全 文 ：第 30卷第 2期
2010年 2月
环　境　科　学　学　报
　ActaScientiaeCircumstantiae
Vol.30, No.2
Feb., 2010
基金项目:国家高技术研究发展计划(No.2007AA061001);国家科技支撑项目(No.2006BAD17B04)
SupportedbytheNationalHi-TechResearchandDevelopmentProgramofChina(No.2007AA061001)andtheNationalKeyTechnologyR＆DProgram
(No.2006BAD17B04)
作者简介:陈同斌(1963—), 男 , 研究员(博士);＊通讯作者(责任作者), E-mail:chentb@igsnr.ac.cn
Biography:CHENTongbin(1963—), male, professor(Ph.D.);＊Correspondingauthor, E-mail:chentb@igsnr.ac.cn
陈同斌 , 李海翔 , 雷梅 ,等.2010.植物修复过程中蜈蚣草对土壤养分的吸收动态:5年田间定位试验 [ J].环境科学学报 , 30(2):402-408
ChenTB, LiHX, LeiM, etal.2010.AccumulationofN, PandKinPterisvitataL.duringphytoremediation:Afive-yearfieldstudy[ J].Acta
ScientiaeCircumstantiae, 30(2):402-408
植物修复过程中蜈蚣草对土壤养分的吸收动态:5年
田间定位试验
陈同斌 1, ＊ , 李海翔 2 , 雷梅 1 , 武斌 1 , 宋波 1, 2 , 张学洪 2
1.中国科学院地理科学与资源研究所环境修复中心 , 北京 100101
2.桂林理工大学环境科学与工程学院 , 桂林 541004
收稿日期:2009-04-30　　　修回日期:2009-08-18　　　录用日期:2009-11-20
摘要:鉴于砷超富集植物蜈蚣草已被成功地用于修复砷污染土壤 ,本研究通过连续 5年的植物修复田间试验 , 研究了土壤氮 、磷 、钾的消减动
态和蜈蚣草对土壤氮 、磷和钾的吸收动态.结果表明:种植蜈蚣草可使土壤全氮含量降低约 25%(2100 ～ 2700mg·kg-1), 土壤全磷和全钾含
量的年际变化不明显;蜈蚣草地上部氮 、磷和钾含量分别为 1.23～ 2.38、0.14～ 0.47和 1.10～ 2.01g·kg-1 ,地上部带走的总氮、总磷和总钾量
分别为 23 ～ 89、 4.4～ 13.0和 21～ 69kg·hm-2·a-1;与水稻和小麦相比 ,蜈蚣草对氮 、磷和钾的吸收量都较低 , 但如果在连续种植过程中不施
肥 ,蜈蚣草则可能会出现养分亏缺问题.
关键词:吸收动态;土壤养分;蜈蚣草;植物修复;砷污染土壤
文章编号:0253-2468(2010)02-402-07　　　中图分类号:X53　　　文献标识码:A
AccumulationofN, PandKinPterisvitataL.duringphytoremediation:A
five-yearfieldstudy
CHENTongbin1, ＊ , LIHaixiang2 , LEIMei1 , WUBin1 , SONGBo1, 2 , ZHANGXuehong2
1.CenterforEnvironmentalRemediation, InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch, ChineseAcademyofSciences,
Beijing100101
2.ColegeofEnvironmentalScienceandEngineering, GuilinUniversityofTechnology, Guilin541004
Received30April2009;　　　receivedinrevisedform 18August2009;　　　accepted20November2009
Abstract:TheAs-hyperaccumulatorPterisvitataL.hasbeenappliedforphytoremediationofAs-contaminatedsoilinfieldprojects.Inordertoimprove
theremovaleficiency, afive-yearfieldtrialwasconductedtostudythedynamicsofN, PandKcontentsofsoilsandtheaccumulationoftheseelements
inP.vitataduringphytoremediation.TheresultsshowedthatthetotalNcontentsofsoilsin3plotswithdifferentlevelsofarsenicdecreasedsignificantly
(25%)whilethetotalPorKcontentsofsoilsinthe3plotsdidnotdecreaseobviouslybytheendoffive-yearsofremediation.ThetotalN, PandK
contentsinshootsofP.vittatawere1.23～ 2.38, 0.14 ～ 0.47and1.10 ～ 2.01g·kg-1 , respectively.TheannualaccumulationofN, PandKin
P.vitatawere23～ 89, 4.4 ～ 13.0and21～ 69kg·hm-2·a-1 , respectively.ThetotalquantitiesofalnutrientsaccumulatedbyP.vitatafromsoils
werelessthanthatofriceandwheat, sonutrientdeficiencymightbeaproblemforgrowthofP.vitatawithoutfertilizerduringcontinuousremediation.
