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野外条件下土壤砷浓度对蜈蚣草砷富集特征的影响



全 文 :野外条件下土壤砷浓度对蜈蚣草砷富集特征的影响
刘颖茹 ,陈同斌* ,黄泽春 ,廖晓勇
(中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心 ,北京 100101)
摘要:以 As 超富集植物蜈蚣草广泛分布的湖南省郴州市为例 , 调查了不同 As 污染程度下植物对 As 的富集和转运特点.结果
表明 ,在野外条件下根际土壤中 As 浓度相对较低时(64~ 1 000mg/ kg), 蜈蚣草地上部As 浓度随根际土壤中 As 浓度的增加而
逐渐增加 ,而在根际土壤中 As 浓度相对较高(1 000~ 2 712mg/ kg)时 , 蜈蚣草地上部 As浓度表现为逐渐下降的趋势.在调查
的所有样点中 ,蜈蚣草对 As的转运系数介于 1.08 到 6.03 之间 , 显示出超富集植物的典型特征.结果还表明 , 在污染区土壤
As浓度存在很大的空间变异性 , 根际土壤与非根际土壤之间的 As 浓度也存在很大差异.因此 ,在野外调查时最好是直接采取
距离植物根部最近的根际土壤.
关键词:植物修复;空间变异;蜈蚣草;根际;As;富集系数;转运系数
中图分类号:X53 文献标识码:A  文章编号:0250-3301(2005)05-0181-06
收稿日期:2004-11-04;修订日期:2005-02-10
基金项目:国家杰出青年科学基金项目(40325003);国家自然科学基
金重点项目(40232022);国家重大基础研究前期研究专项资助项目(2002CCA03800)
作者简介:刘颖茹(1976~ ),女 ,内蒙古包头市人 ,博士研究生 ,研究
方向为污染土壤植物修复.
*通讯联系人 , E-mail:chentb@igsn rr.ac.cn
As-Hyperaccumulation of Pteris vittata L.as Influenced by As Concentrations in
Soils of Contaminated Fields
LIU Ying-Ru , CHEN Tong-Bin , HUANG Ze-Chun , LIAO Xiao-Yong
(Center for Environmental Remediation , I nstitute of Geographic Sciences and Natural Resources Research , Chinese Academy of
Sciences , Beijing 100101 , China)
Abstract:As soil arsenic concentration might have g reat effect on arsenic accumulation of hyperaccumulator Pteris v ittata L., three
sample areas w ith different As pollution level in the soils are investigated in Chenzhou , Hunan P rovince , w here Pteris vittata L.
g rows broadly .Great variation of As concentrations is found to be no t only among different samples in the same sampling areas but
also between rhizosphere and bulk soil of P.vittata L.So it is suggested that rhizosphere soil should be sampled to study the effect
of soil contamination on plant accumula tion.The As concentration in frond of P.vittata L.increased dramatically at low er As lev el
but decreased slowly when As concentration higher than 1 000mg/kg.Arsenic translocation factors of P.v ittata L.were greater
than 1 in all samples in this study , w hereas As concentration in shoots in lower As contaminated soil and bioaccumulation factors in
higher As contaminated soil are fail to meet the definition of A s hyperaccumulator.
Key words:phy toremediation;spatial v ariation;Pteris vittata L.;rhizosphere;arsenic;bioaccumulation factor;translocation facto r
  以超富集植物(hyperaccumulator)为基础的植
物修复技术是目前环境科学的研究热点[ 1 ~ 3] .超富
集植物对重金属元素的吸收量超过普通植物的 100
倍以上[ 4] ,这一特征使其不仅成为植物修复的理想
材料 ,而且成为相关研究的模式植物.其中 ,元素从
土壤进入植物根部的吸收机制以及由根部转运到地
上部的转运机制是超富集植物研究中的重要内容.
