淺談植物對(duì)土壤中重金屬的吸附

淺談植物對(duì)土壤中重金屬的吸附摘要：針對(duì)中國土壤中重金屬污染加劇的趨勢(shì)，為提高人們對(duì)土壤重金屬污染的認(rèn)識(shí)，和人們對(duì)土壤中重金屬污染的重視，特簡要介紹相關(guān)情況。本文從土壤重金屬污染現(xiàn)狀概況、植物對(duì)土壤重金屬的吸收、影響植物吸收土壤中重金屬的因素三個(gè)方面介紹。并對(duì)植物修復(fù)土壤中重金屬污染的理論提出展望。關(guān)鍵詞土壤；重金屬；植物；吸收IntroductiontoPlantfortheAdsorptionofHeavyMetalsinSoilAbstract：Withthesoilpollutionofheavymetalsgettingworseandworse,Inordertoimprovepeople'sknowledgeonthesoilheavymetalpollution,andtheimportanceofheavymetalpollutioninsoil,sointroducesomethingaboutheanymetalpollution.Thisstudiesaboutsoilheavymetalpollutionstatus、theabsorptionofheavymetalsfromsoil、thefactorsaffectingplantabsorptionofheavymetalsinsoil.Theprospectofthetheoryofphytoremediationofheavymetalpollutioninsoilisalsoproposed.Keywords:soil;heavymetal;plant;absorption引言土壤是環(huán)境要素的重要組成部分，它不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而且還是人類環(huán)境的重要組成部分。它處于自然環(huán)境的中心位置，承擔(dān)著環(huán)境中大約90%的來自各方面的污染物。然而，局部地球化學(xué)作用或者人為活動(dòng)的強(qiáng)烈作用，尤其是近年來由于城市和工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)廢棄物、城市固體廢棄物、農(nóng)業(yè)灌溉水污染、肥料和農(nóng)藥的施用，和城市污水處理廠污泥及大氣污染的沉降，污染已從城市向周圍蔓延。土壤重金屬污染是指由于人類活動(dòng)將重金屬加入到土壤中，致使土壤中的重金屬含量過高，并造成生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象，土壤中的一些重金屬元素在低濃度時(shí)，對(duì)植物而言是必須元素，但有些重金屬元素在過量時(shí)就會(huì)對(duì)植物物產(chǎn)生毒害作用，如鋅、銅、鉻、鎳、鎘、汞、砷、鉛等。在我國，土壤重金屬污染主要來自采礦、冶煉、電鍍、化工、電子、制革、染料等工業(yè)生產(chǎn)的三廢以及污灌、農(nóng)藥、化肥的不合理施用等。重金屬在土壤中積累到一定限度就會(huì)對(duì)土壤一植物系統(tǒng)產(chǎn)生毒害，并可能通過接觸食物鏈直接或間接地對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。第第頁1土壤中重金屬污染概況1.1土壤重金屬污染現(xiàn)狀近幾十年來，隨著工業(yè)、城市污染的加劇和農(nóng)用化學(xué)品使用的增加，土壤污染日趨嚴(yán)重，成為我國突出的環(huán)境問題之一。因?yàn)橹亟饘倬哂形廴疚锏亩嘣?、隱蔽性、一定程度上的長距離傳輸性和污染后果的嚴(yán)重性[1]，因此土壤-植物系統(tǒng)污染研究的主要污染物是重金屬。土壤重金屬污染，改變土壤化學(xué)組成，直接或間接地破壞土壤的生態(tài)結(jié)構(gòu)，通過土壤-植物系統(tǒng)遷移累積，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品安全乃至人體健康。