农作物富集土壤重金属的规律及其运用
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摘要：根据国内外文献报道,对农作物富集土壤重金属的特点和富集能力进行了总结,并分析了土壤环境对作物富集重金属的影响，结果表明：农作物富集土壤重金属与作物种类、品种、部位有关,同一作物对不同重金属富集能力存在差异，利用各种作物富集重金属的特点可指导合理开展生态农业种植区划、调整农业产业结构,为筛选低富集重金属作物品种以及区域土壤环境保护提供科学依据。
关键词：农作物；富集；重金属；规律
中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：16749944(2011)04016203
1 引言
农作物包括粮食作物、经济作物(油料作物、蔬菜作物、嗜好作物)、饲料作物,药用作物等。农作物中重金属含量是表征其质量的重要指标。国内外对有关蔬菜和粮食等农作物中重金属含量及其健康风险等问题进行了大量的研究［1,2］。长期食用受重金属污染的农产品会严重影响人体健康。农作物对重金属元素的富集并不仅仅是无选择地叠加作用,研究表明：作物的不同种类及同一品种的不同部位对重金属元素的富集大不相同［3,4］。
2 农作物对土壤重金属的富集特点
2.1 不同农作物对重金属富集能力存在差异
不同的作物种类对重金属的富集存在差异［5］。根据作物富集重金属能力的强弱,可将作物分为低积累型、中等积累型和高积累型。以作物对镉的积累量来区分,豆科(大豆、豌豆)属于低积累型作物,禾本科(水稻、大麦、小麦、玉米、高粱等)属于中等积累型,十字花科(油菜、萝卜、芜箐等)、藜科(唐莴苣、唐甜菜)、茄科(番茄、茄子)、菊科(莴苣)等属于高积累型作物［6］。
一般来说,蔬菜富集重金属能力较禾谷类强。一些蔬菜不但可以嗜吸收某种重金属,而且还具备有特殊富集能力的器官,用来储存污染物,如砷在胡萝卜根中的富集,汞在菜豆荚中的富集,铅、镉在萝卜根中的富集,锡在萝卜叶片中富集等。根据蔬菜的食用部位分为叶菜类、根茎类、花果类等,以叶菜类富集重金属能力最大,其次是根茎类,鲜豆类及茄果类富集能力较低。肖细元等研究发现,在常见蔬菜中,芹菜的砷富集能力最高;蕹菜、茼蒿、芥菜等蔬菜的砷富集系数次之；菜苔、生菜、菠菜、蒜、葱、黄秋葵、豇豆、苋菜、茄子的砷富集能力稍低；富集能力最低的为甜菜根、豌豆、花椰菜、韭菜、甜菜、南瓜、红薯、冬瓜、番茄、四季豆、大白菜、胡萝卜、洋葱、萝卜、辣椒、甘蓝、芋头、土豆等［3］。对于汞元素,以根茎类富集的能力最大,其次为叶菜类、豆类,而茄果类、瓜类汞的富集能力较低；对铅、锌的富集,以叶菜类蔬菜最高,果实类蔬菜较低［7］。
此外,还有研究表明,同一种农作物的不同基因型吸收重金属存在差异。如籼型水稻(46个基因型)精米的含镉量比粳型水稻(39个基因型)精米的含镉量高［8］。
2.2 不同农作物品种对重金属的富集能力不同
同一作物的不同品种间对重金属的富集差异显著。对水稻吸收富集镉元素的大量研究表明,有些品种是植株和稻谷均属于高积累型,如9311(籼稻),有的品种如jia-48(粳稻)植株属于高积累型,糙米积累镉含量很低,可选育成为中低镉积累的高产优质的水稻品种。顾继光等对玉米、小麦、大麦、烟草、菜心等作物的不同品种间富集镉的能力进行研究,也发现品种间差异较大 ［9］。郭晓方等［10］在中度污染土壤上种植云石5号、华农1号、乐满田1号等3种不同玉米品种,云石5号玉米富集重金属较低。有专家对硬粒小麦进行的长期研究表明了低镉品种具有较低的镉根冠转移特征,这种低转移特征与较低的木质部汁液分泌有关。
2.3 农作物不同部位对重金属的富集特点