Keywords:dynamics;soilnutrients;Pterisvitata.L;phytoremediation;As-contaminatedsoils
1　引言(Introduction)
植物富集技术(phytoextraction)是一种利用超
富集植物(hyperaccumulator)清除土壤重金属污染
的绿色生态技术(Brooks, 1977;韦朝阳等 2001).
蜈蚣草(PterisvitataL.)是我国发现的第一种砷超
富集植物 , 不仅有较强的耐砷和富集砷能力 , 而且
具有生长速度快和生物量大的特点 , 在砷污染土壤
DOI :10.13671/j.hjkxxb.2010.02.018
2期 陈同斌等:植物修复过程中蜈蚣草对土壤养分的吸收动态:5年田间定位试验
的修复方面有较大的应用价值(陈同斌等 , 2002a).
2001年 , 陈同斌等在湖南郴州建立了世界上第一个
砷污染土壤的植物修复示范基地 , 利用蜈蚣草进行
了大面积(约 1 hm2)的现场修复试验 , 结果发现 ,
种植蜈蚣草 6个月后 , 砷污染土壤的植物修复效率
最高可达 8% (廖晓勇等 , 2004).
在植物修复过程中 , 通过收获蜈蚣草地上部可
以去除土壤中的砷 , 但同时也会吸收和带走土壤中
的养分.氮 、磷和钾是植物生长必需的营养元素 ,
土壤养分的缺乏会导致蜈蚣草生物量降低 , 继而影
响植物修复效率 , 因此 , 在利用植物修复砷污染土
壤中必须考虑营养元素的供应问题.有关营养元素
和蜈蚣草富集砷的关系研究已有部分报道.研究表
明 , 在土壤中添加磷肥和氮肥可以促进蜈蚣草生长
和对砷的富集(陈同斌等 , 2002b;廖晓勇等 , 2004;
范稚莲等 , 2006),且钾和砷在蜈蚣草羽叶中的分布
呈现正相关关系(陈同斌等 , 2004).
目前 , 对蜈蚣草展开的研究主要为室内盆栽试
验 , 重点研究蜈蚣草富集砷能力 、吸收转运 、富集机
理及其应用潜力等(陈同斌等 , 2002b;2004;Huang
etal., 2007;Liaoetal., 2007;Yanetal., 2008;
Xiaoetal., 2008).虽然 Kertulis-Tartar等(2006)也
在田间条件下利用蜈蚣草对砷污染土壤展开了两
年的修复试验 , 但蜈蚣草对营养元素的吸收情况仍
未见报道.本文基于蜈蚣草修复砷污染土壤的多年
田间试验 ,研究蜈蚣草对土壤养分的吸收动态和养
分循环情况 , 以期为砷污染土壤修复提供施肥
依据.
2　材料与方法(Materialsandmethods)
2.1　试验区概况
试验区位于湖南省郴州市 , 年平均气温 19.0
℃, 月平均气温最高 31.7℃, 最低 5.1℃, 年平均
累积降雨量 1696 mm.1999年以前试验区为水稻
田 , 因附近砷制品厂废水 、废渣的排放导致土壤被
砷污染 , 于 2000年抛荒.2002年 4月翻耕后施用
过 1次氮肥(氮肥用量为 5.6t·hm-2), 此后不再施
用氮肥 , 试验过程中也一直都没有施加磷肥和钾
肥.蜈蚣草种植间距为 40 cm ×40cm,刈割后留茬
高度约 7.5cm.根据试验前的土壤取样分析结果 ,
按照砷浓度的差异分为 3个污染区:高砷区 、中砷
区和低砷区 , 各区的砷 、氮 、磷和钾含量见表 1.
