全 文 ：蜈蚣草的植物修复作用对土壤中砷总量
及形态分布的影响研究
叶文玲 1，樊 霆 1，鲁洪娟 1，陈海燕 1，潘丹丹 1，刘翔麟 1，章晶晶 1，徐晓燕 2
（1. 安徽农业大学 资源与环境学院，安徽 合肥230036；2. 天津农学院 农学系, 天津300384）
摘 要：通过盆栽试验研究砷（As）的超富集植物蜈蚣草（Pteris vittata）对As污染土壤中As总量的吸收，及形态分布的影响。结
果表明，蜈蚣草羽叶、叶柄和根系部对土壤中As的吸收量相差很大，蜈蚣草将吸收的88.2%的As转移至地上部。蜈蚣草对土壤
中的As污染具有较好的修复效果，供试土壤中总As量降低了12.4%。同时研究结果显示，蜈蚣草的修复作用改变了土壤中As
的赋存形态，残留态As的百分含量从97.41%降低到92.96%，而交换态、碳酸盐结合态、铁猛氧化态及有机结合态As的百分含
量分别从0.10%、 .07%、1.28%和1.23%上升至0.15%、0. 9%、1.73%和5.07%。
关 键 词：砷；蜈蚣草；植物修复；形态分布
中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：0564-3945(2014)04-1003-05
叶文玲，樊 霆，鲁洪娟，陈海燕，潘丹丹，刘翔麟，章晶晶，徐晓燕. 蜈蚣草的植物修复作用对土壤中砷总量及形态分布的影
响研究[J]. 土壤通报，2014，45（4）：1003-1007
YE Wen-ling, FAN Ting, LU Hong-juan, CHEN Hai-yan, PAN Dan-dan, LIU Xiang-lin, ZHANG Jing-jing, XU Xiao-yan. The
Effects of Phytoremediation with Pteris vittata on Arsenic Concentration and Morphological Distribution in Arsenic Contaminated
Soil [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2014, 45(4): 1003-1007
土 壤 通 报
ChineseJournalofSoilScience
第 45卷第 4期
2014年 8月
Vol .45 ,No .4
Aug . , 2014
收稿日期：2013-09-23；修订日期：2014-01-19
基金项目：国家自然科学基金（41301539）、安徽省自然科学基金（1308085QB45）、安徽农业大学校青年基金（2011ZD009）、天津市自然科学基金
（10JCYBJC05400）和安徽省国土资源科技项目（2012-K-12）效用
作者简介：叶文玲（1985-），女，安徽宣城人，讲师，博士，主要从事环境污染治理方面的教学和科研工作.E-mail：wlye@ahau.edu.cn
近年来环境中砷（As）污染问题引起人们的广泛
关注。土壤中积累过量的As会导致作物减产，污染水
体和大气，同时还会危害人体健康[1]。土壤中As的来
源主要有两大类：一是自然源，通过岩石风化或火山爆
发进入环境；二是人为源，由于人类冶炼、采矿、烧煤、
木材防腐剂和杀虫剂的施用而引起的。我国的As矿
区主要分布在中南和西南部的湖南、云南、广西和广东
等省区，这些地区采矿和冶炼厂附近农田中As污染
现象日趋严重。土壤中As的危害不仅与其含量有关，
而且与其在土壤中的有效性和结合形态（分级）有关。
土壤中的As元素主要以无机态存在，其赋存形态主
要有：交换态、碳酸盐结合态、铁猛氧化态、有机结合态
和残渣态[2]。
植物修复作用通常被认为是一种有效且低消耗的
清洁土壤的方法[3]。与传统治理土壤重金属污染的方
法相比，植物修复技术具有环境友好、成本低、不破坏
土壤生态环境等优点，利用植物对As污染土壤进行
修复成为目前修复领域的研究热点。Chen等[4~6]研究发
