黃土高原主要土壤污染物對紫花苜蓿的影響

鄒亞麗 王廷璞 林燕飛

紫花苜蓿（Medicago sativa）是世界上最著名的優良牧草，也是我國栽培面積最大的一種牧草。紫花苜蓿不僅含有豐富的蛋白質、礦物質和維生素等重要的營養成分，并且含有動物所需的氨基酸、微量元素和未知的生長因子，是一種優質飼草，在相同的土地上，苜蓿比禾本科牧草所收獲的可消化蛋白質高2.5倍左右，礦物質高6倍左右，可消化養分高2倍左右[1]。同時苜蓿的適口性好，各種家畜、家禽均喜食。苜蓿主要的利用形式有：放牧利用、青飼、青貯、半干青貯、氨化處理(水分20%～40%)、調制干草（捆包干草）5種利用方式。干草還可以深加工，制成高質量的苜蓿干草粉、顆粒飼料及全價配合飼料等。苜蓿產草量高，與糧食作物相比，具有較強的適應性和抗御自然災害的能力，生產力穩定。韓路等指出，任何降水年型，苜蓿生長階段需水都能較好的與降水季節分配吻合[2]。如遇嚴重干旱，有些牧草停止生長，小麥減產60%～70%，山坡地絕收，而苜蓿的產草量受影響卻不大，只減產20%[3]。苜蓿再生力強，根系發達，主根入土深，側根密布，具有耐干旱、耐瘠薄、耐刈割的特性。其根系可以固氮，深根系可以充分利用深層土壤水分，同時通過根系更新積累有機質，通過生物富集不斷增加上層土壤有效營養成分；并具有蓄水保土的效果，有利于調節氣候，改善農業生態環境[4]。據甘肅天水水保站測定，同樣的山地，苜蓿作物每年流失水土量比糧食作物減少16倍[5]。

紫花苜蓿喜溫暖半濕潤到半干旱的氣候條件，年平均氣溫2～8℃，白天氣溫在20℃以上對紫花苜蓿生長極為有利，因此，紫花苜蓿主要分布于我國長江以北地區，黃土高原一帶是我國紫花苜蓿種植面積最大的地區。但是隨著油田的開發及農、工業活動的加強，大量的污染物進入土壤系統，嚴重影響了我國的可持續發展。由于土壤中重金屬復合污染物，如：銅，鋅，鎘等的影響，紫花苜蓿的生物量有下降的趨勢，減產達10%以上[6]，直接影響了我國畜牧業的發展。本文探討了黃土高原幾種主要的土壤污染物對紫花苜蓿的影響，通過對土壤污染物特點及其對紫花苜蓿的危害和防治的研究，可促進農林牧及紫花苜蓿產業的高產、優質、高效發展。

1 土壤污染物對紫花苜蓿的影響

1.1 土壤中石油污染物對紫花苜蓿的影響

黃土高原油氣藏開發產生的污染源可歸納為三類：氣態污染源、液態污染源和固態污染源。位于甘肅省慶陽市的長慶油田是國內僅次于大慶油田的第二大油田。由于生產技術和運輸條件的限制，不免有部分的石油泄露。

紫花苜蓿的根對土壤中石油等有機污染物的反應非常敏感，當土壤有機污染物的濃度較高時，根生長和葉生長受到較大的抑制。由于受到毛細管作用，石油從土壤內部遷移到土壤表面，出現“燈芯效應”(毛細作用)，該作用加快了石油揮發，增加了空氣中柴油蒸汽密度。當空氣中柴油蒸汽密度較高時，葉面-大氣間的有機分子遷移便發生了。因而土壤柴油污染物濃度高時增加了柴油從大氣進入幼苗葉片的比率，直接導致了“干枯小葉”的發生[7]。“干枯小葉”現象在污染物濃度高時易發生，污染物一方面可以通過葉片表層滲透進入葉片內部，另一方面可以通過氣孔直接進入植物組織[8]。

