和分泌質(zhì)子、有機(jī)質(zhì)等，提高植物根際的重金屬活性[34,41]。在籽粒莧修復(fù)污染土壤過程中，根際土壤中的微生物對籽粒莧的富集效果有一定的促進(jìn)作用。曹書苗[42]通過盆栽試驗(yàn)，研究半干旱缺水及鎘脅迫下促生效果好的多功能放線菌Act12（密旋鏈霉菌）對籽粒莧生長、耐受性的影響，結(jié)果顯示該菌可增加籽粒莧在鎘污染土壤中株高、根長、生物量干重，對籽粒莧的生長有明顯促進(jìn)作用，同時增強(qiáng)了籽粒莧對鎘的耐受性，提高了籽粒莧對鎘的生物富集濃度和修復(fù)效率。李星[43]將叢枝菌根真菌和白腐真菌接種于籽粒莧上，研究不同濃度β-環(huán)糊精對籽粒莧聯(lián)合真菌修復(fù)鎘和BDE-209復(fù)合污染土壤的影響，結(jié)果表明接種叢枝菌根真菌并施加0.4%β-環(huán)糊精和接種白腐真菌并施加0.8%β-環(huán)糊精對修復(fù)鎘和BDE-209 復(fù)合污染土壤具有較高的修復(fù)效率，接種微生物可以提高籽粒莧修復(fù)效率。

2.3.3 動物（蚯蚓）對籽粒莧修復(fù)能力的影響 在籽粒莧修復(fù)重金屬污染土壤中，利用土壤中一些低等動物，如蚯蚓、嚙齒動物等，不僅可以促進(jìn)植物生長，還可以提高土壤重金屬的有效性和遷移性，并提高植物修復(fù)的效率。袁中友等[44]盆栽籽粒莧，發(fā)現(xiàn)接種蚯蚓處理后，籽粒莧株高、莖粗、生物量和氮磷鉀養(yǎng)分積累明顯高于對照處理(P＜0.05)，這是由于蚯蚓活動有助于土壤有機(jī)質(zhì)的分解和土壤養(yǎng)分的活化，能快速提高土壤供肥能力，有利于作物吸收和生長。黃鈺婷[45]進(jìn)行籽粒莧修復(fù)重金屬污染土壤的盆栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)“秸稈+蚯蚓+籽粒莧”的聯(lián)合修復(fù)能顯著提高植物的生物產(chǎn)量和對重金屬的富集量，從而使土壤重金屬含量降低?！敖斩?蚯蚓+籽粒莧”是修復(fù)鎘污染土壤的一種有效、綠色環(huán)保的方法。

2.3.4 農(nóng)藝措施對籽粒莧修復(fù)能力的影響 農(nóng)藝措施利用栽培技術(shù)進(jìn)行農(nóng)藝生產(chǎn)研究，能改變植物生長的環(huán)境，一般包括施肥、育種、間套作等技術(shù)。作物的間套作是植物修復(fù)中重要的方法之一，可實(shí)現(xiàn)重金屬污染農(nóng)田邊生產(chǎn)邊修復(fù)治理。間套作不僅改變植物根系分泌物、土壤微生物等，還改變重金屬的有效性，影響植物對重金屬的富集[46-47]。李凝玉等[48]發(fā)現(xiàn)，不同作物間作對鎘富集程度不同，其中籽粒莧和油菜可大量吸收鎘，籽粒莧地上部和根的鎘濃度分別為51.0、91.8 mg/kg。侯定基等[49]研究發(fā)現(xiàn)，玉米和蜈蚣草、籽粒莧帶狀種植對土壤重金屬鎘、鉛吸收和累積有影響，大田試驗(yàn)3個行距(100、150、200 cm)處理中，行距100 cm+蜈蚣草+籽粒莧處理蜈蚣草、籽粒莧的鎘、鉛含量同比達(dá)到最大值，對土壤鎘、鉛的富集作用最明顯。楊忠蘭等[50]研究發(fā)現(xiàn)，玉米和籽粒莧間作，能提高籽粒莧生物產(chǎn)量（干重），增加其對鎘的吸收。郭楠等[51]將玉米與籽粒莧在鎘污染農(nóng)田中以5種不同的間作模式種植，發(fā)現(xiàn)玉米/籽粒莧等4行距間作的間作模式有利于籽粒莧鎘提取量的最大化。因此，在重金屬污染土壤的植物修復(fù)中，農(nóng)藝措施能有效提高籽粒莧對土壤重金屬污染的修復(fù)效率。

3 展望

目前，應(yīng)用籽粒莧對重金屬污染土壤進(jìn)行治理，主要利用了籽粒莧生物量大、生長周期短、易栽培、對重金屬富集能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有良好的修復(fù)重金屬污染土壤的潛力。但也存在一些不足：（1）籽粒莧的研究大多在室內(nèi)進(jìn)行，以盆栽、水培等試驗(yàn)為主，自然界中大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用較少；（2）對籽粒莧吸收多種重金屬的復(fù)合污染研究較少，而對單一重金屬元素，尤其是對鎘的富集研究較多；（3）籽粒莧修復(fù)重金屬污染土壤后，收獲物的綜合利用程度和經(jīng)濟(jì)效益不高。

為將籽粒莧更好應(yīng)用于土壤重金屬污染治理，筆者認(rèn)為今后可在以下方面加強(qiáng)研究：（1）加強(qiáng)籽粒莧對土壤重金屬復(fù)合污染的機(jī)理研究，采用室內(nèi)室外相結(jié)合的方法，探究籽粒莧在自然環(huán)境條件下的實(shí)際修復(fù)效果，篩選出能夠在田間大面積推廣應(yīng)用的重金屬高積累籽粒莧品種；（2）采用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，尋找調(diào)控籽粒莧吸收和耐受重金屬的關(guān)鍵基因，通過基因工程手段，培育出富集重金屬能力強(qiáng)、生物量大、生長周期短、能高效資源利用的籽粒莧新品種；（3）完善籽粒莧收獲物的后續(xù)處理，探索籽粒莧種植-重金屬移除-土壤修復(fù)-收獲物綜合利用-經(jīng)濟(jì)效益的綜合利用方式，如可通過將籽粒莧收獲物作生物質(zhì)能源或作景觀植物觀賞等安全處理，實(shí)現(xiàn)修復(fù)污染土壤時兼顧生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益；（4）構(gòu)建籽粒莧數(shù)據(jù)庫調(diào)控模型，通過調(diào)控籽粒莧影響因子（土壤pH、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量、微生物等），促進(jìn)籽粒莧生長，增加生物量，提高修復(fù)效率；（5）優(yōu)化籽粒莧聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，包括與微生物、動物、農(nóng)藝措施、化學(xué)試劑、改良劑、電動、納米材料、基因改良等聯(lián)合，提高籽粒莧修復(fù)重金屬污染土壤的效率。如籽粒莧通過與低積累作物（如玉米）間套作或輪作等農(nóng)藝措施，并聯(lián)合添加土壤活化劑等化學(xué)措施進(jìn)行協(xié)同修復(fù)，將更好地改善修復(fù)效果，并實(shí)現(xiàn)邊修復(fù)邊生產(chǎn)。