黔北轻污染耕地12种优势杂草重金属含量及富集特征

严莲英,范成五,赵振宇,刘桂华,胡岗,秦松*

(1.贵州省土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州省农业资源与环境工程技术研究中心，贵州 贵阳 550006；4.贵州茅台酒股份有限公司，贵州 仁怀 564500)

黔北轻污染耕地12种优势杂草重金属含量及富集特征

严莲英1,2,范成五1,3,赵振宇4,刘桂华1,3,胡岗1,3,秦松1,3*

(1.贵州省土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州省农业资源与环境工程技术研究中心，贵州 贵阳 550006；4.贵州茅台酒股份有限公司，贵州 仁怀 564500)

以一块黔北轻污染耕地生长的12种优势杂草及根区土壤为研究对象，采用野外采样和室内分析方法，利用贵州省土壤背景值、《食用农产品产地环境质量评价标准》、单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法、富集系数和转移系数来评价土壤重金属污染状况及优势杂草对重金属的富集特征，为贵州山区重金属污染耕地的植物修复提供参考资料。结果表明,杂草根区重金属单因子污染指数范围为0.30～1.71，內梅罗综合污染指数为1.31，处于轻污染状态，其中Cd的贡献最大；调查区内生长的优势杂草，主要有铁苋菜、龙葵、艾草、稻槎菜、马唐草、黄秋葵、堇菜、野苋菜、革命菜、异叶黄鹌菜、风轮草和野葱，体内重金属Cu、Zn、Cd、Pb含量范围分别为42.15～110.27 mg/kg、35.89～157.87 mg/kg、0.29～6.08 mg/kg和2.99～37.19 mg/kg，属一般植物正常含量范围，均未达到超富集植物水平，但铁苋菜、黄秋葵和革命菜对Cu、Zn、Cd，稻槎菜对Cu和Zn，野苋菜、堇菜和异叶黄鹌菜对Cd的富集系数和转移系数均大于1，具有成为超富集植物的潜力。

黔北耕地；优势杂草；重金属；富集特征

耕地土壤是人类赖以生存的基本条件之一，是农业生产的基础。当前，我国被重金属污染的耕地已占全国耕地的1/6，每年有1200万t粮食被污染[1]，因此农产品被重金属污染对人体造成的危害引起了社会的强烈关注。贵州属于地球化学敏感和生态环境脆弱的喀斯特碳酸盐岩区域，受山区多云雨天气、成土母质、地形地貌和独特气候等因素影响，岩石易风化，土壤的重金属本底值普遍较高，尤其是Cd[2]。已有报道遵义农业土壤有重金属超标现象[3]，如不进行保护，在未来的29年土壤将会达到轻污染状态[4]。植物修复技术作为一种低成本的绿色重金属修复技术正在快速发展。其中，杂草具有很强的适应性、生命力和繁殖能力，且吸收能力强，使其可能对重金属具有较强的耐性和累积性[5]，从而有可能成为重金属修复植物。为此，许多学者展开相关研究，但对象多为矿区[6]和盆栽试验[7-8]，鲜有对耕地杂草重金属富集特征的研究和报导，同时，植物修复的周期长，加上我国对耕地的需求量大，解决这种矛盾迫在眉睫。调查黔北耕地优势杂草体内的重金属含量，及杂草根区土壤的重金属含量，以期掌握该地区杂草对重金属的吸收与富集特性，为贵州重金属污染耕地的边生产边修复模式(农作物与修复植物间套作-轮作)中修复植物的筛选提供参考资料。

1 材料与方法

1.1样品采集与预处理

事先调查得出区域土壤为重金属轻污染(Cd、Pb、Cu和Zn分别为 0.41、56.44、49.11和60.20 mg/kg)，于2015年10月选取一块典型耕地进行研究(N 27.733374°，E 106.297149°，海拔：894.0 m)。区域地形复杂，取区域内1.34 hm2的典型耕地，上一季种植玉米(Zeamays)，休闲一年，任杂草充分生长，后分为5个90 m2区调查长势优良的杂草种类(区域株数排在前12位的杂草)，每个采样区均匀采集15株/种，分为地上部分和地下部分且混合均匀，其中艾草(Artemisiaargyi)因根部细小，难以与茎叶分开，取整株进行重金属测定。土壤样品为附着在相应杂草根部的土壤，各个采样区每种杂草土壤混合均匀，采用四分法，最终每种杂草约1 kg混合土壤为1个样品。

