沙凌杰，和麗忠，楊明斌，朱 麗，龍智勇，劉宏程*

(1. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，云南 昆明 650223；2. 保山市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護監(jiān)測站，云南 保山 678000；3. 晉寧縣農(nóng)業(yè)局，云南 晉寧 650600；4. 云南滿好肥料有限公司，云南 昆明 650051)

【研究意義】土壤—植物系統(tǒng)重金屬元素的遷移轉(zhuǎn)化和分配，直接關(guān)系到人通過食物攝取重金屬的量，因此一直是土壤環(huán)境科學(xué)工作者研究的熱點[1-2]?！厩叭搜芯窟M展】大部分研究是在盆缽試驗中添加外源重金屬進行，一般作物吸收富集重金屬的量與添加量呈正相關(guān)[2-5]。研究重金屬污染土壤[6-9]，包括城市、工業(yè)區(qū)、礦區(qū)和交通繁忙的道路周邊農(nóng)田土壤-植物系統(tǒng)中重金屬的遷移分布時[6,10-11]發(fā)現(xiàn)，在外源污染情況下，植物體內(nèi)重金屬含量與土壤重金屬含量[用BCR(Community Bureau of Reference)連續(xù)提取法、稀鹽酸和DTPA(二乙三胺五醋酸)可提取態(tài)]有一定相關(guān)性[12-14]，在非外源污染大田土壤上這種相關(guān)性未得到證實[6,13,15]。研究認為，植物吸收積累土壤重金屬，與植物種類、部位和土壤重金屬形態(tài)、生物有效性有關(guān)，還與土壤性質(zhì)有關(guān)[6,13-14,16-18]?！颈狙芯壳腥朦c】歐洲菊苣[CichoriumintybusL. (partim)]是中國20世紀(jì)末引進的一種生物產(chǎn)量高，飼用價高，適應(yīng)性廣，飼、菜兼用的多年生作物。被用作為重金屬污染的實驗植物和指示植物[19]。本項目研究在云南3種不同土壤條件下種植的飼用歐洲菊苣各部位對土壤重金屬的吸收富集與土壤重金屬含量，土壤pH，陽離子交換量和有機質(zhì)含量的關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與土壤環(huán)境條件雙向選擇，作物分部位利用和作物對重金屬污染土壤修復(fù)功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試地概況

供試地的土壤性狀和重金屬含量為連續(xù)4年測定的算術(shù)平均值(表1)。

試驗地1號位于云南省昆明市富民縣大營鎮(zhèn)河?xùn)|村(代號FMHD)，螳螂川東岸。屬亞熱帶中山河谷氣候,年均溫15.8 ℃,年降雨量845 mm。海拔1618～1863 m，玄武巖紅壤陡坡耕地。種植玉米、薯類、果樹為主。水土流失嚴重，土壤干、酸、瘦。Cd、Pb、Cr背景值偏高，Ni、Cu含量超過GB 15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)值(pH<6.5,Ni≤40 mg/kg，Cu≤50 mg/kg)，綜合污染指數(shù)法評價為內(nèi)源重污染。

試驗地2號位于云南省昆明市晉寧縣上蒜鄉(xiāng)石寨村(代號JNSZ)，滇池東南岸。亞熱帶西南季風(fēng)氣候，年均溫14.8 ℃，年降雨量891 mm。海拔1869～1891 m，滇池湖濱水稻土，2001年以來種植蔬菜、花卉為主，1年多熟。地下水位高，土壤板結(jié)，微量元素不平衡。土壤F、Pb含量偏高，與過去習(xí)慣使用磷石膏有關(guān)，綜合污染指數(shù)法評價為尚清潔。

試驗地3號位于云南省保山市隆陽區(qū)潞江鎮(zhèn)登高村(代號LJDG)，保山潞江壩怒江東岸。屬亞熱帶干熱河谷氣候，年均溫21.5 ℃，年降雨量766 mm。海拔694～718 m，緩坡耕地，沖 積土。種植玉米、甘蔗、蔬菜為主，1年多熟。過度種植使土壤退化，土壤偏堿，有機質(zhì)偏低，土壤Ni環(huán)境背景值高于GB 15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)值(pH>7.5,Ni≤60 mg/kg)，綜合污染指數(shù)法評價為尚清潔。

表1 供試地土壤性狀和重金屬含量Table 1 Chemical characteristics and content of heavy metals in tested soil

注：表中數(shù)值為算術(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

Note: The number in the table was the arithmetic mean plus or minus standard deviation.

