王旭旭 ，黃鑫浩 ，胡豐姣 ，朱 凡 ，梁惠子 ，王仁杰 ，楚晶晶 ，朱雅荃

（1.中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410004）

近年來，伴隨著鉛、鋅礦產(chǎn)資源開發(fā)、金屬冶煉、燃料生產(chǎn)以及鋅肥在農(nóng)業(yè)中的廣泛使用，鉛、鋅元素及其化合物大量進入土壤，導致土壤生產(chǎn)性能下降和土壤質(zhì)量惡化，進而影響和危害人類健康[1-2]。根據(jù)2014年全國土壤污染狀況調(diào)查公報，全國土壤點位超標率為16.1%，其中重金屬污染物鉛、鋅的點位超標率分別為1.5%、0.9%。有報道稱，自“十五”規(guī)劃實施以來，湖南省的汞、鎘、鉛、鉻排放量居全國首位，全省受重金屬污染的土地面積達28 000 hm2，占全省總面積的13%。嚴重的重金屬污染問題對湖南的經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)提出了新的拷問。

植物修復是一種新興且發(fā)展前景較好的綠色環(huán)境修復技術(shù)，具有廣域性、永久性、低廉性和易操作等特點，被世界各國所關(guān)注[3-7]。其中木本植物壽命長，生物量大，生長迅速，根系深，可用于修復重金屬污染[8]。

目前對于鉛、鋅的超富集植物、耐性植物的研究多限于草本與灌木[1,9-10]，對木本植物也有一些相關(guān)報道，如施翔等[11]通過盆栽實驗證明紫穗槐Amorpha fruticosa Linn.可作為修復鉛鋅礦區(qū)污染土壤的潛力樹種。張富運等[12]將8種木本植物種植于鉛鋅礦渣中證明光皮樹Swida wilsoniana、黧蒴栲Castanopsis fi ssa、楠木Phoebe zhennan、杜鵑Azalea可用于鉛鋅污染土壤的修復。周疆麗等[13]通過根生長法研究表明，柳樹Salix matsudana對重金屬鉛、鋅具有一定的耐性。張軒等[14]通過在礦區(qū)樣地隨機取樣法證明烏桕Sapium sebiferum、泡桐Paulownia、欒樹Koelreuteria paniculata可用于植物修復鉛鋅污染土壤。上述研究結(jié)果為鉛鋅礦區(qū)土壤植物修復提供了樹種選擇。本研究選用湖南林業(yè)生產(chǎn)常用的4種闊葉木本植物，探究它們對鉛、鋅的吸收富集潛力，同時為多年生木本植物在礦區(qū)修復地發(fā)揮后續(xù)生態(tài)效應(yīng)，還研究了葉片元素的養(yǎng)分吸收特征。研究結(jié)果將為今后湖南鉛、鋅礦廢棄地植物修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

本試驗采用盆栽法，于2015年1月至11月在中南林業(yè)科技大學西園溫室中進行。試驗土壤采自于中南林業(yè)科技大學校園內(nèi)10～20 cm表層土，土壤pH為5.17，土壤全C、全N、全P以及Pb、Zn的含量分別為12.13、0.24、0.16、0.02、0.06 g·kg-1。將采回的土壤風干，研磨，過5 mm×5 mm的篩，充分混勻后裝入塑料花盆（上口徑30 cm、下口徑26 cm、高26 cm），每盆裝土9.0 kg，待用。

供試植物選用榆科櫸屬櫸樹Zelkova schneideriana、楝科香椿屬毛紅椿Toona ciliata var.pubescens、無患子科欒樹屬欒樹Koelreuteria paniculata、山茶科木荷屬木荷Schima superba，均為1年生容器苗。選取苗高、地徑基本一致的樹苗栽植在盆中，每盆栽種1株。苗木于室外培養(yǎng)1個月后移入溫室繼續(xù)培養(yǎng)2個月。苗木培養(yǎng)期間，用純水澆灌，保持所有供試苗木盆內(nèi)土壤田間持水量在40%左右。

