全 文 ：利用美洲商陆修复锰尾渣污染土壤对后茬植物的影响
向言词a① ,冯　涛b,彭秀花a,姚国钦a　(湖南科技大学 a.生命科学学院;b.能源学院 , 湖南 湘潭　411201)
摘要:采用盆栽法研究用锰超富集植物美洲商陆(Phytolaccaamericana)修复锰尾渣污染土壤对后茬植物大豆
(Glycinemax)和绿豆(Phaseolusradiatus)的影响。经美洲商陆修复锰尾渣污染土壤后 ,后茬植物大豆和绿豆的镉 、
铅 、锌和锰含量降低 ,污染土壤的毒性减弱 ,有利于这 2种植物生长。经美洲商陆修复 2 ～ 3 a, 可显著减弱污染土
壤对大豆的毒性。由此可见 , 在经美洲商陆修复的污染土壤上栽培大豆 , 可以增加含氮量 , 促进其他植物生长 ,从
而维持锰尾渣污染区植被持续发展。
关键词:植物修复;美洲商陆;大豆;绿豆
中图分类号:X503.233　　文献标识码:A　　文章编号:1673-4831(2009)03-0063-06
EffectofPhytoremediationofManganeseMineTailingsContaminatedSoilsbyPhytolaccaamericanaonFolowing
Plants.XIANGYan-cia, FENGTaob, PENGXiu-huaa, YAOGuo-qina(a.SchoolofLifeScience;b.SchoolofEnergyand
SafetyEngineering, HunanUniversityofScienceandTechnology, Xiangtan411201, China)
Abstract:Removingheavymetalsorreducingmetalconcentrationsinheavymetal-contaminatedsoilsbyhyperaccumulat-
ingplantshasbeenproposedasoneofthemostpromisinggreenremediationtechniques.Efectsofphytoremediationof
heavymetal-contaminatedsoilsonfollowingplantshaverarelybeeninvestigated.Apotexperimentwascarriedouttoin-
vestigateeffectsofphytoremediationbymanganesehyperaccumulatingplants, Phytolaccaamericana, onphytotoxicityofa
manganeseminetailingscontaminatedsoilandmetalaccumulationoffolowingplantsGlycinemaxandPhaseolusradiatus
therein.ThesoilinpotswasplantedfirstwithP.americanaseedlings, whichwereremovedafterone, twoorthreeyears
andrecordedasT-1, T-2, andT-3, respectively.ThesoilnotplantedwithP.americanaservedascontrol.Then
seedsofG.maxandP.radiatusweresownintothosepots.PhytotoxicityofthesoilinthepotstreatedwithP.americana
becamelowercomparedwiththatofthecontrol.Phytoremediationofthecontaminatedsoilsdecreasedconcentrationsof
Cd, Pb, ZnandMninthebiomassofthetwoplants, G.maxandP.radiatus, whichpromotedtheirgrowth.Phytotoxicity
ofthesoilinthepotstreatedwithP.americanawaslowertoG.maxthantoP.radiatus.Inordertomaintainalong-term
sustainablevegetationonlandscontaminatedbymanganeseminetailings, herbaceouslegumesuchasG.maxcanbeused
tosolvetheproblemofnitrogendeficiencyinsoilsfollowing2-3 yearsofphytoremediationwithP.americana.