表 1　蜈蚣草种植前试验区土壤的砷和养分元素含量
Table1　Arsenicandnutrientcontentsofthesoilindiferentplotsbefore
phytoremediation
污染区 含量 /(mg·kg
-1)
总砷 总氮 总磷 总钾
高砷区 170 2900 636 4576
中砷区 67 3300 597 4765
低砷区 37 3600 637 6125
2.2　样品采集
于 2002 ～ 2007年 , 每年 12月份在植物修复基
地定点采取土壤样品和蜈蚣草样品.蜈蚣草收获 1
m2土壤上生长的地上部.土壤采用 6 m ×8 m均匀
布点取样 , 取多点土壤混合后作为 1个样品 , 取样
深度为 0 ～ 20 cm.各区的样点数分别为高砷区 3
个 、中砷区 9个 、低砷区 5个.
2.3　样品分析
土壤样品风干后 , 用玛瑙球磨机磨碎 , 过 100
目筛.蜈蚣草样品先后用自来水和去离子水洗净 ,
在 85℃下杀青 2h, 然后在 70℃烘干至恒重 , 粉碎
后待分析.分析过程中采用国家标准参比物质(土
壤:GBW07404;植物:GBW07603)和 10%的重复
样进行质量控制.标样测定结果均在允许误差范围
内.采用钒钼黄比色法测定磷 , 预备实验表明 ,砷
基本不干扰磷的测定.具体测定项目及方法见表 2.
表 2　试验中土壤和蜈蚣草的测定项目及方法
Table2　DeterminationmethodsofN, PandKinsoilandplantsamples
测定项目 测定方法
土壤氮 K2SO4∶CuSO4∶Se(质量比 100∶10∶1)混合液消煮 , 半微量定氮蒸馏法测定
植物氮 浓H2SO4 +30%H2O2消煮 , 半微量定氮蒸馏法测定
土壤和植物磷 浓 H2SO4 +30%H2O2 消煮 , 钒钼黄比色法测定
土壤和植物钾 浓 H2SO4 +30%H2O2 消煮 , 原子吸收光谱(AASVario6型号)测定
　　注:测定方法参考文献(鲍士旦, 2000).
3　结果(Results)
3.1　土壤养分含量的动态变化
图 1显示了 3个砷污染区土壤中全氮 、全磷和
全钾含量及其年度动态变化情况.由图 1a可知 , 在
同一试验区中 , 经过 5年的修复 , 其土壤全氮含量
略呈降低的趋势.2007年 , 高砷区 、中砷区和低砷
区土壤全氮含量分别比 2002年蜈蚣草种植前降低
27.6%、24.2.%和 25.0%, 年平均降低百分率分别
为 5.5%、4.8%和 5.0%.3个区的土壤全氮含量一
403
环　　境　　科　　学　　学　　报 30卷
直都表现为低砷区 >中砷区 >高砷区.种植蜈蚣
草 5年后 , 土壤全氮含量均未降低至 2000 mg·kg-1
以下.根据耕作土壤全氮的丰缺标准可知(田种存
等 , 2005), 土壤氮素供应充足.
图 1　不同小区土壤总氮(a)、总磷(b)、总钾(c)含量的动态变
化(不同小写字母代表各处理不同年份间具有显著性差
异 , p<0.05)
Fig.1　DynamicsofN(a), P(b)andK(c)contentsofsoilsin
diferentplotsofAs-contaminatedfieldremediatedusing
Pterisvitatafrom 2002 to2007 (Diferentletersmean
significantdiferencesonthelevelofp<0.05)
在 5年的修复过程中 , 各区的土壤全磷含量变
化不明显 , 基本上都在 600 mg·kg-1左右(图 1b).
参照耕作土壤全磷的丰缺标准可知 (田种存等 ,
2005), 土壤磷素供应充足.