1.2 供試作物：

飼用歐洲菊苣[CichoriumintybusL. (partim)]，來自澳大利亞。

1.3 主要儀器和檢測方法

主要儀器：電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀PS-4,雙道原子熒光AFS-230a，原子吸收AA700 PHS-3C。

土壤取樣按NY/T 395-2000進行，歐洲菊苣取樣參照NY/T 525-2002于第一次刈割時取樣。

檢測方法：土壤有機質(zhì)測定法：GB 9834-88；土壤中pH的測定：玻璃電極法；土壤陽離子交換量(CEC)的測定：醋酸銨法；土壤中銅(Cu)、鋅(Zn)的測定：GB/T 17138-1997；土壤中鎳(Ni)的測定：GB/T 17139-1997；土壤中鉛(Pb)、鎘(Cd)的測定：GB/T 17141-1997；土壤中總砷(As)的測定：GB/T 17134-1997；土壤中總鉻(Cr)的測定：GB/T 17137-1997；食品中總砷的測定：GB/T 5009.11-2003；食品中銅、鋅、鎳、鉻的測定：GB/T 18932.11-2002；食品中鉛的測定：GB/T 5009.12-2003；食品中鎘的測定GB/T 5009.15-2003。

1.4 重金屬富集系數(shù)(Bioconcentation facter)的計算

重金屬富集系數(shù)=植物地上部分器官中重金屬濃度/土壤中重金屬全量[2,13-15,17]。

1.5 統(tǒng)計分析方法：

采用Microsoft Excel和DPS2000[20]進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)地歐洲菊苣不同部位重金屬含量

不同產(chǎn)地歐洲菊苣不同部位重金屬含量見表2。

方差分析表明，3地土壤pH、CEC和OM有極顯著的差異(表1)(pH,F=98.0,P<0.01；OM,F=73.5,P<0.01；CEC,F=44.9,P<0.01)。除Cd和Cr差異不顯著外，3地土壤中重金屬含量差異極顯著(Cu，F(xiàn)=6857，Pb，F(xiàn)=135.4，Ni,F=59.0，Zn,F=58.8，As,F=43.8，P<0.01；Cr,F=2.8,P>0.14；Cd,F=2.5,P>0.16)。

在上述3種不同生態(tài)環(huán)境不同土壤條件下生長的歐洲菊苣，其根、幼葉和老葉中的重金屬含量(表2)有一定差異。中性土壤上，歐洲菊苣中Ni、Cr、As含量高一些，堿性土壤上，歐洲菊苣中Zn、Pb含量高一些，酸性土壤上，歐洲菊苣中Cu、Cd含量高一些。除Cd和Zn含量外，其它重金屬在歐洲菊苣中的分布為根>老葉>幼葉，土壤重金屬被歐洲菊苣吸收后不易向上移動，與文獻報道一致[1,2,6,8-9,13,21]。而歐洲菊苣中Zn的含量是根>幼葉>老葉，這與Zn同時是植物必需的元素，有向植物生長旺盛部位移動的趨向性有關(guān)[3,14-15,17,21]。歐洲菊苣中Cd的含量則是老葉>根>幼葉，Cd在老葉中有一定積累。方差分析表明，除葉與根中Ni含量差異接近顯著外(F=4.43，P=0.097<0.1)，其它重金屬在不同產(chǎn)地或是不同部位含量差異皆不顯著。

2.2 歐洲菊苣各部位重金屬的富集系數(shù)

