饲用欧洲菊苣吸收积累土壤重金属与土壤性质的关系

沙凌杰，和丽忠，杨明斌，朱 丽，龙智勇，刘宏程*

(1. 云南省农业科学院质量标准与检测技术研究所，云南 昆明 650223；2. 保山市农业环境保护监测站，云南 保山 678000；3. 晋宁县农业局，云南 晋宁 650600；4. 云南满好肥料有限公司，云南 昆明 650051)

【研究意义】土壤—植物系统重金属元素的迁移转化和分配，直接关系到人通过食物摄取重金属的量，因此一直是土壤环境科学工作者研究的热点[1-2]。【前人研究进展】大部分研究是在盆钵试验中添加外源重金属进行，一般作物吸收富集重金属的量与添加量呈正相关[2-5]。研究重金属污染土壤[6-9]，包括城市、工业区、矿区和交通繁忙的道路周边农田土壤-植物系统中重金属的迁移分布时[6,10-11]发现，在外源污染情况下，植物体内重金属含量与土壤重金属含量[用BCR(Community Bureau of Reference)连续提取法、稀盐酸和DTPA(二乙三胺五醋酸)可提取态]有一定相关性[12-14]，在非外源污染大田土壤上这种相关性未得到证实[6,13,15]。研究认为，植物吸收积累土壤重金属，与植物种类、部位和土壤重金属形态、生物有效性有关，还与土壤性质有关[6,13-14,16-18]。【本研究切入点】欧洲菊苣[CichoriumintybusL. (partim)]是中国20世纪末引进的一种生物产量高，饲用价高，适应性广，饲、菜兼用的多年生作物。被用作为重金属污染的实验植物和指示植物[19]。本项目研究在云南3种不同土壤条件下种植的饲用欧洲菊苣各部位对土壤重金属的吸收富集与土壤重金属含量，土壤pH，阳离子交换量和有机质含量的关系。【拟解决的关键问题】为农产品质量安全与土壤环境条件双向选择，作物分部位利用和作物对重金属污染土壤修复功能提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试地概况

供试地的土壤性状和重金属含量为连续4年测定的算术平均值(表1)。

试验地1号位于云南省昆明市富民县大营镇河东村(代号FMHD)，螳螂川东岸。属亚热带中山河谷气候,年均温15.8 ℃,年降雨量845 mm。海拔1618～1863 m，玄武岩红壤陡坡耕地。种植玉米、薯类、果树为主。水土流失严重，土壤干、酸、瘦。Cd、Pb、Cr背景值偏高，Ni、Cu含量超过GB 15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准值(pH<6.5,Ni≤40 mg/kg，Cu≤50 mg/kg)，综合污染指数法评价为内源重污染。

试验地2号位于云南省昆明市晋宁县上蒜乡石寨村(代号JNSZ)，滇池东南岸。亚热带西南季风气候，年均温14.8 ℃，年降雨量891 mm。海拔1869～1891 m，滇池湖滨水稻土，2001年以来种植蔬菜、花卉为主，1年多熟。地下水位高，土壤板结，微量元素不平衡。土壤F、Pb含量偏高，与过去习惯使用磷石膏有关，综合污染指数法评价为尚清洁。

试验地3号位于云南省保山市隆阳区潞江镇登高村(代号LJDG)，保山潞江坝怒江东岸。属亚热带干热河谷气候，年均温21.5 ℃，年降雨量766 mm。海拔694～718 m，缓坡耕地，冲 积土。种植玉米、甘蔗、蔬菜为主，1年多熟。过度种植使土壤退化，土壤偏碱，有机质偏低，土壤Ni环境背景值高于GB 15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准值(pH>7.5,Ni≤60 mg/kg)，综合污染指数法评价为尚清洁。

表1 供试地土壤性状和重金属含量Table 1 Chemical characteristics and content of heavy metals in tested soil

