土壤-蔬菜系统对氮镉互作的生态研究：响应与调控模式

1.氮镉污染的来源和现状

我国遭受镉污染的农田有12000 km2，某污灌区农田土壤中镉含量高达130mg/kg，成都东郊污灌区内米中含镉量高达1.65mg/kg；沈阳张士灌区一闸严重污染区米中含镉量达1～2mg/kg。镉是一种重金属，与氧、氯、硫等化学元素形成无机化合物分布于自然界中。镉对人体健康的危害主要来源于工农业生产所造成的环境污染。镉可经消化道、呼吸道及皮肤吸收。在未受污染的土壤中，镉主要来源于成土母质；在遭受镉污染的土壤，其中镉的污染途径主要有两个，一是工业废气中的镉扩散沉降累积于土壤之中，二是用含镉工业废水灌溉农田，使土壤受到严重污染。此外，人类工农业生产、运输和居民生活中向环境排放的含镉污染物，如：废气中的含镉颗粒物，其沉降进入土壤可造成污染；矿区开发以及电镀、印染、化工等行业排放的含镉废水，渗入土壤造成污染；农业生产中使用的一些化肥、农药也含有镉，在大量使用后也对土壤造成污染。镉是环境中对植物、动物以及人类毒性最强的重金属元素之一，镉污染土壤的治理一直是备受关注的热点研究课题。

胡红青等研究表明，在灰潮土上低Cd 对小白菜生长有促进作用，而浓度达到100mg/kg土时则表现为抑制作用，当土壤镉含量达到1mg/kg 时，已经很难生产出镉含量符合卫生标准的叶菜产品。植物提取修复是采用超积累植物将土壤中某种过量的元素大量地转移到植株体内（特别是地上部）从而修复土壤的技术。这种途径修复潜力大，而且可维持土壤肥力和营造良好的生态环境，因而对其研究已风靡全球。

蔬菜是一种与人民生活密切相关而又易富集硝酸盐的作物，研究表明，蔬菜是人体硝酸盐的主要来源，人体摄入的硝酸盐有70%～80%来自蔬菜。在正常情况下，蔬菜从土壤中吸收的硝酸盐在体内可经硝酸还原酶的作用，转化为氨和氨基酸等营养物质。而当条件不适宜时特别是在大量施氮肥的条件下，蔬菜摄取的硝酸盐量过多，在其内不能被充分同化，致使硝酸盐在蔬菜内大量累积。其实早在20世纪40年代，硝酸盐就被作为氮污染提出来，氮肥施用过量，会在土壤溶液中积聚较多的、、及Cl-、等离子，加之设施环境温度较高，不受雨水淋洗，积聚于土壤中的、、C1、-及相应的伴随离子、K+、Ca2+、Mg2+便在表层土壤水分的不断蒸发过程中，随地下水的向上运动逐渐在土壤表层积累下来，形成硝酸盐表聚现象。过量的硝酸盐积累，将导致土壤盐浓度和渗透压提高同时酸度增加，严重危害到蔬菜的正常生长发育。氮肥又是农业生产中最常用的肥料，因此，农作物中硝酸盐的污染也越来越受到人们的关注。

虽然硝酸盐本身对人体无害或毒害性相对较低，但现代医学证明人体摄入硝酸盐在细菌的作用下可还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐可使血液的载氧能力下降，从而导致高铁血红蛋白症，婴幼儿尤为如此，另一方面，亚硝酸盐可与人类摄取的其他食品、医药品、残留农药等成分中的次级胺（仲胺、叔胺、酰胺及氨基酸）反应，在胃腔中（pH＝3）形成强力致癌物——亚硝胺，从而诱发消化系统癌变。

2.植物修复重金属的研究现状

我国在植物修复方面虽有许多人进行过探索与初步尝试，但系统性研究目前尚处于起步阶段。如据黄会一报道，某种旱柳品系可富集47.19mg/kg Cd，当年生加拿大杨对Hg的富集量高达6.8mg/株，为对照的130倍。龙育堂等将Hg污染稻田改种苎麻后，对H g的净化率达41%。曾普遍认为利用植物吸收法治理土壤重金属污染耗时太久，原因主要是尚未找到所需的植物超富集体。近年来，这一领域引起了国内更多学者的浓厚兴趣而且取得了一定的进展。

