蘆葦對砷的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)及對砷污染土壤的修復(fù)效果

楊金紅　鄭玉彬　劉芳

摘要：通過盆栽模擬試驗(yàn)，設(shè)置6個(gè)土壤砷濃度，以蘆葦為砷污染土壤修復(fù)材料，對其在砷污染土壤環(huán)境中的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律及去除效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同砷濃度脅迫90 d，蘆葦?shù)厣系叵虏糠瞩r質(zhì)量、干質(zhì)量隨土壤砷濃度逐漸加大呈現(xiàn)先增加再逐漸減少的趨勢，50 mg/kg砷濃度時(shí)，蘆葦?shù)牡叵迈r質(zhì)量、地上干質(zhì)量及地下干質(zhì)量在各濃度砷脅迫中達(dá)到最大值，分別為19.85、8.76、7.72 g；蘆葦?shù)厣锨o、地下莖、葉及根的砷含量均隨著外源砷濃度的增大而增大，蘆葦各部位對砷的累積能力表現(xiàn)為根>葉>地上莖>地下莖；蘆葦根際土中的砷含量小于非根際土的砷含量，根際土和非根際土中的砷含量均小于未栽種蘆葦?shù)膶φ胀痢ＬJ葦具有吸收、累積土壤砷的作用，可用于砷污染土壤的植物修復(fù)材料。

關(guān)鍵詞：砷；吸收；轉(zhuǎn)運(yùn)；蘆葦；土壤修復(fù)

中圖分類號： X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0299-03

收稿日期：2017-02-22

基金項(xiàng)目：新疆高?？蒲杏?jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：XJEDU2014I068）。

作者簡介：楊金紅（1975—），女，新疆昌吉人，碩士，副教授，主要從事生態(tài)學(xué)教學(xué)及研究。E-mail：3222651@163.com。 砷是廣泛分布于自然界的非金屬元素，也是土壤中固有的、普遍存在的一種微量元素，在食品安全方面，砷被認(rèn)為是一種有毒有害元素。由于砷的土壤環(huán)境容量相當(dāng)有限，及其在土壤中的主要表現(xiàn)是殘留和累積，因此當(dāng)含砷污染物由各種途徑進(jìn)入土壤后，較易造成土壤砷污染。過量的砷會阻礙植物的正常生長發(fā)育或使砷在可食部分積累，通過食物鏈進(jìn)入人體，引起人體的慢性中毒，直接危害人體和畜禽的健康[1]。目前國內(nèi)外不斷報(bào)道新出現(xiàn)的砷污染區(qū)，新疆奎屯地區(qū)是我國大陸首次發(fā)現(xiàn)的地方性砷中毒病區(qū)，受害居民10萬人[2-3]。目前，傳統(tǒng)的物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)技術(shù)已取得一定成效，并形成了部分成熟的工藝流程。對于砷污染土壤的修復(fù)主要采用固定技術(shù)，而對水體則主要采用膜分離、離子交換、凝聚沉淀等方法去除砷，這些方法工程量大、投資費(fèi)用高，同時(shí)還會導(dǎo)致二次污染[4-5]。

生物修復(fù)是利用生物的生命代謝活動富集、分解或清除生長介質(zhì)中的污物。近年來，生物修復(fù)技術(shù)因其環(huán)境友好性和低投入等優(yōu)點(diǎn)得到迅速發(fā)展，關(guān)于微生物修復(fù)砷污染土壤的研究較多，多數(shù)研究還主要集中在室內(nèi)研究階段，將室內(nèi)分離與培養(yǎng)的微生物應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐依然存在較大的挑戰(zhàn)[6]。植物修復(fù)（phytoremediation）是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)基于植物穩(wěn)定、揮發(fā)、提取等功能來清除環(huán)境中有毒有害污染物的技術(shù)。具有治理效果持久、治理成本低廉、治理過程對土壤環(huán)境的干擾小的優(yōu)點(diǎn)，且后期處理簡單易操作，植物修復(fù)技術(shù)具有很好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益，并且被人們認(rèn)為是一種新興高效、綠色廉價(jià)的生物修復(fù)途徑，利用植物修復(fù)砷污染土壤是目前砷污染土壤治理的熱點(diǎn)[7]。