一些土壤石油污染物可以通過淋濾等途徑進一步污染地下水，因而引起許多國家的高度重視并設法對其進行修復[9]。就土壤而言，80%以上的落地原油被截留在50 cm以上的表層土壤中[10]，逐漸積累導致土壤結構的破壞，影響土壤通透性，并對農作物的生長和發育造成很大的負面影響[11]。土壤受到石油污染時碳氮比增加，微生物則通過提高自身繁殖和代謝速率來促進這些化學物質的分解，這需要微生物從土壤中吸收大量氮素來合成體細胞，導致微生物與植物爭奪土壤有效氮素，同時土壤顆粒吸附的石油烴干擾了營養元素從土壤顆粒進到土壤溶液[9]，兩種因素使得植物受到養分脅迫，因而生長受阻。

張松林等研究發現，紫花苜蓿種子發芽抑制率與土壤柴油污染質量分數呈現指數線性相關關系，但仍具有一定的發芽率，只是對水分的需求較高[12]。由于種子的結構具有多種物理和生化防范功能，能夠有效阻止有毒物質的進入，因而土壤污染對種子發芽的毒害作用在一定的范圍內僅表現為部分抑制，只有土壤污染嚴重時，種子發芽才會完全被抑制[13]。研究發現受高質量分數石油污染的土壤持水性不高，紫花苜蓿全生長期內總耗水量約在382.9 mm，而全生長期降水量只有305.5 mm左右，兩者相差77.4 mm[14]。由于黃土高原地區降水少，受石油污染，土壤的持水性降低，所以給紫花苜蓿的生長發育帶來了嚴重的影響。這是因為石油疏水，當有充足的水分供應時，水分子會優先吸附到土壤顆粒上，并能夠置換已被土壤吸附的化學物質；當土壤表層被水分子飽和時，在土壤-大氣中弱極性物質的密度會大大增加，多余的水分也就不再影響化學物質脫離吸附位點的趨勢。當水蒸發時，化學物質的揮發作用由于水的存在而提高；當水蒸發減少時化合物由于水分蒸發而損失的量也減少。蒸發密度由于物質被吸附于干土中而降低。吸附作用降低了化學物質的活性，減少了在水和大氣中化合物的含量，影響著化合物的蒸汽密度和揮發速率。相反，水的存在會引起化學物質的解吸，從而增加其蒸發密度。

1.2 土壤中重金屬鎘對紫花苜蓿的影響

鎘是非營養元素，對植物有明顯的毒害作用，會影響植物細胞代謝和生長發育，改變植物體的形態結構，且會隨著食物鏈危及人類和其他動物的健康。給畜禽飼喂高鎘的飼料時，可導致動物的采食量下降，生產性能降低，影響動物的繁殖性能，對細胞免疫和體液免疫有抑制作用，臨床上有貧血表現，出現缺硒、缺鋅的病變。羊發生鎘中毒的特有癥狀為貧血、腎功能紊亂和脾、淋巴、腎上腺重量增加。動物的生殖系統也是鎘作用的主要部位，鎘中毒會響胚胎的正常發育，引起畸胎、死胎，并使生后子代的生長率降低，甚至使生長停滯。鎘對哺乳動物具有較強的致畸、致癌和致突變作用[15]。

鎘被土壤中的粘土礦物和有機物的吸附或固定經根系吸收并累積時對紫花苜蓿具有很強的毒性，并影響了植物的硫代謝和抗氧化系統。高等植物吸收Cd的程度依賴于土壤中Cd的濃度和它的生物利用率，并受有機物含量、pH值、氧化還原電位、溫度及其他元素濃度等調控，其中Cd的吸收可能與運輸營養元素(Mg、K、Ca、Fe、Mn、Cu、Ni)的跨膜載體有關[16]。

