荠菜对土壤中锶(Sr)的吸收和富集

程禹敏，蒯琳萍

(上海交通大学机械与动力工程学院核科学与工程学院，上海200240)

铀矿的开采、核武器制造、核试验、放射性同位素的生产应用、核废料、核事故等所产生的人工放射性核素对环境造成了难以治理的放射性污染。这些人工放射性核素通过扩散、迁移、转化等途径进入土壤生态环境，在土壤中积累，并最终对人类健康产生各种影响［1－2］。人类的生存和发展离不开土壤，受放射性核素污染的土壤不仅浪费了人类的土壤资源，而且也给人类健康带来了威胁。因此，采用合理的修复技术对受放射性核素污染的土壤进行修复具有重大意义。其中，被认为是绿色修复技术的植物修复技术在土壤放射性污染修复领域引起了人们极大的兴趣和关注。土壤放射性污染的植物修复就是通过在污染土壤中种植植物，利用植物根系吸收水分和养分的过程来吸收土壤中的污染核素，最后将收获的植物进行统一处理以达到清除核素、修复土壤目的的修复技术［3］。

由于涉及到植物生长，受气候条件、土壤性质等影响，植物修复研究中使用较多的表征植物对核素富集能力的富集系数和转运系数等并不固定，即使是同种植物对同一核素的富集能力，国内外不同研究的结果差异较大［4］。例如，苋菜的Sr富集系数，裘同才等的研究结果较高［5－6］，而唐永金等的则较低［7］。目前，对我国华东地区大面积低放射性污染土壤的植物修复研究较少。华东地区一带有不少核电站在运行，无论从事故后还是退役后土壤修复的角度出发，在华东地区开展大面积低放射性污染土壤的植物修复研究都具有重要意义。

土壤放射性的主要来源是核试验的沉积物以及核电站事故释放的进入土壤中的放射性核素，而90Sr在裂变产物中产额较高。另外90Sr属于高毒性核素，半衰期长达28.1年［8］，与营养元素钙(Ca)同族而具有相似的化学生物性质，是植物最容易吸收的放射性核素［9］，进入人体后危害较大。因此本研究以Sr为例进行研究。

虽然国内外学者们认为“能富集放射性铯(Cs)的植物往往能富集钾(K)，对Ca吸收的植物可能吸收土壤中的放射性Sr”［10］。但是，鲜有研究者据此选择Ca吸收能力强的植物进行Sr植物修复研究，但有Fuhrmann等选择菜豆这种钙吸收能力强的豆科植物［11］。荠菜是我国较受欢迎的野菜品种，其在上海经人工栽培已成为当地有名的特优蔬菜之一。荠菜Ca含量较高［12－13］，是有名的“补钙小能手”，而且其生长周期短，可以一次播种，多次采收［14］。因此Ca含量高的荠菜可能较为适合修复土壤中的Sr，且有望通过1年内多次采收来提高修复效率。

本研究拟用温室内盆栽土培的方法，研究不同土壤有效Sr浓度下荠菜对Sr的富集能力，探讨荠菜修复土壤Sr污染的可行性，为我国华东地区大面积低放射性污染土壤的植物修复研究提供一定的研究基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

研究表明，植物对放射性核素及其稳定性同位素的吸收并没有选择性［15－16］。因此，本试验用非放射性锶(88Sr)代替放射性Sr，具体施加形式为分析纯Sr(NO3)2。

鉴于植物修复实际应用可能会进行土壤改良，且本试验为先期基础研究，故暂不考虑可能有差异的实际可能污染地点的土壤性质，进而选取上海交通大学闵行校区的土壤［有机基质(N+P2O5+K2O≥2%，有机质≥40%)］和黄沙于通风避光处自然风干，剔除杂物并捣碎过筛，按6∶3∶1的质量比混匀，表1为其主要性质参数。

表1 试验土壤主要性质参数

荠菜品种为大叶荠菜，生长期40 d左右，购买自上海农乐种植有限公司。试验所用塑料花盆底部开孔带托盘，规格为盆口直径22 cm、盆高19 cm。

1.2 试验设计

试验采用盆栽土培的方式，自2016年10月1日开展于玻璃智能温室内。

根据华东地区中的土壤Sr含量——A层土壤最大值为329 mg/kg(山东)［17］以及试验土壤有效 Sr含量为81.7 mg/kg，试验将Sr施加的浓度设置为5组:0(人为不添加)、40、80、160、320 mg/kg，每组设 3 个重复(1 个重复为 1盆)。之所以设置如此高的浓度，是因为如前所述，植物对放射性核素及其稳定性同位素的吸收并没有选择性。因此，用植物修复土壤中的放射性Sr还需要考虑土壤中稳定性Sr含量的影响。

