闽中南红麻种植田土壤重金属含量及其富集特征

李丰涛，祁建民，2，牛韶华，方平平，林荔辉，陶爱芬，徐建堂，2

(1.福建农林大学作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室，福建福州350002;2.福建农林大学生命科学学院，福建 福州350002)

随着我国工业化、城市化进程以及农业活动的快速发展，农田土壤重金属污染问题日益突出，对粮食和蔬菜食品安全构成严重威胁，引起国内外学者普遍关注［1－4］.福建省菜园土壤存在不同程度的重金属污染，主要污染元素为Pb、Hg和Cd，其污染源主要来自土壤母质和大量施用的农药和化肥［5］.目前福建城市垃圾、垃圾渗滤液及其浸蚀土壤存在较严重的重金属污染，与土壤环境质量标准(2级)相比，垃圾渗滤液浸蚀土壤重金属超标［6］.福建省福州市、泉州市、漳州市、龙岩市、三明市、建阳县等6个市县耕地土壤也存在着不同程度的重金属污染，重金属可浸提态含量占全量的10.0% －52.2%［7］.我国受重金属污染的耕地面积已占污灌区面积的64.8%［8］，闽中南是福建重要的果蔬生产基地.其中，福建漳浦前亭镇是沿海较大的火山爆发地之一，其喷发出的火山土覆盖周边几个乡镇，农田山地重金属状况及污染修复亟待研究.

对环境干扰少、修复成本低，且能大面积推广应用的土壤修复技术——植物修复［9］，一般包括4种类型:植物提取、植物稳定、植物挥发和根际过滤.寻找和筛选重金属超富集植物及重金属耐性植物是技术的研究热点，但是大多数富集重金属效率高的植物都存在生物量偏小的先天性缺陷［10］，因而其吸收重金属总量也较少.因此，探寻生物量大、高富集重金属、耐性较强的植物，对土壤污染修复有重要意义.红麻(Hibiscus cannabinusl)是锦葵科木槿属一年生韧皮纤维作物，具有耐旱、耐盐碱、速生、生物产量高、根系发达、抗逆性强等特性，其生物产量为林木的3－4倍，二氧化碳吸收能力为森林的3－4倍以上［11］，4个月生长周期内，干物质量≥25.5 t·hm－2，排氧量≥26557 kg·hm－2，二氧化碳吸收量≥36517.8 kg·hm－2，在麻纺、造纸、汽车内衬、可降解地膜、板材、麻塑、麻碳、麻油、动物饲料和药用等领域被广泛开发利用，是农业结构调整和发展低碳经济，保护生态环境的优势作物.有研究资料表明红麻对铅、铜都有较高的富集作用［12，13］.本研究主要检测福建部分山地农田重金属含量，分析种植红麻对修复土壤污染的潜能，为土壤重金属污染的修复提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料及种植地点

植物材料为福建农林大学选育的高产红麻新品种福红952.种植地点:莆田市白沙镇某村(A)、闽侯县白沙镇某村(B)、漳浦县前亭镇某村(C)和龙海县龙文镇某村(D)的农田或山地土壤.

莆田市白沙镇位于北纬 25°23'－25°27'、东经 119°04'－119°10'，年降水量 1300 mm;主要作物为水稻和果蔬，灌溉水源来自水库，没有污染源.闽侯县白沙镇位于北纬 25°47'－26°37'，东经 118°51'－119°25'，农田四周多是丘陵环绕，灌溉水源上游有畜牧养殖场，年平均降水量为1673.9 mm.漳浦县前亭镇位于北纬 24°6'－24°32'、东经 117°35'－117°58'，为山地，褐壤土(火山土)，其中年平均降雨量 1524.7 mm;龙海县龙文镇土壤为沙壤土，位于北纬 24°35'－24°41'、东经 117°21'－117°33'，平均降水量为 1450 mm.

1.2 采样与分析

1.2.1 红麻种植区生物产量测定及样品采集 每个地点选取3个土壤采样点，在每个采样点(15 m×15 m)采集0－20 cm表层土壤样品，各采集点土壤采用四分法取舍，剔除植物残体和石块，保留1 kg土样，用自封样品袋包装标记后带回实验室，自然风干后，研磨并过80目筛［14］.

在对应的土壤采样点内随机选择20株全株拔起测产，做好标签带回实验室，105℃杀青0.5 h，65℃烘干至恒重［15］.本实验中，每个地点内红麻种植面积都在3 hm2以上，品种为红麻福红952.

1.2.2 样品处理与分析 将红麻样品分为地上部(茎和叶)和地下部根系，用磨碎机研磨，过120目筛.将样品委托福建省地质测试研究中心测定，土壤样品用王水——高氯酸法消化，植物样品用硝酸——高氯酸法消化［16］;采用 ICP-MS［14］测定土壤和植物样品中的重金属 Ni、Cu、Pb、Zn、Cr、Cd.土壤重金属生物有效态采用 DTPA 溶液(0.005 mol·L－1DTPA+0.01 mol·L－1CaCl2·2H2O+0.1 mol·L－1TEA，pH 7.3，水土比为5∶1)进行提取［15］.每个样品平行3份，同时做空白试验，并以国家土壤标准物质(GBW 07423)进行全过程质量控制［17］.