研究表明，Cd對根系透根電位和根系H+分泌存在抑制作用，并能使質子泵受抑60%，而根系質子的原初分泌為細胞質膜上的ATP酶所催化，是陰陽離子透過質膜的次級運轉的動力來源[17]，Cd等重金屬還可通過影響根系對陰陽離子的吸收平衡來影響根系代謝。因此，根系的重金屬危害也是植物營養脅迫的主要原因之一。據研究，隨著Cd2+濃度的增大，紫花苜蓿種子的發芽指數和活力指數均降低。韓多紅等研究鎘對阿爾岡金和金皇后種子活力指數間有顯著負相關。隨著Cd2+濃度的增加，阿爾岡金和金皇后種子的活力指數越來越弱[18]。Cd2+進入植物體后，大多積累在根的生長部位，主要破壞細胞核內染色體和核仁[19]。所以用含有重金屬鎘的污水灌溉，將會嚴重影響紫花苜蓿的出苗，造成減產。

研究發現，低濃度的Cd離子促進根和芽的生長，高濃度的Cd離子抑制根和芽的生長，但根的生長更易受到抑制。低濃度鎘離子促進芽生長的原因目前尚不清楚，而鎘離子對根的脅迫強于芽的原因，可能同種子的結構和Cd的作用特點有關：其一，種子吸脹萌動時，胚根快速吸收伸長并最先突破種皮，這種根在Cd積累量上、在受Cd脅迫進程上大于芽，從而表現為受害更深；其二，鎘進入植物體后大多積累在根的生長部位，根細胞壁中存在大量的交換位點，能將重金屬離子固定在這些位點上，進而破壞細胞內染色體和核仁。隨著細胞內Cd含量的增加，對染色體和核仁的破壞加重[20]，這可能是抑制紫花苜蓿根伸長的主要原因。

1.3 土壤中重金屬鋅對紫花苜蓿的影響

紫花苜蓿對微量元素鋅表現為中度敏感，缺鋅或過量會影響苜蓿產量[21]。居民區土壤重金屬積累的原因包括小煤爐的產生的煙塵，城鎮垃圾不經妥善處理而肆意排放以及紡織工業的存在。城鎮廢舊電池隨意扔棄，可導致鋅以輻射狀、漏斗狀向四周土噬水體擴散，嚴重污染農田。過量的鋅可致動物的胸腺、骨髓、及脾臟的T、B淋巴細胞DNA、RNA和蛋白質下降，降低細胞的增殖力，使外周血粒細胞、腹腔巨噬細胞吞噬殺菌力下降[22]。過量鋅可致鐵、銅繼發性缺乏，造成動物貧血和生長緩慢。

我國土壤環境質量主要是依據單一重金屬污染土壤確立的，其中二級標準是保障農業生產，維護人體健康的土壤限制值；三級標準是保障農林生產和植物正常生長的土壤臨界值。因此在單一重金屬鋅污染條件下，只有達到三級標準以上的濃度才有可能使農作物減產[23]。經研究試驗表明，在復合污染的條件下，潮土重金屬銅、鋅和鎘的投加濃度同處在二級標準時，紫花苜蓿的生物量與對照相比非但沒有減少反而有一定程度的增加。盡管在復合條件下，重金屬之間有交互作用，但仍能促進紫花苜蓿的生長。

當土壤中重金屬濃度達到三級標準時，紫花苜蓿的生物量有下降的趨勢，減產達到10%以上，且與對照相比達到5%差異顯著水平[6]。在復合污染條件下，紫花苜蓿地上部分的鋅含量也隨著土壤中鋅含量的增加而增大，紫花苜蓿體內的鋅含量最高為305 mg/kg，符合正常植株體內的含量。紫花苜蓿的根系中重金屬的含量大于地上部分的含量，主要是由于重金屬鋅是由根系進入牧草體內的，因而首先在根系中積累。植物激素也參與植物對重金屬污染的反應。Zn能使吲哚乙酸合成受到抑制，刺激吲哚乙酸氧化酶的活性，加速吲哚乙酸的分解，從而使生長素含量急劇下降[24]。細胞內積累的重金屬可以通過各種方式影響植物本身的生理生化活動，干擾細胞的正常代謝，對植物產生直接的傷害作用，因此是十分復雜的過程，其中何為關鍵因素，尚不清楚，需要進一步研究。