注：表中数值为算术平均值±标准差。

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

1.2 供试作物：

饲用欧洲菊苣[CichoriumintybusL. (partim)]，来自澳大利亚。

1.3 主要仪器和检测方法

主要仪器：电感耦合等离子体原子发射光谱仪PS-4,双道原子荧光AFS-230a，原子吸收AA700 PHS-3C。

土壤取样按NY/T 395-2000进行，欧洲菊苣取样参照NY/T 525-2002于第一次刈割时取样。

检测方法：土壤有机质测定法：GB 9834-88；土壤中pH的测定：玻璃电极法；土壤阳离子交换量(CEC)的测定：醋酸铵法；土壤中铜(Cu)、锌(Zn)的测定：GB/T 17138-1997；土壤中镍(Ni)的测定：GB/T 17139-1997；土壤中铅(Pb)、镉(Cd)的测定：GB/T 17141-1997；土壤中总砷(As)的测定：GB/T 17134-1997；土壤中总铬(Cr)的测定：GB/T 17137-1997；食品中总砷的测定：GB/T 5009.11-2003；食品中铜、锌、镍、铬的测定：GB/T 18932.11-2002；食品中铅的测定：GB/T 5009.12-2003；食品中镉的测定GB/T 5009.15-2003。

1.4 重金属富集系数(Bioconcentation facter)的计算

重金属富集系数=植物地上部分器官中重金属浓度/土壤中重金属全量[2,13-15,17]。

1.5 统计分析方法：

采用Microsoft Excel和DPS2000[20]进行。

2 结果与分析

2.1 不同产地欧洲菊苣不同部位重金属含量

不同产地欧洲菊苣不同部位重金属含量见表2。

方差分析表明，3地土壤pH、CEC和OM有极显著的差异(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差异不显著外，3地土壤中重金属含量差异极显著(Cu，F=6857，Pb，F=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种不同生态环境不同土壤条件下生长的欧洲菊苣，其根、幼叶和老叶中的重金属含量(表2)有一定差异。中性土壤上，欧洲菊苣中Ni、Cr、As含量高一些，碱性土壤上，欧洲菊苣中Zn、Pb含量高一些，酸性土壤上，欧洲菊苣中Cu、Cd含量高一些。除Cd和Zn含量外，其它重金属在欧洲菊苣中的分布为根>老叶>幼叶，土壤重金属被欧洲菊苣吸收后不易向上移动，与文献报道一致[1,2,6,8-9,13,21]。而欧洲菊苣中Zn的含量是根>幼叶>老叶，这与Zn同时是植物必需的元素，有向植物生长旺盛部位移动的趋向性有关[3,14-15,17,21]。欧洲菊苣中Cd的含量则是老叶>根>幼叶，Cd在老叶中有一定积累。方差分析表明，除叶与根中Ni含量差异接近显著外(F=4.43，P=0.097<0.1)，其它重金属在不同产地或是不同部位含量差异皆不显著。

2.2 欧洲菊苣各部位重金属的富集系数

计算欧洲菊苣各部位对土壤重金属的富集系数(表3)。可以看出，除Zn在根、幼叶、老叶3地平均富集系数差异小外，欧洲菊苣重金属平均富集系数表现为根>老叶>幼叶，土壤重金属主要富集在植株根部[1,2,6,9,13,22]。3种土壤上欧洲菊苣各部位Zn、Ni、Pb平均富集系数呈碱性土>中性土>酸性土；各部位Cu、Cr平均富集系数则为中性土>碱性土>酸性土；各部位Cd平均富集系数为酸性土>中性土>碱性土，各部位As平均富集系数为中性土≈酸性土>碱性土。方差分析表明，除碱性土壤Zn的富集系数接近显著地高于酸性土壤(F=5.94,P=0.06 <0.1)，叶(包括幼叶和老叶)Ni的富集系数接近显著地低于根外(F=4.22,P=0.10)，其它土壤老叶和根中Cd、Cr、Cu、As、Pb的富集系数差异均不显著。

表2 不同产地欧洲菊苣不同部位重金属含量Table 2 Concentration of heavy metals in root and leaf of chicory planted in the test soil

表3 欧洲菊苣各部位重金属的富集系数Table 3 Absorption coefficient of heavy metals in chicory

富集系数大于1被视为植物对土壤重金属有积累。除Cd外，重金属在欧洲菊苣各部位中都没有表现出富集现象。Cd在欧洲菊苣老叶和根的富集系数都大于1，酸性土壤欧洲菊苣老叶Cd的富集系数最大，为6.4；中性土壤根Cd的富集系数次之，为5.3。表明欧洲菊苣的老叶和根在3种土壤条件下都对Cd有富集作用，而除酸性土壤外，幼叶不富集Cd，与蔬菜等作物及某些草类的情况一致[2,3,8,13,14,17-18]，与报道的绿化植物的情况不太一致[22]。研究认为，Cd易从土壤中向叶菜迁移[14,17]，水稻籽粒中Cd的含量随着土壤Cd浓度增加而增加[8]，Cd在辣椒中富集系数达3.04[9]，这与Cd容易诱导植物螯合素( PCs) 合成PCs-Cd 复合物[22]，及活性和迁移能力较强有关。