據(jù)不完全調(diào)查，目前全國受污染的耕地約有0.1億hm2，污水灌溉污染耕地約216.7萬hm2，固體廢棄物堆存占地和毀田約13.3萬hm2，合計(jì)約占耕地總面積的1/10以上。據(jù)估算，全國每年因重金屬污染的糧食達(dá)1200萬t，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元，并對(duì)人體健康形成危害[2]。1.2土壤中重金屬污染形態(tài)植物從土壤中吸收的重金屬量與土壤中的重金屬總量有一定關(guān)系，但土壤中的重金屬總量并不是植物吸收程度的一個(gè)可靠指標(biāo)［3］。研究表明，石灰性污灌土壤0-20cm土層中，Pb、Cd主要以碳酸鹽結(jié)合態(tài)和硫化物殘?jiān)鼞B(tài)存在，其次是有機(jī)結(jié)合態(tài)，交換態(tài)和吸附態(tài)較少；Pb的吸附態(tài)大于交換態(tài)；而Cd則相反［4］。影響Pb、Cd形態(tài)分布的主要因素有pH值、有機(jī)質(zhì)含量、腐殖酸組成和碳酸鈣含量等。在某地污灌區(qū)土壤分析中，用污染區(qū)與對(duì)照區(qū)比較表明，長期污灌的土壤中鉻的平均含量為82.0mg/kg，最高檢出值為96.8mg/kg，而對(duì)照區(qū)耕層土，壤鉻的平均含量為74.4mg/kg，經(jīng)檢驗(yàn)，污染區(qū)與非污灌區(qū)的土壤鉻含量差異顯著，說明土層已遭受污灌污染［5］。20-40cm土層中鉻的含量雖有累積，但差異并不顯著，而下層土壤則無明顯累積。這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)對(duì)Cr（Ⅵ）的還原作用很明顯，隨灌溉水進(jìn)入土壤的Cr（Ⅵ）可被有機(jī)質(zhì)迅速還原為Cr（Ⅲ［6］，而粘土礦物對(duì)Cr（Ⅲ）有強(qiáng)烈的吸附和固定作用，在土壤中不易移動(dòng)，也較難被植物吸收，這是鉻只在表層和耕作層中累積的主要原因。而對(duì)于汞來說，它的有效形態(tài)主要與土壤的硫、氯化物及有機(jī)肥料含量有關(guān)。在砷污染的土壤中，主要以水溶性砷和鈣砷為主，鋁砷和鐵砷最低［7］。E.A.Woofson等指出，大多數(shù)土壤以鐵砷為主，若活性鐵含量低而鈣、鋁含量高時(shí)，則以鈣砷或鋁砷為主。1.3重金屬污染物在土壤中的分布土壤中的重金屬污染物由于無機(jī)及有機(jī)膠體對(duì)陽離子的吸附、代換或絡(luò)合、生物作用的結(jié)果，大部分被固定在耕作層中，一般很少遷移至46cm以下的土層，但砷在土壤中的動(dòng)態(tài)行為與銅、鉛、鎘等有所不同，在含有大量鐵、鋁組分的酸性(PH5.3-6.8)紅壤中，砷酸根可與之生成難溶鹽類而富集于30-40cm耕作層中。還有研究表明，金屬污染物主要累積在土壤耕作層，而且其可給態(tài)含量較高，分別占全量的60.1%，30%，38%和2.2%［8］。灌溉污水中的汞呈溶解態(tài)和絡(luò)合態(tài)，迸入土壤后95%被土壤礦質(zhì)膠體和有機(jī)質(zhì)迅速吸附或固定。它一般累積在土壤表層，在剖面上分布自上而下遞減［9］。2植物對(duì)土壤重金屬的吸收和積累生長在被重金屬污染的土壤中的植物，其體內(nèi)必然會(huì)發(fā)生重金屬累積。維諾格拉多夫指液泡和導(dǎo)管內(nèi)外，在細(xì)胞質(zhì)和淀粉粒中也有分布[46]，而錳在錳超累積植物商陸中可能主要以草酸錳的形式累積在葉細(xì)胞的液泡中[47]。組織水平上，海州香薷根中銅主要分布于根的表皮細(xì)胞，莖中銅主要富集在維管組織中，葉中銅在葉柄維管組織中含量最高。錳在商陸根、莖和葉柄中的分布最多的組織是維管束柱。胞內(nèi)累積金屬離子的結(jié)合形態(tài)也復(fù)雜多樣。如鎘在植物體內(nèi)一般與植物螯合肽或有機(jī)酸小分子結(jié)合[48]；鎳常與有機(jī)化合物的絡(luò)合，以Ni2+-檸檬酸結(jié)合形成Ni(H2O)62+為最多[49]。