1.2植物样与土样分析

样品制备完毕，于2015年11月进行室内分析，土壤样品用微波消解，植物样品用长管控温湿法消解，所有样品均使用ICP-MS测定，测定指标为: Cu、Zn、Cd和Pb。

1.3评价标准与方法

1.3.1土壤重金属评价方法 以贵州省土壤背景值[9]、《食用农产品产地环境质量评价标准》[10]HJ/T 332-2006为标准，分别采用单因子污染指数(Pi)法和内梅罗综合污染指数(I)法进行土壤重金属污染评价[11]。计算方法如下：

Pi=Ci/Si

(1)

式中:Pi为土壤中污染物i的单因子污染指数，Ci为污染物i的实测值；Si为污染物i的评价标准，mg/kg。

(2)

式中:Pimax为底泥单因子污染指数的最大值；n为评价样品中重金属元素个数。土壤污染水平分级标准见表 1。

表1 内梅罗污染指数评价标准Table 1 Index of Nemerow and classification of pollution degree

1.3.2杂草对重金属的富集能力 植物对重金属的富集能力用生物富集系数(bioconcentration factors，简写BCF)和生物转移系数(translocation factor，简称TF)[12]，植物对重金属的富集系数(BCF)=地上部重金属i含量/土壤中重金属i含量；植物对重金属的转移系数(TF)=地上部分的重金属i含量/地下部分的重金属i含量。

1.4试验数据处理与分析

采用Excel、DPS 7.05和SPSS 19对数据进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1杂草根区土壤重金属含量

调查区土壤Cu、Zn、Cd和Pb的平均含量分别为45.33、75.96、0.51、32.73 mg/kg，对照贵州省土壤背景值[9]，Cu超标0.42倍，Zn、Cd和Pb未超标，4种重金属元素的变异系数为12.89%～29.14%。依据《食用农产品产地环境质量评价标准》，土壤Cd(PCd=1.71)的单因子污染指数最大，其余3种重金属的都小于1，表明土壤只受Cd的轻度污染；由内梅罗综合污染指数得出，I=1.31，表明植物根区土壤已受4种重金属综合污染的轻度污染，4种重金属污染贡献依次为Cd>Cu>Pb>Zn(表2)。

表2 根区土壤重金属含量及污染情况统计表(n=12)Table 2 Heavy metal contents and pollution conditions of root zone soil (n=12)

2.2杂草植株重金属含量

2.2.1杂草种类 经实地调查，区域内生长的杂草，主要有铁苋菜(Acalyphaaustralis)、龙葵(Solanumnigrum)、艾草、稻槎菜(Lapsanaapogonoides)、马唐草(Digitariasanguinalis)、黄秋葵(Abelmoschusesculentus)、堇菜(Violaverecunda)、野苋菜(Amaranthusspinosus)、革命菜(Gynuracrepidioides)、异叶黄鹌菜(Youngiaheterophylla)、风轮草(Clinopodiumchinensis)和野葱(Alliumfistulosum)。这些杂草均为当地野生的乡土植物，经气候与土壤环境的长期选择与进化，能够很好适应当地的生态环境，为当地重金属修复提供有利的植被基础。

2.2.2杂草重金属含量 杂草对重金属的吸收因杂草种类、部位及重金属类型的不同而存在一定的差异(表3)。12种杂草地上部分Cu、Zn、Cd和Pb的含量范围分别为14.74～84.73 mg/kg、14.48～131.37 mg/kg、0.16～5.13 mg/kg和1.87～20.39 mg/kg，地下部分Cu、Zn、Cd和Pb的含量范围分别为20.08～45.82 mg/kg、10.82～46.12 mg/kg、0.13～1.08 mg/kg和0.58～16.80 mg/kg。目前除蔬菜、粮食作物外，未见有关杂草重金属含量的标准限值，因此本研究按杂草重金属含量是否属于一般植物正常含量范围进行评价，植物Cu、Zn、Cd和Pb的正常含量分别为0.4～45.8 mg/kg、 1～160 mg/kg、 0.2～3.0 mg/kg和0.1～41.7 mg/kg[13]。

