浅谈植物对土壤中重金属吸附.docx

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浅谈植物对土壤中重金属吸附

浅谈植物对土壤中重金属的吸附

摘要：

针对中国土壤中重金属污染加剧的趋势，为提高人们对土壤重金属污染的认识，和人们对土壤中重金属污染的重视，特简要介绍相关情况。

本文从土壤重金属污染现状概况、植物对土壤重金属的吸收、影响植物吸收土壤中重金属的因素三个方面介绍。

并对植物修复土壤中重金属污染的理论提出展望。

关键词土壤；重金属；植物；吸收

IntroductiontoPlantfortheAdsorptionofHeavyMetalsinSoil

Abstract：

Withthesoilpollutionofheavymetalsgettingworseandworse,Inordertoimprovepeople'sknowledgeonthesoilheavymetalpollution,andtheimportanceofheavymetalpollutioninsoil,sointroducesomethingaboutheanymetalpollution.Thisstudiesaboutsoilheavymetalpollutionstatus、theabsorptionofheavymetalsfromsoil、thefactorsaffectingplantabsorptionofheavymetalsinsoil.Theprospectofthetheoryofphytoremediationofheavymetalpollutioninsoilisalsoproposed.

Keywords:

soil;heavymetal;plant;absorption

引言

土壤是环境要素的重要组成部分，它不仅是农业生产的基础，而且还是人类环境的重要组成部分。

它处于自然环境的中心位置，承担着环境中大约90%的来自各方面的污染物。

然而，局部地球化学作用或者人为活动的强烈作用，尤其是近年来由于城市和工业的迅速发展，工业废弃物、城市固体废弃物、农业灌溉水污染、肥料和农药的施用，和城市污水处理厂污泥及大气污染的沉降，污染已从城市向周围蔓延。

土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中的重金属含量过高，并造成生态环境恶化的现象，土壤中的一些重金属元素在低浓度时，对植物而言是必须元素，但有些重金属元素在过量时就会对植物物产生毒害作用，如锌、铜、铬、镍、镉、汞、砷、铅等。

在我国，土壤重金属污染主要来自采矿、冶炼、电镀、化工、电子、制革、染料等工业生产的三废以及污灌、农药、化肥的不合理施用等。

重金属在土壤中积累到一定限度就会对土壤一植物系统产生毒害，并可能通过接触食物链直接或间接地对人体健康产生严重危害。

1土壤中重金属污染概况

1.1土壤重金属污染现状

近几十年来，随着工业、城市污染的加剧和农用化学品使用的增加，土壤污染日趋严重，成为我国突出的环境问题之一。

因为重金属具有污染物的多元性、隐蔽性、一定程度上的长距离传输性和污染后果的严重性[1]，因此土壤-植物系统污染研究的主要污染物是重金属。

土壤重金属污染，改变土壤化学组成，直接或间接地破坏土壤的生态结构，通过土壤-植物系统迁移累积，进而影响农产品安全乃至人体健康。

据不完全调查，目前全国受污染的耕地约有0.1亿hm2，污水灌溉污染耕地约216.7万hm2，固体废弃物堆存占地和毁田约13.3万hm2，合计约占耕地总面积的1/10以上。

据估算，全国每年因重金属污染的粮食达1200万t，造成的直接经济损失超过200亿元，并对人体健康形成危害[2]。

1.2土壤中重金属污染形态

植物从土壤中吸收的重金属量与土壤中的重金属总量有一定关系，但土壤中的重金属总量并不是植物吸收程度的一个可靠指标［3］。

研究表明，石灰性污灌土壤0-20cm土层中，Pb、Cd主要以碳酸盐结合态和硫化物残渣态存在，其次是有机结合态，交换态和吸附态较少；Pb的吸附态大于交换态；而Cd则相反［4］。

影响Pb、Cd形态分布的主要因素有pH值、有机质含量、腐殖酸组成和碳酸钙含量等。

在某地污灌区土壤分析中，用污染区与对照区比较表明，长期污灌的土壤中铬的平均含量为82.0mg/kg，最高检出值为96.8mg/kg，而对照区耕层土，壤铬的平均含量为74.4mg/kg，经检验，污染区与非污灌区的土壤铬含量差异显著，说明土层已遭受污灌污染［5］。

20-40cm土层中铬的含量虽有累积，但差异并不显著，而下层土壤则无明显累积。

这是因为土壤有机质对Cr（Ⅵ）的还原作用很明显，随灌溉水进入土壤的Cr（Ⅵ）可被有机质迅速还原为Cr（Ⅲ［6］，而粘土矿物对Cr（Ⅲ）有强烈的吸附和固定作用，在土壤中不易移动，也较难被植物吸收，这是铬只在表层和耕作层中累积的主要原因。