Keywords:phytoremediation;Phytolaccaamericana;Glycinemax;Phaseolusradiatus
　　采用植物修复技术治理重金属污染土壤具有费
用低 、操作简便和对环境影响小等优势 [ 1] 。植物修
复对土壤特性影响的研究报道多集中于土壤营养 、
微生物生长和土壤酶等方面[ 2-6] 。在我国 ,对植物
修复的生态毒理学方面的研究报道少 ,处于起步状
态 。宋雪英等 [ 7] 研究了石油污染土壤经植物修复
后对小麦的生态毒性 ,有关植物修复后基质对植物
毒性变化的研究更少 。美洲商陆(Phytolaccaameri-
cana)是一种多年生的锰超富集植物 [ 8] 。锰尾渣重
金属含量高 ,营养贫乏 [ 9] 。对锰尾渣类重污染区土
壤进行植物修复时 ,既要选择耐受和富集重金属能
力强的植物 ,又要选种能固氮的豆科植物来改良基
质营养贫乏状况和维持植被可持续发展 [ 10] 。本试
验针对锰尾渣堆积区的植物修复和植被重建 ,用美
洲商陆 、大豆(Glycinemax)和绿豆(Phaseolusradi-
atus)作为材料 ,研究美洲商陆对锰尾渣污染土壤的
植物修复 ,从生态学角度分析植物修复的安全性 ,同
时为植被重建和植物修复筛选搭配固氮植物提供科
基金项目:国家高技术研究发展计划(2005AA219040);湖南省自然
科学基金(06JJ50026);湖南省科技计划(2007RS4012);湖南省教育
厅优秀青年(07B018);湖南省高校青年骨干教师培养项目;湖南科
技大学教育科学研究项目(G30607)
收稿日期:2008-08-18
①通讯联系人
　生态与农村环境学报　2009, 25 (3):63-68JournalofEcologyandRuralEnvironment
学依据 。
1　材料与方法
1.1　样品采集
　　试验所用锰尾渣污染土壤采集于湘潭锰矿区 ,
经自然风干 、研碎过 0.25 mm孔径筛后备用 。其基
本化学性质为:pH6.74,全氮 0.53 g· kg-1 ,全磷
0.37 g· kg-1 ,全钾 4.62 g· kg-1 ,碱解氮 17.08
mg·kg-1 ,速效磷 7.91 mg· kg-1 , 速效钾 51.01
mg·kg-1 ,有机质 5.03 g· kg-1 , 镉 15.23 mg·
kg-1 ,铅 230.17 mg· kg-1 ,锌 345.68 mg· kg-1 ,锰
30.30 g· kg-1。
1.2　试验设计
将研碎过筛的土壤装入直径 20cm、深 20cm的
盆中 ,每盆装土 2.0kg,共 24盆 。其中对照(不种植
美洲商陆)6盆 ,美洲商陆处理 18盆 。美洲商陆种
子经浓硫酸处理 10 min后先用自来水冲洗 ,后用蒸
馏水冲洗 ,种子播于盆中 ,每盆 20粒 。种子发芽后 ,
每盆保留健壮幼苗 9株 ,幼苗间距相等。幼苗生长
期间 ,定期用去离子水喷浇幼苗和测定株高 。试验
周期 3 a。按苗龄采收美洲商陆。 (1)第 1年采收 6
盆 ,倒盆 ,取出整株美洲商陆 。将 6盆土壤收集在一
起混匀 ,均分为 6份 ,再回装入盆 。将这些盆与未采
收美洲商陆的盆放置在相同地方 ,定期等量喷浇去
离子水 。(2)第 2年 、第 3年各采收 6盆 ,处理方法
同第 1年。
1.3　生态毒性试验
将上述 24盆处理后土壤分成 2组 ,每组包括 3
个对照(盆中土壤未用植物处理 , CK),按栽培美洲
商陆苗龄将经植物修复的土壤分为 T-1(苗龄
1 a)、T-2(苗龄 2a)和 T-3(苗龄 3 a)3个处理 ,
每个处理 3盆。一组播大豆种子 ,另一组播绿豆种
子 ,每盆播 30粒种子;种子发芽后每盆只保留 15株
幼苗 ,苗间距相等 。定期等量浇喷去离子水 ,观测记
录植物生长状况 。生长至第 60天收获。小心倒盆 ,
取出整株植物 ,用自来水和蒸馏水冲洗 ,再用去离子
水冲洗 ,取部分植物鲜样品用于测定叶绿素含量 、超氧
化物歧化酶(SOD)活性 、丙二醛(MDA)含量和根长;其
余样品晾干 , 105℃条件下烘 1h,再在 80℃条件下烘 8
h至恒重 ,测定干重后保存 ,以备分析测试。
根系长度用直接截获法测定[ 11] ,根系耐性指数
(IRT)=各处理根系平均长度 /对照根系平均长
度[ 12] ,地下部分生物量分配指数 =地下部分生物