蘆葦（Phragmites communis Trin），禾本科蘆葦屬，多年生根莖性禾草，蘆葦對土壤的pH值適應(yīng)范圍較廣，在pH值 6.5～9.0的范圍內(nèi)均能正常生長，且對鹽堿土的耐受力強(qiáng)，生長迅速，生物量大，適應(yīng)范圍廣[8]。近年發(fā)現(xiàn)蘆葦具有富集重金屬元素的功能，蘇芳莉等發(fā)現(xiàn)蘆葦灌溉20%濃度的造紙廢水，對Pb的去除率最高[9]。路暢等發(fā)現(xiàn)蘆葦對Pb和Zn具有較好的富集能力。在重金屬污染嚴(yán)重的鉛鋅礦大面積種植蘆葦可以在一定程度上對土壤進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)[10]。鄭冬梅等研究發(fā)現(xiàn)，蘆葦?shù)?種植物對砷的吸收、富集效果較好，向地上部轉(zhuǎn)移As、Hg的能力較強(qiáng)[11]。蘆葦除了對單一重金屬表現(xiàn)出較好的耐性和吸收能力外，研究表明在多種重金屬混合污染的區(qū)域，蘆葦也表現(xiàn)出良好的抗性及吸收功能[12]，在重金屬污染區(qū)域的生態(tài)修復(fù)中有著較好的應(yīng)用前景。

利用蘆葦修復(fù)砷污染的土壤，推動砷污染土壤的植物修復(fù)，具有較強(qiáng)的理論價(jià)值和實(shí)踐價(jià)值。蘆葦在新疆分布廣泛，生物量大且耐砷能力強(qiáng)[13-14]，目前對于蘆葦?shù)暮橥寥佬迯?fù)缺乏足夠的認(rèn)識，本研究以蘆葦為材料，添加外源砷，在實(shí)驗(yàn)室條件下測定所選植物的各項(xiàng)指標(biāo)，對蘆葦植物體中的砷吸收轉(zhuǎn)運(yùn)情況及土壤中砷的轉(zhuǎn)運(yùn)情況進(jìn)行分析，以期為植物修復(fù)土壤中的重金屬污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

盆栽土壤取自新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物園地，在室溫下風(fēng)干，去除雜物，過2 mm尼龍篩，備用。土壤類型為鹽化潮土，砷含量為21.35 mg/kg，全氮含量為0.56 g/kg，全磷含量為0.68 g/kg，全鉀含量為19 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量 10.5 g/kg，pH值8.3。

供試植物為新疆奎屯墾區(qū)123團(tuán)四連自流井邊挖取的蘆葦，將大塊植株分成長勢和大小基本一致的帶根的植物體，剪除地上部分，然后將這些帶根的植物體分別栽種在口徑為 18 cm 的小盆缽（裝有機(jī)土1 kg）中，每盆4株，保持盆土濕潤，25 ℃生長箱內(nèi)光照16 h/d條件下育苗1周。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2016年4—8月在新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物園地溫室內(nèi)進(jìn)行，砷以As2O3的形式加入，共設(shè)6個(gè)處理，砷含量分別為0、25、50、75、100、200 mg/kg，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。將As2O3分別按每個(gè)處理配成200 mL的溶液裝入小噴壺，均勻噴灑在土壤中，將添加外源砷的土壤裝入18 cm口徑的塑料盆中，選取長勢一致的蘆葦苗移栽至裝好土的塑料盆中，每個(gè)處理栽種3株蘆葦幼苗，蘆葦生長90 d采集收獲，測定各項(xiàng)指標(biāo)，對照為各濃度梯度不栽種的蘆葦盆裝土壤。

1.3 測定方法

將培養(yǎng)90 d的蘆葦植株從盆中移除，用自來水洗凈，并用吸水紙吸干水分后，分離蘆葦?shù)牡厣喜糠趾偷叵虏糠?，分別稱取地下部分、地上部分（莖葉）的鮮質(zhì)量，把地下部分和地上部分分別放入烘箱，105 ℃殺青30 min，70 ℃條件下烘干，稱量各部分干質(zhì)量。endprint