现，蜈蚣草（Pteris vittata）不仅对 As具有很强的耐性
和超富集能力，并且在各种不同环境中的适应能力都
比较强，因此对As污染土壤具有较强的潜在修复能
力。有盆栽试验表明，蜈蚣草能去除土壤中 0.1% ~
26%的As，这主要取决于土壤中总As含量及其生物
有效性，和其他一些土壤因子作用[7~9]。然而蜈蚣草的
修复作用对土壤中As的存在形态有何影响，至今还
没有明确报导。在本试验中选取湖南As污染土壤，盆
栽种植蜈蚣草，通过对比蜈蚣草种植前后，土壤中总
As量与As的形态变化，来研究蜈蚣草对土壤中As的
修复效果。
1 材料与方法
1.1 供试土壤
供试土壤选自湖南省郴州市，东经113°02，北纬
25°48，海拔为 185 m，1999 年以前土壤取样地耕作
方式为稻稻耕作制。因附近砷制品厂废水废渣排放
等原因导致土壤砷污染，水稻无法生长，于 2000 年
弃耕荒芜。供试土壤的基本理化性质见下表1所示。
土壤选取于表层（0 ~ 20cm），风干并过8 mm筛后用
作供试土壤。
第 45 卷土 壤 通 报
1.2 试验设计
用1 L的盆装土，每盆装1 kg土，设置4个重复。
底肥混合后加入供试土壤，N、P、K含量分别为125，45
和 156 mg kg-1（以 NH4NO3，K2SO4和 KH2PO4形式加
入）。蜈蚣草（Pteris vittata）的孢子在蛭石中发芽，并预
培养至长出3片叶子大小后移栽。每盆移栽两株蜈蚣
草。盆栽在温室中培养，生长条件保持每天16 h光照，
光强度为350μmol m-2s-1，相对湿度保持为70%，白天
和黑夜温度分别为28℃和25℃。蜈蚣草种植10个
月，期间共收获地上部3次。在最后一次收获时，同时
收获蜈蚣草的叶柄和根系。收获的蜈蚣草样品用纯水
洗净，烘干并粉碎后过100目筛备用。在收获蜈蚣草过
后，土壤风干并混匀。分别从蜈蚣草种植前后土壤中均
匀取出50 g以备分析。
1.3 化学分析
土壤pH值的测定采用土水比1∶2.5的浸提液来
测定。土壤总As的测定是用5mlHNO3/ClO4（87/13，
v/v）分析纯来消解0.1g研磨精细的土壤，消解的程序
为：60℃条件下持续消解3h，然后升温至100℃，消解
1 h，之后又升温至120℃消解1 h，最后在 190℃条
件下持续消解2.5 h。过筛后的植物样（0.2 g）用5 ml
HNO3/HClO4（87/13, v/v）分析纯进行消解，消解过程的
程序同上述。土壤消解As含量的测试使用 ICP-MS
（Agilent,7500ce）。使用土壤成分分析标准物质
GBW07404（GSS-4）作为质量控制，回收率为98%。As
的分级提取采用的是Tessier连续提取方法的改进方
法，具体提取步骤如下表2所示。
表 1 土壤的基本理化性质
Table 1 The physical and chemical characteristics of tested soil
供试土壤
Tested soil
农田土
pH
8.0
全氮
Total N
（g kg-1）
0.95
全磷
Total P
（g kg-1）
0.54
全钾
Total K
（g kg-1）
9.55
有机质
Organic matter
（g kg-1）
18.0
1.4 数据分析
试验数据采用SPSS 19.0进行统计分析(One-way
ANOVA)。作图采用SigmaPlot 11.0软件。
2 结果与分析
2.1 蜈蚣草各部位干重及蜈蚣草对土壤中 As的吸收
蜈蚣草种植期间，分三次收获地上部羽叶部分，
最后一次收获羽叶的同时收获蜈蚣草的叶柄和根系。
由于蜈蚣草叶柄与羽叶部分As浓度通常有很大差异[4]，
因此收获时将蜈蚣草的叶柄同羽叶和根系分开收取。
种植10个月的蜈蚣草羽叶、叶柄及根部的干重如下
表3所示。三次收获蜈蚣草羽叶的总重达到12.1 g，其
叶柄和根部重量分别为3.6g和5.5g。从表3 可以看
