崔夏倩，张宗迪，奥岩松

（上海交通大学农业与生物学院，上海 200240）

不同超富集植物对菜田土壤重金属提取效应研究

崔夏倩，张宗迪，奥岩松*

（上海交通大学农业与生物学院，上海 200240）

以蜈蚣草、遏蓝菜、印度芥菜和龙葵为供试植物，分别用Cu、Zn、Cd和Hg四种重金属污染土壤进行盆栽模拟试验，比较了供试植物的生物量、吸收量和富集系数，以期筛选出适合于特定重金属的超富集植物。结果表明：在低中度重金属污染土壤中，龙葵对Cd的提取效果最好，积累量可达9.39 mg/kg；遏蓝菜对Zn的提取效果最好，积累量可达419.20 mg/kg；印度芥菜用于Cu污染土壤最为适宜，积累量可达146.93 mg/kg；印度芥菜对Hg的提取效果最好，积累量可达1.06 mg/kg。

菜地；土壤污染；重金属污染；超富集植物

近年来，世界各国土壤存在着不同程度的重金属污染。全球平均每年排放Hg约1.5万t、Ni约100万t、Cu约340万t、Pb约500万t、Mn约1 500万t［1］。当前我国受Cd、Hg、As、Cu、Zn、Pb污染的耕地面积约2 000万hm2，每年因重金属污染而损失的粮食约1 000万t，经济损失至少达20亿元［2］。随着经济社会发展，农业灌溉用水常受到重金属污染，且在有机肥中也不可避免地残留着一定量的重金属，随着菜田大量施用有机肥［3］而使其在土壤中发生富集。迄今在上海市郊区的一些蔬菜基地已出现了部分重金属超标现象［4］。这些重金属在蔬菜中也会有一定积累，对人们的健康造成危害［5-6］。因此，菜田土壤的重金属污染治理已成为全社会亟待解决的问题。

土壤重金属治理方法主要包括物理治理、化学治理和生物治理。植物治理法是生物治理中的一种，根据其原理可以分为植物稳定、植物萃取、植物挥发以及植物促进等几种技术［7］。其中植物萃取是指在受到重金属污染的土壤中连续种植超富集植物，用其根系将土壤中有害物质转移到植物的地上部分，通过收割地上部分物质带走土壤中污染物的一种方法［8］。这种方法所需费用低、不会造成二次污染，十分适用于中低度重金属污染土壤，且可利用换茬或自然休耕期间进行修复。迄今为止，国际上已经报道的重金属超富集植物已有500多种［9］，但大多数研究都是基于土壤重金属污染浓度超过标准十几倍乃至几十倍的背景下，并不符合如今菜田重金属轻度超标的基本现状。而且并没有研究找出在同一背景下，对土壤重金属的最高效提取的超富集植物。

菜田中常见的重金属超标元素有Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Hg和As，其中最严重的有Cu、Zn、Cd和Hg这四种元素［10］。本研究选取4种超富集植物作为供试植物，每种菜田主要重金属模拟两种污染浓度，最后根据结果比较并选取四种主要重金属元素各自最适合的超富集植物用于菜田治理。

1 材料与方法

1．1 供试土壤

取上海市奉贤区星辉农场的菜田耕层土（0—30 cm）进行调制，其原土质地为粘壤土。将原土过筛（6目），去除植物残体和较大的石砾，备用。原土的理化性质见表1。

表1 供试土壤的基本性质Table 1 Basic properties of experimental soil

1．2 供试用土调制

分别将CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O、Cd（NO3）2和HgSO4以特定浓度的溶液加入原土中，使土壤中重金属元素达到设计浓度（表2），共设低、中（T1、T2）两组水平，对照（CK）为无添加。将样土充分拌匀，置于容器内，顶部覆盖薄膜，静置45 d待用。静置期间保持土壤持水量在30%—40%。静置完成后，将样土再次拌匀，装入花盆（直径40 cm，高度35 cm）中，每盆土壤的重量为20 kg。

表2 试验用土中重金属污染水平设计Table 2 Set heavy metal concentrations in experimental soilmg·kg－1soil