計算歐洲菊苣各部位對土壤重金屬的富集系數(shù)(表3)?？梢钥闯觯齔n在根、幼葉、老葉3地平均富集系數(shù)差異小外，歐洲菊苣重金屬平均富集系數(shù)表現(xiàn)為根>老葉>幼葉，土壤重金屬主要富集在植株根部[1,2,6,9,13,22]。3種土壤上歐洲菊苣各部位Zn、Ni、Pb平均富集系數(shù)呈堿性土>中性土>酸性土；各部位Cu、Cr平均富集系數(shù)則為中性土>堿性土>酸性土；各部位Cd平均富集系數(shù)為酸性土>中性土>堿性土，各部位As平均富集系數(shù)為中性土≈酸性土>堿性土。方差分析表明，除堿性土壤Zn的富集系數(shù)接近顯著地高于酸性土壤(F=5.94,P=0.06 <0.1)，葉(包括幼葉和老葉)Ni的富集系數(shù)接近顯著地低于根外(F=4.22,P=0.10)，其它土壤老葉和根中Cd、Cr、Cu、As、Pb的富集系數(shù)差異均不顯著。

表2 不同產(chǎn)地歐洲菊苣不同部位重金屬含量Table 2 Concentration of heavy metals in root and leaf of chicory planted in the test soil

表3 歐洲菊苣各部位重金屬的富集系數(shù)Table 3 Absorption coefficient of heavy metals in chicory

富集系數(shù)大于1被視為植物對土壤重金屬有積累。除Cd外，重金屬在歐洲菊苣各部位中都沒有表現(xiàn)出富集現(xiàn)象。Cd在歐洲菊苣老葉和根的富集系數(shù)都大于1，酸性土壤歐洲菊苣老葉Cd的富集系數(shù)最大，為6.4；中性土壤根Cd的富集系數(shù)次之，為5.3。表明歐洲菊苣的老葉和根在3種土壤條件下都對Cd有富集作用，而除酸性土壤外，幼葉不富集Cd，與蔬菜等作物及某些草類的情況一致[2,3,8,13,14,17-18]，與報道的綠化植物的情況不太一致[22]。研究認為，Cd易從土壤中向葉菜遷移[14,17]，水稻籽粒中Cd的含量隨著土壤Cd濃度增加而增加[8]，Cd在辣椒中富集系數(shù)達3.04[9]，這與Cd容易誘導(dǎo)植物螯合素( PCs) 合成PCs-Cd 復(fù)合物[22]，及活性和遷移能力較強有關(guān)。

Zn的富集系數(shù)較高，這與Zn是植物必需的元素及易向植物遷移有關(guān)[3,14-15,17,21]。酸性土壤上歐洲菊苣葉和中性土壤上歐洲菊苣根對土壤As有一定富集，高于其它重金屬。As在煙葉中亦如此[4]。

2.3 歐洲菊苣重金屬含量與土壤重金屬含量的關(guān)系

對歐洲菊苣根、老葉和幼葉中重金屬含量和土壤重金屬含量作相關(guān)分析，呈顯著和接近顯著的結(jié)果見表4。除Cd外，歐洲菊苣各部位重金屬含量與土壤重金屬含量無關(guān)，與蔬菜和玉米的情況一致[10,13-14]。這與外源重金屬污染土壤上的研究結(jié)果不盡一致[8,18]。富民河?xùn)|土壤Cu、Ni及Cr超標(biāo)，綜合污染指數(shù)法評價為重污染，土壤環(huán)境元素背景值高，是為內(nèi)源污染。但種植歐洲菊苣的重金屬含量除Cd外都不超標(biāo)。說明土壤內(nèi)源污染與外源污染不同，作物體內(nèi)重金屬含量不一定取決于土壤重金屬含量；植物吸收富集土壤重金屬與植物種類、部位和土壤重金屬形態(tài)、生物有效性和土壤性質(zhì)等多種因素有關(guān)[6,13-14,16-18]。