2002 ～ 2007年期间 , 3个区土壤全钾含量处于
4576 ～ 7792 mg·kg-1之间(图 1c).总体上看 , 2002
年高砷区 、中砷区和低砷区的土壤全钾含量基本上
最低 , 2007年各区的钾含量基本上都最高 , 而且
2007年各区的钾含量都显著高于 2002年.从不同
污染区的全钾含量比较来看 , 低砷区最高 , 中砷区
次之 , 高砷区最低.参照田种存等(2005)提出的以
全钾含量低于 12450 mg·kg-1作为耕作土壤缺钾的
判断标准可知 , 各区的土壤全钾含量都属于低水
平 , 因此 , 各区土壤全钾贮量都偏低.
3.2　蜈蚣草地上部生物量
表 3为各区不同年份的蜈蚣草地上部生物量.
由表 3可知 , 田间条件下 , 2004 ～ 2007年高砷区蜈
蚣草年生物量为 1084 ～ 2460 kg·hm-2 (以干重计 ,
下同), 中砷区为 1330 ～ 4790 kg·hm-2 , 低砷区为
1312 ～ 4640 kg·hm-2.从年际变化看 , 2007年底时
蜈蚣草生物量减低较为明显.
表 3　田间条件下不同小区蜈蚣草地上部生物量
Table3　TheshootbiomassofPterisvitataindiferentplotsinthefield
年份 生物量 /(kg·hm
-2)
高砷区 中砷区 低砷区
2004 2365 3943 3048
2005 2460 4213 4640
2006 1982 4790 3152
2007 1084 1330 1312
植物地上部生物量是决定超富集植物对污染
土壤修复效果的主要因素之一(陈同斌等 , 2002a).
尽管目前发现的超富集植物对重金属具有较强的
富集能力 , 但大多其地上部生物量小 、生长慢 、繁殖
困难 ,大规模应用时受到限制 (BakerandBrooks,
1989).野外调查表明 , 蜈蚣草株高可达 2m, 地上
部生物量鲜重可达 36 t·hm-2(陈同斌等 , 2002a).
而田间栽培下 , 蜈蚣草的生物量未达到此水平 , 连
续种植 5年后蜈蚣草地上部生物量与前几年相比明
显降低 , 最低达到 1084kg·hm-2.这可能与长期种
植和收获蜈蚣草 ,带走大量养分的同时又没有施肥
有关.
3.3　蜈蚣草吸收养分的年度动态变化
应当指出的是 , 土壤总养分在短期内一般变化
不大 , 其测定结果容易受取样误差和分析误差的干
扰.相对来说 , 通过研究蜈蚣草对养分的吸收情
况 , 则能更直接地了解蜈蚣草吸收所导致的土壤养
分损失量.表 4为田间条件下每年年终收获时蜈蚣
404
2期 陈同斌等:植物修复过程中蜈蚣草对土壤养分的吸收动态:5年田间定位试验
草从土壤吸收的氮素总量.从表 4可以看出 , 在不
同年份和不同污染区 , 蜈蚣草地上部的氮含量在
1.23 ～ 2.38 g·kg-1之间.2004 ～ 2007年 ,蜈蚣草地
上部从土壤中带走的氮(吸氮量)分别为 21.5 ～
89.0 kg·hm-2·a-1.4年中 , 蜈蚣草地上部从高砷区 、
中砷区和低砷区带走氮的累计总量分别为 138、242
和 211 kg·hm-2.从蜈蚣草吸氮量的年际变化趋势
看 , 中砷区蜈蚣草带走的氮最多 , 高砷区最少.