一般而言 ,植物体内重金属的含量随介质重金
属含量升高而增加[ 1 , 5~ 10] ,但是植物体内重金属含
量并不是随介质重金属含量的增加而线性增
加[ 5 ~ 7] .对富集锰的植物 Phytolacca acinosa[ 11] 、镉
超富集植物 Thlaspi goesingense[ 12]和砷超富集植物
Pity rogramma calomelanos[ 13]的研究结果表明 , 介
质浓度最高时 ,植物地上部浓度往往不是最大值.从
陈同斌等[ 1] 的野外调查结果也可以看出 , 土壤 As
浓度超过1 000mg/kg 时 , As超富集植物蜈蚣草羽
叶中 As浓度不随介质 As浓度增长而增长.这些结
果说明 ,土壤重金属浓度对植物富集能力的影响机
制较为复杂.研究超富集植物在不同污染程度下的
富集能力 ,可以为超富集植物的应用范围及植物修
复的效率提高提供科学依据.
蜈蚣草具有很强的砷富集能力和较高的生物
量 ,是典型的超富集植物[ 1] ,在砷污染土壤的修复
中具有良好的应用前景[ 14] .将蜈蚣草用于修复污染
土壤时 ,其地上部的 As浓度对修复效率有重要的
影响.本文从野外调查入手 ,分析和探讨不同 As浓
度土壤中蜈蚣草对 As的富集和转运特征.
第 26卷第 5期
2005 年 9 月 环  境  科  学ENVIRONMENTA L SCIENCE
Vol.26 , No.5
Sep., 2005
DOI :10.13227/j.hjkx.2005.05.036
1 材料和方法
1.1 研究区域概况
研究区域位于湖南省东南部的郴州市 ,境内蜈
蚣草分布广泛.当地金属矿藏丰富 ,已发现 143种矿
物 ,而砷则为多种矿物的伴生矿.根据前期的野外调
查结果 ,在郴州市选取 3 种不同 As污染程度的样
区:轻度污染区(砷污染农田 , 2001 年中科院地理科
学与资源研究所环境修复中心在此建立植物修复基
地)、中度污染区(矿区尾沙坝下撂荒地)以及重度污
染区(炼砷厂废弃地)见表 1.
1.2 样品采集及分析
表 1 取样区的位置及植被描述
Table 1 Descript ion of the sampling areas
取样区 地点 经纬度及海拔 植被概况
轻度污染区 郴州植物修复基地 ,废弃农田 N25°35′ E113°00′, 344m 植被为人工种植的蜈蚣草
中度污染区 郴州柿竹园尾沙坝下撂荒地 N25°47′ E113°09′, 182m 植被盖度较高 , 优势植物为五节芒(Miscanthus
f lorid ulus)、野苎麻(Boehmeria nivea)
重度污染区 郴州砷制品厂附近废弃地 N25°35′ E113°00′, 352m 植被盖度低 ,优势植物为蜈蚣草
  在 3个研究区域内各选择蜈蚣草分布较为集中
的采样区(约 20m2),每个采样区内随机取 5 ~ 7 株
蜈蚣草和相应的土壤样品 ,植物样品分地上部 、地下
部 ,土壤样品分根际 、非根际土壤 2部分.根际土壤
是从植物根部抖落下来的部分 ,非根际土壤取自没
有生长植物的部分[ 15] .本研究中将蜈蚣草及其周围
土壤一起取出 ,将距根部较远的土壤作为非根际土 ,
将抖落的 、与根部联系密切的土壤作为根际土.土壤
与植物样品装入塑料袋带回室内进行分析.土壤自
然风干 、研磨 、过 100目尼龙筛后备用.植物样品先
用自来水洗净 ,再用去离子水冲洗 ,于 60℃下烘 48h
至恒重 ,粉碎后备用.
1.3 样品分析与数据处理
土壤样品采用 HNO3-H2O2 消煮(美国国家环
保局推荐的 3050B 方法)[ 16] , 植物样品用 HNO3-
HClO4(5∶1)消煮[ 17] .待测液中 As浓度采用氢化物
发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)(AFS-2202)测定.