种植的田地一般在种植前翻耕 15 ～ 20 cm［11，15，18－19］，这样会使得核素在这15～20 cm的表层土上得以较为均匀地分布。考虑到应用植物修复大面积放射性污染土壤时，种植植物前也可能会进行上述翻耕，所以试验时每个花盆装干土3 kg，使土深17 cm左右，按前述Sr施加浓度分组，将相应量的Sr(NO3)2溶于水中，与土壤充分混匀，再播种。每盆播种10粒种子，出苗后留下长势好、个体大小一致的3株荠菜继续试验，其余拔掉放在土壤上让其自行分解。

土培过程中视土壤含水量情况浇水。出苗后20、30、60 d每盆分别收获1株植物，每株植物分成根、茎、叶3个部分。

1.3 分析测试

收获的植物先后用清水、去离子水清洗，并用吸湿纸吸去植物表面水分。再放置于烘箱内，在105℃下杀青30 min，然后在80℃下烘干至恒质量，继而分别测量植物根、茎、叶干质量。

烘干至恒质量的植物样品先用马弗炉在650℃下灰化1 h，然后用浓硝酸－高氯酸混合酸(体积比4∶1)消解，最后用ICP－AES测量其Sr含量，每个样品重复测量3次，结果表示为“平均值±标准差”。

1.4 数据处理

核素含量［4，20］，指单位质量的植物干物质中核素的含量。转运系数(translocation factor，简称 TF)［21－23］，指植物地上部核素含量与根部核素含量的比值，其反映了核素在植物内的转移及分配情况。TF越大，说明植物将核素从根部转运到地上部的能力越强。富集系数(enrichment coefficient，简称EC)［23－24］，指单位质量的植物干物质中某核素的含量与土壤中该核素原含量的比值。另外，本研究特地引进“核素富集总量”的评价指标，即植物吸收的核素总量，是植物从土壤中去除的核素的绝对量，理应是评价植物修复效果的重要指标。

数据分析采用 Microsoft Excel 2013，并采用 IBM SPSS Statistics 22进行单因素方差分析和Duncan's多重比较。作图由Microsoft Word 2013完成。

2 结果与分析

2.1 荠菜生长特性

由图1、图2和图3可知，在相同种植时间下，随着Sr处理浓度增大，荠菜根、茎、叶3个部位的生物量大体呈现先增大后减小的趋势。其中，在80 mg/kg Sr处理下，荠菜达到最大生物量。由此可见，适宜的土壤Sr浓度能促进荠菜的生长，而土壤Sr浓度过高则会抑制荠菜的生长，但在试验条件下未出现明显病变。在相同的Sr处理浓度下，随着种植时间的延长，荠菜的生物量也增加，其中叶部生物量增加速率最高。

另外根据试验过程中的观察，荠菜在发芽出苗时期生长较慢，而在生长后期生长速率较快。不同浓度的Sr处理对荠菜的这一生长规律并没有明显影响。

2.2 荠菜Sr吸收和分布特性

由表2、表3和表4可知，在相同的种植时间下，随着Sr处理浓度的增大，荠菜根、茎、叶3个部位的Sr含量均增加。且根、茎、叶3个部位的Sr含量基本表现为茎＞叶＞根。在相同的Sr处理浓度下，随着种植时间的延长，荠菜根、茎、叶3个部位的Sr含量增加。

在相同的种植时间下，随着Sr处理浓度的增大，荠菜茎、叶的TF大体上呈现先增加后降低的趋势，这说明土壤Sr浓度对荠菜的Sr转运能力有一定影响，大体上来说是中等土壤Sr浓度情况下，荠菜的Sr转运能力更高。在相同的Sr处理浓度下，随着种植时间的延长，荠菜茎、叶的TF没有明显的变化规律，这表明长时间的Sr处理对荠菜的Sr转运能力影响并不大，荠菜可能具有较好的Sr耐受性。

2.3 荠菜Sr富集特性

表3 30 d后荠菜Sr吸收和分布情况

表4 60 d后荠菜Sr吸收和分布情况

表5 20 d后荠菜Sr富集情况

由表5、表6和表7可知，在相同的种植时间下，随着Sr处理浓度的增大，荠菜根、茎、叶3个部位的Sr富集总量大体上增大。且根、茎、叶3个部位的Sr富集总量表现为叶＞茎＞根。在相同的Sr处理浓度下，随着种植时间的延长，荠菜根、茎、叶3个部位的Sr富集总量增大。