植物修复是近十多年来发展起来的治理重金属污染的一项新技术。该技术利用某些植物富集重金属的特性，通过超积累植物移去土壤中的污染元素，达到修复环境的目的。该方法用于修复镉污染土壤的关键是，寻找具有镉超积累特性的植物资源。目前已知公认的镉超积累植物是遏蓝菜，近几年又发现印度芥菜、拟南芥、宝山堇菜、龙葵以及某些油菜品种等具有超积累镉的能力，但这些植物种类或由于生物量小而应用受限，或由于地域性强，难以在我国大面积种植。因此迫切需要发现更多新的种质，以满足镉污染土壤的植物修复要求。苋菜在我国的分布很广，品种资源丰富，生长快且生物量大，适于作为生物修复。

3.植物修复镉与硝酸盐复合污染的研究现状

土壤镉污染对生态环境及人类健康所造成的潜在危害已引起日益广泛的关注。植物修复作为一种新兴、高效的绿色修复技术是镉污染土壤治理的重要手段。现有镉超积累植物或由于生物量小而应用受限，或由于地域性强，生长受环境条件限制，发掘适合当地生态环境条件的用于镉污染修复的植物资源已成为各国竞相研究的热点。苋菜在我国的分布很广，品种资源丰富，生长快且生物量大，适于作为植物修复资源加以发掘。

试验采用土培盆栽方法，选择重金属镉的超富集植物苋菜和耐镉能力较差的四季小白菜（Brassia chinensis）进行研究。小白菜与苋菜互作时，比小白菜自身单作，获得了更高的地上部干重，且其植株体内镉含量明显降低。同时，与小白菜互作并未影响苋菜对镉污染土壤的净化能力。这表明，镉的超富集植物苋菜可以在不影响其对土壤净化能力的情况下，减轻重金属镉对与其互作植物小白菜的伤害。

因此超富集植物苋菜与小白菜互作和有机肥的共同作用对缓解小白菜镉毒害效果比单作方法要好。

1907年Rich-Son 就发现了新鲜蔬菜中的高硝酸盐含量问题，并开始了蔬菜硝酸盐积累分布规律的研究。研究表明化肥施用不当和过量施用，会引起土壤中硝酸盐的累积，进而造成蔬菜产品中硝酸盐含量超标。而据张旭等研究报道证实土壤中重金属Cd 的超量也能引起蔬菜体内硝酸盐的积累。蔬菜的生长量和硝酸盐含量决定了其单株累积量的大小。当土壤中Cd超量时，植物根系被动吸收污染物质使生长受到抑制，单株生物量减小，硝酸盐在组织中的相对含量就越高。大量Cd 的存在刺激了土壤中硝酸还原酶的活性，使得土壤中硝态氮含量升高，蔬菜从土壤中吸收的硝酸氮增多，其硝酸盐累积量也相应地升高。

利用超富集植物苋菜与小白菜套作，超富集植物苋菜对土壤中的重金属镉大量富集积累，土壤中的镉含量大幅降低。土壤中的镉含量降低后，对土壤中硝酸还原酶的活性产生了抑制作用，使得土壤中硝态氮含量降低，小白菜从土壤中吸收的硝酸氮减少，其硝酸盐累积量也相应地降低。

4. 结语

从目前的研究现状来看，尽管已发现的能降低镉的化学活性和具有硝化抑制效应的化合物较多，但真正能在农业生产中大规模应用的理想的镉抑制剂和硝化抑制剂品种还非常有限，并且，能同时抑制镉与硝酸盐复合污染的改良剂品种更是少之又少。污染土壤的植物修复技术是当今的研究热点，科学家们认为植物修复技术是一项利用太阳能动力的处理系统，能够大大减少土壤清洁所需的费用，是一种绿色的土壤修复技术。