2.4 歐洲菊苣吸收富集重金屬與土壤化學(xué)性狀的關(guān)系

對歐洲菊苣重金屬含量和富集系數(shù)與土壤pH、OM、CEC和土壤重金屬含量作相關(guān)分析，結(jié)果見表4，表中只列入相關(guān)顯著和接近顯著的相關(guān)系數(shù)。

2.4.1 歐洲菊苣吸收富集土壤重金屬與土壤酸堿度的關(guān)系 歐洲菊苣老葉Cr和Ni含量，老葉和幼葉Cu和Cd含量，與土壤pH呈顯著或極顯著負相關(guān)。根中Pb和Zn含量以及老葉中Pb含量與土壤pH呈顯著或極顯著正相關(guān)。說明酸性土壤條件下，Cd、Cr、Cu和Ni易被歐洲菊苣吸收[4,8,13-14]；堿性條件下，Pb、Zn易于被歐洲菊苣吸收并向上移動。幼葉和老葉中As和Cd的富集系數(shù)與土壤pH極顯著負相關(guān)，酸性土壤條件下歐洲菊苣更容易富集As和Cd，與酸性土壤(紅壤)對Cd的專性吸附弱，阻滯系數(shù)低[7]；pH值越低，重金屬對農(nóng)作物的生物有效性越高[10,23]有關(guān)。

歐洲菊苣幼葉和老葉Cd含量分別與土壤pH和土壤Cd含量作二次多項式回歸分析，結(jié)果顯示，歐洲菊苣幼葉和老葉Cd含量僅與土壤pH負相關(guān)。幼葉Cd含量=-0.0584(土壤pH)+0.559，r=-0.9999**；老葉Cd含量=-0.295(土壤pH)+2.500，r=-0.9785*。類似的有Cr、Cu、Ni，說明土壤pH降低能夠促進重金屬的移動，提高了對植物的有效性[7，10]。提高土壤pH是降低重金屬有效性的主要途徑[10,13-14,18,21,24]。

表4歐洲菊苣各部位重金屬含量和吸收系數(shù)與土壤性狀的相關(guān)系數(shù)

Table 4 Correlation between concentration and absorption coefficient of heavy metals in root and leave of chicory with chemistry and content of heavy metals in the soil

重金屬Heavy metal植株部位Parts歐洲菊苣各部位重金屬含量與土壤性狀的相關(guān)性Correlation between content of heavy metals in root and leaf of chicory with chemical characteristics of test soil歐洲菊苣各部位重金屬吸收系數(shù)與土壤性狀的相關(guān)性Correlation between absorption coefficient of heavy metals in root and leaf of chicory with chemical characteristics of test soilpHCHCOMpHCECOM土壤與歐洲菊苣重金屬含量的相關(guān)性Corr. content of heavy metals between chicory with soilCr幼葉-0.988?老葉-0.967?-0.933-0.992??根0.938Cu幼葉-0.951?-0.952? 0.983?老葉-0.998?? 0.972?根0.969?Zn幼葉-0.999?? 0.901老葉-0.995?? 0.908根0.982? 0.975?Ni幼葉-0.975?老葉-0.999??-0.931根0.964?As幼葉-0.998??-0.997??老葉-0.987?-0.999??根0.997??0.990??Pb幼葉0.997??老葉0.997??0.942根0.986?1.000??Cd幼葉-0.999??-0.997??1.000??老葉-0.978?-0.977?0.978?根0.9642?0.932

注：空白不相關(guān)，相關(guān)系數(shù)右上角無星號表示相關(guān)接近顯著(P<0.1)，*表示相關(guān)顯著(P<0.05)，**表示相關(guān)極顯著(P<0.01)。

Note: Blank meant unrelated, the correlation coefficient of the upper right corner without an asterisk meant related close to significant difference(P<0.1), * and **meant significant difference at 0.05 level and highly significant difference at 0.01 level, respectively.

