蘆葦對砷的吸收運轉及對砷污染土壤的修復效果

楊金紅　鄭玉彬　劉芳

摘要：通過盆栽模擬試驗，設置6個土壤砷濃度，以蘆葦為砷污染土壤修復材料，對其在砷污染土壤環境中的吸收、轉運規律及去除效果進行了研究。結果表明，不同砷濃度脅迫90 d，蘆葦地上地下部分鮮質量、干質量隨土壤砷濃度逐漸加大呈現先增加再逐漸減少的趨勢，50 mg/kg砷濃度時，蘆葦的地下鮮質量、地上干質量及地下干質量在各濃度砷脅迫中達到最大值，分別為19.85、8.76、7.72 g；蘆葦地上莖、地下莖、葉及根的砷含量均隨著外源砷濃度的增大而增大，蘆葦各部位對砷的累積能力表現為根>葉>地上莖>地下莖；蘆葦根際土中的砷含量小于非根際土的砷含量，根際土和非根際土中的砷含量均小于未栽種蘆葦的對照土。蘆葦具有吸收、累積土壤砷的作用，可用于砷污染土壤的植物修復材料。

關鍵詞：砷；吸收；轉運；蘆葦；土壤修復

中圖分類號： X53 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0299-03

收稿日期：2017-02-22

基金項目：新疆高校科研計劃重點項目（編號：XJEDU2014I068）。

作者簡介：楊金紅（1975—），女，新疆昌吉人，碩士，副教授，主要從事生態學教學及研究。E-mail：3222651@163.com。 砷是廣泛分布于自然界的非金屬元素，也是土壤中固有的、普遍存在的一種微量元素，在食品安全方面，砷被認為是一種有毒有害元素。由于砷的土壤環境容量相當有限，及其在土壤中的主要表現是殘留和累積，因此當含砷污染物由各種途徑進入土壤后，較易造成土壤砷污染。過量的砷會阻礙植物的正常生長發育或使砷在可食部分積累，通過食物鏈進入人體，引起人體的慢性中毒，直接危害人體和畜禽的健康[1]。目前國內外不斷報道新出現的砷污染區，新疆奎屯地區是我國大陸首次發現的地方性砷中毒病區，受害居民10萬人[2-3]。目前，傳統的物理修復和化學修復技術已取得一定成效，并形成了部分成熟的工藝流程。對于砷污染土壤的修復主要采用固定技術，而對水體則主要采用膜分離、離子交換、凝聚沉淀等方法去除砷，這些方法工程量大、投資費用高，同時還會導致二次污染[4-5]。

生物修復是利用生物的生命代謝活動富集、分解或清除生長介質中的污物。近年來，生物修復技術因其環境友好性和低投入等優點得到迅速發展，關于微生物修復砷污染土壤的研究較多，多數研究還主要集中在室內研究階段，將室內分離與培養的微生物應用于生產實踐依然存在較大的挑戰[6]。植物修復（phytoremediation）是近年發展起來的一項基于植物穩定、揮發、提取等功能來清除環境中有毒有害污染物的技術。具有治理效果持久、治理成本低廉、治理過程對土壤環境的干擾小的優點，且后期處理簡單易操作，植物修復技術具有很好的經濟、生態效益，并且被人們認為是一種新興高效、綠色廉價的生物修復途徑，利用植物修復砷污染土壤是目前砷污染土壤治理的熱點[7]。

蘆葦（Phragmites communis Trin），禾本科蘆葦屬，多年生根莖性禾草，蘆葦對土壤的pH值適應范圍較廣，在pH值 6.5～9.0的范圍內均能正常生長，且對鹽堿土的耐受力強，生長迅速，生物量大，適應范圍廣[8]。近年發現蘆葦具有富集重金屬元素的功能，蘇芳莉等發現蘆葦灌溉20%濃度的造紙廢水，對Pb的去除率最高[9]。路暢等發現蘆葦對Pb和Zn具有較好的富集能力。在重金屬污染嚴重的鉛鋅礦大面積種植蘆葦可以在一定程度上對土壤進行生態恢復[10]。鄭冬梅等研究發現，蘆葦等4種植物對砷的吸收、富集效果較好，向地上部轉移As、Hg的能力較強[11]。蘆葦除了對單一重金屬表現出較好的耐性和吸收能力外，研究表明在多種重金屬混合污染的區域，蘆葦也表現出良好的抗性及吸收功能[12]，在重金屬污染區域的生態修復中有著較好的應用前景。