在相同的种植时间下，随着Sr处理浓度的增大，荠菜根、茎、叶3个部位的EC增大。且根、茎、叶3个部位的Sr富集系数基本表现为茎＞叶＞根，而且均大于唐秀欢等导出的90Sr超富集植物的最低EC值0.86［25］。相同Sr处理浓度下，随着种植时间的增长，荠菜根、茎、叶3个部位的Sr富集系数也增大。

由于荠菜叶部生物量大，因此其Sr富集总量也大，但是其EC大部分情况下低于荠菜茎部的EC。

3 讨论

本研究表明，适宜的土壤Sr浓度能促进荠菜的生长，而土壤Sr浓度过高则会抑制荠菜的生长。这与现有研究的Sr对其他一些植物的生长影响相似［26］。根据与荠菜同属的油菜、白菜的研究结果，Sr对荠菜生长的影响可能是Sr对荠菜光合作用、氧化酶系统和脂质过氧化作用产生了影响，即低浓度的Sr处理可能提高了荠菜的叶绿素含量，从而促进了光合效率，提高了抗氧化酶系统的活性并降低了脂质过氧化作用［26－29］。

表6 30 d后荠菜Sr富集情况

表7 60 d后荠菜Sr富集情况

植物修复的关键是找到合适的超富集植物。超富集植物的定义源于重金属的植物修复研究，是指植物地上部分累积核素的量较一般植物高10～500倍的植物［30－32］。但是在放射性核素的植物修复领域由于研究较少，对此还没有定论。目前，对放射性核素的超富集植物在富集能力上的要求是:对放射性核素吸收能力强，而且最好是地上部分积累，即EC较高且 TF＞1［33－34］。本研究中，荠菜的 Sr转运系数都大于1，而且随着种植时间的延长，荠菜茎、叶的Sr转运系数没有明显的变化规律，荠菜具有较好的Sr耐受性。荠菜的Sr富集系数也均大于唐秀欢等导出的90Sr超富集植物的最低富集系数0.86［25］。因此，荠菜有可能是Sr的超富集植物。由于在放射性核素Sr的植物修复研究中未见荠菜的研究，且与其同属的油菜、白菜的研究结果［4，27，35－38］本来就存在差异，所以在此不作与其他研究结果的比较。

植物修复研究中发现的超富集植物往往具有生物量小、生长速度慢的缺点［33］。本研究中，荠菜生长速度仅在发芽出苗的几天时间中较慢。另外可能由于种植期间肥水管理工作不够到位，单株荠菜生物量较小，没达到该荠菜品种应有的18 cm开展度，导致结果中单株荠菜Sr富集总量较小。进一步的研究应探索如何提高单株荠菜生物量，从而提高单株荠菜的Sr富集总量的途径，或者通过合理密植来提高单位面积土壤上荠菜的Sr富集总量。

Ca是植物的不可利用元素，在植物体内以稳定的化合物形式存在，来源于土壤。因此，Ca含量高的植物如果在被Sr污染的土壤上种植，则有可能由于Sr与Ca的性质相似而吸收较多的Sr。本研究对“补钙小能手”荠菜的研究结果也证实了这一点。因此，筛选Sr的超富集植物可以优先从人们熟知的Ca含量高的植物入手，尤其是蔬菜类作物。因为蔬菜作物有人工大面积种植和病虫害防治的经验，一般生长速率较快、生命周期较短，土壤和气候等条件对其的影响亦为人类熟知。另外，蔬菜作物的生物量一般都不会很大，其应用在植物修复中产生的放射性废物量也就不会太大。

4 结论

本研究根据华东地区的土壤Sr含量水平设置了试验土壤Sr施加浓度，初步得出荠菜生长、Sr吸收和分布、Sr富集随土壤Sr浓度的变化规律，以及其随种植时间的变化规律，并大致确定了最适宜荠菜生长的土壤有效Sr浓度在80 mg/kg左右，且值得指出的是，更高的土壤有效Sr浓度对荠菜富集土壤中Sr的效果并没有抑制作用。

本研究条件下，荠菜对Sr的TF和EC较高，有可能是Sr的超富集植物，有实际应用于Sr污染土壤修复的潜力。但是单株荠菜生物量较小，从而其Sr富集总量较小，进一步的研究应尝试通过加强肥水管理等农艺学手段提高单株荠菜生物量，或者通过合理密植提高单位面积土壤上荠菜的Sr富集总量。

Ca含量高的植物的确具有较强的Sr富集能力。植物修复超富集植物的筛选工作应从这方面入手，如筛选Sr的超富集植物考虑Ca含量高的植物、筛选Cs的超富集植物考虑K含量高的植物等。