分析过程中分别加入国家标准土壤样品(GSS-1)和
国家标准植物样品(GSV-2)进行分析质量控制 ,误
差均在允许范围.
数据处理及统计分析采用 SPSS10.0和 Origin
Pro7.0进行.
2 结果与讨论
2.1 土壤 As浓度的变化特征
表 2给出不同样区中土壤As浓度的分析结果.
从表2可以看出 ,调查区域内土壤的As浓度在同一
采样区的不同样点之间存在很大的差异.非根际土
壤中在轻度污染区的浓度范围为 48 ~ 112 mg/kg ,
而在中度污染区为 348 ~ 1 008mg/kg ,在重度污染
区为1 236 ~ 2 860mg/kg .其最大值与最小值之间分
别相差 2.33 、2.90和 2.31倍.这一现象在根际土壤
中也同样存在:在轻度 、中度和重度污染区内 ,根际
土壤As的变异范围分别为 64 ~ 114mg/kg 、321 ~
936mg/kg 和1 199 ~ 2 712mg/kg ,最大值与最小值
之间分别相差 1.78 、2.92和 2.26 倍.从标准差上
看 ,根际和非根际土壤 As浓度的标准差随污染程
度的升高而增加 ,表明土壤污染程度越重 ,区域内
As浓度的变异程度也越大.本研究中同一采样区内
的不同采样点均分布在不超过 20m2 的空间范围
内 ,而As浓度存在如此巨大的差异 ,表明了污染区
中土壤As浓度存在很大的空间变异性 ,而且变异
程度随污染程度的增加而增大.
图 1 给出不同样区中根际与非根际土壤的 As
浓度状况.对比根际和非根际土壤 As浓度 ,除了轻
度污染采样区中土壤中根际土壤 As含量在所有样
点中均略高于对应非根际土壤 As含量 ,在中度污
染和重度污染区内 ,根际土壤 As含量并没有因为
蜈蚣草的生长而出现规律性的升高或降低的趋势.
成对数据 T 检验显示 ,轻度 、中度和重度污染区中
    表 2 调查区域土壤 As浓度的基本统计描述
Table 2 Statist ical description of As concentrations in the soils investigated
样区 样本数 n
土壤 As浓度/mg·kg -1
非根际 根际土壤
平均值 标准差 最大值 最小值 平均值 标准差 最大值 最小值
轻度污染区 7 80 23 112 48 87 18 114 64
中度污染区 5 644 289 1 008 348 659 290 936 321
重度污染区 5 2 151 659 2 860 1 236 2 015 617 2 712 1 199
182 环  境  科  学 26 卷
根际和非根际土壤之间的差异显著性系数分别为
0.05 、0.64和 0.53.这表明 ,除了轻度污染土壤受到
蜈蚣草生长的影响 ,根际和非根际土壤之间出现显
著差异之外 ,中度和重度污染土壤 As含量受蜈蚣
草的影响均不显著.因而中度和重度污染区内根际
土壤和非根际土壤之间的差异 ,可以反映 As 浓度
的空间差异.中度污染区中 ,非根际与根际土壤 As
浓度的差值的绝对值变化范围为 22 ~ 80mg/kg ,而
重度污染区的变化范围为 331 ~ 525mg/kg ,差值的
绝对值分别占对应采样点非根际土壤总 As浓度的
6%~ 11%和 14%~ 30%.这一结果表明 ,污染区土
壤As浓度在蜈蚣草根际和非根际这一很小的空间
距离上也存在很大差异 ,而且这一差异也同样随采
样区污染程度的增加而增大.
