黄土高原主要土壤污染物对紫花苜蓿的影响

邹亚丽 王廷璞 林燕飞

紫花苜蓿（Medicago sativa）是世界上最著名的优良牧草，也是我国栽培面积最大的一种牧草。紫花苜蓿不仅含有丰富的蛋白质、矿物质和维生素等重要的营养成分，并且含有动物所需的氨基酸、微量元素和未知的生长因子，是一种优质饲草，在相同的土地上，苜蓿比禾本科牧草所收获的可消化蛋白质高2.5倍左右，矿物质高6倍左右，可消化养分高2倍左右[1]。同时苜蓿的适口性好，各种家畜、家禽均喜食。苜蓿主要的利用形式有：放牧利用、青饲、青贮、半干青贮、氨化处理(水分20%～40%)、调制干草（捆包干草）5种利用方式。干草还可以深加工，制成高质量的苜蓿干草粉、颗粒饲料及全价配合饲料等。苜蓿产草量高，与粮食作物相比，具有较强的适应性和抗御自然灾害的能力，生产力稳定。韩路等指出，任何降水年型，苜蓿生长阶段需水都能较好的与降水季节分配吻合[2]。如遇严重干旱，有些牧草停止生长，小麦减产60%～70%，山坡地绝收，而苜蓿的产草量受影响却不大，只减产20%[3]。苜蓿再生力强，根系发达，主根入土深，侧根密布，具有耐干旱、耐瘠薄、耐刈割的特性。其根系可以固氮，深根系可以充分利用深层土壤水分，同时通过根系更新积累有机质，通过生物富集不断增加上层土壤有效营养成分；并具有蓄水保土的效果，有利于调节气候，改善农业生态环境[4]。据甘肃天水水保站测定，同样的山地，苜蓿作物每年流失水土量比粮食作物减少16倍[5]。

紫花苜蓿喜温暖半湿润到半干旱的气候条件，年平均气温2～8℃，白天气温在20℃以上对紫花苜蓿生长极为有利，因此，紫花苜蓿主要分布于我国长江以北地区，黄土高原一带是我国紫花苜蓿种植面积最大的地区。但是随着油田的开发及农、工业活动的加强，大量的污染物进入土壤系统，严重影响了我国的可持续发展。由于土壤中重金属复合污染物，如：铜，锌，镉等的影响，紫花苜蓿的生物量有下降的趋势，减产达10%以上[6]，直接影响了我国畜牧业的发展。本文探讨了黄土高原几种主要的土壤污染物对紫花苜蓿的影响，通过对土壤污染物特点及其对紫花苜蓿的危害和防治的研究，可促进农林牧及紫花苜蓿产业的高产、优质、高效发展。

1 土壤污染物对紫花苜蓿的影响

1.1 土壤中石油污染物对紫花苜蓿的影响

黄土高原油气藏开发产生的污染源可归纳为三类：气态污染源、液态污染源和固态污染源。位于甘肃省庆阳市的长庆油田是国内仅次于大庆油田的第二大油田。由于生产技术和运输条件的限制，不免有部分的石油泄露。

紫花苜蓿的根对土壤中石油等有机污染物的反应非常敏感，当土壤有机污染物的浓度较高时，根生长和叶生长受到较大的抑制。由于受到毛细管作用，石油从土壤内部迁移到土壤表面，出现“灯芯效应”(毛细作用)，该作用加快了石油挥发，增加了空气中柴油蒸汽密度。当空气中柴油蒸汽密度较高时，叶面-大气间的有机分子迁移便发生了。因而土壤柴油污染物浓度高时增加了柴油从大气进入幼苗叶片的比率，直接导致了“干枯小叶”的发生[7]。“干枯小叶”现象在污染物浓度高时易发生，污染物一方面可以通过叶片表层渗透进入叶片内部，另一方面可以通过气孔直接进入植物组织[8]。