蘆葦收獲時(shí)，利用抖土法，抖下的部分為非根際土，其余部分為根際土。收獲的土樣自然風(fēng)干，用木棍碾碎再用研缽研磨，過100目篩。

蘆葦?shù)厣锨o、地下莖、葉、根及各部分土壤樣品的砷含量送至譜尼測試集團(tuán)北京實(shí)驗(yàn)室檢測。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel和spss 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)及作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 砷對蘆葦生物量的影響

蘆葦?shù)厣?、地下部分的鮮質(zhì)量隨土壤砷濃度逐漸升高呈現(xiàn)先增加再逐漸減少的趨勢（圖1）。不同砷濃度脅迫下蘆葦?shù)牡厣虾偷叵虏糠瞩r質(zhì)量變化也各不相同。25 mg/kg處理時(shí)，其地上部分鮮質(zhì)量為25.60 g，比對照的地上鮮質(zhì)量的質(zhì)量增加了1.55 g。當(dāng)土壤砷濃度從50 mg/kg梯度依次升高時(shí)，蘆葦?shù)厣喜糠瞩r質(zhì)量呈現(xiàn)下降的趨勢，蘆葦?shù)牡叵迈r質(zhì)量在50 mg/kg處理時(shí)最大，為19.85 g。砷濃度按0、25、50 mg/kg 梯度依次升高時(shí)，蘆葦?shù)叵虏糠瞩r質(zhì)量呈現(xiàn)增加的趨勢。砷濃度從75 mg/kg梯度依次升高時(shí)，蘆葦?shù)叵虏糠瞩r質(zhì)量呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。

蘆葦?shù)厣稀⒌叵虏糠值母少|(zhì)量隨土壤砷濃度逐漸升高呈現(xiàn)先增加再逐漸減少的趨勢；在50 mg/kg砷濃度時(shí)，蘆葦?shù)厣?、地下部分干質(zhì)量在各濃度砷脅迫蘆葦中達(dá)到最大，分別為8.76 g和7.72 g，砷濃度按0、25、50 mg/kg梯度依次升高時(shí)，蘆葦?shù)厣?、地下部分干質(zhì)量呈現(xiàn)增加的趨勢。砷濃度從 75 mg/kg 梯度依次升高時(shí)，蘆葦?shù)厣?、地下部分干質(zhì)量呈現(xiàn)下降的趨勢。分析可以看出，土壤低濃度砷有促進(jìn)蘆葦生長、積累生物量的作用，土壤砷濃度從50 mg/kg梯度升高時(shí)，蘆葦?shù)牡厣稀⒌叵赂少|(zhì)量及鮮質(zhì)量呈現(xiàn)下降的趨勢，說明砷濃度增高抑制蘆葦?shù)纳锪糠e累。

2.2 蘆葦對砷的吸收與分配

經(jīng)不同砷濃度脅迫90 d后，蘆葦?shù)厣锨o、地下莖、葉及根的砷含量均隨著外源添加砷濃度的升高而升高（圖2）。不同濃度砷處理下，蘆葦?shù)厣先~、莖的砷含量與對照都有顯著差異（P<0.05）；當(dāng)土壤砷含量大于50 mg/kg時(shí)，蘆葦?shù)叵虑o的砷含量隨土壤砷濃度升高而顯著增加（P<0.05）；蘆葦根的砷含量隨土壤砷濃度升高而增加，處理間存在顯著差異（P<0.05）。試驗(yàn)結(jié)果表明，外部砷濃度越高，蘆葦各部砷的累積量也越高，外部砷含量的增加會促進(jìn)蘆葦各部分對砷的吸收。

隨土壤砷濃度依次升高，不同砷濃度脅迫90 d后蘆葦各部位砷累積量在蘆葦各部位的累積比例總體相似（圖3）。蘆葦各部位對砷的累積能力表現(xiàn)為根>葉>地上莖>地下莖，根是蘆葦砷的主要儲存部位，其次是葉，各濃度梯度的蘆葦?shù)厣锨o與地下莖砷含量較為接近，相差不大。

