鄒亞麗 王廷璞 林燕飛

紫花苜蓿（Medicago sativa）是世界上最著名的優(yōu)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(zhì)、礦物質(zhì)和維生素等重要的營養(yǎng)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(yōu)質(zhì)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(zhì)高2.5倍左右，礦物質(zhì)高6倍左右，可消化養(yǎng)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(diào)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(zhì)量的苜蓿干草粉、顆粒飼料及全價配合飼料等。苜蓿產(chǎn)草量高，與糧食作物相比，具有較強的適應(yīng)性和抗御自然災(zāi)害的能力，生產(chǎn)力穩(wěn)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(jié)分配吻合[2]。如遇嚴重干旱，有些牧草停止生長，小麥減產(chǎn)60%～70%，山坡地絕收，而苜蓿的產(chǎn)草量受影響卻不大，只減產(chǎn)20%[3]。苜蓿再生力強，根系發(fā)達，主根入土深，側(cè)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(zhì)，通過生物富集不斷增加上層土壤有效營養(yǎng)成分；并具有蓄水保土的效果，有利于調(diào)節(jié)氣候，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[4]。據(jù)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(qū)，黃土高原一帶是我國紫花苜蓿種植面積最大的地區(qū)。但是隨著油田的開發(fā)及農(nóng)、工業(yè)活動的加強，大量的污染物進入土壤系統(tǒng)，嚴重影響了我國的可持續(xù)發(fā)展。由于土壤中重金屬復(fù)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(chǎn)達10%以上[6]，直接影響了我國畜牧業(yè)的發(fā)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(nóng)林牧及紫花苜蓿產(chǎn)業(yè)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效發(fā)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(fā)產(chǎn)生的污染源可歸納為三類：氣態(tài)污染源、液態(tài)污染源和固態(tài)污染源。位于甘肅省慶陽市的長慶油田是國內(nèi)僅次于大慶油田的第二大油田。由于生產(chǎn)技術(shù)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(yīng)非常敏感，當(dāng)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(nèi)部遷移到土壤表面，出現(xiàn)“燈芯效應(yīng)”(毛細作用)，該作用加快了石油揮發(fā)，增加了空氣中柴油蒸汽密度。當(dāng)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(fā)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(dǎo)致了“干枯小葉”的發(fā)生[7]?！案煽菪∪~”現(xiàn)象在污染物濃度高時易發(fā)生，污染物一方面可以通過葉片表層滲透進入葉片內(nèi)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(shè)法對其進行修復(fù)[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(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞，影響土壤通透性，并對農(nóng)作物的生長和發(fā)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(xué)物質(zhì)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(dǎo)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(yǎng)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(yǎng)分脅迫，因而生長受阻。

張松林等研究發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿種子發(fā)芽抑制率與土壤柴油污染質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)線性相關(guān)關(guān)系，但仍具有一定的發(fā)芽率，只是對水分的需求較高[12]。由于種子的結(jié)構(gòu)具有多種物理和生化防范功能，能夠有效阻止有毒物質(zhì)的進入，因而土壤污染對種子發(fā)芽的毒害作用在一定的范圍內(nèi)僅表現(xiàn)為部分抑制，只有土壤污染嚴重時，種子發(fā)芽才會完全被抑制[13]。研究發(fā)現(xiàn)受高質(zhì)量分數(shù)石油污染的土壤持水性不高，紫花苜蓿全生長期內(nèi)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(qū)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(fā)育帶來了嚴重的影響。這是因為石油疏水，當(dāng)有充足的水分供應(yīng)時，水分子會優(yōu)先吸附到土壤顆粒上，并能夠置換已被土壤吸附的化學(xué)物質(zhì)；當(dāng)土壤表層被水分子飽和時，在土壤-大氣中弱極性物質(zhì)的密度會大大增加，多余的水分也就不再影響化學(xué)物質(zhì)脫離吸附位點的趨勢。當(dāng)水蒸發(fā)時，化學(xué)物質(zhì)的揮發(fā)作用由于水的存在而提高；當(dāng)水蒸發(fā)減少時化合物由于水分蒸發(fā)而損失的量也減少。蒸發(fā)密度由于物質(zhì)被吸附于干土中而降低。吸附作用降低了化學(xué)物質(zhì)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(fā)速率。相反，水的存在會引起化學(xué)物質(zhì)的解吸，從而增加其蒸發(fā)密度。

1.2 土壤中重金屬鎘對紫花苜蓿的影響

鎘是非營養(yǎng)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(fā)育，改變植物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，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(dǎo)致動物的采食量下降，生產(chǎn)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(xiàn)，出現(xiàn)缺硒、缺鋅的病變。羊發(fā)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(tǒng)也是鎘作用的主要部位，鎘中毒會響胚胎的正常發(fā)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(jīng)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(tǒng)。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(diào)控，其中Cd的吸收可能與運輸營養(yǎng)元素(Mg、K、Ca、Fe、Mn、Cu、Ni)的跨膜載體有關(guān)[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(zhì)子泵受抑60%，而根系質(zhì)子的原初分泌為細胞質(zhì)膜上的ATP酶所催化，是陰陽離子透過質(zhì)膜的次級運轉(zhuǎn)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(yǎng)脅迫的主要原因之一。據(jù)研究，隨著Cd2+濃度的增大，紫花苜蓿種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)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(shù)間有顯著負相關(guān)。隨著Cd2+濃度的增加，阿爾岡金和金皇后種子的活力指數(shù)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(nèi)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(chǎn)。