2.4.2 歐洲菊苣吸收富集土壤重金屬與土壤陽離子交換量(CEC)的關(guān)系 歐洲菊苣幼葉中Cu和Ni含量，幼葉和老葉中Cr和As含量與土壤CEC呈顯著或極顯著負相關(guān)，幼葉中Pb含量與土壤CEC呈極顯著正相關(guān)。根中Pb和Zn的富集系數(shù)與土壤CEC呈顯著或極顯著正相關(guān)，老葉中Cr的富集系數(shù)與土壤CEC呈極顯著負相關(guān)。一方面提高土壤CEC能吸附固定As、Cr、Cu、Ni等重金屬，降低其植物有效性；另一方面富含有機質(zhì)且CEC高的土壤，有機質(zhì)與重金屬絡(luò)合，會增加Pb、Zn等重金屬在土壤中的移動性[18,21,24]。

2.4.3 歐洲菊苣吸收富集土壤重金屬與土壤有機質(zhì)(OM)含量的關(guān)系 歐洲菊苣根中As、Cd、Cu含量與土壤OM呈顯著正相關(guān)，幼葉和老葉中Zn與土壤OM呈極顯著負相關(guān)。根中As、Ni，幼葉和老葉中Cu的富集系數(shù)與OM呈顯著正相關(guān)。同樣是土壤有機質(zhì)與重金屬絡(luò)合增加As、Cd、Cu、Ni等的移動性，而有機質(zhì)吸附固定重金屬而降低Zn等重金屬的有效性[14,18,23-24]。

3 討 論

除Cd外，3種不同土壤環(huán)境條件下生長的歐洲菊苣其它重金屬富集系數(shù)都小于1。3種土壤條件下，歐洲菊苣各部位對Cd的富集現(xiàn)象明顯高于其它重金屬，尤其在老葉和根部；中性和堿性土壤上幼葉Cd的富集系數(shù)未大于1。選擇在中性和堿性土壤上種植飼用歐洲菊苣，刈割上部葉作飼料是基本安全的，可避免土壤重金屬向人的食物鏈遷移。

除Cd外，歐洲菊苣各部位重金屬含量與土壤重金屬含量不相關(guān)。歐洲菊苣中重金屬含量為根>老葉>幼葉，重金屬被歐洲菊苣吸收后不易向上移動。

相關(guān)系數(shù)表明，歐洲菊苣吸收富集土壤重金屬與土壤pH關(guān)系較密切，老葉在酸性土壤上易吸收Cr、Cu、Ni、Pb、Cd，同時抑制根部Pb、Zn的吸收；堿性土壤Pb、Zn易被歐洲菊苣吸收并向上移動。幼葉和老葉中As和Cd的富集系數(shù)與土壤pH呈極顯著負相關(guān)，酸性土壤歐洲菊苣更容易富集As和Cd。提高土壤CEC，促進Pb的移動性，卻能吸附固定As、Cr、Cu、Ni，降低其有效性；增加有機質(zhì)促進Cu、As、Cd、Ni向根部的移動性。

酸性土壤且CEC低能促進多數(shù)重金屬對歐洲菊苣的有效性，卻抑制Pb的移動性；富含有機質(zhì)且CEC高的土壤，有機質(zhì)與重金屬絡(luò)合，會增加Pb、Zn的移動性和對植物有效性；增加土壤有機質(zhì)含量，土壤有機質(zhì)與重金屬絡(luò)合增加As、Cd、Cu、Ni等的移動性，有機質(zhì)的吸附又會降低Zn等重金屬的植物有效性。這種復(fù)雜關(guān)系，有待深入研究。

4 結(jié) 論

選擇在中性和堿性土壤上種植飼用歐洲菊苣，刈割上部葉作飼料是基本安全的。歐洲菊苣生物量大，其下部老葉和根可利用作為Cd污染土壤的修復(fù)作物。與外源污染不同，土壤重金屬內(nèi)源污染，不一定傳遞到作物。土壤pH值低能促進重金屬的移動，提高對植物的有效性。提高土壤pH值是降低重金屬有效性，改良重金屬污染土壤的有效途徑。

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