一些土壤石油污染物可以通过淋滤等途径进一步污染地下水，因而引起许多国家的高度重视并设法对其进行修复[9]。就土壤而言，80%以上的落地原油被截留在50 cm以上的表层土壤中[10]，逐渐积累导致土壤结构的破坏，影响土壤通透性，并对农作物的生长和发育造成很大的负面影响[11]。土壤受到石油污染时碳氮比增加，微生物则通过提高自身繁殖和代谢速率来促进这些化学物质的分解，这需要微生物从土壤中吸收大量氮素来合成体细胞，导致微生物与植物争夺土壤有效氮素，同时土壤颗粒吸附的石油烃干扰了营养元素从土壤颗粒进到土壤溶液[9]，两种因素使得植物受到养分胁迫，因而生长受阻。

张松林等研究发现，紫花苜蓿种子发芽抑制率与土壤柴油污染质量分数呈现指数线性相关关系，但仍具有一定的发芽率，只是对水分的需求较高[12]。由于种子的结构具有多种物理和生化防范功能，能够有效阻止有毒物质的进入，因而土壤污染对种子发芽的毒害作用在一定的范围内仅表现为部分抑制，只有土壤污染严重时，种子发芽才会完全被抑制[13]。研究发现受高质量分数石油污染的土壤持水性不高，紫花苜蓿全生长期内总耗水量约在382.9 mm，而全生长期降水量只有305.5 mm左右，两者相差77.4 mm[14]。由于黄土高原地区降水少，受石油污染，土壤的持水性降低，所以给紫花苜蓿的生长发育带来了严重的影响。这是因为石油疏水，当有充足的水分供应时，水分子会优先吸附到土壤颗粒上，并能够置换已被土壤吸附的化学物质；当土壤表层被水分子饱和时，在土壤-大气中弱极性物质的密度会大大增加，多余的水分也就不再影响化学物质脱离吸附位点的趋势。当水蒸发时，化学物质的挥发作用由于水的存在而提高；当水蒸发减少时化合物由于水分蒸发而损失的量也减少。蒸发密度由于物质被吸附于干土中而降低。吸附作用降低了化学物质的活性，减少了在水和大气中化合物的含量，影响着化合物的蒸汽密度和挥发速率。相反，水的存在会引起化学物质的解吸，从而增加其蒸发密度。

1.2 土壤中重金属镉对紫花苜蓿的影响

镉是非营养元素，对植物有明显的毒害作用，会影响植物细胞代谢和生长发育，改变植物体的形态结构，且会随着食物链危及人类和其他动物的健康。给畜禽饲喂高镉的饲料时，可导致动物的采食量下降，生产性能降低，影响动物的繁殖性能，对细胞免疫和体液免疫有抑制作用，临床上有贫血表现，出现缺硒、缺锌的病变。羊发生镉中毒的特有症状为贫血、肾功能紊乱和脾、淋巴、肾上腺重量增加。动物的生殖系统也是镉作用的主要部位，镉中毒会响胚胎的正常发育，引起畸胎、死胎，并使生后子代的生长率降低，甚至使生长停滞。镉对哺乳动物具有较强的致畸、致癌和致突变作用[15]。

镉被土壤中的粘土矿物和有机物的吸附或固定经根系吸收并累积时对紫花苜蓿具有很强的毒性，并影响了植物的硫代谢和抗氧化系统。高等植物吸收Cd的程度依赖于土壤中Cd的浓度和它的生物利用率，并受有机物含量、pH值、氧化还原电位、温度及其他元素浓度等调控，其中Cd的吸收可能与运输营养元素(Mg、K、Ca、Fe、Mn、Cu、Ni)的跨膜载体有关[16]。