1．3 试验设计

对每种重金属的不同污染程度样土，分别配植蜈蚣草（Pteris vittata，种苗由上海花镜园艺公司提供）、印度芥菜（Brassica juncea，种子由上海市嘉定区蔬菜站提供）、龙葵（Solanum nigrum，种子由中国科学院生态所提供）和遏蓝菜（Thlaspi caerulescens，种子由上海市嘉定区蔬菜站提供）。四种供试植物均适宜在上海地区种植。整体试验设3次重复，计128盆。

1．4 试验实施

在上海市星辉蔬菜有限公司温室内对遏蓝菜、龙葵和印度芥菜进行育苗。全部试材达到株高15 cm左右时，统一移至预装好的花盆内，每盆5株。按重金属种类不同将花盆在试验大棚内摆成四列，相邻两列间隔80 cm，每列中相邻花盆间隔30 cm。试验期间，植株及水分管理按常规管理。

1．5 调查取样方法

定植45 d后，将四种供试植物全部收割，统一测试各种供试植物在四种重金属的不同污染水平下的生物量、吸收量和富集系数。

1．6 样品测定与方法

1.6.1 植物样品前处理

将采集的植物样品用自来水冲洗干净，沥去水分。Hg污染的植物样品，杀青温度为70℃，时间为0.5 h，随后在50℃下烘干至恒重。其他植物样品杀青温度为105℃，时间为0.5 h，后在70℃下烘干至恒重。分别将烘干后的植物样品粉，过100目筛，备用。

1.6.2 植物体内重金属含量测定方法

植物体内Hg含量测定方法：采用原子吸收分光光度法。称取0.5 g植物样品，放入消化罐，再加5 mL HNO3、1.5 mL HF，静置过夜，加入1 mL H2O2，将消化罐放入烘箱内，160℃下消化4 h，自然冷却转移至25 mL容量瓶，定容后转入50 mL离心管，放入4℃冰箱内冷藏待测，用原子吸收分光光度法测定（AA-6800原子吸收分光光度仪，日本岛津公司）。

植物体内Zn、Cu、Cd的测定方法：采用原子吸收分光光度法。称取0.5 g植物样品，置于烧杯中，加混酸（HClO4∶HNO3＝1∶4，V/V）10 mL，加玻璃片浸泡过夜，翌日，置于电炉上消解至溶液完全透明（消解期间可加入混酸）后定容到25 mL容量瓶中，定容后转入50 mL离心管中，用原子吸收分光光度法测定（AA-6800原子吸收分光光度仪，日本岛津公司）。

1．7 数据处理

样品测试数据结果，用Microsoft Excel 2007和SAS统计分析软件进行数据处理。

2 结果与分析

2．1 不同超富集植物对Zn的富集特性

Zn污染土壤上四种富集植物植株定植45 d后的生长量结果如图1所示。与对照相比，遏蓝菜、龙葵和印度芥菜的植株生长量在处理间（CK、T1、T2）均无显著性差异；T1、T2处理下的蜈蚣草，其生物量与CK相比有所降低。

四种供试植物体内Zn含量测定结果（图2）表明，四种供试植物体内Zn含量高低为：遏蓝菜＞龙葵＞印度芥菜＞蜈蚣草，其中，遏蓝菜的积累量达到303.17 mg/kg和419.20 mg/kg，远大于其他三种供试植物。

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

图2 不同超富集植物对Zn的提取效应Fig．2 Absorbing effects of different hyper-accumulators on Zn

2．2 四种供试植物对Cu的富集特性

Cu污染土壤上四种富集植物植株定植45 d后的生长量结果如图3所示。与对照相比，龙葵和印度芥菜的植株生长量在处理间（CK、T1、T2）均无显著性差异；T1、T2处理下的蜈蚣草和遏蓝菜，其生物量与CK相比有所降低。

四种供试植物体内Cu含量测定结果（图4）表明，四种供试植物体内Cu含量高低为：印度芥菜＞遏蓝菜＞龙葵＞蜈蚣草，其中，印度芥菜的积累量达到130.37 mg/kg和146.93 mg/kg，远大于其他三种供试植物。

