籽粒苋修复土壤重金属污染研究进展

谷 雨 ，黄铁平，唐珍琦，李明德，吴海勇，周峻宇，刘琼峰

（1湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125；2湖南省土壤肥料工作站，长沙 410006）

0 引言

土壤重金属污染具有累积性、隐蔽性、不可降解性、分布不均匀性、长期性、地域性等特点，修复治理难度大[1-2]。土壤重金属污染不仅导致作物产量减产，还可进入食物链严重危害人体健康[3]。植物修复技术是一种环境友好型修复技术，利用植物对土壤中的重金属进行吸收和固定达到净化土壤的目的，具有广阔的应用前景[4-5]。目前发现重金属超富集植物的数量约500多种，占已知品种的0.2%左右。然而，很多超积累植物因为生长速度缓慢、植株矮小、生物产量低等特点，极大地制约了其修复污染土壤的效率，而且还有许多具有超积累重金属特性的植物尚未被发现[6-9]。因此，筛选出生长周期短、生物量大、适应性强的高效超积累植物具有重要意义。

籽粒苋(Amaranthus hypochondriacus)是一年生的草本植物，在国内的种植区域很广，具有生长速度快、生物量大、易栽培、适应性强、营养成分高等特点，是一种优良的修复重金属污染土壤的超富集植物[10-11]。目前，国内外对籽粒苋在饲料、食品加工、品种选育方面的研究较多，国内经筛选收集的籽粒苋优良品种已超过400 个，但对其修复土壤重金属污染进行系统研究较为少见[10-16]。笔者综述了近年籽粒苋修复土壤重金属污染的研究进展，旨在为将籽粒苋进一步应用于修复土壤重金属污染提供参考。

1 籽粒苋概况

1.1 籽粒苋特性

籽粒苋是苋科苋属一年生草本植物，起源于中美洲和东南亚地区，主要有繁穗苋、尾穗苋和绿穗苋等品种。籽粒苋为C4植物，叶宽大、柔软，直立，主茎粗壮，可高达2～3 m，茎顶有30～70 cm的大花穗，通过风媒或虫媒传粉，播种后2.5～3个月结籽，籽粒细小，颜色为淡白、淡黄、橙黄或黑色。籽粒苋适应性强，具有耐旱、耐盐碱、耐贫瘠土壤的特点，在国内北方地区种植较多，生育期可进行多次收割，其鲜草产量达到130 t/hm2[17-18]。

1.2 籽粒苋栽培

籽粒苋可采用直播或育苗移栽。播种时可用细沙土拌种，可点播、条播、撒播，播种深度1～2 cm，覆土深度1～2 cm，或覆一层草木灰，上面盖稻草。籽粒苋春、夏、秋都可播种，一般为4月中旬—5月初旬，适宜温度为15℃。育苗移栽一般在苗高15～20 cm进行，每公顷用量0.4 kg，直播用量不多于0.7 kg。苗期需及时中耕除草，合理施加肥料[19-20]。

1.3 籽粒苋利用价值

籽粒苋营养价值丰富，具有药、食、饲、肥、点缀景区等多种用途。籽粒苋含有多种微量元素和矿质元素，富含蛋白质、氨基酸、不饱和脂肪酸等，不仅是猪、鸡、鸭和牛等动物的优质饲料，也可加工为人类食品。另外，籽粒苋籽实中含有角鲨烯、多酚类、黄酮类等功能性成分，可提取制成药物，具有抗氧化、降低血糖、降血脂和胆固醇等功能。籽粒苋吸收钾的能力强，可作天然富钾绿肥使用。籽粒苋吸收累积重金属的能力较好，在修复重金属污染土壤上具有较大的应用潜力[11]。

2 籽粒苋在土壤修复中的应用

2.1 籽粒苋对镉的富集

镉是一种毒性很强的非必需重金属元素，在环境中难以被降解。镉被作物吸收后，通过进入食物链容易富集生物体内，严重威胁动物和人类的健康生存。自然因素和人类活动（工业“三废”、矿产开发和加工、农药农膜大量使用等）是其主要来源[21-22]。周启星等[23]于1995 年在沈阳张土污灌区研究，发现苋科植物（尤其是野生苋）是富镉植物，通过收获富镉苋科植物，可达到治理和减轻镉污染的目的。Chunilall等[24]研究也发现，食用红叶苋菜和绿叶苋菜对镉有很强的富集作用。

龙玉梅等[25]通过温室盆栽试验比较籽粒苋、龙葵、商陆、青葙4种植物对镉污染土壤修复效果，结果表明在广西河池土壤（镉含量为22.44 mg/kg）中，4 种植物可收获的镉含量总量由高到低顺序为籽粒苋＞青葙＞商陆＞龙葵。谷雨等[26]通过在湖南省长株潭休耕区轻、中、重度镉污染农田开展小区试验，研究6 种植物（籽粒苋、商陆、甜高粱、生物质高粱、玉米、油葵）对土壤中镉的富集特性，发现籽粒苋地上部重金属镉的含量和对镉的富集系数均最高。