商陸中隨著錳處理濃度提高，商陸根中錳由水提取態(tài)向稀酸提取態(tài)轉(zhuǎn)化，莖中的水提取態(tài)錳比例增加，葉中的錳可能主要與草酸結(jié)合以草酸錳的結(jié)合形態(tài)存在于液泡中[50]。近年來，隨著同步輻射技術(shù)的發(fā)展，XAFS已經(jīng)應(yīng)用于研究植物體內(nèi)金屬離子的配位環(huán)境及分子形態(tài)研究。利用XANES分析發(fā)現(xiàn)，海州香薷根、莖、葉銅的價(jià)態(tài)和配位結(jié)構(gòu)類似于Cu-His中銅的形態(tài)[51]。在鴨跖草中，從根到莖到葉銅的配位結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生從Cu-O向Cu-S鍵的轉(zhuǎn)化，說明Cu2+被植物吸收后，在鴨跖草體內(nèi)發(fā)生還原現(xiàn)象。POLETTE等[52]利用XAFS也在雜酚油植物矮橡樹根、莖、葉中發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的Cu-S鍵，并且與典型植物螯合肽中的Cu-S鍵相似，說明植物螯合肽的生成可能是這種植物抵御銅毒及其遷移的主要機(jī)制之一。3影響植物吸收土壤中重金屬的因素3.1重金屬的種類也影響植物對(duì)重金屬的吸收效應(yīng)植物對(duì)不同種類的重金屬吸收效應(yīng)是不同的。韓愛民等人[45]根據(jù)“淮安市綠色食品基地調(diào)查以及相關(guān)研究”課題資料，分析了水稻中重金屬含量與土壤質(zhì)量的關(guān)系，結(jié)果表明，水稻籽粒對(duì)重金屬的吸收特點(diǎn)因其元素不同而差異較大，重金屬元素被水稻糙米吸收的程度為:砷<鎘<汞<鉛<錳<鉻<銅<鋅。王勇軍等人的研究表明群落中5種元素富集能力的大小依次為:Zn>Cu>Pb>Ni>Cr，利用系數(shù)大小為Cu>Zn>Ni>Pb、Cr，循環(huán)系數(shù)大小為Cu、Pb>Cr>Ni、Zn。3.2重金屬的存在形態(tài)土壤中的銅一般以下列幾種形態(tài)存在:1)以游離態(tài)或復(fù)合態(tài)離子形式存在于土壤溶液中；2)以非專性(交換態(tài))或?qū)Ｐ晕皆谕寥勒沉５年栯x子；3)主要與碳酸鹽和鋁、鐵、錳水化氧化物結(jié)合的陽離子；4)存在于生物殘?bào)w和活的有機(jī)體中的有機(jī)態(tài)；5)存在于原生和次原生礦物晶格結(jié)構(gòu)中的礦物態(tài)。根據(jù)所結(jié)合的組分不同，土壤中的銅可區(qū)分成多種形態(tài)，這些形態(tài)之間是相互聯(lián)系的。它們?cè)诟鞣N形態(tài)中的相對(duì)分配比例則取決于礦物種類結(jié)構(gòu)、母質(zhì)、土壤有機(jī)質(zhì)含量等。土壤中的活性銅主要指水溶態(tài)和非專性吸附的交換離子。張克云等人[53]的研究表明，水稻各器官Cu、As濃度與土壤Cu、As濃度密切相關(guān)，而與土壤中交換態(tài)Cu、As的相關(guān)性又大于結(jié)合態(tài)和全態(tài)Cu、As的相關(guān)性。楊學(xué)春[54]等人研究表明在紫色丘陵地的稻田中，因受土壤強(qiáng)吸附性、不均勻性和重金屬難移動(dòng)性的影響，一般遷移是較困難的。重金屬元素在土壤中的存在形態(tài)、積累狀況遷、移轉(zhuǎn)化及對(duì)植物的有效性和毒性與土壤膠體對(duì)其專性吸附性能有密切關(guān)系[55]。3.3土壤的理化性質(zhì)3.3.1土壤的類型土壤的類型直接影響著植物對(duì)重金屬的吸收富集。岳震華、張富強(qiáng)等人[56]對(duì)湖南省長沙市、邵陽市等5個(gè)城市具有代表性的灰菜園土、紅菜園土、潮菜園土三種類型土壤中重金屬遷移規(guī)律以及蔬菜在這三種土壤上的重金屬富集量進(jìn)行了調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)三種不同菜園土重金屬表/底土比對(duì)重金屬富集的順序?yàn)榛也藞@土>紅菜園土>潮菜園土，說明在三種菜園土中灰菜園土對(duì)重金屬的吸收和化學(xué)固定作用最強(qiáng)。