表3 杂草植株重金属含量Table 3 Heavy metal contents of weeds mg/kg

注：不同小写字母表示在0.05水平差异显著；不同大写字母表示在0.01水平差异极显著。

Note： Different lowercase letters (capital letters) within the same column indicate significant difference (P<0.05) and very significant differences(P<0.01).

通过比较得出，除铁苋菜植株总Cu含量不超过正常值外，其余植物总Cu含量均超过正常值0～1.41倍，说明其余11种杂草对Cu具有一定的累积能力；龙葵和革命菜总Cd含量超过正常范围0.33～1.02倍，说明它们对Cd具有一定的累积能力。有研究指出龙葵是Cd的超累积植物[14]，但本次调查结果显示其含量没有达到超富集标准，只为6.08 mg/kg，可能是土壤中重金属Cd含量不高，龙葵对Cd的累积未达到超累积植物水平。而其他杂草体内Pb、Zn、Cu和Cd的含量均在正常范围内，表明它们对该环境有较强的适应能力，并未大量累积重金属。

2.3杂草重金属富集特征

2.3.1富集系数 不同植物对重金属的富集能力和在各器官的分配能力不同，有些植物将重金属吸收至体内，将大部分往地上部转移，而有些只将少量的重金属向地上部转移，并且大量囤积于根部[15]。由表4可知，12种杂草对4种重金属的富集能力存在较大差异，其中：对Cu的BCF>1的有铁苋菜、龙葵、艾草、稻槎菜、马唐草、黄秋葵、堇菜、革命菜和异叶黄鹌菜，分别为1.31、2.30、1.59、1.88、1.03、1.57、1.37、2.33和1.68；对Zn的BCF>1的有铁苋菜、龙葵、稻槎菜、黄秋葵、堇菜和革命菜，分别为1.27、2.39、1.76、1.22、1.16和1.58；对Cd的BCF>1的有铁苋菜、龙葵、艾草、马唐草、黄秋葵、堇菜、野苋菜、革命菜和异叶黄鹌菜，分别为4.94、13.94、1.53、1.96、2.00、3.65、1.37、7.68和3.94；所有杂草对Pb的BCF均小于1，为0.10～0.85，说明12种杂草对Pb的富集能力较弱。综合12种杂草对4种重金属的BCF，吸收累积能力为龙葵>革命菜>铁苋菜>异叶黄鹌菜>堇菜>黄秋葵>稻槎菜>艾草>马唐草>野苋菜>风轮草>野葱。

表4 杂草对4种重金属的富集能力Table 4 Enrichment of 4 heavy metals in weeds

2.3.2转移系数 生物TF反映植物向茎、叶转移重金属的能力，TF越大表明植物对重金属的耐性越强。如TF>1，说明植物能将地下部分的重金属元素转移至地上部分，从而能大量吸收和累积重金属；如果TF<1，植物为减小毒害，通过自身的排斥机制，阻止地下部分的重金属转移到地上部分[6]。由表4可看出，对于Cu，除马唐草、堇菜、异叶黄鹌菜和风轮草的TF<1外，其他植物的TF都大于1，最高的是龙葵，达3.32；对于Zn，除堇菜和野葱的TF<1外，其他植物的TF都大于1，最高的也是龙葵，达4.95；对于Cd，除马唐草的TF<1外，其他植物的TF都大于1，最高的还是龙葵，达5.41；对于Pb，除马唐草、堇菜和异叶黄鹌菜外，其余植物的TF都大于1，最高的是铁苋菜，达6.96，龙葵的也达6.08。说明12种杂草对重金属具有较强的转移能力，强弱依次为龙葵>铁苋菜>稻槎菜>黄秋葵>野苋菜>野葱>风轮草>异叶黄鹌菜>革命菜>马唐草>堇菜。