量 /整株植物生物量 [ 13] ,叶绿素含量 、SOD活性和
MDA含量的测定按张志良等 [ 14]的方法进行。重金
属含量采用原子吸收分光光度法测定。试验数据采
用 SPSS(V11.0)处理分析 。
2　结果与分析
2.1　种植美洲商陆对后茬植物株高和生物量的
影响
　　经美洲商陆修复后锰尾渣污染土壤对大豆和绿
豆幼苗株高的影响见图 1。美洲商陆的修复降低了
锰尾渣污染土壤对大豆和绿豆幼苗的生物毒性。
T-1、T-2和 T-3处理大豆株高均高于对照 , T-2
和T-3处理差异显著 。种植绿豆试验中 T-1、T-2
处理株高虽高于对照 ,但差异都不显著 , T-3处理
株高显著高于对照。在相同处理条件下 ,大豆株高
高于绿豆 。
图 1　美洲商陆修复锰尾渣污染土壤对大豆和
绿豆幼苗株高的影响
Fig.1　Effectsofremediationofmanganesemine
tailingscontaminatedsoilbyPhytolaccaamericanaon
seedlingheightofGlycinemaxandPhaseolusradiatus
　　经美洲商陆修复后锰尾渣污染土壤对大豆和绿
豆幼苗生物量的影响见图 2。经美洲商陆修复后 ,
锰尾渣污染土壤对大豆和绿豆生长的抑制作用减
弱。 T-1处理大豆幼苗生物量虽高于对照 ,但差异
不显著;T-2和 T-3处理大豆幼苗生物量都显著
高于对照 , T-3处理大豆幼苗生物量显著高于 T-
2。T-1、T-2和 T-3处理绿豆幼苗生物量虽然都
高于对照 ,但差异都不显著。在相同处理条件下 ,大
豆幼苗生物量大于绿豆 。
·64· 　　　　　　　　　　　　　　生　态　与　农　村　环　境　学　报　　　　　　　　　　　　　　第 25卷
图 2　美洲商陆修复锰尾渣污染土壤对大豆和
绿豆幼苗生物量的影响
Fig.2　Effectsofremediationofmanganeseminetailings
contaminatedsoilbyPhytolaccaamericanaon
seedlingbiomassofGlycinemaxandPhaseolusradiatus
2.2　种植美洲商陆对后茬植物地下部分生物量分
配和根系耐性指数的影响
经美洲商陆修复后锰尾渣污染土壤对大豆和绿
豆幼苗地下部分生物量分配指数的影响见图 3。
T-1、T-2和 T-3处理大豆和绿豆地下部分生物
量分配指数逐步降低;T-2和 T-3处理大豆地下
部分生物量分配指数显著低于对照;T-3处理绿豆
地下部分生物量分配指数显著低于对照。这反映了
污染土壤经美洲商陆修复后 ,可减少大豆和绿豆地
下部分生物量所占比例。
图 3　植物修复锰尾渣污染土壤对大豆和绿豆
幼苗地下部分生物量分配指数的影响
Fig.3　Effectsofremediationofmanganeseminetailings
contaminatedsoilbyPhytolaccaamericanaonbiomass
distributionindexoftheundergroundpartsoftheseedlings
ofGlycinemaxandPhaseolusradiatus
　　经美洲商陆修复后锰尾渣污染土壤对大豆和绿
豆幼苗根系耐性指数的影响见图 4。 T-1、T-2和
T-3处理大豆和绿豆根系耐性指数都大于 1。随修
复时间增加 , 2种植物根系耐性指数增大 。这反映
美洲商陆修复可不断减弱污染土壤的抑制作用 ,有
利于植物根生长。
图 4　美洲商陆修复锰尾渣污染土壤对大豆和
绿豆幼苗根系耐性指数的影响
Fig.4　Effectsofremediationofmanganeseminetailings
contaminatedsoilbyPhytolaccaamericanaonseedling
toleranceindexofGlycinemaxandPhaseolusradiatus
2.3　种植美洲商陆对后茬植物叶绿素含量 、SOD
活性和 MDA含量的影响
经美洲商陆修复后锰尾渣污染土壤对大豆和绿
豆幼苗叶绿素含量的影响见图 5。经美洲商陆修复
后 ,锰尾渣污染土壤对植物叶绿素合成的抑制作用
减弱 。T-1、T-2和 T-3处理大豆幼苗叶绿素含
量高于对照 ,但只有 T-2和 T-3处理差异达到显
