富集植物光叶紫花苕子对烟区重金属的吸收与富集效应研究

赵利坤，张 英

1.普洱学院 生物与化学学院，云南 普洱 665000；2.宁洱县烟草公司，云南 宁洱 665100

云南是我国烟草种植第一大省，普洱市位于云南的西南部是云南少数民族较为集中的州市之一，烟草种植在近几年刚刚兴起，由于普洱独特的气候和环境条件，普洱烟草种植并未受到全省烟草种植规模和产量下滑的影响，反而在种植规模和产量有逐年增长的趋势[1]。随着烟草种植规模的增长，当地农田土壤环境质量也发生了变化。烟草的种植活动（农药、化肥的广泛施用）使得烟田土壤重金属的含量有逐年增加的趋势，从而导致土壤环境质量的降低，而土壤环境质量的下降，必然影响到种植烟叶的品质[2,3]。相比其他烟草种植区，普洱烟田土壤环境质量相对较好，烟区土壤重金属含量大部分指标都能达到国家土壤环境质量一级标准，个别指标达到二、三级标准[4]，但存在进一步恶化的风险，总体情况不是太乐观，应该引起我们足够的重视。为此，寻找一种有效防治普洱烟区土壤环境质量恶化的方法十分必要。而寻找一种能有效富集重金属的植物是本研究的关键，在考虑当地气候环境条件和已有成果的基础上，选择试种光叶紫花苕子。关于光叶紫花苕子在降低土壤重金属含量方面的研究已有很多，而且应用也比较成熟，如李正强等[5]《石灰和猪粪对铅锌尾矿土壤上光叶紫花苕生长的影响》；袁敏等[6]《四种草本植物对铅锌尾矿土壤重金属的抗性与吸收特性研究》；李正强等[7]《4 种改良剂对铅锌尾矿污染土壤中光叶紫花苕生长及重金属吸收特性的影响》；马琼芳等[8]《砷对三种绿肥种子萌发和幼苗生长的影响研究》；慈恩等[9]《镉对紫花苜蓿种子萌发与幼苗生长的影响研究》。本研究在普洱地区选择3 个烟草种植区为试验点，采用单种和混种的模式比较研究光叶紫花苕子对土壤中不同重金属的吸收状况，并综合评价光叶紫花苕子对土壤重金属的富集效应和对植烟区烟叶重金属含量的影响效应，以期为植烟区土壤可持续生产提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验在原普查基础上，选择普洱的YPZ、PYX和LTX 三个乡镇，这3 个地点代表普洱市烟区3 种不同的类型。YPZ 试验点位于平坝地（E100°22′12″，N23°22′6″，海拔 1 050m），年温度在 11.7℃~35℃，平均气温18.2℃~20℃，年降雨量1 230～1 410mm；该区主要种植作物有玉米、甘蔗和烤烟等，农业灌溉条件一般，田间无灌溉沟渠和管网，干旱时主要从周边河流抽水和拉水灌溉。PYX 试验点在山坡上（E101°20′33″，N23°1′50″，海拔 1 272m）；年温度在 11.5℃~34℃，平均气温 17.6～20℃，年平均降雨量1 442.2mm；该区主要种植作物有玉米、红薯、蔬菜和烤烟等，农业灌溉条件相对较好，地块周边游池塘，山下沟底有河流，干旱时主要从池塘抽水或人工挑水浇灌。LTX 试验点在山坡上（E100°39′34″，N22°44′15″，海拔 1 712m），年温度在 3℃~34℃，平均气温18.2℃~20℃，年降雨量1 524mm；该区地块四周基岩裸露，植被稀疏，土壤贫瘠，农业灌溉条件极差，田间无灌溉管网和沟渠，干旱时主要从池塘抽水或人工挑水浇灌。

1.2 试验设计与采样处理

试验设计：试验采取富集植物光叶紫花苕子单种（SZ）、烟草单种（YC）、富集植物光叶紫花苕子与烟草混种（SY）三种种植处理模式，同时设置裸地为对照区（CK）。不同试验地每块样地的面积约为250m2，3 种种植采取随机区组设计，种植地均采用传统烟草种植的地垄设计，垄与垄中线间距为1.2m，每个种植模式的重复数为3 个。富集植物单种模式区光叶紫花苕子丛距为25cm；烟草单种模式区烤烟栽植株距50cm，混种模式区为烟草单种模式条件下，以烟草植株为中心，在距离烟草植株25cm 的垄上分别种植4 丛光叶紫花苕子，CK 为无任何植物的裸地，光叶紫花苕子采取穴播，每穴播种子6 粒。整个试验中水肥管理与烟草种植标准的要求保持一致。

