富集植物光葉紫花苕子對煙區(qū)重金屬的吸收與富集效應(yīng)研究

趙利坤，張 英

1.普洱學(xué)院 生物與化學(xué)學(xué)院，云南 普洱 665000；2.寧洱縣煙草公司，云南 寧洱 665100

云南是我國煙草種植第一大省，普洱市位于云南的西南部是云南少數(shù)民族較為集中的州市之一，煙草種植在近幾年剛剛興起，由于普洱獨特的氣候和環(huán)境條件，普洱煙草種植并未受到全省煙草種植規(guī)模和產(chǎn)量下滑的影響，反而在種植規(guī)模和產(chǎn)量有逐年增長的趨勢[1]。隨著煙草種植規(guī)模的增長，當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量也發(fā)生了變化。煙草的種植活動（農(nóng)藥、化肥的廣泛施用）使得煙田土壤重金屬的含量有逐年增加的趨勢，從而導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量的降低，而土壤環(huán)境質(zhì)量的下降，必然影響到種植煙葉的品質(zhì)[2,3]。相比其他煙草種植區(qū)，普洱煙田土壤環(huán)境質(zhì)量相對較好，煙區(qū)土壤重金屬含量大部分指標(biāo)都能達(dá)到國家土壤環(huán)境質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)，個別指標(biāo)達(dá)到二、三級標(biāo)準(zhǔn)[4]，但存在進一步惡化的風(fēng)險，總體情況不是太樂觀，應(yīng)該引起我們足夠的重視。為此，尋找一種有效防治普洱煙區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量惡化的方法十分必要。而尋找一種能有效富集重金屬的植物是本研究的關(guān)鍵，在考慮當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件和已有成果的基礎(chǔ)上，選擇試種光葉紫花苕子。關(guān)于光葉紫花苕子在降低土壤重金屬含量方面的研究已有很多，而且應(yīng)用也比較成熟，如李正強等[5]《石灰和豬糞對鉛鋅尾礦土壤上光葉紫花苕生長的影響》；袁敏等[6]《四種草本植物對鉛鋅尾礦土壤重金屬的抗性與吸收特性研究》；李正強等[7]《4 種改良劑對鉛鋅尾礦污染土壤中光葉紫花苕生長及重金屬吸收特性的影響》；馬瓊芳等[8]《砷對三種綠肥種子萌發(fā)和幼苗生長的影響研究》；慈恩等[9]《鎘對紫花苜蓿種子萌發(fā)與幼苗生長的影響研究》。本研究在普洱地區(qū)選擇3 個煙草種植區(qū)為試驗點，采用單種和混種的模式比較研究光葉紫花苕子對土壤中不同重金屬的吸收狀況，并綜合評價光葉紫花苕子對土壤重金屬的富集效應(yīng)和對植煙區(qū)煙葉重金屬含量的影響效應(yīng)，以期為植煙區(qū)土壤可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗在原普查基礎(chǔ)上，選擇普洱的YPZ、PYX和LTX 三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這3 個地點代表普洱市煙區(qū)3 種不同的類型。YPZ 試驗點位于平壩地（E100°22′12″，N23°22′6″，海拔 1 050m），年溫度在 11.7℃~35℃，平均氣溫18.2℃~20℃，年降雨量1 230～1 410mm；該區(qū)主要種植作物有玉米、甘蔗和烤煙等，農(nóng)業(yè)灌溉條件一般，田間無灌溉溝渠和管網(wǎng)，干旱時主要從周邊河流抽水和拉水灌溉。PYX 試驗點在山坡上（E101°20′33″，N23°1′50″，海拔 1 272m）；年溫度在 11.5℃~34℃，平均氣溫 17.6～20℃，年平均降雨量1 442.2mm；該區(qū)主要種植作物有玉米、紅薯、蔬菜和烤煙等，農(nóng)業(yè)灌溉條件相對較好，地塊周邊游池塘，山下溝底有河流，干旱時主要從池塘抽水或人工挑水澆灌。LTX 試驗點在山坡上（E100°39′34″，N22°44′15″，海拔 1 712m），年溫度在 3℃~34℃，平均氣溫18.2℃~20℃，年降雨量1 524mm；該區(qū)地塊四周基巖裸露，植被稀疏，土壤貧瘠，農(nóng)業(yè)灌溉條件極差，田間無灌溉管網(wǎng)和溝渠，干旱時主要從池塘抽水或人工挑水澆灌。