2.4杂草与土壤重金属含量的关系

对12种杂草不同部位重金属含量与土壤中的重金属含量进行相关性分析(表5)，地上部分和根部中重金属含量与根区土壤中重金属浓度无明显相关关系，但是，杂草地上部分与根部中Pb的含量具有极显著的相关性，说明轻污染土壤中的重金属含量对杂草体内重金属含量无明显影响，杂草根部对Pb的吸收能促进地上部对Pb的积累。

表5 杂草与根区土壤重金属和杂草根部与地上部分重金属元素的相关分析Table 5 Correlation analysis of heavy metal contents

注：**在0.01 水平(双侧)上极显著相关。

Note： ** indicates very significant differences (P<0.01).

3 讨论

贵州山区，重工业较少，但大气沉降、生活垃圾的随意丢弃，可能致使重金属进入土壤，产生潜在危害[16]。调查区域4种重金属内梅罗综合污染指数显示为轻污染，其中Cd对污染的贡献最大。其原因可能是地层下含有煤矿[17]，加上农药、农家肥、化肥和农膜的不合理使用，在将来可能会导致更严重的污染，所以要重视人类活动对环境造成的污染，并加以防治。

有研究指出满足BCF>1和TF>1的，说明植物能够富集重金属，并且将地下部分吸收的元素转移至地上部分，从而可以在体内累积大量重金属，符合这种特征的植物为富集型植物[6,15]。本研究结果，对Cu的BCF>1和TF>1的有铁苋菜、龙葵、稻槎菜、黄秋葵和革命菜；对Zn的BCF>1和TF>1的有铁苋菜、龙葵、稻槎菜、黄秋葵和革命菜；对Cd的BCF>1和TF>1的有铁苋菜、龙葵、黄秋葵、堇菜、野苋菜、革命菜和异叶黄鹌菜，它们都符合富集型植物的特征，但它们的重金属含量远远低于超富集植物的标准(Cu、Zn、Cd和Pb分别为1000、10000、100和1000 mg/kg[18])，对于杂草是否是属于富集型，除应以BCF>1和TF>1为评判标准外，还要考虑土壤中重金属浓度与植物体内重金属含量是否达到临界标准和植物的正常生长是否受到影响等因素[19]。

调查区域土壤重金属含量较低可能是导致12种杂草体内重金属含量未达到或超过临界值的主要原因之一。在重金属污染土壤修复方面的能力，调查区域内生长的杂草与其他同是生长在轻污染土壤中的植物，如其他杂草植物[20]、草本能源植物[21]和园林植物[22]，都无法与超积累植物相比，但它们都具有类似于超累积植物的富集特征，在重金属修复工程中具有一定潜力，它们对重金属的富集能力是否会随着土壤重金属含量的增加而有所提高有待进一步的研究。

4 结论

(1)调查区土壤Cd的单因子污染指数最大，为1.71，其他3个重金属的单因子污染指数范围为0.30～0.45，表明调查区域土壤仅受Cd的轻度污染，不受Pb、Cu和Zn污染；内梅罗综合污染指数为1.31，调查区域土壤为4种重金属综合污染的轻度污染水平。

(2)调查区内生长的优势杂草，主要有铁苋菜、龙葵、艾草、稻槎菜、马唐草、黄秋葵、堇菜、野苋菜、革命菜、异叶黄鹌菜、风轮草和野葱，体内的Cu、Zn、Cd和Pb的含量范围分别为42.15～110.27 mg/kg, 35.89～157.87 mg/kg, 0.29～6.08 mg/kg和2.99～37.19 mg/kg，属一般植物正常含量范围，均未达到超富集植物水平。

(3)铁苋菜、黄秋葵、革命菜、稻槎菜、野苋菜、堇菜、异叶黄鹌菜具有成为超富集植物的潜力。

(4)轻污染耕地土壤中的重金属含量对杂草体内重金属含量无明显影响，但杂草根部对Pb的吸收能促进地上部对Pb的积累。

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HeavymetalabsorptionandenrichmentcharacteristicsofdominantweedspeciesnaturallygrowingonfarmlandinNorthernGuizhou

