全 文 ：现代农业科技 2010年第 8期资源与环境科学
基金项目 云南省科技厅基金项目（2008CD127）。
作者简介 吴峰（1985-），男，安徽宣城人，在读硕士研究生。研究方向：
环境生态学及土壤重金属污染。
* 通讯作者
收稿日期 2010-03-31
随着生活水平的提高，人们对环境、健康的要求逐步提
高。但是，由于工农业的超载发展、“三废”的违规排放等，使
得空气、水体、土壤等环境要素纷纷受到污染。砷（Arsenic，
As）是自然界中普遍存在的一种有毒元素，是农药、医药和
日用化工等的重要原料。由于人类活动和地质条件的影响，
砷中毒事件时有报道，特别是在孟加拉和印度，有将近 1 亿
人生活在砷污染区域 [1]，大面积的农田土壤因高砷水灌溉遭
到污染，粮食作物中砷超标问题严重。我国某些地区的土壤
砷污染问题也相当突出，严重影响了人民的生活质量 [2]，目
前，砷污染环境问题已引起国内外的广泛关注，成为许多学
者研究的热点。特别当砷的环境标准提高后，研究土壤环境
与植物系统之间砷迁移转化关系极其迫切。
从土壤修复原理考虑砷污染土壤的修复可分为物理
方法、化学方法和生物方法三大类。在生物方法中，植物修
复是一种经济、有效、非破坏性的污染土壤修复方式，具有
操作简单、成本低、绿化环境等特点，如今植物修复技术已
被科学界和政府部门认可和选用 [3]。如利用超积累植物或金
属耐性植物可将土壤中或水中的重金属萃取出来， 富集并
搬运到植物根部以上可收割部分和植物地上枝条部分，再
把收割的植物部分进行适当的安全处理 [4]。李文学等 [5]通过
野外调查和栽培试验，发现蜈蚣草（Pteris vittata L.）对砷具
有很强的富集作用，是一种生物量大的砷超富集植物（As.
hyperaccumulator），在砷污染环境的修复方面具有良好的应
用前景。
到目前为止，对蜈蚣草中砷与磷、钾、钙及其他营养元
素之间交互作用的报到还很少。该文对蜈蚣草中砷与磷 、
钾、钙等营养元素之间的吸收、转运等交互作用进行研究，
以为蜈蚣草用于植物修复时制定科学的施肥方案提供
参考。
1 蜈蚣草中砷与磷的交互作用
磷和砷在元素周期表中是同属于第五主族的元素，两
元素有着相似的电子层结构，且在自然界中也能形成形态
相似的磷酸盐和砷酸盐。砷可能是通过竞争磷酸盐的转运
蛋白而进入植物体内，磷、砷在植物吸收转运过程中往往表
现出拮抗效应[6]。
从砷对番茄植株在不同供磷水平下地上部和地下部生
物量的测定中发现。砷对地上部生物量的抑制作用大于根
系，说明砷一旦进入植物体后，就会对整个植株的生长产
生影响。而就砷对番茄吸收磷的影响而言，外源砷的存在仅
在低磷浓度时才显著降低植株体对磷素的吸收，在外界磷
浓度偏高时无影响 [6]。通过研究发现，蜈蚣草地上部的磷浓
度同地下部的磷浓度一样，均随砷的添加量增加而增加；当
砷添加浓度达到 800 mg/kg 时，蜈蚣草地上部含磷量为不添
加砷对照处理的 1.59 倍 [7]。一些添加砷的土培试验结果也
表明，蜈蚣草地上部磷的浓度均高于不添加砷的对照 [8]。在
水培试验也发现，当培养液中砷的浓度不超过 334 μmol/L
时，蜈蚣草体内磷的浓度也会随着培养液中砷浓度的增加
而增加 [9]。在土壤蜈蚣草系统中 ，磷 、砷之间表现为协同
作用，使得蜈蚣草在含砷土壤中对磷依然具有较高的吸收
能力。
通过这些实例研究表明 [7-10]，适量的施用磷肥可以明显
得促进蜈蚣草的生长，提高其砷含量，增大作物中的砷累积
量，也明显有利于砷污染土壤修复；但是以上研究也表明，
过量的施磷不会进一步提高蜈蚣草产量，反而有降低砷含
量和砷累积量的趋势，使修复效率有所下降。因此，施用磷
肥可维持种植蜈蚣草的土壤中有效态砷的含量，从而保证
蜈蚣草中砷与磷、钾、钙等营养元素的交互作用
吴 峰 熊俊芬 *
（云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650201）
摘要 砷污染对植物、动物和人体均产生毒害作用。研究砷元素与磷、钾、钙等元素的交互作用，结果表明：在蜈蚣草体内磷的浓度
会随着培养液中砷浓度的增加而增加，两者并不存在拮抗关系；蜈蚣草羽叶表皮细胞中砷和钾浓度呈显著正相关；蜈蚣草中砷的累积量
会同时受介质中砷水平和钙水平的限制。在提高介质中的砷浓度时，蜈蚣草根部的镁浓度逐渐降低，但对叶柄和羽叶中的镁浓度无显著
影响。
关键词 砷；营养元素；交互作用；蜈蚣草
中图分类号 S567.23+9 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2010）08-0278-03
Interaction Between Arsenic and Phosphorus，Potassium，Calcium and Other Nutrient Elements in Pteris vittata L.