1.2 試驗設(shè)計與采樣處理

試驗設(shè)計：試驗采取富集植物光葉紫花苕子單種（SZ）、煙草單種（YC）、富集植物光葉紫花苕子與煙草混種（SY）三種種植處理模式，同時設(shè)置裸地為對照區(qū)（CK）。不同試驗地每塊樣地的面積約為250m2，3 種種植采取隨機區(qū)組設(shè)計，種植地均采用傳統(tǒng)煙草種植的地壟設(shè)計，壟與壟中線間距為1.2m，每個種植模式的重復(fù)數(shù)為3 個。富集植物單種模式區(qū)光葉紫花苕子叢距為25cm；煙草單種模式區(qū)烤煙栽植株距50cm，混種模式區(qū)為煙草單種模式條件下，以煙草植株為中心，在距離煙草植株25cm 的壟上分別種植4 叢光葉紫花苕子，CK 為無任何植物的裸地，光葉紫花苕子采取穴播，每穴播種子6 粒。整個試驗中水肥管理與煙草種植標(biāo)準(zhǔn)的要求保持一致。

樣品采集與處理：（1）土壤樣品采集：采用 “S” 形取樣法，采集土壤表層0-20cm 的土壤，每樣地設(shè)計5 個采樣點，每個樣點采集3 個土壤樣品混合均勻，后用四分法保留1kg 樣品；土壤樣品采集后帶回實驗室進行風(fēng)干、研磨、過100 目篩備用。（2）植樣品采集：采用交叉間隔布點法，隨機采10株左右富集植物，去除根部，保留地上部分；隨機選取5 株烤煙采集5-8 片中部煙葉。植樣品采集當(dāng)天帶回實驗室進行烘干處理，粉碎混合均勻后封袋備用。

1.3 測定指標(biāo)與方法

土樣品重金屬的檢測：汞、砷測定依據(jù)《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定》（GB/T22105-2008）應(yīng)用原子熒光法進行測定；鉻的測定依據(jù)《土壤質(zhì)量 總鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ491-2009）；鉛、鎘的測定依據(jù)《土壤質(zhì)量 鉛、鎘測定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T17141-1997）；銅的測定依據(jù)《土壤質(zhì)量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法》（GB/T17138-1997）。植樣品重金屬的檢測：汞：國標(biāo)GB/T 5009.17-2003《食品中汞的測定》；砷：國標(biāo)GB/T 5009.11-2003《食品中砷的測定》；鉻：國標(biāo)GB/T 5009.123-2003 《食品中鉻的測定》；國標(biāo) GB 5009.12-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鉛的測定》；鎘：國標(biāo)GB/T 5009.15-2003《食品中鎘的測定》；銅：國標(biāo)GB/T 5009.13-2003《食品中銅的測定》。檢測儀器：砷、汞檢測儀器為雙道原子熒光光度計（AFS-3100，北京科創(chuàng)海光儀器有限公司）；銅、鉻、鎘、鉛檢測儀器為原子吸收光譜儀（AAnalyst400/HGA900，美國PE 公司）。重金屬富集系數(shù)=植物體內(nèi)重金屬含量/土壤中重金屬含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)采用Excel、SPSS 進行單變量方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下土壤中重金屬的含量