3.3.2pH值的影響土壤pH值改變可導(dǎo)致土壤中重金屬形態(tài)的變化，從而影響重金屬的生物有效性。在低pH值時(shí)，土壤中Cd、Zn等離子濃度隨pH值上升而下降，但pH值過高又會(huì)溶解，離子濃度又會(huì)再升高[57]。隨著土壤溶液pH值升高，各種重金屬元素在土壤固相上的吸附量和吸附能力加強(qiáng)。Boekhold等人對(duì)酸性砂土中Cd的吸附現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)pH每增加0.5個(gè)單位，Cd的吸附就增加一倍。韓盛等[58]研究表明隨pH值上升，Pb在土壤中的平衡濃度下降，土壤溶液中Pb平衡濃度主要由土壤膠體吸附作用及碳酸鹽、磷酸鹽、氫氧化物的沉淀溶解作用所決定。3.3.3土壤有機(jī)質(zhì)含量有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的吸附作用，并通過與土壤中的重金屬元素形成的絡(luò)合物來影響土壤中重金屬的移動(dòng)性及其生物有效性。Mcbride等人的研究表明天然有機(jī)質(zhì)是一種有效的吸附劑，能極大的降低離子的活度，有機(jī)質(zhì)可強(qiáng)烈地吸附鎘、鋅，腐殖質(zhì)分解形成的腐質(zhì)酸可與土壤中鋅、鎘形成絡(luò)(鰲)合物，降低了植物對(duì)鎘、鋅的吸收。但也有研究表明，有機(jī)質(zhì)加入土壤中對(duì)植物的吸收重金屬?zèng)]有影響，甚至使植物對(duì)重金屬的吸收稍微增加。有報(bào)道指出，Cu、Zn、Pb、Cd等均屬于親硫元素，常與有機(jī)質(zhì)形成絡(luò)合物或鰲合物，增加其活性。近年來也有研究表明，隨著土壤中施用有機(jī)肥增加，其水溶性有機(jī)物(DOM)含量也增加，水溶性有機(jī)碳(DOC)與土壤中總可溶態(tài)銅、鎘存在正相關(guān)[59-60]。粘土礦物可以通過離子交換來吸收溶液中的重金屬離子，適宜的環(huán)境溫度會(huì)有利于植物吸收重金屬。此外，土壤的陽離子交換量(CEC)也對(duì)重金屬的生物有效性產(chǎn)生影響。有人認(rèn)為，在影響重金屬生物有效性的諸因素中，粘粒含量>PH>有機(jī)質(zhì)含量>重金屬含量[61]。3.4復(fù)合污染及交互作用重金屬復(fù)合污染的研究是近年來環(huán)境科學(xué)的新熱點(diǎn)。因?yàn)樵谧匀唤缍鄶?shù)情況下，環(huán)境污染多是由多個(gè)元素共存作用造成的，元素之間交互作用形成復(fù)合污染對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的效應(yīng)有別于單元素污染。二十世紀(jì)八十年代以來，國外一些學(xué)者進(jìn)行了土壤重金屬復(fù)合污染效應(yīng)及其指標(biāo)的研究[62-66]。在我國，從二十世紀(jì)九十年代開始，一些研究者就Cd、Pb、Cu、Ni、Zn、AS等元素對(duì)大豆、小麥影響迸行了盆栽苗期試驗(yàn)，認(rèn)為元素間聯(lián)合作用對(duì)作物生長和產(chǎn)量有一定影響[67-71]。如果用吸收系數(shù)代表籽實(shí)中某一元素的濃度與土壤中元素濃度之比，則Cd在單元素污染時(shí)，吸收系數(shù)為0.017-0.024，復(fù)合污染吸收系數(shù)為0.361-0.621，提高了21-25倍，Pb的吸收系數(shù)提高了4.63-23.1倍；As的復(fù)合污染盆栽時(shí)，吸收系數(shù)可比單一元素污染時(shí)提高10倍，Zn的吸收系數(shù)在復(fù)合污染時(shí)也有顯著增長[72-73]。3.5養(yǎng)分的作用土壤一植物系統(tǒng)中重金屬與養(yǎng)分元素的交互作用是很復(fù)雜的。涂從等人[74]的研究表明重金屬是土壤污染退化的一類重要物質(zhì)。