出，蜈蚣草羽叶部As的含量为 1050 mg kg-1，羽叶中
As含量显著高于叶柄和跟部As含量（P < 0.05），分别
是叶柄和根部As含量的2.8和13.1倍。从蜈蚣草各部
位As总量来看，蜈蚣草将从土壤中吸收的As大部分转
移至地上部。羽叶中As吸收量平均值为12.7mg，占蜈
蚣草总吸收量的88.2%。叶柄和根部对As的吸收量分
别占吸收总量的9%和2.8%。说明蜈蚣草对As具有很
强的迁移性，将根部吸收的As大量转移至地上部。
2.2 蜈蚣草修复作用对土壤中重金属含量的影响
在本试验中作者也对研究区未污染土壤的理化性
质进行了测试，其pH值为6.5，砷的浓度为34 mgkg-1，
表 2 Tessier连续浸提法与提取步骤[10]
Table 2 Tessier Sequential extraction procedures
赋存形态
Occurrence mode of As
交换态
碳酸盐结合态
铁锰氧化物结合态
有机结合态
残渣态
提取方法与步骤
Sequential extraction procedures
加入10 mL，1 mol L-1的MgCl2（pH=7）,在的温常温下连续振荡2 h，离心
加入10 ml，1 mol L-1NaOAc（pH=5），在常温下连续振荡5 h，离心
加入1:1的0.25 mol L-1盐酸羟胺-盐酸混合溶液20 ml，常温下振荡6h，离心
加入3 ml，0.02 mol L-1的HNO3和5ml，30%的H2O2（pH=2），在83℃恒温水浴锅中保温，1.5 h后补加3 ml，30%的H2O2，
后持续保温70 min，期间偶尔搅拌。冷却后加入5 ml，1.6 mol L-1的醋酸铵-硝酸混合溶液，摇匀后静置10 h，离心
转移至三角瓶将水蒸干，方法采用总量分析方法
表 3 蜈蚣草各部位干重及 As含量
Table 3 The dry biomass and As content in different parts ofPteris vitta a
部位
Parts of Pteris vittata
羽叶
叶柄
根
干重
Dry weight
(g pot-1)
12.1± .6
3.6±0.6
5.5±1.4
As含量
As concentrations
(mg kg-1)
1050±34
370±16
80±10
As总量
Total amount of As
(mg)
12.7±0.054
1.3±0.026
0.4±0.014
1004
4 期 叶文玲等：蜈蚣草的植物修复作用对土壤中砷总量及形态分布的影响研究
氮磷钾及有机质含量与供试土壤无显著性差异。供试土
壤的pH值高达8.0，这主要是当地农民向土壤中添加
了碱石灰作为土壤改良剂，从而提高了土壤的pH。
蜈蚣草修复前后土壤的pH分别为8.0和8.2，土壤
pH值有小幅度升高。下表为蜈蚣草种植前后土壤中重金
属含量。对比国家土壤环境质量标准（GB15618-1995），
从表4可以看出供试的对照土壤中，As和Cd超出二级
环境质量标准，其他重金属均在二级环境质量标准范
围内。其中As严重超标，是二级环境质量标准值的近
5倍。土壤中Cd的含量是二级环境质量标准限定值的
1.65 倍。经蜈蚣草修复后，土壤中 Cr、Ni、Cu、Zn、Hg
和Cd的含量没有显著变化。而土壤中As的平均含
量从 122.2 mg kg-1降低到 107.1 mg kg-1，降低了
12.4%。
从图1a和c可以看出，蜈蚣草修复前土壤中As
的主要形态为残渣态，其浓度为119.1 mg kg-1，占土壤
中总As浓度的97.42%。交换态As、碳酸盐结合态As、
铁猛氧化态As和有机结合态As的百分含量分别为
0.10%、 .07%、1.28%和1.23%。图1b和d显示的是蜈
蚣草修复后土壤中各形态As浓度和百分含量。相比
较图1a和c可以看出，蜈蚣草的修复作用显著降低了
土壤中残渣态As的浓度（P < 0.01），从119.1 mg kg-1