1.4 土壤中重金屬鉛對紫花苜蓿的影響

目前，城市中鉛污染情況日益加重，其主要污染源是汽車尾氣[25]。由于鉛污染物密度大于空氣密度，故它主要積聚在地面1 m左右高度的交通干線兩側100 m范圍內，且離公路越近，土壤鉛質量含量越高，不能種植蔬菜、糧食等作物[26]。鉛對動物各種組織均有危害，當動物慢性鉛中毒時，主要表現為食欲不振、嘔吐、漸瘦、神經麻痹及昏迷，急性鉛中毒時，表現為腹痛、腹瀉、嘔吐、少尿及昏迷。

白彥真等[27]研究發現，不同鉛濃度對紫花苜蓿體內營養元素N、P、K含量的影響不同，高濃度的鉛水平明顯比低濃度的鉛水平對紫花苜蓿體內N含量影響要大，高濃度時，鉛對紫花苜蓿吸收氮有促進作用。鉛濃度的高低對磷的吸收變化都不大，基本保持一個穩定的水平，土壤鉛濃度對紫花苜蓿吸收K的影響也不顯著。研究表明，在含鉛的土壤中，鉛含量的增加對紫花苜蓿吸收鉛有促進作用。Pb在紫花苜蓿幼苗中積累量(M)特點為:M根＞M莖＞M葉，Pb在紫花苜蓿體內主要以難溶的形式存在，另外BSO能夠加劇Pb污染對紫花苜蓿幼苗Pn（凈光合速率）和生長的抑制作用，顯示了紫花苜蓿對Pb的耐受與植物絡和素的形成有關，表明紫花苜蓿對Pb具有一定的耐受機制[28]。但由于在高鉛濃度下，紫花苜蓿的的葉綠素含量顯著下降，說明高濃度的鉛已導致其光合作用受阻，代謝紊亂，因此在高鉛污染的土壤中不適合用紫花苜蓿修復。

2 防治及應對措施

目前，我國共有苜蓿草地188萬公頃，按中等生產水平8～10 t/hm2計，每年產量可達1460～1830萬噸，即可替代或節約糧食1200～1500萬噸[29]。苜蓿產業是解決飼料蛋白質短缺、增畜節糧、發展畜牧業的重要途徑。從產量來看，畝產1000 kg干草的苜蓿人工草地其蛋白質產量是大豆同等面積產量 (畝產85.03 kg)的5.9倍，具有明顯的優勢[30]。在能量品質方面，新鮮苜蓿標準代謝能(SME)含量為9.96 MJ/kg，苜蓿干草為8.49 MJ/kg，脫水苜蓿為9.37 MJ/kg，分別為玉米籽粒SME含量的74.14%、63.24%、69.78%。在實現未來人均動物產品量增加的過程中，苜蓿作為補充蛋白質飼料將成為獲利最高、最有前途的飼料生產產業之一，所以苜蓿生產對經濟的發展具有不可低估的重要作用。但是在國內紫花苜蓿種植面積最大的地區黃土高原一帶，隨著油田的開發及農、工業活動的加強，四種主要的土壤污染物（石油、鎘、鋅、鉛）進入了土壤系統，抑制紫花苜蓿根的生長及種子發芽，通過生理生化反應，改變了紫花苜蓿的細胞代謝和生長發育以及形態結構，嚴重影響了紫花苜蓿的生長，降低了紫花苜蓿的產量和品質，嚴重阻礙了我國畜牧業的發展和人民經濟的發展。為控制污染紫花苜蓿，避免飼喂動物中毒，我們應采取以下應對措施：①要建立土壤污染和飼草污染的快速監測體系，開展日常監測工作，明確監測項目,對早期發現的突發事件隱患及時進行預防控制；②清除污染源，開展流域水環境和區域土壤及大氣環境污染的綜合治理；③嚴格依照環境保護的有關法律法規，從區域生態系統的高層次上研究解決經濟發展與生態環境不相適應這一現實矛盾，決不能走“先污染，后治理”的老路；④在紫花苜蓿的生產栽培過程中，應盡量避免在污染區種植，從而生產高效、高產、優質的紫花苜蓿產品。

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