利用蘆葦修復砷污染的土壤，推動砷污染土壤的植物修復，具有較強的理論價值和實踐價值。蘆葦在新疆分布廣泛，生物量大且耐砷能力強[13-14]，目前對于蘆葦的含砷土壤修復缺乏足夠的認識，本研究以蘆葦為材料，添加外源砷，在實驗室條件下測定所選植物的各項指標，對蘆葦植物體中的砷吸收轉運情況及土壤中砷的轉運情況進行分析，以期為植物修復土壤中的重金屬污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

盆栽土壤取自新疆應用職業技術學院生物園地，在室溫下風干，去除雜物，過2 mm尼龍篩，備用。土壤類型為鹽化潮土，砷含量為21.35 mg/kg，全氮含量為0.56 g/kg，全磷含量為0.68 g/kg，全鉀含量為19 g/kg，有機質含量 10.5 g/kg，pH值8.3。

供試植物為新疆奎屯墾區123團四連自流井邊挖取的蘆葦，將大塊植株分成長勢和大小基本一致的帶根的植物體，剪除地上部分，然后將這些帶根的植物體分別栽種在口徑為 18 cm 的小盆缽（裝有機土1 kg）中，每盆4株，保持盆土濕潤，25 ℃生長箱內光照16 h/d條件下育苗1周。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2016年4—8月在新疆應用職業技術學院生物園地溫室內進行，砷以As2O3的形式加入，共設6個處理，砷含量分別為0、25、50、75、100、200 mg/kg，每個處理設置3次重復。將As2O3分別按每個處理配成200 mL的溶液裝入小噴壺，均勻噴灑在土壤中，將添加外源砷的土壤裝入18 cm口徑的塑料盆中，選取長勢一致的蘆葦苗移栽至裝好土的塑料盆中，每個處理栽種3株蘆葦幼苗，蘆葦生長90 d采集收獲，測定各項指標，對照為各濃度梯度不栽種的蘆葦盆裝土壤。

1.3 測定方法

將培養90 d的蘆葦植株從盆中移除，用自來水洗凈，并用吸水紙吸干水分后，分離蘆葦的地上部分和地下部分，分別稱取地下部分、地上部分（莖葉）的鮮質量，把地下部分和地上部分分別放入烘箱，105 ℃殺青30 min，70 ℃條件下烘干，稱量各部分干質量。endprint

蘆葦收獲時，利用抖土法，抖下的部分為非根際土，其余部分為根際土。收獲的土樣自然風干，用木棍碾碎再用研缽研磨，過100目篩。

蘆葦地上莖、地下莖、葉、根及各部分土壤樣品的砷含量送至譜尼測試集團北京實驗室檢測。

1.4 數據處理

利用Excel和spss 19.0統計軟件對數據進行差異顯著性檢驗及作圖分析。

2 結果與分析

2.1 砷對蘆葦生物量的影響

蘆葦地上、地下部分的鮮質量隨土壤砷濃度逐漸升高呈現先增加再逐漸減少的趨勢（圖1）。不同砷濃度脅迫下蘆葦的地上和地下部分鮮質量變化也各不相同。25 mg/kg處理時，其地上部分鮮質量為25.60 g，比對照的地上鮮質量的質量增加了1.55 g。當土壤砷濃度從50 mg/kg梯度依次升高時，蘆葦地上部分鮮質量呈現下降的趨勢，蘆葦的地下鮮質量在50 mg/kg處理時最大，為19.85 g。砷濃度按0、25、50 mg/kg 梯度依次升高時，蘆葦地下部分鮮質量呈現增加的趨勢。砷濃度從75 mg/kg梯度依次升高時，蘆葦地下部分鮮質量呈現緩慢下降的趨勢。