表1 可以看出，不同的實驗點不同的種植處理模式下土壤中重金屬殘留量存在差異。YPZ：相比對照，富集植物單種處理模式下土壤中6 種重金屬除鎘外其他的殘留量都明顯降低，而煙草單種和混種處理模式下土壤重金屬殘留量都無明顯降低；富集植物單種模式下，鉻的降低量最為明顯，其平均降低量達(dá)5.227mg/kg。PYX：相比對照，富集植物單種處理模式下土壤中除汞降低明顯，其他重金屬含量都沒有降低；煙草單種模式下，土壤中汞、鎘砷、銅含量都有所降低，但降低效果不明顯；混種處理模式下，土壤中6 中重金屬的含量都明顯降低，其中銅的降低效果最明顯，平均降低量達(dá)6.926mg/kg，其次是鎘，其平均降低量達(dá)3.617mg/kg。LTX：相比對照，3 中種植處理模式下，土壤中重金屬的殘留量大多都未減少；富集植物單種模式下除汞含量有所降低外，土壤中其它重金屬的含量均未明顯降低；混種處理模式下鉻、砷、銅、鎘含量都有所降低，但降低效果不明顯。

表1 不同種植處理模式下土壤中6 中重金屬的含量（平均值±SD，n=3；mg/kg）

總體上來看，首先是混種處理模式相比其他兩種種植處理模式，對降低土壤中重金屬的殘留最為有效；其次是光葉紫花苕子單種，它對降低土壤中部分重金屬的含量有作用，如土壤中的汞、鉻、鉛，而煙草單種處理模式對土壤重金屬殘留量的降低幾乎不起作用。

2.2 不同種植模式下光葉紫花苕子和煙草中重金屬的含量

由表2 可以看出，無論是單種處理模式還是混種處理模式，光葉紫花苕子中除鎘外，汞、鉻、砷、鉛、銅的富集量明顯高于煙草。YPZ：單種處理模式下，苕子對鉻、鉛、銅的富集效果明顯，而煙草對鉻、銅、鎘富集效果比較明顯，但所有重金屬的富集量都在1mg/kg 以下，煙草中鎘的平均富集量明顯高于苕子；混種處理模式下，苕子同樣鉻、鉛、銅的富集效果明顯，其中銅的平均富集量最高達(dá)1.058mg/kg，煙草對鉻、銅、鎘富集量較高，其中鎘的富集量明顯高于苕子。PYX：單種處理模式下，苕子鉻、砷、鉛、銅的富集效果都比較明顯，而煙草對鉻、銅、鎘富集效果比較好，但除鎘外其他重金屬的富集量都明顯低于苕子；混種處理模式下，苕子中6 種重金屬的富集量都比較高，而且明顯高于單種模式下苕子的，其中鉻和銅的富集量出現(xiàn)了2 個極值分別為2.427mg/kg、2.770mg/kg，煙草中除銅富集量稍高外，其他重金屬的富集量都一般。LTX：單種處理模式下，苕子中鉻、砷、鉛、銅含量都比較高，而且這4 中重金屬都含量都大于1.500mg/kg，而煙草中鉻、鉛、銅、鎘含量相對較高，其中，鎘的含量明顯高于苕子；混種處理模式下，苕子中同樣也是鉻、砷、鉛、銅含量較高，但相比單種苕子，其4 種重金屬的含量還是略偏低。混種煙草中鎘的含量出現(xiàn)了一個最大值（1.008mg/kg），其值明顯高于其他實驗點的任何一種種植處理模式。

表2 不同種植處理模式下植物中6 中重金屬的含量（平均值±SD，n=3；mg/kg）

注：同一實驗點，同一列不同字母表示不同處理間在P=0.05 水平差異顯著

2.3 光葉紫花苕子對重金屬的富集效果分析

實驗點單種苕子和混種苕子中含量都比較高，其中LTX 單種模式下苕子中鉛的含量存在一個最大值1.571mg/kg，鉛在苕子中的富集量都相對較高；無論什么種植模式下，銅在苕子中的含量都比較高，其中，PYX 混種模式苕子中銅的含量存在一個最大值2.770mg/kg，富集指數(shù)也同樣存在一個最大值0.115，光葉紫花苕子中銅的富集指數(shù)都在0.0500以上；三個實試點不同的種植模式下，光葉紫花苕子中鎘的含量差別不大，苕子對鎘的富集量不是太高，但富集指數(shù)都大于0.040；單種模式下，光葉紫花苕子中6 種重金屬的富集指數(shù)都小于0.100，而混種模式下，光葉紫花苕子中鉛和銅的富集指數(shù)在個別實驗點達(dá)到0.110 以上。