表 4　田间条件下每年年终收获时蜈蚣草从土壤吸收的氮素总量
Table4　ContentsandannualaccumulationofNinPterisvitatainphytoremediatedfields
年份
高砷区
氮含量
/(g·kg-1)
吸氮量
/(kg·hm-2·a-1)
中砷区
氮含量
/(g·kg-1)
吸氮量
/(kg·hm-2·a-1)
低砷区
氮含量
/(g·kg-1)
吸氮量
/(kg·hm-2·a-1)
2004 1.84±0.81 43.6±19.1a 1.76±0.3 69.2±13.8a 1.77±0.4 53.8±11.8ab
2005 1.23±0.32 30.3±7.9a 1.61±0.2 67.8±9.4a 1.92±0.3 89.0±15.6a
2006 2.03±0.72 40.2±14.3a 1.52±0.3 73.1±16.0a 1.49±0.2 47.1±7.6b
2007 2.16±0.47 23.5±5.1a 2.38±1.1 31.6±15.2b 1.64±0.2 21.5±2.3c
总计 - 138 - 242 - 211
　　注:蜈蚣草对氮素的吸收量(kg·hm-2)=地上部生物量(kg·hm-2)×地上部氮含量(g·kg-1)×10-3;不同小写字母代表各处理不同年
份间具有显著性差异(p<0.05).
　　表 5为田间条件下每年年终收获时蜈蚣草从土
壤吸收的磷素总量.从表 5可以看出 , 在不同年份
和不同污染区 , 蜈蚣草地上部的磷含量在 0.14 ～
0.47g·kg-1之间.2004 ～ 2007年 ,蜈蚣草地上部从
土壤中带走的磷量为 4.4 ～ 13.0kg·hm-2·a-1.4年
中 ,蜈蚣草地上部从高砷区 、中砷区和低砷区带走
磷的累计总量分别为 23、34和 29 kg·hm-2.总体来
看 ,蜈蚣草从中砷区和低砷区带走的磷较多 , 从高
砷区带走的磷较少.
表 5　田间条件下每年年终收获时蜈蚣草从土壤吸收的磷素总量
Table5　ContentsandannualaccumulationofPinPterisvitatainphytoremediatedfields
年份
高砷区
磷含量
/(g·kg-1)
吸磷量
/(kg·hm-2·a-1)
中砷区
磷含量
/(g·kg-1)
吸磷量
/(kg·hm-2·a-1)
低砷区
磷含量
/(g·kg-1)
吸磷量
/(kg·hm-2·a-1)
2004 0.20±0.04 4.8±0.8b 0.19±0.04 7.6±1.6b 0.14±0.01 4.4±0.4c
2005 0.28±0.02 6.8±0.5a 0.20±0.02 8.4±1.0b 0.24±0.03 11.3±1.4a
2006 0.32±0.01 6.4±0.3a 0.28±0.05 13.0±2.5a 0.26±0.04 8.4±1.2b
2007 0.47±0.03 5.1±0.3b 0.37±0.05 4.9±0.7c 0.38±0.08 5.0±1.0c
总计 - 23 - 34 - 29
　　注:蜈蚣草对磷素的吸收量(kg·hm-2)=地上部生物量(kg·hm-2)×地上部磷含量(g·kg-1)×10-3;不同小写字母代表各处理不同年
份间具有显著性差异(p<0.05).
　　表 6为田间条件下每年年终收获时蜈蚣草从土
壤吸收的钾素总量.从表 6可以看出 , 在不同年份
和不同土壤污染区 , 蜈蚣草地上部的钾含量在 1.10
～ 2.01 g·kg-1之间.2004 ～ 2007年 , 蜈蚣草地上部
从土壤的吸钾量为 21.1 ～ 68.9 kg·hm-2·a-1.4年
中 , 蜈蚣草地上部从高砷区 、中砷区和低砷区带走钾
的累计总量分别为 132、179和 174 kg·hm-2.总体来
看 , 高砷区的蜈蚣草带走钾量少于中砷区和低砷区.
表 6　田间条件下每年年终收获时蜈蚣草从土壤吸收的钾素总量
Table6　ContentsandannualaccumulationofKinPterisvitatainphytoremediatedfields
年份
高砷区
钾含量
/(g·kg-1)
吸钾量
/(kg·hm-2·a-1)
中砷区
钾含量
/(g·kg-1)
吸钾量
/(kg·hm-2·a-1)
低砷区
钾含量
/(g·kg-1)
吸钾量
/(kg·hm-2·a-1)
2004 1.65±0.74 39.1±17.4a 1.41±0.40 55.5±13.4a 1.10±0.26 33.7±8.0c
2005 1.48±0.51 36.5±12.6a 1.17±0.26 49.2±11.0a 1.48±0.28 68.9±13.0a
2006 1.73±0.32 34.3±6.4a 1.10±0.22 52.8±10.6a 1.46±0.21 46.2±6.5b
2007 2.01±0.41 21.8±4.5a 1.54±0.23 21.1±3.0b 1.95±0.58 25.6±7.6c
总计 - 132 - 179 - 174
　　注:蜈蚣草对钾素的吸收量(kg·hm-2)=地上部生物量(kg·hm-2)×地上部钾含量(g·kg-1)×10-3;不同小写字母代表各处理不同年份
间具有显著性差异(p<0.05).