降低至99.6 mg kg-1，其百分含量也从97.41%降低至
92.96%。而其余四种形态As的百分含量均有所上升，
交换态As、碳酸盐结合态As和铁猛氧化态As的百分
含量分别上升为0.15%、0.09%和1.73%。有机结合态
As的百分含量明显上升（P< 0.01），从原来的1.13%上
升至5.07%。
表 4 蜈蚣草种植前后土壤中重金属含量（mg kg-1）
Table 4 Heavy metal contents in the tested soils planted with or withoutPteris vittata
土壤soil
-Pv
+Pv
Cr
61.6±1.21
59.9±1.42
Ni
24.1±0.13
24.4±0.15
Cu
25.1±0.15
26.0± .13
Zn
92.8±3.54
93.4±5.60
As
122.2±2.12
107.1±2.35
Hg
0.11±0.01
0.11±0.02
Cd
0.99±0.02
0.98±0.03
注：-Pv 未经蜈蚣草修复土壤，+Pv 蜈蚣草修复后的土壤。
注：a和c图分别为蜈蚣草种植前土壤中各形态As浓度及百分含量，b和d图分别为蜈蚣草种植后土壤中各形态As浓度及百分含量；各图中
F1为交换态，F2为碳酸盐结合态，F3为铁锰氧化态，F4为有机结合态，F5为残渣态。
图 1 蜈蚣草种植前后土壤中各种形态 As的含量及百分含量
The concentration and distribution（% of total As）of different forms of As in soils amended with or withoutPteris vittata
1005
第 45 卷土 壤 通 报
3 讨论
供试的郴州市农田土壤中As污染严重，平均As
浓度为122.2 mg kg-1。生长在此污染土壤中的蜈蚣草，
在10个月的生长期内地上部羽叶重为12.1g，蜈蚣草
在生长期未发现As中毒现象。这与前人研究结果相
似，如Chen等[11]的研究结果发现，当土壤中As含量增
加至400 mg kg-1时，As对蜈蚣草并未造成毒害。
已有研究发现蜈蚣草能够忍耐土壤As的毒害，
并随土壤中As的含量增加而相应富集较多的As于
其地上部[12]。在普通植物中，As的分布规律为根系最
高，茎叶较低，而蜈蚣草各部位As含量的分布情况相
反。本试验结果发现，蜈蚣草样品中As的含量为羽叶
> 叶柄 > 根系，且羽叶中As浓度是叶柄中As浓度
的2.8倍，根系中As浓度最低，羽叶中As浓度是根系
中As浓度的13.1倍。这一结果说明As在蜈蚣草体内
容易向上运输和富集，显示出蜈蚣草对As有极强的
耐性和独特的富集能力。Chen等[11]的野外调查发现了
类似的结果，蜈蚣草羽叶，叶柄和根系As浓度分别为
120 ~ 1540，70 ~ 900和80 ~ 900 mg kg-1。生物富集系
数是描述污染物在生物体内累积趋势的重要指标，
在本试验中，蜈蚣草对土壤中As的富集系数为8.6，
说明蜈蚣草对土壤中的As具有较好的富集作用。Ye
等[13]的研究结果发现在试验的五种土壤中，蜈蚣草对
土壤中As的富集系数为2.6到15.5之间。另外韦朝
阳等人通过在6个不同程度As污染地区取样发现，
蜈蚣草对土壤中 As 的生物富集系数在 0.94 到 15.4
之间[12]。这些都与本文研究结果相似。
经植蜈蚣草修复之后，土壤中Cr、Ni、Cu、Zn、Hg
和 Cd 的含量没有显著变化，仅 As 的平均含量从
122.2 mg kg-1降低到107.1 mg kg-1，降低了12.4%，这
与蜈蚣草对As的吸收总量相符。同时在种植蜈蚣草
之后，土壤中的pH值有小幅度的升高，这会提高土壤
中As的有效性，增强蜈蚣草对As的吸收能力[13]。与前
人研究结果相比较，本试验中蜈蚣草的修复效率要稍
高于其他研究[8,13,14]，这可能是由于本试验中供试土壤