研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)和Cd的作用特點有關(guān)：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(xiàn)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(nèi)染色體和核仁。隨著細胞內(nèi)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(xiàn)為中度敏感，缺鋅或過量會影響苜蓿產(chǎn)量[21]。居民區(qū)土壤重金屬積累的原因包括小煤爐的產(chǎn)生的煙塵，城鎮(zhèn)垃圾不經(jīng)妥善處理而肆意排放以及紡織工業(yè)的存在。城鎮(zhèn)廢舊電池隨意扔棄，可導(dǎo)致鋅以輻射狀、漏斗狀向四周土噬水體擴散，嚴重污染農(nóng)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(zhì)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(fā)性缺乏，造成動物貧血和生長緩慢。

我國土壤環(huán)境質(zhì)量主要是依據(jù)單一重金屬污染土壤確立的，其中二級標(biāo)準是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護人體健康的土壤限制值；三級標(biāo)準是保障農(nóng)林生產(chǎn)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(biāo)準以上的濃度才有可能使農(nóng)作物減產(chǎn)[23]。經(jīng)研究試驗表明，在復(fù)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(biāo)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(fù)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(dāng)土壤中重金屬濃度達到三級標(biāo)準時，紫花苜蓿的生物量有下降的趨勢，減產(chǎn)達到10%以上，且與對照相比達到5%差異顯著水平[6]。在復(fù)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(nèi)的鋅含量最高為305 mg/kg，符合正常植株體內(nèi)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(nèi)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(yīng)。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(nèi)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(chǎn)生直接的傷害作用，因此是十分復(fù)雜的過程，其中何為關(guān)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(cè)100 m范圍內(nèi)，且離公路越近，土壤鉛質(zhì)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(dāng)動物慢性鉛中毒時，主要表現(xiàn)為食欲不振、嘔吐、漸瘦、神經(jīng)麻痹及昏迷，急性鉛中毒時，表現(xiàn)為腹痛、腹瀉、嘔吐、少尿及昏迷。

白彥真等[27]研究發(fā)現(xiàn)，不同鉛濃度對紫花苜蓿體內(nèi)營養(yǎng)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(nèi)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(wěn)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(nèi)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(luò)和素的形成有關(guān)，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(dǎo)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(fù)。

2 防治及應(yīng)對措施

目前，我國共有苜蓿草地188萬公頃，按中等生產(chǎn)水平8～10 t/hm2計，每年產(chǎn)量可達1460～1830萬噸，即可替代或節(jié)約糧食1200～1500萬噸[29]。苜蓿產(chǎn)業(yè)是解決飼料蛋白質(zhì)短缺、增畜節(jié)糧、發(fā)展畜牧業(yè)的重要途徑。從產(chǎn)量來看，畝產(chǎn)1000 kg干草的苜蓿人工草地其蛋白質(zhì)產(chǎn)量是大豆同等面積產(chǎn)量 (畝產(chǎn)85.03 kg)的5.9倍，具有明顯的優(yōu)勢[30]。在能量品質(zhì)方面，新鮮苜蓿標(biāo)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(xiàn)未來人均動物產(chǎn)品量增加的過程中，苜蓿作為補充蛋白質(zhì)飼料將成為獲利最高、最有前途的飼料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)之一，所以苜蓿生產(chǎn)對經(jīng)濟的發(fā)展具有不可低估的重要作用。但是在國內(nèi)紫花苜蓿種植面積最大的地區(qū)黃土高原一帶，隨著油田的開發(fā)及農(nóng)、工業(yè)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(tǒng)，抑制紫花苜蓿根的生長及種子發(fā)芽，通過生理生化反應(yīng)，改變了紫花苜蓿的細胞代謝和生長發(fā)育以及形態(tài)結(jié)構(gòu)，嚴重影響了紫花苜蓿的生長，降低了紫花苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)，嚴重阻礙了我國畜牧業(yè)的發(fā)展和人民經(jīng)濟的發(fā)展。為控制污染紫花苜蓿，避免飼喂動物中毒，我們應(yīng)采取以下應(yīng)對措施：①要建立土壤污染和飼草污染的快速監(jiān)測體系，開展日常監(jiān)測工作，明確監(jiān)測項目,對早期發(fā)現(xiàn)的突發(fā)事件隱患及時進行預(yù)防控制；②清除污染源，開展流域水環(huán)境和區(qū)域土壤及大氣環(huán)境污染的綜合治理；③嚴格依照環(huán)境保護的有關(guān)法律法規(guī)，從區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的高層次上研究解決經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境不相適應(yīng)這一現(xiàn)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(chǎn)栽培過程中，應(yīng)盡量避免在污染區(qū)種植，從而生產(chǎn)高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的紫花苜蓿產(chǎn)品。

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