而对于汞来说，它的有效形态主要与土壤的硫、氯化物及有机肥料含量有关。

在砷污染的土壤中，主要以水溶性砷和钙砷为主，铝砷和铁砷最低［7］。

E.A.Woofson等指出，大多数土壤以铁砷为主，若活性铁含量低而钙、铝含量高时，则以钙砷或铝砷为主。

1.3重金属污染物在土壤中的分布

土壤中的重金属污染物由于无机及有机胶体对阳离子的吸附、代换或络合、生物作用的结果，大部分被固定在耕作层中，一般很少迁移至46cm以下的土层，但砷在土壤中的动态行为与铜、铅、镉等有所不同，在含有大量铁、铝组分的酸性（PH5.3-6.8）红壤中，砷酸根可与之生成难溶盐类而富集于30-40cm耕作层中。

还有研究表明，金属污染物主要累积在土壤耕作层，而且其可给态含量较高，分别占全量的60.1%，30%，38%和2.2%［8］。

灌溉污水中的汞呈溶解态和络合态，迸入土壤后95%被土壤矿质胶体和有机质迅速吸附或固定。

它一般累积在土壤表层，在剖面上分布自上而下递减［9］。

2植物对土壤重金属的吸收和积累

生长在被重金属污染的土壤中的植物，其体内必然会发生重金属累积。

维诺格拉多夫指出，植物累积化学元素的情况至少可以分为两种类型:

（l）由于某区环境中元素含量高，该区全部有机体中该化学元素的含量均高；

（2）某种有机体（经常是某一个属）能特别聚集某种化学元素。

即在同一土壤上有的植物能选择吸收累积这些元素，有的植物能选择吸收那些元素。

如所有生长在含铜土壤中的植物，含铜量都显著增高。

同是生长在酸性土壤条件下的植物，石松科植物和野牡丹科植物等富积大量的铝，有的含量高达1%以上（占干物质），而酸性土壤中的其它植物含量只有0.05%左右。

植物吸收重金属并将其转移和累积到地上部，要经过一系列的生理生化过程，如根际土壤金属离子的活化，金属离子的跨膜转运，通过木质部、韧皮部向地上部的长途运输，重金属离子在细胞内的分配和区室化等。

现代分子生物学与生物技术的发展，使人们从分子水平上阐明植物对金属离子的吸收、累积和解毒机制成为可能。

同时，以富集和超富集植物为主体的生态修复技术在土壤重金属污染治理中发挥着重要作用。

2.1不同种类的植物对重金属的吸收效应

同一种类的植物对不同的重金属元素的吸收富集能力不同，不同种类的植物对同一种重金属元素的吸收富集能力也不同［10-14］。

周根娣等人［15］对上海市农畜产品的调查结果表明，叶类蔬菜较其他类别的蔬菜污染严重。

GZurera-cosano等人［16］研究发现蔬菜品种中间重金属含量呈极显著差异（P<0.01）。

王丽凤等人［17］调查结果表明，沈阳市蔬菜中重金属含量大小顺序为:

叶类菜＞根茎菜＞瓜果类，与冯恭衍等人［18］的研究结果相一致。

章金鸿等人［19］对深圳福田树林中三种植物的研究表明不同种类植物对土壤中Cu、Pb、Zn、Cd四种元素的富集能力的大小依次为桐花树秋＞茄＞白骨树。

王勇军等人［20］对深圳福田树林中的另外三种植物的研究表明它们对土壤中5种重金属元素富集能力的大小依次为海桑＞无瓣海桑＞秋茄。

刘秀梅等人[21]在温室盆栽条件下对生长于污泥中的几种耐铜性植物体内重金属的含量做了研究，结果表明5种植物对Cu的吸收顺序是:

遏蓝菜＞羽叶鬼针草＞酸模＞紫首稽＞印度芥茉。

王新等人[22]利用田间小区实验的方法，研究了玉米、水稻、大豆、小麦不同作物对重金属的吸收及重金属在作物体内迁移、积累、分配的规律。

研究表明作物种类不同，对重金属吸收、积累的特性也不都是一样的，水稻根系吸收重金属的量较多，占整个作物体吸收量的58%-99%；玉米茎叶吸收重金属的量比其它作物多，占整个作物体吸收量的20%-48%；小麦、大豆籽实吸收重金属的量较多，尤其是Cu、Zn二元素，其吸收占整个作物体吸收的13.8%-68.72%；玉米籽实吸收的量最少，尤其是As元素，仅占0.91%-3.18%。