在镉污染土壤中，镉的浓度会对籽粒苋的生长发育产生影响。李凝玉等[27]研究发现，籽粒苋2 个品种（K112和R104）均对土壤中镉有很强的耐性和积累能力，2 种籽粒苋生物量随土壤中镉浓度的增加而逐步下降，籽粒苋体内镉含量则随土壤中镉浓度增加而快速上升，在土壤镉浓度为16 mg/kg 时，体内积累镉浓度达到超富集植物的临界标准。李虹颖等[28]研究发现，在镉浓度低时，籽粒苋受镉离子影响，抗氧化能降低。在镉浓度高时，籽粒苋会调节营养元素的吸收和分配，启动其活性氧防御机制，抗胁迫能力提高。

2.2 籽粒苋对其他重金属的富集

籽粒苋对多种重金属元素存在富集作用。吴启航等[29]利用籽粒苋修复铊污染土壤研究发现，随着土壤中铊的浓度升高，籽粒苋的生物量、高度、PSII 最大量子效率、植物含铊总量均有差异，籽粒苋根、茎、叶中铊的浓度增加，生物富集因子增加，且都大于1，转移系数也增加。因此，籽粒苋对铊污染土壤的修复具有很大潜力。张习美[30]采用开顶式气室中盆栽试验的方法进行研究，发现不同铯浓度下，CO2浓度升高显著增加了籽粒苋的株高、地上部分和地下部分的生物量和铯含量，说明其修复铯污染土壤的效率增加；CO2浓度升高还显著增加了籽粒苋根际土壤中细菌、真菌、放线菌的数量和微生物C、N 含量。廖上强[31-33]研究发现，水培籽粒苋接种伯克霍尔德氏菌(D54)增加了籽粒苋生物量和重金属铯的吸收量，提高了籽粒苋对铯的耐性指数和富集系数，一定程度上提高其对铯的修复效率；在正常CO2浓度和CO2浓度升高土培试验中，接种伯克霍尔德氏菌(D54)也增加了籽粒苋的生物量和对重金属铯的吸收量。因此，籽粒苋对铯有很好的富集作用，可用于铯污染土壤修复。

2.3 籽粒苋的联合修复应用

土壤重金属污染具有多样性和复杂性，采用添加剂、微生物、动物（蚯蚓）和农艺措施等联合修复技术，与单一植物修复措施相比能显著提高植物修复效率，缩短植物修复周期[34]。

2.3.1 添加剂对籽粒苋修复能力的影响 在籽粒苋修复重金属污染土壤过程中，使用添加剂（如植物生长调剂、螯合剂等）能提高籽粒苋的修复效率。植物生长调节剂对作物的生长具有明显的促进作用。兰晓霞等[35]以籽粒苋为试验材料，采用营养液培养方式，发现在镉锌胁迫下，1×10-5mol/L表油菜素内酯能提高籽粒苋对重金属镉、锌的吸收积累。肖艳辉等[36]采用盆栽试验，比较叶面喷施不同浓度胺鲜酯对籽粒苋生长及富集镉锌的影响，发现叶面喷施10 mg/L 胺鲜酯的处理不仅能显著提高籽粒苋根际土壤有效态镉和锌含量，还能显著增加籽粒苋的生物量；施用植物生长调节剂胺鲜酯的籽粒苋叶、茎、根中镉含量均提高。

籽粒苋修复过程中添加螯合剂能够增强土壤中重金属的活性，提高其修复提取效率。邰义萍[37]研究发现，添加EDTA不仅能增加籽粒苋地上部生物量，还能增加其对重金属的提取量。宋波等[21]研究发现，添加活化剂能促进籽粒苋对土壤中镉的吸收，提高籽粒苋的修复效率，节约修复成本。罗艳[38]研究发现，可降解螯合剂(EDDS、NTA、APAM)施入后显著增强了籽粒苋根系和地上部分对镉的吸收，且高浓度的螯合剂和在植物移栽65 天后添加螯合剂更能提高籽粒苋的富集能力。王凯[39-40]在螯合剂(GLDA、NTA、CA、EDDS)及组合被用于强化籽粒苋修复镉污染土壤效果的研究中发现，复合螯合剂GN(GLDA=3 mmol/L，NTA=2 mmol/L)具有最高的镉移除量，添加可降解螯合剂可较好地提高籽粒苋对土壤中镉的总移除量，并且避免二次污染，是一种前景广阔的绿色土壤镉污染修复方法。

2.3.2 微生物对籽粒苋修复能力的影响 植物根际的微生物通过把大分子化合物转化成小分子化合物和分泌质子、有机质等，提高植物根际的重金属活性[34,41]。在籽粒苋修复污染土壤过程中，根际土壤中的微生物对籽粒苋的富集效果有一定的促进作用。曹书苗[42]通过盆栽试验，研究半干旱缺水及镉胁迫下促生效果好的多功能放线菌Act12（密旋链霉菌）对籽粒苋生长、耐受性的影响，结果显示该菌可增加籽粒苋在镉污染土壤中株高、根长、生物量干重，对籽粒苋的生长有明显促进作用，同时增强了籽粒苋对镉的耐受性，提高了籽粒苋对镉的生物富集浓度和修复效率。李星[43]将丛枝菌根真菌和白腐真菌接种于籽粒苋上，研究不同浓度β-环糊精对籽粒苋联合真菌修复镉和BDE-209复合污染土壤的影响，结果表明接种丛枝菌根真菌并施加0.4%β-环糊精和接种白腐真菌并施加0.8%β-环糊精对修复镉和BDE-209 复合污染土壤具有较高的修复效率，接种微生物可以提高籽粒苋修复效率。