2.3 蘆葦對土壤砷的吸收

盆土砷的本底值為21.35 mg/kg，各個(gè)濃度梯度下蘆葦培養(yǎng)90 d后，根際土和非根際土中的全砷含量如表1所示。由表1可見，土壤中砷含量均隨著外源添加砷濃度的升高而增大，根際土中的砷含量小于非根際土的砷含量，根際土和非根際土中的含量均小于對照中的含量。

經(jīng)過90 d種植蘆葦修復(fù)后，土壤中砷的去除效率如表2所示。經(jīng)90 d蘆葦修復(fù)，各濃度梯度根際及非根際土壤中的砷含量均小于對照土中的砷含量，說明蘆葦具有土壤砷污染

修復(fù)的能力。根際土和非根際土中砷含量的變化趨勢相同，土壤中外源添加砷的量越多，砷的去除效率越低。對照根際土中砷的去除效率為7.73%；外源添加砷為25、50、75、100、200 mg/梯度濃度時(shí)，其去除效率分別為6.73%、6.38%、4.84%、4.67%、4.46%。對照非根際土中砷的去除效率為4.92%，梯度濃度添加外源砷，其去除效率也呈逐漸下降趨勢。

3 討論

一般認(rèn)為，在應(yīng)用植物修復(fù)重金屬污染土壤過程中，超積累植物是非常優(yōu)良的材料[15]，但在實(shí)際應(yīng)用中，大部分超積累植物植株矮小、生物量低、生長緩慢，且部分超積累植物對生物氣候條件要求較嚴(yán)格、區(qū)域性分布較強(qiáng)等缺點(diǎn)使其應(yīng)用于修復(fù)受到較大限制。地上部可觀的生物量能夠補(bǔ)償其較低的地上部重金屬含量，用于植物修復(fù)技術(shù)的植物種類也可以是大生物量、富集重金屬能力強(qiáng)、耐受力強(qiáng)的修復(fù)植物[16]。羅艷麗等在新疆奎屯墾區(qū)發(fā)現(xiàn)蘆葦對砷具有較強(qiáng)的耐性[17]。陳歆對鎮(zhèn)江長江內(nèi)江的北固山濕地進(jìn)行人工修復(fù)研究，發(fā)現(xiàn)蘆葦相比較其他植物長勢快、生物量高，當(dāng)年栽植當(dāng)年見效，在濕地生態(tài)系統(tǒng)人工修復(fù)中可作為優(yōu)選工具植物之一[18]。本試驗(yàn)中蘆葦具有較強(qiáng)的耐砷能力，100、200 mg/kg處理的蘆葦?shù)厣?、地下干鮮質(zhì)量雖然與對照相比較均有一定程度的降低，但差異并不顯著，仍然能較快生長，生物量較大，具有修復(fù)當(dāng)?shù)厣槲廴就寥赖臐撃堋?/p>

有研究表明，添加砷濃度<20 mg/kg時(shí)，油菜發(fā)芽率、根長、株高及各部位干質(zhì)量的變化均表明砷促進(jìn)油菜的生長，添加砷濃度>40 mg/kg時(shí)，根長、株高變化均表明油菜生長受到嚴(yán)重抑制[19]。王勇報(bào)道，土壤中低濃度的砷對三七生長具有一定的促進(jìn)作用，土壤中添加30 mg/kg的砷，可以提高三七的成活率，高濃度砷對三七生長具有抑制作用，土壤中砷添加量為70、150 mg/kg的處理，三七成活率、生物量降低，生長狀況相對較差[20]。也有研究表明，隨著土壤砷濃度的升高植物的生長及生物量呈下降趨勢，趙丹博等采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，研究鎘、砷復(fù)合污染對4個(gè)品種的苧麻生長及吸收積累的影響，Cd5+As0、Cd5+As50、Cd5+As100等3個(gè)處理下，隨著砷濃度升高，苧麻株高、莖粗、根干質(zhì)量、莖干質(zhì)量及葉干質(zhì)量均呈下降趨勢[21]。本研究中不同砷濃度脅迫條件下，蘆葦?shù)厣?、地下部分鮮質(zhì)量、干質(zhì)量隨土壤砷濃度逐漸升高呈現(xiàn)先增加再逐漸減少的趨勢，50 mg/kg砷濃度時(shí)，蘆葦?shù)牡叵迈r質(zhì)量、蘆葦?shù)厣细少|(zhì)量及地下干質(zhì)量達(dá)到最大值，分別為1985、8.76、7.72 g。endprint