Zn的富集系数较高，这与Zn是植物必需的元素及易向植物迁移有关[3,14-15,17,21]。酸性土壤上欧洲菊苣叶和中性土壤上欧洲菊苣根对土壤As有一定富集，高于其它重金属。As在烟叶中亦如此[4]。

2.3 欧洲菊苣重金属含量与土壤重金属含量的关系

对欧洲菊苣根、老叶和幼叶中重金属含量和土壤重金属含量作相关分析，呈显著和接近显著的结果见表4。除Cd外，欧洲菊苣各部位重金属含量与土壤重金属含量无关，与蔬菜和玉米的情况一致[10,13-14]。这与外源重金属污染土壤上的研究结果不尽一致[8,18]。富民河东土壤Cu、Ni及Cr超标，综合污染指数法评价为重污染，土壤环境元素背景值高，是为内源污染。但种植欧洲菊苣的重金属含量除Cd外都不超标。说明土壤内源污染与外源污染不同，作物体内重金属含量不一定取决于土壤重金属含量；植物吸收富集土壤重金属与植物种类、部位和土壤重金属形态、生物有效性和土壤性质等多种因素有关[6,13-14,16-18]。

2.4 欧洲菊苣吸收富集重金属与土壤化学性状的关系

对欧洲菊苣重金属含量和富集系数与土壤pH、OM、CEC和土壤重金属含量作相关分析，结果见表4，表中只列入相关显著和接近显著的相关系数。

2.4.1 欧洲菊苣吸收富集土壤重金属与土壤酸碱度的关系 欧洲菊苣老叶Cr和Ni含量，老叶和幼叶Cu和Cd含量，与土壤pH呈显著或极显著负相关。根中Pb和Zn含量以及老叶中Pb含量与土壤pH呈显著或极显著正相关。说明酸性土壤条件下，Cd、Cr、Cu和Ni易被欧洲菊苣吸收[4,8,13-14]；碱性条件下，Pb、Zn易于被欧洲菊苣吸收并向上移动。幼叶和老叶中As和Cd的富集系数与土壤pH极显著负相关，酸性土壤条件下欧洲菊苣更容易富集As和Cd，与酸性土壤(红壤)对Cd的专性吸附弱，阻滞系数低[7]；pH值越低，重金属对农作物的生物有效性越高[10,23]有关。

欧洲菊苣幼叶和老叶Cd含量分别与土壤pH和土壤Cd含量作二次多项式回归分析，结果显示，欧洲菊苣幼叶和老叶Cd含量仅与土壤pH负相关。幼叶Cd含量=-0.0584(土壤pH)+0.559，r=-0.9999**；老叶Cd含量=-0.295(土壤pH)+2.500，r=-0.9785*。类似的有Cr、Cu、Ni，说明土壤pH降低能够促进重金属的移动，提高了对植物的有效性[7，10]。提高土壤pH是降低重金属有效性的主要途径[10,13-14,18,21,24]。

表4欧洲菊苣各部位重金属含量和吸收系数与土壤性状的相关系数

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

重金属Heavy metal植株部位Parts欧洲菊苣各部位重金属含量与土壤性状的相关性Correlation between content of heavy metals in root and leaf of chicory with chemical characteristics of test soil欧洲菊苣各部位重金属吸收系数与土壤性状的相关性Correlation between absorption coefficient of heavy metals in root and leaf of chicory with chemical characteristics of test soilpHCHCOMpHCECOM土壤与欧洲菊苣重金属含量的相关性Corr. content of heavy metals between chicory with soilCr幼叶-0.988∗老叶-0.967∗-0.933-0.992∗∗根0.938Cu幼叶-0.951∗-0.952∗ 0.983∗老叶-0.998∗∗ 0.972∗根0.969∗Zn幼叶-0.999∗∗ 0.901老叶-0.995∗∗ 0.908根0.982∗ 0.975∗Ni幼叶-0.975∗老叶-0.999∗∗-0.931根0.964∗As幼叶-0.998∗∗-0.997∗∗老叶-0.987∗-0.999∗∗根0.997∗∗0.990∗∗Pb幼叶0.997∗∗老叶0.997∗∗0.942根0.986∗1.000∗∗Cd幼叶-0.999∗∗-0.997∗∗1.000∗∗老叶-0.978∗-0.977∗0.978∗根0.9642∗0.932