重金属在作物体内的分配规律为根＞茎叶＞籽实。

重金属由土壤迁移到作物体内并由作物带走输出的量极少，少于1%，而仍有90%残留于土壤中。

2.2植物的不同部位及不同生长期对重金属的吸收效应不同

有关重金属在植物各器官的分布，国内外进行了大量的研究。

植物体的不同部位，对重金属元素积累的状况不一样，通常是植物的地下部分大大地高于地上部分［23］。

如水稻根与地上部分中的铜、汞、砷等相差约巧一20倍，茎叶与糙米比较相差几倍到几十倍，植物茎的灰分中镉含量大约比叶的灰分中的含量高2倍［24］。

阜康站资料显示，根部污染物占总吸收量比例随作物而异，水稻为55%-61%，小麦为50%-53%，大豆为28%-29%。

沈阳及鹰潭站水稻根部积累的Pb、As可达土壤含量的89%-97%［25］，Cu居中，占80%左右，Cd、Zn在根部所占比例较小，仅占土壤含量的30%-20%。

镉和锌在小麦、玉米、水稻各器官的残留累积量中以根最高，茎叶居中，籽粒中的含量远远低于根系中的含量［26-31］。

根对Cd和Zn的吸收量分别占总吸收量的70%-80%，58%-68%，籽实分别占1%-10%，9%-25%。

水稻和小麦各器官对铅和砷吸收富集的特点与锅相似：

根>茎叶>籽粒。

资料表明，根对Pb、AS的吸收量分别占总吸收量的98%和88%-98%，籽实占0.01%-0.3%，0.02%-0.3%［32-34］。

但水田作物吸收累积的砷的含量比旱地作物（花生）高。

小麦各器官对汞的吸收也呈现根>茎叶>籽粒的规律，其比率为30:

3:

1［35］。

Cu元素的富集情况与Zn相似，它的迁移能力居中。

在同等污染物浓度下，作物种类不同，其所吸收重金属量也有差异。

小麦、大豆易吸收土壤中的重金属，并向地上部迁移，籽实中重金属含量明显比其它作物体内的含量多。

而玉米茎叶吸收重金属的能力较强，向作物籽实的迁移能力较弱。

水稻吸收重金属大部分累积在根部。

作物吸收重金属所表现出的差异主要是由于不同作物其生理特性及遗传差异所致［36］。

如锅在西红柿、茄子等的根和茎叶中的累积量不尽相同，不同器官差异较小，但仍表现为果实部分累积量较低的规律。

而白菜等叶菜类，叶中的含量低于根中含量。

如菠菜的茎叶与根中的Cd含量之比为1:

171［37］；萝卜等根菜类，其块根含Cd低于叶子，如用100mg/kgCd溶液处理小白菜时，根中为58.70mg/kg，叶中为52.33mg/kg；而用此溶液处理萝卜时，根中为24.03mg/kg，叶中为29.84mg/kg［38-41］。

还有研究表明，污灌区与清洁区黄瓜中的Cd含量基本相同，萝卜对Cd的富集能力较弱，而白菜对Cd的富集能力较强。

总体表现为:

黄瓜与西红柿:

叶>茎>根>果，白菜:

根>地上部，萝卜:

地上部>根［42］。

在植物的不同生长期内，植物及其各部分对重金属的吸收效应也是不同的。

莫争等人［43］研究外源可溶性重金属进入土壤环境后在水稻植株不同部位的分布及其含量随时间的变化，表明在水稻生长季节，重金属在水稻不同部位的累积分布依次是Cd、Cr>Zn、Cu>Pb。

重金属在水稻植株不同部位的积累分布是:

根部>根基茎>主茎>穗>籽实>叶部。

水稻分粟期重金属在根部、茎部和叶片的积累量达到最大，随时间的延长，在根部积累的重金属越来越少；在茎部积累的重金属在拔节期降至最小，随后含量又稍微上升，叶片上的重金属含量在拔节期迅速下降，随后趋于稳定。

杨志强等人[44]在研究“无公害”西瓜中重金属的残留中表明重金属的残留量迁移规律为:

根>茎、叶>皮、瓤。

韩爱民等人[45]根据“淮安市绿色食品基地调查以及相关研究”课题资料，分析了水稻中重金属含量与土壤质量的关系，结果表明，重金属含量在水稻中的分布是:

根>茎叶>籽粒；在糙米中检出的重金属铜和铬的含量与土壤中铜和铬的含量显著相关，铅、锌、锰的含量与土壤中铅、锌、锰的含量相关关系不显著。

2.3植物体内重金属的分布及其结合形态

重金属在植物体内的分布总是尽可能避免损伤功能相对重要的组织、细胞和细胞器，而表现出选择性的分配。

在组织水平上，重金属主要分布在表皮细胞、亚表皮细胞和表皮毛状体中；在细胞水平，重金属主要分布在质外体和液泡。

这种选择性分配也因植物种类和重金属类型的不同表现出一定的差异。

在耐性植物海州香薷细胞中，铜除主要分布于细胞壁内侧、液泡和导管内外，在细胞质和淀粉粒中也有分布[46]，而锰在锰超累积植物商陆中可能主要以草酸锰的形式累积在叶细胞的液泡中[47]。

组织水平上，海州香薷根中铜主要分布于根的表皮细胞，茎中铜主要富集在维管组织中，叶中铜在叶柄维管组织中含量最高。

锰在商陆根、茎和叶柄中的分布最多的组织是维管束柱。

胞内累积金属离子的结合形态也复杂多样。

如镉在植物体内一般与植物螯合肽或有机酸小分子结合[48]；镍常与有机化合物的络合，以Ni2+-柠檬酸结合形成Ni（H2O）62+为最多[49]。

商陆中随着锰处理浓度提高，商陆根中锰由水提取态向稀酸提取态转化，茎中的水提取态锰比例增加，叶中的锰可能主要与草酸结合以草酸锰的结合形态存在于液泡中[50]。

近年来，随着同步辐射技术的发展，XAFS已经应用于研究植物体内金属离子的配位环境及分子形态研究。

利用XANES分析发现，海州香薷根、茎、叶铜的价态和配位结构类似于Cu-His中铜的形态[51]。

在鸭跖草中，从根到茎到叶铜的配位结构可能会发生从Cu-O向Cu-S键的转化，说明Cu2+被植物吸收后，在鸭跖草体内发生还原现象。

POLETTE等[52]利用XAFS也在杂酚油植物矮橡树根、茎、叶中发现较强的Cu-S键，并且与典型植物螯合肽中的Cu-S键相似，说明植物螯合肽的生成可能是这种植物抵御铜毒及其迁移的主要机制之一。

3影响植物吸收土壤中重金属的因素

3.1重金属的种类也影响植物对重金属的吸收效应

植物对不同种类的重金属吸收效应是不同的。

韩爱民等人[45]根据“淮安市绿色食品基地调查以及相关研究”课题资料，分析了水稻中重金属含量与土壤质量的关系，结果表明，水稻籽粒对重金属的吸收特点因其元素不同而差异较大，重金属元素被水稻糙米吸收的程度为:

砷<镉<汞<铅<锰<铬<铜<锌。

王勇军等人的研究表明群落中5种元素富集能力的大小依次为:

Zn>Cu>Pb>Ni>Cr，利用系数大小为Cu>Zn>Ni>Pb、Cr，循环系数大小为Cu、Pb>Cr>Ni、Zn。

3.2重金属的存在形态

土壤中的铜一般以下列几种形态存在:

1）以游离态或复合态离子形式存在于土壤溶液中；2）以非专性（交换态）或专性吸附在土壤粘粒的阳离子；3）主要与碳酸盐和铝、铁、锰水化氧化物结合的阳离子；4）存在于生物残体和活的有机体中的有机态；5）存在于原生和次原生矿物晶格结构中的矿物态。

根据所结合的组分不同，土壤中的铜可区分成多种形态，这些形态之间是相互联系的。

它们在各种形态中的相对分配比例则取决于矿物种类结构、母质、土壤有机质含量等。

土壤中的活性铜主要指水溶态和非专性吸附的交换离子。

张克云等人[53]的研究表明，水稻各器官Cu、As浓度与土壤Cu、As浓度密切相关，而与土壤中交换态Cu、As的相关性又大于结合态和全态Cu、As的相关性。

杨学春[54]等人研究表明在紫色丘陵地的稻田中，因受土壤强吸附性、不均匀性和重金属难移动性的影响，一般迁移是较困难的。

重金属元素在土壤中的存在形态、积累状况迁、移转化及对植物的有效性和毒性与土壤胶体对其专性吸附性能有密切关系[55]。

3.3土壤的理化性质

3.3.1土壤的类型

土壤的类型直接影响着植物对重金属的吸收富集。

岳震华、张富强等人[56]对湖南省长沙市、邵阳市等5个城市具有代表性的灰菜园土、红菜园土、潮菜园土三种类型土壤中重金属迁移规律以及蔬菜在这三种土壤上的重金属富集量进行了调查分析，发现三种不同菜园土重金属表/底土比对重金属富集的顺序为灰菜园土>红菜园土>潮菜园土，说明在三种菜园土中灰菜园土对重金属的吸收和化学固定作用最强。