中As的浓度较适于蜈蚣草的修复作用，且蜈蚣草在
本试验中生长期为10月且分3次收获。
前人仅对污染土壤中总As的修复效果进行了研
究，却未考虑到土壤中不同形态As的分布的变化。对
环境而言，水溶态、离子交换态和碳酸盐结合态为相对
活泼形态，铁猛氧化物结合态和有机物结合态为相对
稳定形态，残渣态为难利用形态[15]。一般交换态As可
直接被植物吸收利用，交换态和碳酸盐结合态金属易
被植物吸收利用。本研究结果发现，无论是未经蜈蚣草
修复的土壤，还是经蜈蚣草修复后的土壤，其中As的
主要形态为残渣态，其百分含量分别为 97.42%和
92.96%，这和前人的研究结果相似。许仙菊等人[2]的研
究发现，在水稻整个生育期内，3种重金属复合污染水
平下土壤As主要以无效的残渣态形式存在（91.2% ~
98.5%），其次是铁猛氧化物结合态（0.8% ~ 6.9%），有
机结合态（0.2% ~ 0.9%）、碳酸盐结合态（0.2% ~
1.3%）和交换态（0 ~ 0.4%）所占比例较低。在本试验
中，未经蜈蚣草修复的土壤中各形态的As的百分含
量也有相同的分布规律，经蜈蚣草修复后，交换态、碳
酸盐结合态和铁猛氧化态As的百分含量都有小幅度
上升，有机结合态As的百分含量上升较为明显（P <
0.01），从总As量的1.13%上升到5.07%。从这一结果
可以看出，蜈蚣草的修复作用虽然降低了土壤中总As
量，但同时提高了土壤中有机结合态As的含量，可能
会产生新的生态风险。这主要是由于土壤pH升高，As
的有效态含量增加，这与前人的研究结果相似[16~18]。这
是因为随着pH升高，土壤胶体上的正电荷减少，砷在
溶液中常呈阴离子态存在，因此砷被吸附的数量降低，
生物有效态砷的含量随之增高。但本试验周期较短，为
盆栽中种植10个月，如果连续种植蜈蚣草，土壤中砷
的有效性是否会继续发生改变，或者大田试验中是否
会有相同的试验结果？这些都需要做进一步研究。
4 结论
蜈蚣草对土壤中的As具有很强的吸收能力，并
且能够将根部吸收的As大量的转移至地上部。蜈蚣
草的植物修复作用除了能降低土壤中As总量外，还
能改变土壤中As的形态分布，本研究结果表明在盆
栽试验中，蜈蚣草的修复作用使残渣态 As 含量从
97.41%下降至92.96%，有机结合态As含量从1.28%
上升至5.07%。通过本文的研究，初步探索了蜈蚣草的
修复作用对土壤中As总量及As形态分布的影响，对
后续利用蜈蚣草在As污染土壤中进行植物修复提供
了理论依据。
参考文献：
[1] 廖晓勇, 陈同斌, 谢 华, 等. 磷肥对砷污染土壤的植物修复效率
的影响:田间实例研究[J]. 环境科学学报，2004，24(3): 455 - 462.
[2] 许仙菊, 张永春, 沈 睿, 等. 水稻不同生育期土壤砷形态分布特
征及其生物有效性研究 [J]. 生态环境学报，2010，19 (8): 1983 -
1987.
[3] Pilon-Smits E. Phytoremediation [J]. Annual Review of Plant Biology
2005，56: 15 - 39.
1006
4 期 叶文玲等：蜈蚣草的植物修复作用对土壤中砷总量及形态分布的影响研究
[4 ] Chen TB, Fan ZL, Lei M, et al. Effect of phosphorus on arsenic
accumulation in As-hyperaccumulator Pteris vittata L. and its
implication[J]. Chinese Science Bulletin，2002，47(22): 1876 - 1879.
[5 ] Hue NV. Arsenic Chemistry and Remediation in Hawaiian Soils[J].
International Journal of Phytoremediation，2013，15(2): 105 - 116.