作物不同部位对重金属的吸收差异较大。一般是新陈代谢旺盛的器官中积累量大,而营养贮存器官中积累量少。刘金林等研究也发现谷物、蔬菜不同部位吸收土壤重金属能力具有如下规律：吸收器官＞同化器官和输导器官＞繁殖器官。如镉被植物吸收后,大部分富集在根部,迁移至地上部的一般较少。水稻、玉米、高粱、小麦、大豆、豌豆、黄瓜等对重金属砷、镉 、铅、铜、锌的吸收能力以根部最大,其次为叶、茎,籽实吸收能力最小［11］。水稻、菜豆根茎吸收镉的能力较强,其中水稻中80%的镉富集在根部［12］,玉米、小麦根对镉和锌的吸收量分别占总吸收量的70%~8%,58%~68%,子实分别占1%~10%,9%~25%。而烟草、胡萝卜等叶片镉含量较高［13］。
另外,作物的非食用部分富集重金属的能力常常大于食用部分,如甘蔗、青菜、豌豆的非食用部分铅、铬、锌元素含量高于食用部分。豌豆非食用部分铅元素含量是食用部分的21倍。甘蔗的蔗叶富集重金属能力较根茎大,受污染土壤所种植的甘蔗其蔗叶重金属含量明显大于根茎的含量［14］。
2.4 农作物对不同重金属富集的差异
作物对不同重金属吸收和累积存在差异。如小麦对锌吸收能力大于铜、铅,对镉的吸收能力最小；玉米、水稻对铜、锌富集能力较铅、镉大；大白菜、青菜、橄榄、花菜、萝卜易于富集锌,辣椒、莴笋等易于富集铜；油菜对锌、镉的富集能力较强,对铬、铅富集能力较弱［15］。
3 土壤环境对农作物富集重金属的影响
3.1 土壤中重金属种类及存在形态的影响
土壤中不同重金属之间具有加和、拮抗、协同等作用。镉―铅交互作用促进镉向地上部分的迁移,比如镉―铅交互作用时使油菜茎叶中镉的含量明显高于受镉单一元素污染的影响,这可能是因为铅会夺取镉在土壤中的吸附位,而提高土壤中镉的有效性,或者取代根中吸附的镉,促进了根中滞留镉的活性,使镉进一步向茎叶转移。镉―铅―铜复合污染减弱镉从根部向地上部分的迁移。土壤铜―镉之间具有协同作用,在土壤中适量施用铜元素,促进小白菜对镉的吸收富集［16］。镉―铅、镉―铬以及镉―铅―铬之间均有协同作用,玉米、小麦各部位的某一种重金属含量,因另外一种或几种金属的共存而增加。
土壤中重金属存在形态也会影响作物对重金属的富集。重金属存在形态一般分为水溶交换态、碳酸盐结合态、有机结合态、铁锰氧化物结合态和残留态5种,交换态重金属是植物可吸收利用的主要形态,重金属在农作物中的含量主要取决于土壤中重金属的有效态,土壤中重金属有效态含量的多少直接影响到重金属在土壤――作物系统中的迁移,影响着作物体中重金属的含量 ［17］。
3.2 土壤理化性质的影响
作物吸收富集重金属还受土壤理化性质影响,包括pH值、土壤阳离子交换量(CEC)、有机质、土壤颗粒组成等。
3.2.1 土壤pH值
土壤pH值是影响土壤重金属生物有效性的最显著因素之一,pH值通过影响重金属化合物在土壤溶液中的溶解度来影响重金属的行为。土壤pH 值降低,使存在土壤中的以难溶态形式存在的重金属溶解、释放,使土城中重金属的有效态含量增加,利于作物的吸收富集,如土壤pH值降低,在一定程度上使蔬菜中重金属含量增加;升高土壤的pH值,小麦吸收镉量明显降低［18］。一般来说,pH值升高降低土壤中大多数重金属元素的有效性,也有部分元素变化不是很明显如可交换态的铜,但是砷的情况有所不同,其在溶液中常呈阴离子态存在,当pH值在强酸或强碱的条件下,溶解度反而增加。
3.2.2 土壤阳离子交换量(CEC)
土壤阳离子交换量是带负电荷的土壤胶体,借静电引力而对溶液中阳离子所吸附的数量。土壤中阳离子交换吸附非常普遍,它是土壤中可溶性有效阳离子的主要保存形式。土壤阳离子交换量较高时,可能会提高重金属在土壤中的有效性,使根表面与根系土壤溶液发生离子交换量增大,重金属离子进入根部的几率变大,从而使蔬菜对重金属的吸收增加。同时,重金属的形态在土壤中存在一个向碳酸盐和铁锰氧化态等难溶态转化的过程。蔬菜等作物根的分泌物不断溶解碳酸盐态、铁锰氧化态重金属,使重金属的迁移性和有效性增加。