注：空白不相关，相关系数右上角无星号表示相关接近显著(P<0.1)，*表示相关显著(P<0.05)，**表示相关极显著(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 欧洲菊苣吸收富集土壤重金属与土壤阳离子交换量(CEC)的关系 欧洲菊苣幼叶中Cu和Ni含量，幼叶和老叶中Cr和As含量与土壤CEC呈显著或极显著负相关，幼叶中Pb含量与土壤CEC呈极显著正相关。根中Pb和Zn的富集系数与土壤CEC呈显著或极显著正相关，老叶中Cr的富集系数与土壤CEC呈极显著负相关。一方面提高土壤CEC能吸附固定As、Cr、Cu、Ni等重金属，降低其植物有效性；另一方面富含有机质且CEC高的土壤，有机质与重金属络合，会增加Pb、Zn等重金属在土壤中的移动性[18,21,24]。

2.4.3 欧洲菊苣吸收富集土壤重金属与土壤有机质(OM)含量的关系 欧洲菊苣根中As、Cd、Cu含量与土壤OM呈显著正相关，幼叶和老叶中Zn与土壤OM呈极显著负相关。根中As、Ni，幼叶和老叶中Cu的富集系数与OM呈显著正相关。同样是土壤有机质与重金属络合增加As、Cd、Cu、Ni等的移动性，而有机质吸附固定重金属而降低Zn等重金属的有效性[14,18,23-24]。

3 讨 论

除Cd外，3种不同土壤环境条件下生长的欧洲菊苣其它重金属富集系数都小于1。3种土壤条件下，欧洲菊苣各部位对Cd的富集现象明显高于其它重金属，尤其在老叶和根部；中性和碱性土壤上幼叶Cd的富集系数未大于1。选择在中性和碱性土壤上种植饲用欧洲菊苣，刈割上部叶作饲料是基本安全的，可避免土壤重金属向人的食物链迁移。

除Cd外，欧洲菊苣各部位重金属含量与土壤重金属含量不相关。欧洲菊苣中重金属含量为根>老叶>幼叶，重金属被欧洲菊苣吸收后不易向上移动。

相关系数表明，欧洲菊苣吸收富集土壤重金属与土壤pH关系较密切，老叶在酸性土壤上易吸收Cr、Cu、Ni、Pb、Cd，同时抑制根部Pb、Zn的吸收；碱性土壤Pb、Zn易被欧洲菊苣吸收并向上移动。幼叶和老叶中As和Cd的富集系数与土壤pH呈极显著负相关，酸性土壤欧洲菊苣更容易富集As和Cd。提高土壤CEC，促进Pb的移动性，却能吸附固定As、Cr、Cu、Ni，降低其有效性；增加有机质促进Cu、As、Cd、Ni向根部的移动性。

酸性土壤且CEC低能促进多数重金属对欧洲菊苣的有效性，却抑制Pb的移动性；富含有机质且CEC高的土壤，有机质与重金属络合，会增加Pb、Zn的移动性和对植物有效性；增加土壤有机质含量，土壤有机质与重金属络合增加As、Cd、Cu、Ni等的移动性，有机质的吸附又会降低Zn等重金属的植物有效性。这种复杂关系，有待深入研究。

4 结 论

选择在中性和碱性土壤上种植饲用欧洲菊苣，刈割上部叶作饲料是基本安全的。欧洲菊苣生物量大，其下部老叶和根可利用作为Cd污染土壤的修复作物。与外源污染不同，土壤重金属内源污染，不一定传递到作物。土壤pH值低能促进重金属的移动，提高对植物的有效性。提高土壤pH值是降低重金属有效性，改良重金属污染土壤的有效途径。

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