它們進(jìn)入土壤后，一方面對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生直接危害，一方面通過影響土壤養(yǎng)分的生物有效性而產(chǎn)生間接危害。同時(shí)，土壤中的養(yǎng)分元素也影響重金屬的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，這種相互影響被稱為交互作用。4展望隨著國家對(duì)土壤污染和農(nóng)產(chǎn)品安全問題的關(guān)注，以及當(dāng)前我國土壤重金屬污染加劇趨勢(shì)，土壤重金屬的植物污染化學(xué)既面臨著重大挑戰(zhàn)，同時(shí)也迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。必須結(jié)合當(dāng)前實(shí)際，著眼國際理論研究前沿，加強(qiáng)學(xué)科之間的交叉，特別是現(xiàn)代分子生物學(xué)與信息學(xué)，充分運(yùn)用各種先進(jìn)的現(xiàn)代分析技術(shù)手段，加強(qiáng)土壤重金屬的植物污染化學(xué)的研究。參考文獻(xiàn):[1]王慎強(qiáng).我國土壤環(huán)境保護(hù)研究的回顧與展望.土壤,999,(5):255-260[2]趙永新.全國土壤污染狀況調(diào)查啟動(dòng)[N].人民日?qǐng)?bào),2006-07-19(2).[3]陳英旭,朱祖祥,何增耀,土壤中鉻的有效性與污染生態(tài)效應(yīng)田.生態(tài)生物學(xué)雜志,1995,15（1）:79-84[4]李宗利,薛澄澤.污灌土壤中鉛、鎘形態(tài)的研究閉.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),1994,13(4):152-157[5]鄭澤群,馮武煥,邊淑萍等.在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中歸宿的研究[J].環(huán)境科學(xué),1987,8(l):14-18[6]金維續(xù),王小平,郭勤等.鉻元素在土壤-植物-飼料-兔體系系統(tǒng)中的循環(huán)團(tuán).農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),1991,10(6):270-271[7]姜永清,赫小品.興平化肥廠含砷廢水對(duì)土壤的污染[J].環(huán)境科學(xué),1983,4(2):48-51[8]丁中元.重金屬在土壤-作物中分布規(guī)律研究明.環(huán)境科學(xué),1989,10(5):78-80[9]李天杰主編.土壤環(huán)境學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1995[10]尚愛安.土壤中重金屬的生物有效性研究進(jìn)展.土壤，2000,6:294-300,314[11]汪雅各.上海市土壤青菜鎘含量的監(jiān)測(cè)和控制.上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),1985,l(l):19-26[12]K.BP.N.Jinadasa.et.al.Heavymetalsintheenvironment-surveryofcadmiumlevelsinvegetablesandsoilsofGreaterSydney,Astralia.EnvironQual,1997,26:924-933[13]竇爭霞.土壤中的鉛對(duì)三種蔬菜的影響.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1987,7(30):367-370[14]A.Garateetal.CadmiumuptakeanddistributioninthreecultivarsofLactucasp.Bull.Environ.Contam.Toxicol,1993,50:509-716[15]周根娣.