样品采集与处理：（1）土壤样品采集：采用 “S” 形取样法，采集土壤表层0-20cm 的土壤，每样地设计5 个采样点，每个样点采集3 个土壤样品混合均匀，后用四分法保留1kg 样品；土壤样品采集后带回实验室进行风干、研磨、过100 目筛备用。（2）植样品采集：采用交叉间隔布点法，随机采10株左右富集植物，去除根部，保留地上部分；随机选取5 株烤烟采集5-8 片中部烟叶。植样品采集当天带回实验室进行烘干处理，粉碎混合均匀后封袋备用。

1.3 测定指标与方法

土样品重金属的检测：汞、砷测定依据《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定》（GB/T22105-2008）应用原子荧光法进行测定；铬的测定依据《土壤质量 总铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ491-2009）；铅、镉的测定依据《土壤质量 铅、镉测定 石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T17141-1997）；铜的测定依据《土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法》（GB/T17138-1997）。植样品重金属的检测：汞：国标GB/T 5009.17-2003《食品中汞的测定》；砷：国标GB/T 5009.11-2003《食品中砷的测定》；铬：国标GB/T 5009.123-2003 《食品中铬的测定》；国标 GB 5009.12-2010《食品安全国家标准食品中铅的测定》；镉：国标GB/T 5009.15-2003《食品中镉的测定》；铜：国标GB/T 5009.13-2003《食品中铜的测定》。检测仪器：砷、汞检测仪器为双道原子荧光光度计（AFS-3100，北京科创海光仪器有限公司）；铜、铬、镉、铅检测仪器为原子吸收光谱仪（AAnalyst400/HGA900，美国PE 公司）。重金属富集系数=植物体内重金属含量/土壤中重金属含量。

1.4 数据分析方法

数据采用Excel、SPSS 进行单变量方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式下土壤中重金属的含量

表1 可以看出，不同的实验点不同的种植处理模式下土壤中重金属残留量存在差异。YPZ：相比对照，富集植物单种处理模式下土壤中6 种重金属除镉外其他的残留量都明显降低，而烟草单种和混种处理模式下土壤重金属残留量都无明显降低；富集植物单种模式下，铬的降低量最为明显，其平均降低量达5.227mg/kg。PYX：相比对照，富集植物单种处理模式下土壤中除汞降低明显，其他重金属含量都没有降低；烟草单种模式下，土壤中汞、镉砷、铜含量都有所降低，但降低效果不明显；混种处理模式下，土壤中6 中重金属的含量都明显降低，其中铜的降低效果最明显，平均降低量达6.926mg/kg，其次是镉，其平均降低量达3.617mg/kg。LTX：相比对照，3 中种植处理模式下，土壤中重金属的残留量大多都未减少；富集植物单种模式下除汞含量有所降低外，土壤中其它重金属的含量均未明显降低；混种处理模式下铬、砷、铜、镉含量都有所降低，但降低效果不明显。

表1 不同种植处理模式下土壤中6 中重金属的含量（平均值±SD，n=3；mg/kg）

总体上来看，首先是混种处理模式相比其他两种种植处理模式，对降低土壤中重金属的残留最为有效；其次是光叶紫花苕子单种，它对降低土壤中部分重金属的含量有作用，如土壤中的汞、铬、铅，而烟草单种处理模式对土壤重金属残留量的降低几乎不起作用。

2.2 不同种植模式下光叶紫花苕子和烟草中重金属的含量

由表2 可以看出，无论是单种处理模式还是混种处理模式，光叶紫花苕子中除镉外，汞、铬、砷、铅、铜的富集量明显高于烟草。YPZ：单种处理模式下，苕子对铬、铅、铜的富集效果明显，而烟草对铬、铜、镉富集效果比较明显，但所有重金属的富集量都在1mg/kg 以下，烟草中镉的平均富集量明显高于苕子；混种处理模式下，苕子同样铬、铅、铜的富集效果明显，其中铜的平均富集量最高达1.058mg/kg，烟草对铬、铜、镉富集量较高，其中镉的富集量明显高于苕子。PYX：单种处理模式下，苕子铬、砷、铅、铜的富集效果都比较明显，而烟草对铬、铜、镉富集效果比较好，但除镉外其他重金属的富集量都明显低于苕子；混种处理模式下，苕子中6 种重金属的富集量都比较高，而且明显高于单种模式下苕子的，其中铬和铜的富集量出现了2 个极值分别为2.427mg/kg、2.770mg/kg，烟草中除铜富集量稍高外，其他重金属的富集量都一般。LTX：单种处理模式下，苕子中铬、砷、铅、铜含量都比较高，而且这4 中重金属都含量都大于1.500mg/kg，而烟草中铬、铅、铜、镉含量相对较高，其中，镉的含量明显高于苕子；混种处理模式下，苕子中同样也是铬、砷、铅、铜含量较高，但相比单种苕子，其4 种重金属的含量还是略偏低。混种烟草中镉的含量出现了一个最大值（1.008mg/kg），其值明显高于其他实验点的任何一种种植处理模式。