WU Feng XIONG Jun-fen *
（College of Resources and Environment，Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650201）
Abstract Arsenic pollution has poisoning effect on plant，animal and human being.The interaction between arsenic and phosphorus、potassium，
calcium and other elements was studied.The results showed that：in Pteris vittata L.，phosphate concentration increased with the increasing of arsenic
concentration of culture medium；there was no antagonism relationship between them，but there was significant positive correlation between the
phosphate concentration of potassium concentralion in leaf epidermal cells；besides the phosphate accumulation was limited by the level of phosphate
and calcium. The magnesium concentration of root decreased with the increaseing of phosphate concentration，but it had no infulence on the magnesium
concentration of petiole and leaves.
Key words arsenic；nutrient element；interaction；Pteris vittata L.
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下个生育期中植物对砷的吸收。施用磷肥是蜈蚣草应用在
现场修复中的必要措施，改进施磷技术措施可以大幅度提
高砷污染土壤的植物修复效率。
2 蜈蚣草中砷与钾的交互作用
钾是蜈蚣草体内含量较高的一种阳离子，羽叶中钾浓
度为 14.9～25.4 g/kg[11]。在介质中砷的浓度高低对于蜈蚣草
生长（根、叶柄和羽叶的生物量）无显著影响，而在营养液
中砷浓度的提高对蜈蚣草体内任何部位的钾浓度也没有
显著影响。通过这些可以看出，在蜈蚣草体内的钾营养不
受介质和作物体内砷浓度的影响 ，同时 ，试验结果也显
示砷对钾在蜈蚣草各部位含量的影响似乎没有很明显的
规律。
3 蜈蚣草中砷与钙的交互作用
钙是植物（包括蜈蚣草）必需的重要营养元素，同时又
与砷在环境中的行为紧密相关。据研究表明，蜈蚣草中砷的
累积量同时受介质中砷水平和钙水平的限制 [11]。随着对土壤
中砷添加量的增大，蜈蚣草累积砷量显著增加。研究不同钙
水平（分别为 0.03、2.50、5.00 mmol/L，以下简称为低钙、中钙
和高钙处理）对蜈蚣草吸收积累砷的影响 ，在添加中钙和
高钙处理的地上部砷累积量分别为 5 336、1 811 mg/pot，为
低钙处理的 79.2%和 27.0%。在低钙处理时，羽片中砷累积
量占总砷累积量的 79.3%，其次为高钙处理 （78.6%）和中
钙处理（78.0%）。蜈蚣草低钙处理砷累积总量最高 （7 562
mg/pot），其次为中钙处理 （6 019 mg/pot），高钙处理最低
（2 014 mg/pot）[12]。介质钙和砷水平对蜈蚣草羽片中砷累积
量和植株总砷累积量均有显著的交互作用，其中钙为负交
互效应，而砷为正交互效应 [13]。添加钙可促进植物累积砷，这
个规律不适合蜈蚣草，通过以上数据显示提高介质中钙水
平会减少其对砷的富集。因此，在植物修复或生态恢复过
程中，为改良土壤 pH 值和肥力时，添加石灰或含钙肥料是
必需的。然而在应用蜈蚣草进行砷污染土壤修复的过程中，
盲目施用钙可能会降低植物累积砷量，导致其修复效率显
著降低。
4 蜈蚣草中砷与镁的交互作用
镁是叶绿素的重要组成成分，是催化磷酸化过程酶的
关键辅助因子之一，在磷酸盐的代谢过程中起着重要的作
用。蜈蚣草中，镁主要分布在蜈蚣草的羽叶中，在叶柄中的
镁浓度最低，呈现出羽叶＞根＞叶柄的规律 [14]。研究表明，在
提高介质中的砷浓度时，蜈蚣草根部的镁浓度逐渐降低 ，
但对叶柄和羽叶中的镁浓度无显著影响，即羽叶、根的转运