研究表明，Cd对根系透根电位和根系H+分泌存在抑制作用，并能使质子泵受抑60%，而根系质子的原初分泌为细胞质膜上的ATP酶所催化，是阴阳离子透过质膜的次级运转的动力来源[17]，Cd等重金属还可通过影响根系对阴阳离子的吸收平衡来影响根系代谢。因此，根系的重金属危害也是植物营养胁迫的主要原因之一。据研究，随着Cd2+浓度的增大，紫花苜蓿种子的发芽指数和活力指数均降低。韩多红等研究镉对阿尔冈金和金皇后种子活力指数间有显著负相关。随着Cd2+浓度的增加，阿尔冈金和金皇后种子的活力指数越来越弱[18]。Cd2+进入植物体后，大多积累在根的生长部位，主要破坏细胞核内染色体和核仁[19]。所以用含有重金属镉的污水灌溉，将会严重影响紫花苜蓿的出苗，造成减产。

研究发现，低浓度的Cd离子促进根和芽的生长，高浓度的Cd离子抑制根和芽的生长，但根的生长更易受到抑制。低浓度镉离子促进芽生长的原因目前尚不清楚，而镉离子对根的胁迫强于芽的原因，可能同种子的结构和Cd的作用特点有关：其一，种子吸胀萌动时，胚根快速吸收伸长并最先突破种皮，这种根在Cd积累量上、在受Cd胁迫进程上大于芽，从而表现为受害更深；其二，镉进入植物体后大多积累在根的生长部位，根细胞壁中存在大量的交换位点，能将重金属离子固定在这些位点上，进而破坏细胞内染色体和核仁。随着细胞内Cd含量的增加，对染色体和核仁的破坏加重[20]，这可能是抑制紫花苜蓿根伸长的主要原因。

1.3 土壤中重金属锌对紫花苜蓿的影响

紫花苜蓿对微量元素锌表现为中度敏感，缺锌或过量会影响苜蓿产量[21]。居民区土壤重金属积累的原因包括小煤炉的产生的烟尘，城镇垃圾不经妥善处理而肆意排放以及纺织工业的存在。城镇废旧电池随意扔弃，可导致锌以辐射状、漏斗状向四周土噬水体扩散，严重污染农田。过量的锌可致动物的胸腺、骨髓、及脾脏的T、B淋巴细胞DNA、RNA和蛋白质下降，降低细胞的增殖力，使外周血粒细胞、腹腔巨噬细胞吞噬杀菌力下降[22]。过量锌可致铁、铜继发性缺乏，造成动物贫血和生长缓慢。

我国土壤环境质量主要是依据单一重金属污染土壤确立的，其中二级标准是保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值；三级标准是保障农林生产和植物正常生长的土壤临界值。因此在单一重金属锌污染条件下，只有达到三级标准以上的浓度才有可能使农作物减产[23]。经研究试验表明，在复合污染的条件下，潮土重金属铜、锌和镉的投加浓度同处在二级标准时，紫花苜蓿的生物量与对照相比非但没有减少反而有一定程度的增加。尽管在复合条件下，重金属之间有交互作用，但仍能促进紫花苜蓿的生长。

当土壤中重金属浓度达到三级标准时，紫花苜蓿的生物量有下降的趋势，减产达到10%以上，且与对照相比达到5%差异显著水平[6]。在复合污染条件下，紫花苜蓿地上部分的锌含量也随着土壤中锌含量的增加而增大，紫花苜蓿体内的锌含量最高为305 mg/kg，符合正常植株体内的含量。紫花苜蓿的根系中重金属的含量大于地上部分的含量，主要是由于重金属锌是由根系进入牧草体内的，因而首先在根系中积累。植物激素也参与植物对重金属污染的反应。Zn能使吲哚乙酸合成受到抑制，刺激吲哚乙酸氧化酶的活性，加速吲哚乙酸的分解，从而使生长素含量急剧下降[24]。细胞内积累的重金属可以通过各种方式影响植物本身的生理生化活动，干扰细胞的正常代谢，对植物产生直接的伤害作用，因此是十分复杂的过程，其中何为关键因素，尚不清楚，需要进一步研究。