表2 不同种植处理模式下植物中6 中重金属的含量（平均值±SD，n=3；mg/kg）

注：同一实验点，同一列不同字母表示不同处理间在P=0.05 水平差异显著

2.3 光叶紫花苕子对重金属的富集效果分析

实验点单种苕子和混种苕子中含量都比较高，其中LTX 单种模式下苕子中铅的含量存在一个最大值1.571mg/kg，铅在苕子中的富集量都相对较高；无论什么种植模式下，铜在苕子中的含量都比较高，其中，PYX 混种模式苕子中铜的含量存在一个最大值2.770mg/kg，富集指数也同样存在一个最大值0.115，光叶紫花苕子中铜的富集指数都在0.0500以上；三个实试点不同的种植模式下，光叶紫花苕子中镉的含量差别不大，苕子对镉的富集量不是太高，但富集指数都大于0.040；单种模式下，光叶紫花苕子中6 种重金属的富集指数都小于0.100，而混种模式下，光叶紫花苕子中铅和铜的富集指数在个别实验点达到0.110 以上。

表3 可以看出，光叶紫花苕子单种处理模式下对大部分重金属的富集效果比较好。对于重金属汞3 个实试点，不同种植模式下光叶紫花苕子中的含量都比较低；铬在PYX 和LTX 2 个实验点，光叶紫花苕子中含量都很高，其中，PYX 混种模式下，富集量出现了一个最大值，虽然富集量高，但其富集指数并不高；除LTX 单种处理模式下砷的含量较高外，其他实试点苕子中砷的含量都不高，3 个实试点不管是单种还是混种处理模式，苕子中砷的富集指数都不高，且都小于0.020mg/kg；铅在PYX 和LTX

表3 光叶紫花苕子在不同种植模式下重金属含量及其富集指数（含量，系数）

3 讨论

同一试验点不同的种植处理模式，土壤中重金属的残留量存在差异，种植模式的不同富集植物的长势必然不同，因而影响植物对土壤中重金属的吸收量，而且混种模式下处理模式下，烟草和富集植物一起作用于土壤，土壤中重金属的含量相比单种富集植物肯定会有差异。相同种植处理模式，不同实试点土壤中重金属的残留量存在差异，因为不同的实验点土壤中重金属的本底含量就存在差异，而且不同的实试点富集植物和烟草的长势都存在一定的差异。光叶紫花苕子中大部分重金属的含量都明显高于烟草，光叶紫花苕子已被证实对大部分重金属都具有富集能力[7,10]，而烟草只是在其生长过程中少了吸收重金属。单种处理模式下光叶紫花苕子中大部分重金属的含量都明显高于混种处理模式，可能因为混种模式下，烟草和苕子共同吸收土壤中的重金属，致使不同种植模式下苕子中的重金属含量存在差异。光叶紫花苕子重金属富集量高的点，富集指数不一定高，有的实验点土壤中重金属的本底含量本身就很好，但光叶紫花苕子对重金属富集能力毕竟有限，其吸收富集重金属只能达到一定的量，而如果土壤重金属本底值太高，必然会导致富集指数小的可能。光叶紫花苕子对铅具有较好的富集能力，光叶紫花苕子中铅的富集指数在所有实验点中有个最大值，这结论与李彪等[11]《会泽铅锌尾矿区自然生长的 3 种豆科植物铅锌耐性的研究》结论相一致。李正强等[5]认为，铅锌尾矿土壤上生长的光叶紫花苕对铅、锌具有较强的耐性和富集能力，而石灰和猪粪的施用能降低重金属对光叶紫花苕的毒害作用。

4 结论

（1）同一试验点不同的种植处理模式，土壤中重金属的残留量存在差异。同样，不同的试验点同一种植处理模式，土壤中重金属的残留量存在差异。

（2）混种种植处理降低土壤重金属残留量效果最佳，单种光叶紫花苕子种植处理模式只对部分重金属的降解起作用，而烟草单种处理模式对降低土壤中重金属的残留量不起作用。

（3）无论是单种处理模式还是混种处理模式，光叶紫花苕子中大部分重金属的含量都明显高于烟草，镉除外。相比光叶紫花苕子，烟草对镉的富集能力表现更好。

（4）单种处理模式下光叶紫花苕子中大部分重金属的含量都明显高于混种处理模式。

（5）不同试验点不同种植模式，光叶紫花苕子重金属含量高的富集指数并不一定高，在所有试验点中，苕子中铜的含量出现一个最大值2.770mg/kg，但其富集指数并不是最高的，富集指数最高的是铅，达0.129。