蘆葦地上、地下部分的干質量隨土壤砷濃度逐漸升高呈現先增加再逐漸減少的趨勢；在50 mg/kg砷濃度時，蘆葦地上、地下部分干質量在各濃度砷脅迫蘆葦中達到最大，分別為8.76 g和7.72 g，砷濃度按0、25、50 mg/kg梯度依次升高時，蘆葦地上、地下部分干質量呈現增加的趨勢。砷濃度從 75 mg/kg 梯度依次升高時，蘆葦地上、地下部分干質量呈現下降的趨勢。分析可以看出，土壤低濃度砷有促進蘆葦生長、積累生物量的作用，土壤砷濃度從50 mg/kg梯度升高時，蘆葦的地上、地下干質量及鮮質量呈現下降的趨勢，說明砷濃度增高抑制蘆葦的生物量積累。

2.2 蘆葦對砷的吸收與分配

經不同砷濃度脅迫90 d后，蘆葦地上莖、地下莖、葉及根的砷含量均隨著外源添加砷濃度的升高而升高（圖2）。不同濃度砷處理下，蘆葦地上葉、莖的砷含量與對照都有顯著差異（P<0.05）；當土壤砷含量大于50 mg/kg時，蘆葦地下莖的砷含量隨土壤砷濃度升高而顯著增加（P<0.05）；蘆葦根的砷含量隨土壤砷濃度升高而增加，處理間存在顯著差異（P<0.05）。試驗結果表明，外部砷濃度越高，蘆葦各部砷的累積量也越高，外部砷含量的增加會促進蘆葦各部分對砷的吸收。

隨土壤砷濃度依次升高，不同砷濃度脅迫90 d后蘆葦各部位砷累積量在蘆葦各部位的累積比例總體相似（圖3）。蘆葦各部位對砷的累積能力表現為根>葉>地上莖>地下莖，根是蘆葦砷的主要儲存部位，其次是葉，各濃度梯度的蘆葦地上莖與地下莖砷含量較為接近，相差不大。

2.3 蘆葦對土壤砷的吸收

盆土砷的本底值為21.35 mg/kg，各個濃度梯度下蘆葦培養90 d后，根際土和非根際土中的全砷含量如表1所示。由表1可見，土壤中砷含量均隨著外源添加砷濃度的升高而增大，根際土中的砷含量小于非根際土的砷含量，根際土和非根際土中的含量均小于對照中的含量。

經過90 d種植蘆葦修復后，土壤中砷的去除效率如表2所示。經90 d蘆葦修復，各濃度梯度根際及非根際土壤中的砷含量均小于對照土中的砷含量，說明蘆葦具有土壤砷污染

修復的能力。根際土和非根際土中砷含量的變化趨勢相同，土壤中外源添加砷的量越多，砷的去除效率越低。對照根際土中砷的去除效率為7.73%；外源添加砷為25、50、75、100、200 mg/梯度濃度時，其去除效率分別為6.73%、6.38%、4.84%、4.67%、4.46%。對照非根際土中砷的去除效率為4.92%，梯度濃度添加外源砷，其去除效率也呈逐漸下降趨勢。

3 討論

一般認為，在應用植物修復重金屬污染土壤過程中，超積累植物是非常優良的材料[15]，但在實際應用中，大部分超積累植物植株矮小、生物量低、生長緩慢，且部分超積累植物對生物氣候條件要求較嚴格、區域性分布較強等缺點使其應用于修復受到較大限制。地上部可觀的生物量能夠補償其較低的地上部重金屬含量，用于植物修復技術的植物種類也可以是大生物量、富集重金屬能力強、耐受力強的修復植物[16]。羅艷麗等在新疆奎屯墾區發現蘆葦對砷具有較強的耐性[17]。陳歆對鎮江長江內江的北固山濕地進行人工修復研究，發現蘆葦相比較其他植物長勢快、生物量高，當年栽植當年見效，在濕地生態系統人工修復中可作為優選工具植物之一[18]。本試驗中蘆葦具有較強的耐砷能力，100、200 mg/kg處理的蘆葦地上、地下干鮮質量雖然與對照相比較均有一定程度的降低，但差異并不顯著，仍然能較快生長，生物量較大，具有修復當地砷污染土壤的潛能。