3.3.2pH值的影响

土壤pH值改变可导致土壤中重金属形态的变化，从而影响重金属的生物有效性。

在低pH值时，土壤中Cd、Zn等离子浓度随pH值上升而下降，但pH值过高又会溶解，离子浓度又会再升高[57]。

随着土壤溶液pH值升高，各种重金属元素在土壤固相上的吸附量和吸附能力加强。

Boekhold等人对酸性砂土中Cd的吸附现象进行研究，发现pH每增加0.5个单位，Cd的吸附就增加一倍。

韩盛等[58]研究表明随pH值上升，Pb在土壤中的平衡浓度下降，土壤溶液中Pb平衡浓度主要由土壤胶体吸附作用及碳酸盐、磷酸盐、氢氧化物的沉淀溶解作用所决定。

3.3.3土壤有机质含量

有机质对重金属具有很强的吸附作用，并通过与土壤中的重金属元素形成的络合物来影响土壤中重金属的移动性及其生物有效性。

Mcbride等人的研究表明天然有机质是一种有效的吸附剂，能极大的降低离子的活度，有机质可强烈地吸附镉、锌，腐殖质分解形成的腐质酸可与土壤中锌、镉形成络（鳌）合物，降低了植物对镉、锌的吸收。

但也有研究表明，有机质加入土壤中对植物的吸收重金属没有影响，甚至使植物对重金属的吸收稍微增加。

有报道指出，Cu、Zn、Pb、Cd等均属于亲硫元素，常与有机质形成络合物或鳌合物，增加其活性。

近年来也有研究表明，随着土壤中施用有机肥增加，其水溶性有机物（DOM）含量也增加，水溶性有机碳（DOC）与土壤中总可溶态铜、镉存在正相关[59-60]。

粘土矿物可以通过离子交换来吸收溶液中的重金属离子，适宜的环境温度会有利于植物吸收重金属。

此外，土壤的阳离子交换量（CEC）也对重金属的生物有效性产生影响。

有人认为，在影响重金属生物有效性的诸因素中，粘粒含量>PH>有机质含量>重金属含量[61]。

3.4复合污染及交互作用

重金属复合污染的研究是近年来环境科学的新热点。

因为在自然界多数情况下，环境污染多是由多个元素共存作用造成的，元素之间交互作用形成复合污染对生态系统的效应有别于单元素污染。

二十世纪八十年代以来，国外一些学者进行了土壤重金属复合污染效应及其指标的研究[62-66]。

在我国，从二十世纪九十年代开始，一些研究者就Cd、Pb、Cu、Ni、Zn、AS等元素对大豆、小麦影响迸行了盆栽苗期试验，认为元素间联合作用对作物生长和产量有一定影响[67-71]。

如果用吸收系数代表籽实中某一元素的浓度与土壤中元素浓度之比，则Cd在单元素污染时，吸收系数为0.017-0.024，复合污染吸收系数为0.361-0.621，提高了21-25倍，Pb的吸收系数提高了4.63-23.1倍；As的复合污染盆栽时，吸收系数可比单一元素污染时提高10倍，Zn的吸收系数在复合污染时也有显著增长[72-73]。

3.5养分的作用

土壤一植物系统中重金属与养分元素的交互作用是很复杂的。

涂从等人[74]的研究表明重金属是土壤污染退化的一类重要物质。

它们进入土壤后，一方面对生态系统产生直接危害，一方面通过影响土壤养分的生物有效性而产生间接危害。

同时，土壤中的养分元素也影响重金属的生态环境效应，这种相互影响被称为交互作用。

4展望

随着国家对土壤污染和农产品安全问题的关注，以及当前我国土壤重金属污染加剧趋势，土壤重金属的植物污染化学既面临着重大挑战，同时也迎来了前所未有的发展机遇。

必须结合当前实际，着眼国际理论研究前沿，加强学科之间的交叉，特别是现代分子生物学与信息学，充分运用各种先进的现代分析技术手段，加强土壤重金属的植物污染化学的研究。

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