[6] Lei M, Wan XM, Li XW, et al. Impacts of sulfur regulation in
vivoon arsenicaccumulation and toleranceofhyperaccumulator Pteris
vittata[J].EnvironmentalAndExperimentalBotany，2013;85:1-6.
[7] Tu C , Ma LQ , Bondada B . Arsenic accumulation in
the hyperaccumulator Chinese brake and its utilization potential for
phytoremediation [J]. Journal of Environmental Quality，2002，31(5):
1671 - 1675.
[8 ] Caille N, Swanwick S, Zhao FJ, et al. Arsenic hyperaccumulation by
Pteris vittata from arsenic contaminated soils and the effect of liming
and phosphate fertilisation[J]. Environmental Pollution，2004，132(1):
113 - 120.
[9 ] Shelmerdine PA, Black CR, McGrath SP, et al. Modelling
phytoremediation by the hyperaccumulating fern, Pteris vittata, of
soils historically contaminated with arsenic [J]. Environmental
Pollution，2009，157(5): 1589 - 1596.
[10] Tessier A, Campbell PGC, Bisson M. Sequential extraction procedure
for the speciation of particulate trace metals[J]. Analytical Chemistry，
1979，51(7): 8.
[11] Chen TB, Wei CY, Huang ZC, et al. Arsenic hyperaccumulator Pteris
vittata L. and its arsenic accumulation [J]. Chinese Science Bulletin，
2002，47(11): 902 - 905.
[12] 韦朝阳, 郑 欢, 孙 歆, 等. 不同来源蜈蚣草吸收富集砷的特征
及植物修复效率的探讨[J]. 土壤, 2008(03): 474 - 478.
[13] Ye W-L, Khan MA, McGrath SP, et al. Phytoremediation of arsenic
contamina ed paddy soils with Pteris vittata markedly reduces arsenic
upt ke by rice [J]. Environmental Pollution，2011, 159 (12): 3739 -
3743.
[14] Liao XY, Chen TB, Lei M, et al. Root distributions and elemental
accumulations of Chinese brake (Pteris vittata L.) from
As-contaminat d soils [J]. Plant And Soil，2004，261 (1-2): 109 -
116.
[15] 冯卫卫, 罗锡明, 刘丹丹. 寨上金矿矿区河流沉积物中砷的形态分
析[J]. 生态环境学报，2011，20(04): 659 - 662.
[16] 雷 梅，陈同斌，范稚连，等. 磷对土壤中砷吸收的影响[J]. 应用生
态学报，2003，14(11):1989 - 1992.
[17] 王忠全，游植麟，廖宗文. 土壤砷的吸持研究[J]. 农业环境保护，
1996，15(6):274 - 276.
[18] 曹东杰. 有机中性化技术对钢铁厂废水污染土壤铜锌砷有效性的
长期影响研究[D]. 福建：福建农林大学，2006.
The Effects of Phytoremediation with Pteris vittata on Arsenic
Concentration and Morphological Distribution
in Arsenic Contaminated Soil
YE Wen-ling1,FAN Ting1,LU Hong-juan1,CHEN Hai-yan1,PAN Dan-dan1,
LIU Xiang-lin1,ZHANG Jing-jing1,XU X ao-yan2
(1. School of Sources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China；
2. Department of Agronomy, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China)
Abstract: Arsenic (As) contamination is widely concerned, andPteris vittata has been suggested s an effective and
low-cost method to clean up As contaminated soils. To investigate whether phytoremediation would influence the
content and fractions of As in soil, the As hyperaccumulatorPteris vittata was grown in contaminated soil in a pot
experiment. The results showed that As concentrations of the fronds, leafstalks and roots were different, and most of As
occurred in the fronds (mean=88.2% ). Phytoremediation withPteris vittata reduced As concentration in the
contaminated soil by 12.4%. Phytoremediation also changed the occurrence mode of As in the contaminated soil, as the
percentage of residual form of As decreased from 97.41% to 92.96%, while the other parts of bioavailable As were
increased.
Key words: As; Pteris vittata; Phytoremediation; Morphological distribution
1007