从表 2和图 1可以看出 ,污染区中土壤As浓度
存在很大的变异性.这种差异在 20m2 这样小的空
间尺度和蜈蚣草根际与非根际土壤之间都很明显 ,
而且污染区土壤 As浓度的空间变异还呈现出随污
染程度的增加而增大的特点.这一结果提示:在野外
条件下进行植物富集特征的调查和超富集植物的筛
选等时 ,应该考虑到如何正确地采集土壤样品.
然而 ,关于野外条件下的土壤采样方式 ,目前并
没有统一的做法.许多关于土壤重金属对植物吸收
影响方面的研究 ,也采用土壤混合样[ 22 ,23]或非根际
的土壤[ 9] .通常在考察土壤重金属浓度时 ,往往通
过S 型或W 型等取样法获取多点的混合样作为一
定面积内重金属浓度的平均值 ,但这一方法多用于
较大空间尺度上污染物的分布和污染评价方面的研
究工作[ 18~ 20] .由于植物(尤其是草本植物)的根系
所及的土壤范围通常较小 ,因此在污染物空间变异
较大的地区 ,采用土壤混合样研究植物的富集能力
可能导致调查结果与实际情况存在较大出入.因此 ,
在考察野外污染条件下植物对元素的吸收特征时 ,
取植物及其根部土壤作为对应样本进行研究可以更
真实地反映植物对元素的吸收特征.Youssef的研究
也表明[ 21] ,与非根际土壤相比 ,根际土壤中金属元
素的浓度对植物体元素浓度的影响更大.
根据上述研究结果 ,笔者认为在野外考察中应
该综合考虑研究目的以及研究区域的污染程度等因
素 ,选择合适的采样方式;对根际和非根际土壤 ,由
于根际和非根际之间的重金属存在很大差异 ,因此
采取离植物根部最近的根际土壤(尤其在污染程度
较重的区域内),更能代表实际情况.
2.2 根际土壤 As浓度对蜈蚣草As富集特征影响
图 1 蜈蚣草根际 、非根际土壤中的 As浓度
Fig.1 As concent rations in rhizosphere and
bulk soils grow ing w ith P.vit tata L.
由于本文调查区域内土壤 As浓度的高度变异
性 ,同时根际土壤与非根际土壤间 As 浓度有较大
差别 ,因此本研究采用距离蜈蚣草根部最近的根际
土壤考察土壤 As 浓度对蜈蚣草富集能力的影响.
从图2可以看出 ,在轻度 、中度As污染区中 ,蜈蚣草
地上部 As浓度随着根际土壤 As浓度的增加而增
加(图 2a 、b);在重度As污染区中 ,蜈蚣草地上部分
的 As浓度却随根际土壤 As浓度的增加逐渐降低 ,
两者之间呈显著的负相关(图 2c).虽然中度污染区
中蜈蚣草地上部 As浓度随土壤 As浓度的增加而
增高 ,这一趋势与轻度 As污染区相似.但是 ,对比
两者回归曲线可以看出 ,在轻度 As污染区中 ,其回
归曲线的斜率为 20.1(图 2a);而中度污染区中回归
斜率仅为 1.27(图 b),远低于轻度污染区中的斜率.
这也就是说 ,蜈蚣草地上部 As浓度随土壤 As浓度
升高而增加的幅度要远远低于轻污染条件时的增加
1835 期 环  境  科  学
幅度.因此 ,从整体上看 ,随着根际土壤 As浓度的
升高 ,蜈蚣草地上部 As浓度随土壤中 As浓度增加
而增高的幅度逐渐减缓 ,而在 As浓度超过1 000
mg/kg的重度污染区 ,蜈蚣草地上部分的 As浓度甚
至随根际土壤 As浓度的增加逐渐降低.与地上部
不同 ,蜈蚣草地下部的 As浓度与土壤中的 As浓度
无显著相关性(表 3).
图 2 蜈蚣草根际土壤 As浓度与地上部分 As浓度的关系
Fig.2 Relationship between As concent rations in
rhizosphere and in f ronds of P.vi t tata L.