405
环　　境　　科　　学　　学　　报 30卷
　　一般认为 , 土壤养分水平会影响植物对养分的
吸收.但在本研究中 , 蜈蚣草体内的氮 、磷和钾含
量与土壤的氮 、磷和钾含量都没有显著的相关性
(详细数据略).比较蜈蚣草对氮 、磷和钾的吸收量
发现 , 高砷区 、蜈蚣草每年从土壤中带走的养分量
与 4年间带走养分的累计总量都低于中砷区和低砷
区 , 因此 , 在以后的基地管理中加强对中砷区和低
砷区肥力的监控.
3.4　蜈蚣草与常规农作物对养分吸收的比较
蜈蚣草在生长过程中需要从土壤中吸收营养
物质来维持植株的正常生理功能.与常规农作物相
比 , 蜈蚣草每年累计吸收的氮 、磷和钾量低于一季
水稻或小麦的总吸收量(表 7).这说明在田间条件
下 , 收获蜈蚣草对土壤养分的影响比种植水稻和小
麦要小.
从本试验中 3个污染区的土壤养分含量变化来
看 , 土壤氮素和磷素的供应相对还较充足 , 但为了
保证土壤养分的平衡 , 需根据蜈蚣草吸收带走养分
总量进行施肥.室内和田间试验表明 , 施用氮肥和
磷肥不仅促进蜈蚣草植株的生长 , 而且能促进蜈蚣
草对砷的吸收 , 从而提高植物修复效率(陈同斌等 ,
2002b;廖晓勇等 , 2004;范稚莲等 , 2006).
表 7　不同作物成熟期对营养元素的积累量
Table7　Accumulationofnutrientsbydifferentmaturecrops
植物 养分积累量
＊
N P K 文献来源
蜈蚣草 21.5 ～ 89.0 4.4～ 13.0 21.1 ～ 68.9 本研究
水稻 63.0 ～ 267.6 10.3～ 34.3 38.5 ～ 197.7
邹长明等 , 2002;江立庚等 , 2003
朴钟泽等 , 2003;胡泓等 , 2004
刘枫等 , 2006;宋桂云等 , 2007
张洪艳等 , 2007;张亚洁等 , 2008
小麦 66.1 ～ 209.9 11.0～ 36.3 28.4 ～ 132.2
高聚林等 , 2003;熊明彪等 , 2004
周春菊等 , 2006;李淑文等 , 2006
于振文等 , 2007;裴雪霞等 , 2007
张洪艳等 , 2007;周春菊等 , 2007
　　注:＊蜈蚣草按年收获 1次 ,其养分积累量单位为 kg·hm-2·a-1;作物等按季收获 1次 ,其养分积累量单位为 kg·hm-2·crop-1.
4　结论(Conclusions)
连续 5年田间定位试验表明 , 种植蜈蚣草使土
壤氮素含量明显降低 , 土壤全磷和全钾含量的变化
趋势不明显 ,但钾素贮量偏低.中砷区和低砷区的
蜈蚣草对养分吸收量高于高砷区.从长期来看 , 连
续种植过程中不施肥 , 有可能会因养分亏缺而影响
蜈蚣草的生长.
致谢(Acknowledgement):感谢黄泽春 、廖晓勇和湖南郴州邓
家塘乡政府在田间试验维护方面给予的支持.
责任作者简介:陈同斌(1963—), 男 , 研究员 、博士生导师 ,
主要从事区域土壤环境质量 、土壤环境修复和废弃物资源化
工程研究.
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