上海市農(nóng)畜產(chǎn)品有害物質(zhì)殘留調(diào)查.上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),1994,10(2):45-8[16]GZurera-Cosanoetal.Heavymetaluptakefromgreenhousebordersoilsforediblevegetables.JSciFoodAgric,1989,49:307-314[17]王麗鳳等.沈陽市蔬菜污染調(diào)查及防止途徑研究.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),1994,13(2):84-88[18]馮恭衍等.寶山區(qū)菜區(qū)土壤重金屬污染環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià).上海農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),1993,11(1):35-42[19]章金鴻,汪暉,陳桂珠等.重金屬Cu、Pb、Zn、Cd在深圳福田紅樹林中的遷移、積累與循環(huán).廣州環(huán)境科學(xué),2001,16(2):36-39[20]王勇軍,王伯蓀等.深圳福田紅樹林無瓣海桑與海桑群落的重金屬積累和循環(huán).環(huán)境科學(xué)，2002,23(4):81-88[21]劉秀梅，聶俊華，王慶仁，植物對(duì)污泥的響應(yīng)及根系對(duì)重金屬的活化作用.土壤與環(huán)境，2002,11(2):121-124[22]王新,吳燕玉.不同作物對(duì)重金屬復(fù)合污染物吸收特性的研究.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),1998,17(5):193-196[23]犯廖自基編著.環(huán)境中微量重金屬元素的污染危害與遷移轉(zhuǎn)化.北京:科學(xué)出版社,1986[24]張祖錫.改良城市污水農(nóng)灌的植物與土壤效應(yīng)閉。農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),1998,6(2):33-34[25]吳燕玉,王新,梁仁祿.Cd、Pb、Cu、Zn、As復(fù)合污染在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的遷移動(dòng)態(tài)研究閉.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1998,18(5):407-414[26]段佐亮.我國部分商品糧基地土壤重金屬污染的差異分布何綜合評(píng)價(jià)探討閉.環(huán)境科學(xué)研究,1993,6(3):l-6[27]董克虞,陳家梅,鄧小瑩.農(nóng)作物對(duì)鎘的吸收積累規(guī)律明.環(huán)境科學(xué),1981,2(3):6-9[28]伊藤秀文.日本土肥科學(xué)雜志明.1976,4(10):23-25[29]王新,吳燕玉.改性措施對(duì)復(fù)合污染土壤重金屬行為影響的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1995,6(4):440-444[30]王新,吳燕玉.重金屬在土壤一水稻系統(tǒng)中的行為特征田.生態(tài)學(xué)雜志,1997,16(4):10-14[31]周啟星,吳燕玉,熊先哲.重金屬Cd、Zn對(duì)水稻的復(fù)合污染何生態(tài)效應(yīng)明.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),1994,5(4):438-441[32]Zrodlowski.InfluenceofaMagnesitePlant-inRopczyceonmagnesiumandchromiumconte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