2.3.3 动物（蚯蚓）对籽粒苋修复能力的影响 在籽粒苋修复重金属污染土壤中，利用土壤中一些低等动物，如蚯蚓、啮齿动物等，不仅可以促进植物生长，还可以提高土壤重金属的有效性和迁移性，并提高植物修复的效率。袁中友等[44]盆栽籽粒苋，发现接种蚯蚓处理后，籽粒苋株高、茎粗、生物量和氮磷钾养分积累明显高于对照处理(P＜0.05)，这是由于蚯蚓活动有助于土壤有机质的分解和土壤养分的活化，能快速提高土壤供肥能力，有利于作物吸收和生长。黄钰婷[45]进行籽粒苋修复重金属污染土壤的盆栽试验，发现“秸秆+蚯蚓+籽粒苋”的联合修复能显著提高植物的生物产量和对重金属的富集量，从而使土壤重金属含量降低。“秸秆+蚯蚓+籽粒苋”是修复镉污染土壤的一种有效、绿色环保的方法。

2.3.4 农艺措施对籽粒苋修复能力的影响 农艺措施利用栽培技术进行农艺生产研究，能改变植物生长的环境，一般包括施肥、育种、间套作等技术。作物的间套作是植物修复中重要的方法之一，可实现重金属污染农田边生产边修复治理。间套作不仅改变植物根系分泌物、土壤微生物等，还改变重金属的有效性，影响植物对重金属的富集[46-47]。李凝玉等[48]发现，不同作物间作对镉富集程度不同，其中籽粒苋和油菜可大量吸收镉，籽粒苋地上部和根的镉浓度分别为51.0、91.8 mg/kg。侯定基等[49]研究发现，玉米和蜈蚣草、籽粒苋带状种植对土壤重金属镉、铅吸收和累积有影响，大田试验3个行距(100、150、200 cm)处理中，行距100 cm+蜈蚣草+籽粒苋处理蜈蚣草、籽粒苋的镉、铅含量同比达到最大值，对土壤镉、铅的富集作用最明显。杨忠兰等[50]研究发现，玉米和籽粒苋间作，能提高籽粒苋生物产量（干重），增加其对镉的吸收。郭楠等[51]将玉米与籽粒苋在镉污染农田中以5种不同的间作模式种植，发现玉米/籽粒苋等4行距间作的间作模式有利于籽粒苋镉提取量的最大化。因此，在重金属污染土壤的植物修复中，农艺措施能有效提高籽粒苋对土壤重金属污染的修复效率。

3 展望

目前，应用籽粒苋对重金属污染土壤进行治理，主要利用了籽粒苋生物量大、生长周期短、易栽培、对重金属富集能力强等特点，具有良好的修复重金属污染土壤的潜力。但也存在一些不足：（1）籽粒苋的研究大多在室内进行，以盆栽、水培等试验为主，自然界中大规模实际应用较少；（2）对籽粒苋吸收多种重金属的复合污染研究较少，而对单一重金属元素，尤其是对镉的富集研究较多；（3）籽粒苋修复重金属污染土壤后，收获物的综合利用程度和经济效益不高。

为将籽粒苋更好应用于土壤重金属污染治理，笔者认为今后可在以下方面加强研究：（1）加强籽粒苋对土壤重金属复合污染的机理研究，采用室内室外相结合的方法，探究籽粒苋在自然环境条件下的实际修复效果，筛选出能够在田间大面积推广应用的重金属高积累籽粒苋品种；（2）采用现代生物学技术，寻找调控籽粒苋吸收和耐受重金属的关键基因，通过基因工程手段，培育出富集重金属能力强、生物量大、生长周期短、能高效资源利用的籽粒苋新品种；（3）完善籽粒苋收获物的后续处理，探索籽粒苋种植-重金属移除-土壤修复-收获物综合利用-经济效益的综合利用方式，如可通过将籽粒苋收获物作生物质能源或作景观植物观赏等安全处理，实现修复污染土壤时兼顾生态和经济效益；（4）构建籽粒苋数据库调控模型，通过调控籽粒苋影响因子（土壤pH、有机质、阳离子交换量、微生物等），促进籽粒苋生长，增加生物量，提高修复效率；（5）优化籽粒苋联合修复技术，包括与微生物、动物、农艺措施、化学试剂、改良剂、电动、纳米材料、基因改良等联合，提高籽粒苋修复重金属污染土壤的效率。如籽粒苋通过与低积累作物（如玉米）间套作或轮作等农艺措施，并联合添加土壤活化剂等化学措施进行协同修复，将更好地改善修复效果，并实现边修复边生产。