表3 可以看出，光葉紫花苕子單種處理模式下對大部分重金屬的富集效果比較好。對于重金屬汞3 個實試點，不同種植模式下光葉紫花苕子中的含量都比較低；鉻在PYX 和LTX 2 個實驗點，光葉紫花苕子中含量都很高，其中，PYX 混種模式下，富集量出現(xiàn)了一個最大值，雖然富集量高，但其富集指數(shù)并不高；除LTX 單種處理模式下砷的含量較高外，其他實試點苕子中砷的含量都不高，3 個實試點不管是單種還是混種處理模式，苕子中砷的富集指數(shù)都不高，且都小于0.020mg/kg；鉛在PYX 和LTX

表3 光葉紫花苕子在不同種植模式下重金屬含量及其富集指數(shù)（含量，系數(shù)）

3 討論

同一試驗點不同的種植處理模式，土壤中重金屬的殘留量存在差異，種植模式的不同富集植物的長勢必然不同，因而影響植物對土壤中重金屬的吸收量，而且混種模式下處理模式下，煙草和富集植物一起作用于土壤，土壤中重金屬的含量相比單種富集植物肯定會有差異。相同種植處理模式，不同實試點土壤中重金屬的殘留量存在差異，因為不同的實驗點土壤中重金屬的本底含量就存在差異，而且不同的實試點富集植物和煙草的長勢都存在一定的差異。光葉紫花苕子中大部分重金屬的含量都明顯高于煙草，光葉紫花苕子已被證實對大部分重金屬都具有富集能力[7,10]，而煙草只是在其生長過程中少了吸收重金屬。單種處理模式下光葉紫花苕子中大部分重金屬的含量都明顯高于混種處理模式，可能因為混種模式下，煙草和苕子共同吸收土壤中的重金屬，致使不同種植模式下苕子中的重金屬含量存在差異。光葉紫花苕子重金屬富集量高的點，富集指數(shù)不一定高，有的實驗點土壤中重金屬的本底含量本身就很好，但光葉紫花苕子對重金屬富集能力畢竟有限，其吸收富集重金屬只能達(dá)到一定的量，而如果土壤重金屬本底值太高，必然會導(dǎo)致富集指數(shù)小的可能。光葉紫花苕子對鉛具有較好的富集能力，光葉紫花苕子中鉛的富集指數(shù)在所有實驗點中有個最大值，這結(jié)論與李彪等[11]《會澤鉛鋅尾礦區(qū)自然生長的 3 種豆科植物鉛鋅耐性的研究》結(jié)論相一致。李正強等[5]認(rèn)為，鉛鋅尾礦土壤上生長的光葉紫花苕對鉛、鋅具有較強的耐性和富集能力，而石灰和豬糞的施用能降低重金屬對光葉紫花苕的毒害作用。

4 結(jié)論

（1）同一試驗點不同的種植處理模式，土壤中重金屬的殘留量存在差異。同樣，不同的試驗點同一種植處理模式，土壤中重金屬的殘留量存在差異。

（2）混種種植處理降低土壤重金屬殘留量效果最佳，單種光葉紫花苕子種植處理模式只對部分重金屬的降解起作用，而煙草單種處理模式對降低土壤中重金屬的殘留量不起作用。

（3）無論是單種處理模式還是混種處理模式，光葉紫花苕子中大部分重金屬的含量都明顯高于煙草，鎘除外。相比光葉紫花苕子，煙草對鎘的富集能力表現(xiàn)更好。

（4）單種處理模式下光葉紫花苕子中大部分重金屬的含量都明顯高于混種處理模式。

（5）不同試驗點不同種植模式，光葉紫花苕子重金屬含量高的富集指數(shù)并不一定高，在所有試驗點中，苕子中銅的含量出現(xiàn)一個最大值2.770mg/kg，但其富集指數(shù)并不是最高的，富集指數(shù)最高的是鉛，達(dá)0.129。