红苋菜作为一种镉的超富集植物不仅能对土壤中的重金属镉大量富集积累，使土壤中的镉含量大幅降低，还能抑制小白菜对硝酸盐的积累。间作套种是我国传统农业的精髓之一，所以利用小白菜与超富集植物苋菜套作，实现对土壤中镉与硝酸盐复合污染的修复，是一条很好的土壤修复途径。

我国植物资源丰富，根据减少植物吸收重金属，提高植物提取重金属，促进对有机污染的降解等不同目的选择更多的适当的植物组成间套作体系是今后研究的一个方向。间套作体系修复污染土壤时，植物间的交互作用机理（包括地上和地下）还不清楚，这方面的研究需要加强。在实际应用中，对相关的农业措施（如施肥、种植密度等）也需要研究。

参考文献：

［1］廖自基.微量元素的环境化学及生物效应［M］. 北京：中国环境科学出版社，1993：299-302.(www.xing528.com)

［2］陈怀满，郑春荣.陈怀满，等.土壤—植物系统中的重金属污染［M］. 科学出版社，1996：71-125.

［3］吴燕玉，陈涛. 沈阳张士灌区Cd 污染生态研究［J］. 生态学报，1989，9（1）：21-26. 、

［4］胡红青，高彦征，汪文芳.土壤镉、铅污染对小白菜的生物效应研究［M］. 青年学者论土壤植物营养科学，北京：中国农业科技出版社，2001.

［5］Baker A.J.M.et al. Resources，Conservation and Recycling［J］.1994，11： 41-49.

［6］宾士友，阮月燕，蔡耕鸣.广西蔬菜水果硝酸盐含量状况与控制措施［J］.广西农学报，2006，21（1）：23-25.

［7］郭文忠，刘声锋，李丁仁，等.设施蔬菜土壤次生盐渍化发生机理的研究现状与展望［J］. 土壤，2004，36（1）：25-29.

［8］艾天成，李方敏，黄志新.设施土壤盐分组成特征分析［J］.湖北农业科学，2006，45（3）：316-317.

［9］白碧君.蔬菜的硝酸盐积累及其控制的研究［J］. 中国农业文摘-园艺，1992，8（6）：8-15.

［10］Minotli pL.Nitrogen in the environment.Vo 2 Soil-Plant-Nitrogen Relationship. Donald R，Nielsen JG，Macdemic Press，New York，San Francisco，London.1978，235-252.

［11］Norman T，Gary B.Phytoremediation of contaminated soil and water.Lewis Publishers，2002.

［12］Baker A J M.Accumulators and excluders strategies in response of plants to heavy metals.Journal of Plant Nutritio.1981，3：643-654.

［13］Salt D E，Picketing I J，Prince R c，Gleba S D，Dushenko v，Smith R D，Raskin I. Metal accumulation by aquacultured seedings of Indian 　mustard.Environmental Science and Technology，1997，31（6）：1636-1644.

［14］Dahmani·Muller H，Van O F.Gelie B，Balabane M.Strategies of heavy metal uptake by three plant species growing near a metal smelter. Environmental Pollution，2000，109： 231-238.

［15］刘威，束文圣，蓝崇钰.宝山堇菜（Vwla baoshanensis）.一种新的Cd超富集植物［J］.科学通报，2003，48（19）：2046-2049.

［16］魏树和，周启星，王新，等. 一种新发现的镉超积累植物龙葵（Sdanum n/grum L）［J］. 科学通报，2004，49（24）：2568-2573.

［17］苏德纯，黄焕忠.油菜作为超积累植物修复Cd污染土壤的潜力研究［J］. 中国环境科学，2002，22（1）：47-51.

［18］范洪黎. 苋菜超积累镉的生理机制研究［D］. 中国农业科学院，2007：8-11.

［19］高利萍，巴特尔，赵秀梅，等. 蔬菜硝酸盐污染现状及控制途径［J］. 内蒙古农业大学学报，2005，26（4）：134-138.

［20］卫泽斌，郭晓方，丘锦荣，等. 间套作体系在污染土壤修复中的应用研究进展［J］. 农业环境科学学报，2010，29（增刊）：267-272.