红麻样品富集系数=植株中某种重金属含量/土壤中某种重金属全量;红麻样品转运系数=地上部某种重金属含量/地下部某种重金属含量;红麻样品某种重金属迁移总量=植株地上部某种重金属含量×植株地上部生物量.

2 结果与分析

2.1 农田土壤重金属全量

4个调查地区中，莆田市白沙镇某村、龙海县龙文镇某村和闽侯县白沙镇某村土壤类型为酸性土，漳浦县前亭镇某村土壤类型为火山灰质土.除莆田白沙某村Cu全量的平均值较低外，其他3个地区均超过福建省和全国的土壤元素背景值(表1)，其中闽侯县白沙镇某村分别是福建省和全国土壤元素背景值的2.2倍和2.4倍，漳浦县前亭镇某村分别是二者的2.4倍和2.5倍，并且漳浦县前亭镇某村(61.1 mg·kg－1)超过土壤环境质量标准(GB 15618－1995)［18］的二级标准50 mg·kg－1;土壤Pb全量的平均值仅漳浦县前亭镇某村低于福建省和全国土壤元素背景值，其中莆田市白沙镇某村分别是二者的2.2倍和3.5倍，闽侯县白沙镇某村分别是二者的1.8倍和3.1倍;漳浦县前亭镇某村农田土壤Cr(187.1 mg·kg－1)和Ni(109.5 mg·kg－1)全量的平均值分别是福建省土壤元素背景值的4.5倍和7.6倍，是全国土壤元素背景值的2.9倍和4.9倍，超过土壤环境质量标准的二级标准(Cr 150 mg·kg－1、Ni 40 mg·kg－1).结果表明，福建漳浦前亭镇农田Cr和Ni严重超标，应引起关注和警惕，需对土壤修复治理.

表1 4个地区土壤的基本理化性质1)Table 1 Properties of soils from the four areas of farmland

2.2 土壤重金属有效态含量

尽管某些农田土壤中一些重金属全量不高，但有效态含量偏高(图1)，这与农田过度使用化学肥料、农药及除草剂有极大关系［20］，此外还与土壤形成的原始环境条件有关.莆田市白沙镇某村农田土壤Pb有效态含量为22 mg·kg－1，占该重金属全量的27.4%，Cd有效态含量占重金属全量的27.80%;闽侯县白沙镇某村土壤Cu有效态含量为3.12 mg·kg－1，占全量的6.89%，Cd有效态含量占重金属全量的25.49%;龙海县龙文镇某村农田土壤Zn有效态含量为12.69 mg·kg－1，Cd有效态含量占重金属全量的24.79%.漳浦县前亭镇某村农田土壤Cu有效态含量占重金属全量的5.3%，Cd有效态含量比例为16.10%，该地区为火山土质，很多重金属以有效态存在，可能是其有效态含量偏高的主要因素之一.

图1 土壤重金属有效态含量Fig.1 The content of available heavy metals in four areas

2.3 红麻体内重金属含量

除了重金属Cd之外，其他5种重金属在根部含量都大于地上部含量，说明红麻由根部向地上部的转运能力较弱(表2).与其他重金属相比，红麻对Pb和Zn的富集能力较强，莆田市白沙镇某村的红麻根部含量分别为20.95和96.53 mg·kg－1.采集区内土壤重金属含量越高，红麻体内中重金属含量就越高，但漳浦土壤重金属Zn和Cr含量比莆田白沙土壤低，而莆田白沙红麻样品体内重金属总量是漳浦的2倍，这与莆田白沙土壤中Zn和Cr生物有效态高于漳浦有关.因此，红麻体内重金属含量与土壤中重金属的存在形态有密切相关性.

表2 红麻体内重金属含量1)Table 2 Heavy metals content in kenaf mg·kg－1

2.4 土壤重金属有效态含量与红麻体内重金属含量的相关性分析

由表3可知，Cu、Zn、Cd、Pb、Cr和Ni有效态含量与红麻体内重金属含量之间呈现显著或极显著相关性，尤其是Cd和Pb，说明红麻对Cd和Pb可能具有协同吸收作用.

表3 土壤重金属有效态含量与红麻体内重金属含量的相关性分析1)Table 3 Correlation matrix for heavy metals concentration in kenaf and available heavy metals content in soil

2.5 红麻对土壤重金属富集和转运特征

在4个样点中，红麻对Pb、Cr和Ni的富集系数＜1，但是Cd在土壤中移动性大，毒性高，尽管勘测的土壤中Cd浓度较小，但在4个样点中，Cd的富集系数＞1;在莆田白沙，Cu的富集系数为1.37，其他3个样点＜1;莆田市白沙镇某村和漳浦县前亭镇某村Zn的富集系数分别为1.42和1.17.说明红麻从土壤中富集重金属的能力较强.