系数随砷浓度升高而增加 [15]。砷对蜈蚣草中地上部的镁浓
度无明显影响，表明在高砷浓度处理下，砷的超富集植物
蜈蚣草的叶绿素含量可能不受影响。在钙处理浓度达到 2.5
mmol/L 以上（营养液中钙镁浓度之和大于 2.75 mmol/L）[14]，
即 Ca/Mg≥10 时，提高营养液中钙浓度可以使蜈蚣草中的
镁浓度大幅度降低。而在高钙处理下的蜈蚣草 ，羽叶中的
镁浓度几乎为对照处理的一半 [14-15]。以上数据显示，蜈蚣草
对于钙镁浓度比率的反应与其他蕨类植物相似 ，相对于
一般农作物更加敏感。因此，将蜈蚣草用于修复土壤中砷
污染时，应考虑适宜蜈蚣草生长的 Ca/Mg 的浓度比值，从
而维持其良好生长，这样会有利于用蜈蚣草对砷污染的植
物修复。
5 蜈蚣草中砷与其他金属营养元素的交互作用
铁是植物体一些酶的组成成分，在氧化还原过程中起
着重要的电子传递作用。通过研究表明，与对照相比在提
高介质中砷浓度时会显著减少蜈蚣草地上部的铁浓度 [14]。
这些研究表明 ，砷处理的叶柄中的铁浓度远远低于对
照 。但Wallace 等发现 ，提高水溶液中砷浓度能促进矮菜
豆（bush bean）吸收铁、铜，砷显著降低铁在蜈蚣草中从根
部向叶柄的转运能力 [14]，但明显促进其从叶柄向羽叶中的
运转。
微量元素铜和锌营养与植物蒸腾作用有关，同时铜、锌
浓度也会影响植物的枯萎过程。锌还参与植物生长素的形
成，促进光合作用和蛋白质合成。从一些研究中可看出，0.2
mmol/L 砷处理能降低蜈蚣草根部的锌浓度，其影响达极显
著水平 [14]。在对番茄的研究中有同样类似现象，表明砷和锌
之间可能存在拮抗效应 [6]。但是从蜈蚣草的试验结果看，砷
处理都有利于蜈蚣草中的锌向地上部转运，其转运系数随
砷浓度的提高而呈上升趋势 [16]。在野外调查中发现，在一定
范围内随着土壤中砷浓度的升高，羽叶中的锌浓度逐渐增
大[17]。而试验室内盆栽表明，蜈蚣草有较强的耐锌能力，植物
体内锌浓度随着土壤中锌浓度增加而升高，但大部分锌富
集在根部 [9]。除了铁和锌以外，其他金属元素在蜈蚣草羽片
中的浓度受砷处理的影响不显著 [18]，这也表明在蜈蚣草生
理功能正常的情况下，其体内的必需金属营养状况受砷的
影响并不明显 。因此 ，将蜈蚣草用于修复土壤中的砷污
染时，应考虑适宜蜈蚣草生长的微量金属元素的含量 ，从
而保持蜈蚣草良好生长，提高蜈蚣草对砷污染的生物修复
能力。
6 结论与展望
蜈蚣草体内磷的浓度会随着培养液中砷浓度的增加而
增加，两者并不存在拮抗关系，使得蜈蚣草在含砷土壤中对
磷依然具有较高的吸收能力。
蜈蚣草羽叶表皮细胞中砷和钾浓度呈显著正相关，但
有些试验结果则显示砷对钾在蜈蚣草各部位的影响似乎没
有很明显的规律。
蜈蚣草中砷的累积量会同时受介质中砷水平和钙水平
的限制。在用蜈蚣草进行砷污染土壤的修复时，石灰或含钙
添加剂需慎用，否则会减少砷累积，降低植物修复效率，所
以要根据不同的情况进行调整。
在提高介质中的砷浓度时，蜈蚣草根部的镁浓度逐渐
降低，但对叶柄和羽叶中的镁浓度无显著影响 。在将蜈蚣
草用于修复土壤中的砷污染时 ，应考虑适宜蜈蚣草生长
的 Ca/Mg 的浓度比值 ，从而提高蜈蚣草对砷的生物修复
能力。
提高介质中砷浓度可以显著减少蜈蚣草地上部的铁浓
度。而蜈蚣草却有较强的耐锌能力，植物体内锌浓度随着土
壤中锌浓度增加而升高，但大部分锌富集在根部。所以在蜈
蚣草修复土壤中砷污染时，也要考虑植物体内的其他金属
元素的含量。
吴 峰等：蜈蚣草中砷与磷、钾、钙等营养元素的交互作用
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现代农业科技 2010年第 8期资源与环境科学
今后在各元素与砷的交互作用方面，应深入研究蜈蚣
草中砷与氮、钾等营养元素之间的交互作用；进一步加强砷
与铜、锌等重金属有毒元素之间的交互作用研究。同时，应
加强其他砷超积累植物砷与其他营养元素以及与重金属元
素之间相互作用的研究；加强砷超积累植物有机肥料对植
物修复效率的影响以及影响机理研究，以为砷污染土壤和
砷污染水植物修复的科学施肥提供依据。
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（2）借助 MODIS数据的实效性和高光谱及廉价的优势 ，
进行陆地表面的监测应用是遥感研究的一个热点方向 ，
今后的工作中对此类研究应该积累连续的 MODIS 数据，
通过长期监测优化已有的经验模型 ，使之有效的应用到
研究区。
（3）该文主要研究辽西地区春季近似裸土的土壤含水
量遥感反演，今后可以研究植被覆盖状态下的土壤含水量
遥感反演，进而推广到其他更为复杂的区域。
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