2．3 四种供试植物对Cd的富集特性

在Cd污染土壤上四种富集植物植株定植45 d后的生长量结果如图5所示。与对照相比，四种供试植物的植株生长量在处理间（CK、T1、T2）均无显著性差异。

四种供试植物体内Cd含量测定结果如图6所示，图中表明，四种供试植物体内Cd含量高低为：龙葵＞遏蓝菜＞印度芥菜＞蜈蚣草；其中，龙葵的积累量达到5.73 mg/kg和9.39 mg/kg，远大于其他三种供试植物。

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

图4 不同超富集植物对Cu的提取效应Fig．4 Absorbing effects of different hyper-accumulators on Cu

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

图6 不同超富集植物对Cd的提取效应Fig．6 Absorbing effects of different hyper-accumulators on Cd

2．4 四种供试植物对Hg的富集特性

Hg污染土壤上四种富集植物植株定植45 d后的生长量结果如图7所示。与对照相比，遏蓝菜、蜈蚣草和印度芥菜的植株生长量在处理间（CK、T1、T2）均无显著性差异；T1、T2处理下的龙葵，其生物量与CK相比有所降低。

四种供试植物体内Hg含量测定结果（图8）表明，四种供试植物体内Hg含量高低为：印度芥菜＞遏蓝菜＞龙葵＞蜈蚣草，其中，印度芥菜的积累量达到0.68 mg/kg和1.06 mg/kg，远大于其他三种供试植物。

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

图8 不同超富集植物对Hg的提取效应Fig．8 Absorbing effects of different hyper-accumulators on Hg

3 讨论

用超富集植物提取菜田重金属的过程中，根据污染浓度的不同，选用更高效、合理的超富集植物进行治理，可以大大缩短治理年限且不影响菜田正常种植，保证了人们的食品安全，是非常值得研究的问题。

从表3可知，在低浓度重金属污染的菜田中，遏蓝菜对Zn的富集系数为0.89、1.01和0.70，印度芥菜对Cu的富集系数达到0.93、1.30和0.73，龙葵对Cd的富集系数高达1.43、5.67和4.70，印度芥菜对Hg的富集系数为1.67、0.68和0.53。所以，治理Zn、Cu、Cd和Hg污染的菜田可分别用遏蓝菜、印度芥菜、龙葵和印度芥菜三种超富集植物。

重金属富集系数计算式为：

式中：Cp——植物地上部分重金属含量；Cs——沉积物中重金属含量；BCF——植物对沉积物中重金属的富集特征。

表3 不同重金属污染土壤中不同供试植物的富集系数Table 3 Enrichment factors of different hyper-accumulators in various heavy metal polluted soils

在实施植物修复工程中，在中低度污染菜田上，按蔬菜轮作休耕期为2个月，平均可收获的超富集植物生物量以干重计，龙葵、印度芥菜、遏蓝菜分别可达6 000 kg/hm2、3 750 kg/hm2、3 000 kg/hm2。由此可推算出，对Hg、Zn和Cu污染菜田土壤，仅需3年即可修复到污染阈值以下，而对Cd污染土壤则仅需2年。

根据不同超富集植物的生长特性，可选用两种不同的超富集植物在不同的季节进行治理，从而提升治理效果。对于Zn污染菜田土壤，除遏蓝菜对其有较好的治理效果外，龙葵对其治理效果也较好，且龙葵可耐高温，则在夏季选择使用龙葵，秋冬季选择使用遏蓝菜也可提高Zn污染菜田土壤的治理效率。

4 结论

在中轻度菜田重金属污染中，针对Zn污染可应用遏蓝菜进行治理，针对Cu和Hg污染可应用印度芥菜，针对Cd污染可应用龙葵进行治理。

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（责任编辑：程智强）

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

上海市科技兴农重点攻关项目［沪农科攻字（2014）第5-2号］

崔夏倩（1990—），女，在读硕士，研究方向：污染土壤的植物修复。E-mail：cuixiaqian3516＠163.com

*通信作者，E-mail：shanghaijt＠hotmail.com