表 3 蜈蚣草根际土壤 As浓度与蜈蚣草
对 As的富集特征的相关分析
Table 3 Correlat ions between As concent ration in rhizosphere and
the characters of As accumulat ion in P.vit tata L.
样区 植株 As浓度/mg·kg
-1
地上部分 地下部分 转运系数 富集系数
轻度污染区(n =7) 0.911** 0.729 -0.265 0.827*
中度污染区(n =5) 0.780 0.026 0.271 -0.533
重度污染区(n =5)-0.965** -0.484 -0.384 -0.974**
* p <0.05;** p <0.01
  在轻度 、中度污染区中 ,蜈蚣草地上部 As浓度
随土壤中 As浓度的升高而升高.Cao 等[ 24]的研究
表明 ,在室内试验中 ,蜈蚣地上部 As浓度在土壤 As
浓度为 0 ~ 200mg/kg范围内随土壤中 As浓度的升
高而升高.陈同斌等[ 1]的野外调查结果表明 ,当介
质中As浓度<1 000mg/kg 时 ,蜈蚣草羽片中 As浓
度随生长介质中 As 浓度的升高而升高.这些研究
结果与本文轻度 、中度污染区的 As浓度范围内的
情况相一致.本文还发现(图 2c),在重度污染区中 ,
蜈蚣草地上部 As浓度随土壤浓度的增高而逐渐降
低.在其他重金属超富集植物的研究结果中也曾发
现类似的现象.Xue 等[ 11] 研究 Mn 超富集植物
Phytolacca acinosa 对 Mn的积累特征时发现 ,在 Mn
浓度为 0 ~ 15 000μmol/L 的水培条件下 ,其叶片与
茎中 含 量 的 最大 值 均 出 现 在 溶 液浓 度 为
5 000μmol/L 时 ,而在5 000 ~ 15 000μmol/L时 , Mn
的含量反而随溶液中 Mn浓度的升高而降低.Lombi
等[ 12]对 Thlaspi caerulescens的研究表明 ,当培养液
的 Cd浓度为 250μmol/L 时 ,其地上部 Cd的浓度高
于 0 ~ 100μmol/ L 以及 500μmol/L 时的浓度.
Francesconi等[ 13] 对 Pityrogramma calomelanos 的
野外调查结果也显示 , 其地上部 As 浓度最高值
(8 350mg/kg)出现在含 As浓度相对较低的土壤中
(含 As浓度为135mg/kg).由此可见 ,虽然超富集植
物有将重金属元素大量积累于地上部的能力 ,但地
上部积累的最大浓度却受生长介质中重金属浓度的
影响;在重金属浓度过高的介质中 ,超富集植物地上
部积累的重金属浓度有时还低于其在较低重金属浓
度的介质中生长的情况.Wang[ 25]等的研究发现 ,当
蜈蚣草生长在 As 浓度为 416μmol/L 的营养液中
时 ,其地上部浓度虽超过了10 000mg/kg ,但同时也
表现出中毒症状.黄泽春等[ 26]的研究也表明 ,在 As
浓度为 10mg/kg 的砂培条件下培养蜈蚣草 3周会
出现中毒症状.这些研究结果表明 ,过高的介质浓度
可能会使植物中毒 ,使得超富集植物的某些生理活
动受到抑制 ,从而降低其根部的吸收能力 ,从而导致
植物富集能力的下降.另外 ,由于生长介质中过高的
As浓度可能抑制蜈蚣草的吸收能力和生长 ,将蜈蚣
草用于修复砷污染较严重的土壤时 ,如果能够辅以
客土等工程措施 ,适当降低土壤 As浓度 ,可以达到
缩短修复时间的功效.