著水平 ,且 T-2和 T-3处理大豆幼苗叶绿素含量
都显著高于 T-1。 T-1、T-2和 T-3处理绿豆幼
苗叶绿素含量虽高于对照 ,但差异都不显著 ,而且前
3者间的差异也都不显著。在相同处理条件下 ,大
豆幼苗叶绿素含量高于绿豆 。
经美洲商陆修复后锰尾渣污染土壤对大豆和绿豆
幼苗 SOD活性影响见图 6。T-1、T-2和 T-3处理大
豆幼苗 SOD活性都显著小于对照;T-1处理绿豆幼苗
SOD活性虽然小于对照 ,但差异不显著;T-2和 T-3
处理绿豆幼苗 SOD显著高于对照。在相同处理条件
下 ,大豆幼苗 SOD活性高于绿豆。
经美洲商陆修复后锰尾渣污染土壤对大豆和绿
豆幼苗 MDA含量影响见图 7。T-1、T-2和 T-3
处理大豆幼苗 MDA含量显著低于对照;T-3处理大
豆幼苗 MDA含量显著低于 T-1和 T-2。 T-1和 T
-2处理绿豆幼苗 MDA含量虽低于对照 ,但差异不显
·65·　第 3期　　　　　　　　　　向言词等:利用美洲商陆修复锰尾渣污染土壤对后茬植物的影响
著 ,仅 T-3处理绿豆幼苗 MDA含量显著低于对
照 。在相同处理条件下 ,大豆幼苗 MDA含量低于
绿豆。
图 7　美洲商陆修复锰尾渣污染土壤对大豆和
绿豆幼苗 MDA含量的影响
Fig.7　Effectsofremediationofmanganeseminetailings
contaminatedsoilbyPhytolaccaamericanaonseedling
MDAcontentinGlycinemaxandPhaseolusradiatus
2.4　种植美洲商陆对后茬植物积累重金属的影响
经美洲商陆修复后锰尾渣污染土壤对大豆积累
镉 、铅 、锌和锰的影响见表 1。经美洲商陆修复锰尾
渣污染土壤 ,降低了后茬植物大豆体内镉 、铅 、锌和
锰含量。与 CK相比 , T-1、T-2和 T-3处理大豆
根部与地上部镉 、锌和锰含量都显著下降 ,但铅含量
的下降未达显著水平。
　　经美洲商陆修复后锰尾渣污染土壤对绿豆积累
镉 、铅 、锌和锰的影响见表 2。用美洲商陆修复锰尾
渣污染土壤 ,降低了后茬植物绿豆体内镉 、铅 、锌和
锰含量。与 CK相比 , T-1、T-2和 T-3处理绿豆
根部与地上部镉和锌都显著下降;3者根部锰下降
达到显著水平 。T-3处理绿豆根部与地上部铅下
降显著。
表 1　用美洲商陆修复锰尾渣污染土壤对大豆镉 、铅 、锌和锰含量的影响
Table1　EffectsofremediationofmanganeseminetailingscontaminatedsoilbyPhytolaccaamericanaonconcentrationsof
Cd, Pb, Zn, andMninGlycinemax mg· kg-1
处理 Cd根部 地上部
Pb
根部 地上部
Zn
根部 地上部
Mn
根部 地上部
CK 4.18±0.28a 0.51±0.04a 3.11±0.14a 1.08±0.08 a 30.33±1.26a 5.18±0.08a 54.18±3.17a 12.77±2.11a
T-1 3.02±0.22b 0.31±0.02b 2.61±0.09a 0.96±0.06 a 23.81±1.82b 2.91±0.12b 38.91±1.22b 8.11±2.16b
T-2 2.67±0.11b 0.27±0.06b 2.47±0.12a 0.92±0.10 a 20.67 ±1.51bc 2.67±0.11b 35.67±3.11b 7.67±1.21bT-3 2.50±0.08b 0.18±0.07c 2.30±0.11a 0.92±0.05 a 18.50±2.22c 2.50±0.31b 25.50±1.28c 7.34±0.78b
T-1、T-2、T-3分别表示种植美洲商陆 1、 2、 3a。同一列英文字母相同表示不同处理间差异不显著(P>0.05)。
·66· 　　　　　　　　　　　　　　生　态　与　农　村　环　境　学　报　　　　　　　　　　　　　　第 25卷
表 2　用美洲商陆修复锰尾渣污染土壤对绿豆积累镉 、铅 、锌和锰的影响
Table2　EffectsofremediationofmanganeseminetailingscontaminatedsoilbyPhytolaccaamericanaonconcentrationsof