3.2.3 土壤有机质
土壤有机质包括腐殖质和非腐殖质,其中腐殖质是土壤有机质的主体。腐殖质对金属离子的迁移作用主要表现为有机胶体对金属离子有很强的表面吸附与离子交换吸附及螯合作用。如腐殖质中胡敏酸可与重金属形成胡敏酸盐,大多为难溶的。通过提高土壤有机质的含量,改变土壤溶液中络合、螯合作用,可改变土壤溶液中重金属的活性,降低作物的吸收。
研究发现,在高污染背景下,添加腐质酸等有机质对抑制土壤汞、镉进入蔬菜具有良好的效果［19］。施入有机肥后土壤中有效态镉、锌的含量明显降低,降低了植物对镉、锌的吸收［20］。在土壤有机质含量较低时,增加有机质的含量,可在一定程度上降低蔬菜中重金属含量。但土壤中有机质含量过高时,可能导致重金属的有效性提高,反而使蔬菜中重金属的含量增加。所以,适量增加土壤中有机质的含量,可减轻土壤中重金属对农作物的污染及迁移。
3.3 土壤N、P、K含量的影响
N、P、K 在作物的生长过程中起着至关重要的作用,但是长期施用对土壤重金属的生物有效性有很大的影响,包括对重金属的活化及对重金属的钝化。尿素在某些条件下使土壤pH值上升,致使铅和镉向相对活性较低的碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态转化；HO2PO-4通过改变土壤表面电荷增加了镉的吸附量,这些又都是施肥对重金属的稳定化作用。在土壤中施用磷灰石和KHO2PO4,影响作物中锌含量,施用KCl、K2SO4、KNO3，影响水稻对镉吸收累积,Cl-促进水稻吸收镉,而SO2-4显著降低水稻对镉的吸收和糙米中镉的含量 ［21］。
4 农作物富集土壤重金属特点的运用
4.1 在开展无公害农业种植区划,调整种植结构方面的运用
利用不同植物及植物的不同器官对重金属污染的富集特点,指导人们进行无公害作物的栽培和生产。在掌握土壤环境质量的基础上,开展种植区划,选择适宜作物,保证农产品的安全。比如,在土壤中砷含量较高区域,选择种植玉米或者根茎类蔬菜,避免种植芹菜、蕹菜、茼蒿、芥菜等对砷富集能力较大的作物。在含镉量较高的土壤中,避免种植青菜等叶菜类,尤其在镉污染区,慎重选择种植水稻,其对镉的富集能力很强；在含汞量较高的土壤中,尽量少种植萝卜、西兰花、包心菜、茭白等,可选择种植毛豆、四季豆、番茄、黄瓜等对汞的富集能力相对较低的作物。
4.2 在土壤生态修复方面的运用
土壤重金属污染修复主要包括工程治理、生物治理(主要是植物修复)、化学治理等方法,这些方法存在修复时间长或者费用大等缺点。目前农业治理法在土壤修复中运用也越来越多。包括在污染土壤上种植不进入食物链的植物,控制土壤水分、选择化肥、增施有机肥、选择农作物品种等措施。根据某些作物根部对重金属富集能力较强,子实较弱的特点,可以选择那些根部富集最强,而子实富集弱的作物种植在污染区。因地制宜地种植玉米、水稻、大豆、小麦等,水稻根系吸收重金属的含量占整个作物吸收量的80%,稻谷吸收量最少,在收获作物的同时,从土壤中去除根部,集中处理,减轻土壤污染。另外,在污染区繁育种子(水稻、玉米),移栽至非污染区种植；或种植非食用作物(高梁、玉米),收获后从秸秆提取酒精,残渣压制纤维板,并提取糠醛,或将残渣制作沼气作能源。这些措施均可达到土壤生态修复的目的,同时也保证农民的收入。
4.3 为选育低富集重金属农作物品种提供依据
目前有研究报道,已筛选出低富集镉的花生品种以及低积累/低富集重金属蔬菜品种［22］。利用农作物品种间重金属富集能力存在差异的特点,为生产上筛选低富集作物品种提供了大量基础数据,促进农业友好型模式的发展。
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