富集系数(植物地上部元素/土壤元素的浓度)
是表征超富集植物对重金属元素富集特征的一个重
要参数.从表 3可以看出 ,蜈蚣草对砷的富集系数明
显受土壤浓度的影响 ,而且在不同 As 污染程度的
184 环  境  科  学 26 卷
样区中 ,富集系数随土壤 As 浓度变化的趋势存在
差异:在轻度污染区 ,富集系数随土壤 As浓度的增
加而显著增加(图 3a),表明在土壤浓度较低时 ,蜈
蚣草不仅体内的总 As浓度会随土壤浓度的增高而
增高 ,其富集 As 的能力也相应增高;在中度污染
区 ,二者之间没有显著的相关关系(表 3 、图 3c);在
重度污染区 ,富集系数则随土壤 As浓度的升高而
逐渐降低(图 3e).通常认为 ,超富集植物的富集系
数应该超过 1 ,即元素在地上部分中的浓度应该超
过其在土壤中的浓度.从本研究来看 ,富集系数与土
壤中 As浓度有很大关系 ,在轻度污染及中度污染
区中 ,蜈蚣草对 As的富集系数都大于 1(图 3a 、c);
而在重度污染区 ,随着土壤中 As浓度的增加 ,其富
集系数逐渐降低;土壤 As浓度近3 000mg/kg 时 ,富
集系数小于 1(图 3e).陈同斌等[ 1]的野外调查结果
也显示 ,在As浓度超过1 000mg/kg 的土壤中 ,蜈蚣
草的富集系数均<1.
转运系数(植物地上部浓度/地下部浓度)是表
    
图 3 蜈蚣草根际土壤As浓度与富集系数 、转运系数的关系
Fig.3 Relationship betw een As concent rations in rhizosphere and As accumulat ion , t ranslocation factors of P.vit tata L.
征超富集植物对重金属元素转运特征的一个重要参
数.在超富集植物体内 ,通常其所富集的目标元素的
转运系数大于 1.从图 3 可以看出 ,在 3 个样区中 ,
蜈蚣草体内 As 的转运系数没有随土壤中 As 浓度
的增加而表现出一致的变化规律 ,二者之间没有显
著的相关关系(表 3).在轻度污染区 ,蜈蚣草对 As
的转运系数变化在 1 ~ 6之间;在中度污染区 ,则变
化在 1 ~ 3之间;而在重度污染区 ,其变化范围在 2
~ 6之间.无论是在那一种浓度下 ,蜈蚣草对砷的转
运系数均大于 1 .这也就是说 ,在所有样点中 ,该转
运系数均满足As超富集植物所要求的标准.
从本文的研究可以看出 ,植物体地上部分 As
浓度以及富集系数受土壤中 As浓度的影响均较
大.在土壤浓度较低的情况下 ,即使蜈蚣草对 As有
较强的吸收能力 ,也很难达到1 000mg/kg;而在较
高浓度条件下 ,蜈蚣草的富集能力并不随土壤 As
1855 期 环  境  科  学
浓度的增加而增加 ,反而由于 As浓度过高而出现
下降的趋势.因此 ,在很高的土壤 As 浓度下 , 蜈蚣
草的富集系数难以满足砷超富集植物的浓度标准
(1 000mg/kg).因此 ,采用地上部浓度和富集系数 2
个指标衡量植物的超富集能力时 ,都应该考虑生长
介质的浓度.
3 结论
野外调查结果表明 ,蜈蚣草地上部 As浓度和
富集系数在很大程度上受到土壤 As浓度的影响.
在低 As 浓度下 ,蜈蚣草地上部分 As的浓度 、富集
系数均随土壤 As浓度的增加而显著增加.但是随
着As浓度的进一步升高 ,蜈蚣草地上部 As浓度增
加的趋势变缓.在高 As浓度下 ,蜈蚣草地上部分 As
的浓度及富集系数均随土壤中 As浓度的增加而降
低.研究还发现 ,在污染区土壤 As浓度存在巨大的
空间变异性 ,在生长蜈蚣草的根际土壤与非根际土
壤之间砷浓度也同样存在很大差异 ,这种差异随污
染程度的增加而加大.
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