多數(shù)研究結(jié)果表明，在植物正常生長條件下，隨著外源砷濃度的升高植物體內(nèi)的砷含量增高。鄒小麗等在0、10、30、50 mg/kg砷濃度脅迫160 d后，4種柳樹根和地上部中的砷含量均隨著外源添加砷濃度的升高而升高，柳樹地上、地下部的砷含量與對照都有顯著差異性[22]。常思敏等報(bào)道土壤中施砷可增加烤煙對砷的吸收，提高其富集系數(shù)，導(dǎo)致地上部、地下部中砷的積累，且隨著土壤中施砷量的增加而提高[23]。本研究結(jié)果與此相似，蘆葦?shù)厣锨o、地下莖、葉及根的砷含量均隨著外源砷濃度的升高而升高。

一般認(rèn)為在重金屬脅迫下，進(jìn)入植物體內(nèi)的絕大部分重金屬被截留至根部，從而減輕了對地上器官的毒害作用，使得植物對重金屬表現(xiàn)出耐性。同一植物的不同部位對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)存在較大的差異，大多數(shù)植物吸收的重金屬主要積累在根系，而在地上部分的含量較低。本研究中蘆葦各部位對砷的累積能力表現(xiàn)為根>葉>地上莖>地下莖，根是蘆葦砷的主要儲存部位，其次是葉。董志成等發(fā)現(xiàn)蘆葦體內(nèi)Zn、Cu、Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比表現(xiàn)為根>葉>莖，且根組織中Zn、Cu、Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他組織（莖、葉），而葉組織中略高于莖組織，蘆葦體內(nèi)Pb和Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分配百分比表現(xiàn)為根>莖>葉[24]。

種植植物的盆栽土壤砷含量下降原因可能一是植物對砷的吸收，二是砷的揮發(fā)。各個(gè)濃度梯度下經(jīng)蘆葦培養(yǎng)90 d后，土壤中外源添加砷的量越多，砷的去除效率越低。對照對根際土中砷的去除效率為7.73%，外源添加砷為25、50、75、100、200 mg/kg梯度濃度時(shí)，其去除效率分別為6.73%、6.38%、4.84%、4.67%、4.46%。對照非根際土中砷的去除效率為4.92%，梯度濃度添加外源砷，其去除效率也呈逐漸下降趨勢。經(jīng)90 d蘆葦修復(fù)，各濃度梯度根際及非根際土壤中的砷含量均小于對照土中的砷含量。

蘆葦生長快、生物量大，適應(yīng)范圍較廣，是固定或修復(fù)環(huán)境污染較適宜的植物之一。蘆葦用于治理環(huán)境污染的研究已見報(bào)道，本研究發(fā)現(xiàn)蘆葦可用于修復(fù)土壤As污染，由于本試驗(yàn)是在室內(nèi)盆栽條件下進(jìn)行，其得到的結(jié)論與大規(guī)模試驗(yàn)有一定的差距，存在一些固有的局限性，具體吸收積累特征和應(yīng)用于實(shí)際修復(fù)還需在大田試驗(yàn)驗(yàn)證。蘆葦對砷污染土壤的耐受力強(qiáng)，但對砷的積累富集能力較低，采用耐砷菌與蘆葦聯(lián)合修復(fù)和采取農(nóng)藝強(qiáng)化措施大幅度提高蘆葦植株的生物量，從而最大程度增加蘆葦對砷的吸收富集，提高修復(fù)砷污染土壤效率是進(jìn)一步深入研究的重點(diǎn)。

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