1.4 土壤中重金属铅对紫花苜蓿的影响

目前，城市中铅污染情况日益加重，其主要污染源是汽车尾气[25]。由于铅污染物密度大于空气密度，故它主要积聚在地面1 m左右高度的交通干线两侧100 m范围内，且离公路越近，土壤铅质量含量越高，不能种植蔬菜、粮食等作物[26]。铅对动物各种组织均有危害，当动物慢性铅中毒时，主要表现为食欲不振、呕吐、渐瘦、神经麻痹及昏迷，急性铅中毒时，表现为腹痛、腹泻、呕吐、少尿及昏迷。

白彦真等[27]研究发现，不同铅浓度对紫花苜蓿体内营养元素N、P、K含量的影响不同，高浓度的铅水平明显比低浓度的铅水平对紫花苜蓿体内N含量影响要大，高浓度时，铅对紫花苜蓿吸收氮有促进作用。铅浓度的高低对磷的吸收变化都不大，基本保持一个稳定的水平，土壤铅浓度对紫花苜蓿吸收K的影响也不显著。研究表明，在含铅的土壤中，铅含量的增加对紫花苜蓿吸收铅有促进作用。Pb在紫花苜蓿幼苗中积累量(M)特点为:M根＞M茎＞M叶，Pb在紫花苜蓿体内主要以难溶的形式存在，另外BSO能够加剧Pb污染对紫花苜蓿幼苗Pn（净光合速率）和生长的抑制作用，显示了紫花苜蓿对Pb的耐受与植物络和素的形成有关，表明紫花苜蓿对Pb具有一定的耐受机制[28]。但由于在高铅浓度下，紫花苜蓿的的叶绿素含量显著下降，说明高浓度的铅已导致其光合作用受阻，代谢紊乱，因此在高铅污染的土壤中不适合用紫花苜蓿修复。

2 防治及应对措施

目前，我国共有苜蓿草地188万公顷，按中等生产水平8～10 t/hm2计，每年产量可达1460～1830万吨，即可替代或节约粮食1200～1500万吨[29]。苜蓿产业是解决饲料蛋白质短缺、增畜节粮、发展畜牧业的重要途径。从产量来看，亩产1000 kg干草的苜蓿人工草地其蛋白质产量是大豆同等面积产量 (亩产85.03 kg)的5.9倍，具有明显的优势[30]。在能量品质方面，新鲜苜蓿标准代谢能(SME)含量为9.96 MJ/kg，苜蓿干草为8.49 MJ/kg，脱水苜蓿为9.37 MJ/kg，分别为玉米籽粒SME含量的74.14%、63.24%、69.78%。在实现未来人均动物产品量增加的过程中，苜蓿作为补充蛋白质饲料将成为获利最高、最有前途的饲料生产产业之一，所以苜蓿生产对经济的发展具有不可低估的重要作用。但是在国内紫花苜蓿种植面积最大的地区黄土高原一带，随着油田的开发及农、工业活动的加强，四种主要的土壤污染物（石油、镉、锌、铅）进入了土壤系统，抑制紫花苜蓿根的生长及种子发芽，通过生理生化反应，改变了紫花苜蓿的细胞代谢和生长发育以及形态结构，严重影响了紫花苜蓿的生长，降低了紫花苜蓿的产量和品质，严重阻碍了我国畜牧业的发展和人民经济的发展。为控制污染紫花苜蓿，避免饲喂动物中毒，我们应采取以下应对措施：①要建立土壤污染和饲草污染的快速监测体系，开展日常监测工作，明确监测项目,对早期发现的突发事件隐患及时进行预防控制；②清除污染源，开展流域水环境和区域土壤及大气环境污染的综合治理；③严格依照环境保护的有关法律法规，从区域生态系统的高层次上研究解决经济发展与生态环境不相适应这一现实矛盾，决不能走“先污染，后治理”的老路；④在紫花苜蓿的生产栽培过程中，应尽量避免在污染区种植，从而生产高效、高产、优质的紫花苜蓿产品。

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