Cd, Pb, Zn, andMninPhaseolusradiatus mg· kg-1
处理 Cd根部 地上部
Pb
根部 地上部
Zn
根部 地上部
Mn
根部 地上部
CK 6.37±0.81a 1.61±0.20a 2.75±0.03a 2.01±0.05 a 9.23±0.67a 8.16±1.21a 189.18±10.87a 7.74±0.27a
T-1 5.31±0.22b 1.01±0.06b 2.66±0.11a 1.96±0.01 a 8.81±0.62ab 7.34±0.56b 108.91±6.43b 7.67±0.56a
T-2 4.17±0.16c 0.87±0.09b 2.47±0.22a 1.97±0.03 a 7.23±1.02b 5.67±0.23c 72.67±7.14c 7.47±0.44a
T-3 3.50±0.08c 0.68±0.06c 1.70±0.31 b 1.41±0.21b 7.01±0.41b 4.69±0.44c 67.50±4.28c 7.22±0.88a
T-1、T-2、T-3分别表示种植美洲商陆 1、 2、 3a。同一列英文字母相同表示不同处理间差异不显著(P>0.05)。
3　结论与讨论
锰尾渣含有多种重金属 ,有些重金属 ,如镉和铅
等 ,在植物生命活动中没有重要意义而且对植物有
毒害作用[ 15] ,有些重金属 ,如锌和锰等 ,是植物正常
生长发育所必需 ,但含量过高会对植物产生毒害作
用 [ 8] 。过量的铜和锌使欧洲白栎(Quercusrobur)和
白杨树(PopulusalbaL.cv.Vilafranca)幼苗光合色
素受到破坏 ,抑制植物生长 [ 16-17] 。植物受到重金属
损害时 ,细胞膜脂发生过氧化而产生 MDA,植物体
内自由基增加 ,诱导 SOD等过氧化物酶活性升高 ,
过氧化物酶氧化分解自由基 ,减除其毒害作用 [ 18] 。
由于锰尾渣污染土壤中镉 、铅 、锰和锌等含量高 ,对
大豆和绿豆有毒害作用 ,导致这 2种植物叶绿素含
量降低 ,生物量减小 ,株高降低 , SOD活性和 MDA
含量升高。
用美洲商陆修复锰尾渣污染土壤 ,降低了后茬
植物大豆和绿豆体内镉 、铅 、锌和锰含量 ,因而减弱
污染土壤对大豆和绿豆的毒害 。遏蓝菜 (Thlaspi
caerulescens)修复重金属污染土壤 ,减弱污染土壤对
莴苣(Lactucasativa)的毒性 [ 19] 。锌超富集植物遏
蓝菜和同属的非超富集植物 T.arvense在含锌土壤
中互作时 ,遏蓝菜大量吸收积累锌 , 降低土壤锌含
量 ,减弱对 T.arvense的毒性 [ 20] 。栽培美洲商陆等
植物可降低锰尾渣污染土壤中镉和锰等含量 ,增加
土壤碱解氮 、速效磷 、速效钾和有机质 [ 6] 。植物可
将土壤重金属吸收积累在体内 [ 21] ;植物根系分泌物
与重金属螯合形成难溶的化合物 [ 22] ,从而减弱对植
物的毒害[ 19] 。植物根向土壤分泌有机物或其细根
等枯死分解 ,增加土壤有机质 ,改善污染土壤特性 ,
有利植物生长[ 5-6] 。
综上所述 ,用美洲商陆修复锰尾渣污染土壤 ,可
降低后茬植物大豆和绿豆的镉 、铅 、锌和锰含量 ,减
弱土壤毒性 ,有利于这 2种植物生长 。经美洲商陆
修复 2 ～ 3 a后 ,锰尾渣污染土壤对大豆的毒性显著
减弱 。因此 ,栽培美洲商陆修复锰尾渣污染土壤 2 a
后 ,可栽培豆科植物以增加土壤含氮量 ,从而促进其
他植物生长。
致谢:感谢美国奥本大学田代科博士对本文的精心
修改 。
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作者简介:向言词(1969—), 男 , 湖南永顺人 , 副教授 , 博士
后 ,硕士生导师 , 主要从事恢复生态学和生态安全方面的研
究。 E-mail:yancixiang@yahoo.cn
(上接第 62页)
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作者简介:王宁(1985— ), 男 , 江苏徐州人 , 硕士生 , 主要从
事酸性土壤的改良研究。
·68· 　　　　　　　　　　　　　　生　态　与　农　村　环　境　学　报　　　　　　　　　　　　　　第 25卷