有研究表明，添加砷濃度<20 mg/kg時，油菜發芽率、根長、株高及各部位干質量的變化均表明砷促進油菜的生長，添加砷濃度>40 mg/kg時，根長、株高變化均表明油菜生長受到嚴重抑制[19]。王勇報道，土壤中低濃度的砷對三七生長具有一定的促進作用，土壤中添加30 mg/kg的砷，可以提高三七的成活率，高濃度砷對三七生長具有抑制作用，土壤中砷添加量為70、150 mg/kg的處理，三七成活率、生物量降低，生長狀況相對較差[20]。也有研究表明，隨著土壤砷濃度的升高植物的生長及生物量呈下降趨勢，趙丹博等采用室內盆栽試驗，研究鎘、砷復合污染對4個品種的苧麻生長及吸收積累的影響，Cd5+As0、Cd5+As50、Cd5+As100等3個處理下，隨著砷濃度升高，苧麻株高、莖粗、根干質量、莖干質量及葉干質量均呈下降趨勢[21]。本研究中不同砷濃度脅迫條件下，蘆葦地上、地下部分鮮質量、干質量隨土壤砷濃度逐漸升高呈現先增加再逐漸減少的趨勢，50 mg/kg砷濃度時，蘆葦的地下鮮質量、蘆葦地上干質量及地下干質量達到最大值，分別為1985、8.76、7.72 g。endprint

多數研究結果表明，在植物正常生長條件下，隨著外源砷濃度的升高植物體內的砷含量增高。鄒小麗等在0、10、30、50 mg/kg砷濃度脅迫160 d后，4種柳樹根和地上部中的砷含量均隨著外源添加砷濃度的升高而升高，柳樹地上、地下部的砷含量與對照都有顯著差異性[22]。常思敏等報道土壤中施砷可增加烤煙對砷的吸收，提高其富集系數，導致地上部、地下部中砷的積累，且隨著土壤中施砷量的增加而提高[23]。本研究結果與此相似，蘆葦地上莖、地下莖、葉及根的砷含量均隨著外源砷濃度的升高而升高。

一般認為在重金屬脅迫下，進入植物體內的絕大部分重金屬被截留至根部，從而減輕了對地上器官的毒害作用，使得植物對重金屬表現出耐性。同一植物的不同部位對重金屬的吸收和轉運存在較大的差異，大多數植物吸收的重金屬主要積累在根系，而在地上部分的含量較低。本研究中蘆葦各部位對砷的累積能力表現為根>葉>地上莖>地下莖，根是蘆葦砷的主要儲存部位，其次是葉。董志成等發現蘆葦體內Zn、Cu、Cd質量分數及分配百分比表現為根>葉>莖，且根組織中Zn、Cu、Cd的質量分數及分配百分比遠遠高于其他組織（莖、葉），而葉組織中略高于莖組織，蘆葦體內Pb和Cr質量分數及分配百分比表現為根>莖>葉[24]。

種植植物的盆栽土壤砷含量下降原因可能一是植物對砷的吸收，二是砷的揮發。各個濃度梯度下經蘆葦培養90 d后，土壤中外源添加砷的量越多，砷的去除效率越低。對照對根際土中砷的去除效率為7.73%，外源添加砷為25、50、75、100、200 mg/kg梯度濃度時，其去除效率分別為6.73%、6.38%、4.84%、4.67%、4.46%。對照非根際土中砷的去除效率為4.92%，梯度濃度添加外源砷，其去除效率也呈逐漸下降趨勢。經90 d蘆葦修復，各濃度梯度根際及非根際土壤中的砷含量均小于對照土中的砷含量。

蘆葦生長快、生物量大，適應范圍較廣，是固定或修復環境污染較適宜的植物之一。蘆葦用于治理環境污染的研究已見報道，本研究發現蘆葦可用于修復土壤As污染，由于本試驗是在室內盆栽條件下進行，其得到的結論與大規模試驗有一定的差距，存在一些固有的局限性，具體吸收積累特征和應用于實際修復還需在大田試驗驗證。蘆葦對砷污染土壤的耐受力強，但對砷的積累富集能力較低，采用耐砷菌與蘆葦聯合修復和采取農藝強化措施大幅度提高蘆葦植株的生物量，從而最大程度增加蘆葦對砷的吸收富集，提高修復砷污染土壤效率是進一步深入研究的重點。

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