YAN Lian-Ying1,2, FAN Cheng-Wu1,3, ZHAO Zhen-Yu4, LIU Gui-Hua1,3, HU Gang1,3, QIN Song1,3*

1.GuizhouInstituteofSoilandFertilizer,Guiyang550006,China; 2.CollegeofAgriculture,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China; 3.GuizhouProvinceEngineeringResearchCenterforAgriculturalResourcesandEnvironment,Guiyang550006,China; 4.KweichowMoutaiCompanyLimited,Renhuai564500,China

The aim of this research was to provide reference data for the remediation of sites contaminated by heavy metals in Guizhou Province, a mountain-and-hill area. The heavy metal absorption and enrichment characteristics of 12 dominant weeds naturally growing in farmland in northern Guizhou and their root soils were analyzed. The weeds were sampled from the field, and the soils were analyzed to determine the background concentrations of heavy metals. The quality of the soil environment with reference to heavy metal pollution was judged against the Agricultural Environment Quality Evaluation Standards, and on the basis of the single factor pollution index and the Nemerow pollution index. The bioconcentration factor and transfer factor were calculated to evaluate the enrichment characteristics of the dominant weeds. The soil had single factor pollution indexes for Cu, Zn, Cd, and Pb ranging from 0.30 to 1.71 and a Nemerow comprehensive pollution index of 1.31. Therefore, the soil was judged as lightly polluted, and Cd was the main contributor. The dominant weeds in the study area wereAcalyphaaustralis,Solanumnigrum,Artemisiaargyi,Lapsanaapogonoides,Digitariasanguinalis,Abelmoschusesculentus,Violaverecunda,Amaranthusspinosus,Gynuracrepidioides,Youngiaheterophylla,Clinopodiumchinensis, andAlliumfistulosum. The ranges of heavy metal contents in these weeds were as follows: Cu, 42.15-110.27 mg/kg; Zn, 35.89-157.87 mg/kg; Cd, 0.29-6.08 mg/kg; and Pb, 2.99-37.19 mg/kg. These values were within the normal range and were not indicative of hyperaccumulating plants. The bioconcentration factors and transfer factors were greater than 1 inA.australis,A.esculentus, andG.crepidioidesfor Cu, Zn, and Cd; inL.apogonoidesfor Cu and Zn, and inV.verecunda,A.spinosus, andY.heterophyllafor Cd. These species showed some characteristics of hyperaccumulation plants. The contents of heavy metals in lightly polluted farmland soil did not significantly affect the heavy metals contents in weeds. The absorption of Pb by the roots of weeds promoted Pb accumulation. In conclusion, the contents of heavy metals in the dominant weeds were in the normal range, but some dominant weeds possessed some important characteristics of hyperaccumulation plants, and have the potential to be hyperaccumulation plants.

farmland of Northern Guizhou; dominant weed plants; heavy metal; enrichment characteristics

10.11686/cyxb2016499http//cyxb.lzu.edu.cn

严莲英, 范成五, 赵振宇, 刘桂华, 胡岗, 秦松. 黔北轻污染耕地12种优势杂草重金属含量及富集特征. 草业学报, 2017, 26(10): 237-244.

YAN Lian-Ying, FAN Cheng-Wu, ZHAO Zhen-Yu, LIU Gui-Hua, HU Gang, QIN Song. Heavy metal absorption and enrichment characteristics of dominant weed species naturally growing on farmland in Northern Guizhou. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(10): 237-244.

2016-12-28；改回日期：2017-03-15

贵州省农业科学院项目“阿哈水库底泥农业资源化利用研究”(农科院创新专项[2015]01号)，贵州省科研机构服务企业行动计划项目“贵州农产品产地重金属检测与控制技术研发平台建设”(黔科合服企[2015]400号)和贵州省科技厅科技计划项目“镉低积作物筛选及土壤镉污染控制技术研究与示范”(黔科合NY[2013]3077号)资助。

严莲英(1990-)，女，贵州黎平人，在读硕士。E-mail: 651475942@qq.com

*通信作者Corresponding author. E-mail: qs3761735@163.com