综合分析表明，漳浦县前亭镇某村和龙海县龙文镇某村红麻对Cd的转运系数分别为1.27和1.56，其他重金属＜1.说明红麻根部富集了大量重金属元素，对去除土壤中的重金属元素起到了很好的固定作用.

图2 红麻对 Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr的富集系数和转运系数Fig.2 The bioaccumulation factor and transfer factor of Cu，Pb，Zn，Cd，Ni，Cr in kenaf

2.6 红麻干物质产量及对重金属的吸收总量

红麻干物质产量最高的是漳州龙文地区根部和地上部，分别为7.1和37.3 t·hm－2(表4、表5)，说明红麻生物量远大于很多其他超富集植物.当然，这些超富集植物对重金属污染地区的植物修复作用也不容忽视［21］.

表4 红麻地上部干物质的产量及重金属累积量1)Table 4 Dry matter and heavy metals accumulation in kenaf shoots

表5 红麻根部干物质的产量及重金属累积量1)Table 5 Dry matter and heavy metals accumulation in kenaf roots

漳浦县前亭镇某村红麻地上部的Ni和Cr累积总量为81.6和64.3 g·hm－2，莆田市白沙镇某村红麻地上部对Cu和Pb累积量最高，分别为177.9和124.8 g·hm－2;漳浦县前亭镇某村红麻地上部的Zn累积量最高为509.3 g·hm－2(表4).红麻根部对重金属 Pb和 Zn的累积量分别为138.6和633.4 g·hm－2，并且Zn在红麻体内的总累积量达到了1021.1 g·hm－2;漳浦县前亭镇某村红麻根部的Cr和Ni累积量最高，分别为40.7 和31.5 g·hm－2(表5).

由于土壤并未严重污染，故可供红麻吸收的重金属量不足，可能由于转运系数和富集系数较低，在一定程度上限制了红麻对土壤重金属的累积量.

3 讨论

在红麻植物修复研究方面，王国庆等［12］研究了红麻对Cu的吸收和富集效应，预测在Cu污染土壤上种植红麻，可望实现红麻纤维的安全生产，同时有可能实现对轻度Cu污染土壤的植物稳定和吸取修复.Wai et al［13］以沙尾矿的土壤做介质，通过盆栽实验研究红麻在施肥和非施肥条件下对Pb的吸收和富集特征.结果表明，Pb主要富集在根、茎和种子，叶中含量很少，施肥可增加红麻地上部生物产量和Pb吸收量，说明施肥可提高重金属Pb的植物有效吸收率.本研究首次以重金属超标的农田土壤为介质，初步研究红麻对多种重金属吸收和富集，结果表明红麻具备一定修复土壤的能力.

在漳浦县前亭镇某村的农田中，Cu、Cr和Ni含量都超过国家二级标准，重金属全量是影响重金属形态含量的主要因素，而且某些重金属在外界可变环境下，如酸雨、堆肥使用、农药化肥等［22－25］都会使重金属生物有效态含量升高，影响当地居民的食品安全.如果植物地上部分对重金属富集量大于根部，则可用于植物提取修复，如果植物吸收的重金属大部分富集在根部，则可用于植物固定修复，如果植物吸收重金属少而又在污染基质中生长旺盛、生物量大，则可用于植被重建［26，27］.在研究中，大部分采样区内的红麻对Pb、Cr、Zn、Cu、Ni的转移系数＜1，且根部重金属含量是地上部重金属含量的2－8倍，说明红麻是典型的固定修复植物类型［27］;红麻根部对重金属累积量的贡献并不低于地上部，这与蔡庆生等［28］研究大麻和花生根部具有较高重金属累积量的结果一致.

植物修复将成为修复土壤重金属污染的重要方法.用于修复土壤重金属污染的植物必须具备较高的地上部干物质产量，才能保证植物体内的重金属累积量，包括红麻在内的很多能源植物都具备较高的地上部干物质产量.佘玮等［26］对湖南省石门、冷水江、浏阳3个矿区土壤和苎麻体内重金属进行测定和分析，其中浏阳矿区苎麻地上部干物质产量最大(15.7 t·hm－2)，而红麻地上部在漳州龙文地区为37.3 t·hm－2;但苎麻地上部对 Cd、Pb、Zn 和 Cu 最大累积量分别为 0.11、1.17、6.71、1.69 kg ·hm－2，苎麻取材于矿区是其高于红麻累积量的主要原因.因此，要进一步研究红麻对重金属的富集能力，必须在污染区种植红麻或盆栽红麻.

4 结论

闽中南4个红麻种植区中，都有重金属超出福建省土壤元素背景值或全国土壤元素背景值，此外漳浦县前亭镇农田的Cr和Ni超标较严重.红麻干物质产量高，这种优良品质是进一步研究其超富集能力和重金属累积量的关键.

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