然后人工分別配置Pb、Zn污染溶液，Pb污染處理：將濃度為10 g·L-1PbCl2溶液400 mL摻入每盆盆栽土中（盆底無滲出液），并且設(shè)置4種Pb污染濃度梯度，即L1（400 mL量摻入1次）、L2（400 mL量摻入2次）、L3（400 mL量摻入3次）、L4（400 mL量摻入4次），多次摻入每次間隔的時間為3 d。摻入過程中向盆栽土四周均勻摻入，避免溶液接觸到植物干基部。Zn處理方法同上。對照組噴灑等量的純水（CK），每種植物每種處理重復3次，試驗共計120盆。木荷在Zn污染處理5 d后陸續(xù)死亡。試驗期間，每次用等量的水澆灌所有盆栽，保持所有供試苗木盆內(nèi)土壤含水率40%左右，溫室內(nèi)白天、夜晚溫度分別為28 ℃、20 ℃，空氣濕度為60%～70%，定期對所有盆栽進行鋤草，松土等管理措施。

1.2 取樣與測定

植株在污染土中培養(yǎng)40 d后進行破壞性取樣，將植株完整地從盆中取出。取出的植株用自來水洗凈后，按根、莖、葉分別風干后，放入干凈的布口袋中置于空氣干燥恒溫箱內(nèi)105 ℃殺青20 min，70 ℃恒溫烘至恒質(zhì)量。植物樣品粉碎后，稱取2.0 g，用干灰化-HP3510原子吸收分光光度計法測定植物根、莖、葉樣品中Pb、Zn含量以及葉片中Mg、Ca、Fe的含量[15]，用鉬銻抗比色法測定植物葉片中全P的含量[16]，用火焰光度計法測定植物葉片中K的含量[17]。將土壤進行風干、研磨、烘干后，稱取0.5 g，用王水消煮-HP3510原子吸收分光光度計法測定土壤樣品中Pb、Zn的含量[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

轉(zhuǎn)運系數(shù)(Translocation factor)= 地上部分的金屬含量/根中的金屬含量[19]。

富集系數(shù)(Accumulator factor)= 植物地上或地下部分重金屬含量/土壤中重金屬含量[20]。

采用Microsoft Excel數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行平均值和標準誤的計算，用SPSS 20.0對同一種植物同一部位在不同濃度處理下的重金屬含量以及同一種植物同一濃度處理下不同部位重金屬含量進行ANOVA單因素方差分析、LSD多重比較，對不同濃度Pb、Zn處理與P、K、Mg、Ca、Fe含量進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同木本植物中Pb含量及分布特征

4種木本植物對Pb吸收狀況如表1所示。4種木本植物體內(nèi)Pb含量基本上隨著Pb濃度的增加而增加。根系是吸收積累Pb的主要部位，4種植物中以木荷最高，達1 277.18 mg·kg-1，其次為櫸樹、毛紅椿，最小為欒樹。其中在L4污染水平以木荷最高，分別是櫸樹、毛紅椿、欒樹的1.30倍、2.35倍、2.45倍。4種木本植物地上部分Pb含量以木荷最高，達182.51 mg·kg-1，其次為毛紅椿，櫸樹最低。當土壤中Pb處理濃度為L1時，4種木本植物各器官中Pb含量均表現(xiàn)為：根系＞莖＞葉片，櫸樹在L2～L4均表現(xiàn)為：根系＞葉片＞莖，欒樹從L3～L4后均表現(xiàn)為：根系＞葉片＞莖，毛紅椿在L4時表現(xiàn)為：根系＞葉片＞莖，木荷在各水平處理下均表現(xiàn)為：根系＞莖＞葉片，且各器官間Pb含量基本上差異顯著（P＜0.05）。4種Pb處理水平下各植物體內(nèi)Pb的總含量均表現(xiàn)為Pb處理顯著大于對照（P＜0.05），且植物體內(nèi)Pb的總含量顯著增加（P＜0.05），表明土壤中Pb的施加濃度是決定植物對Pb吸收量的關(guān)鍵因素。

表1 Pb在不同植物體內(nèi)的分布與含量?Table 1 Pb distribution and concentration in different woody species (mg·kg-1)

2.2 不同木本植物中Zn含量及分布特征

3種木本植物對Zn的吸收狀況如表2所示。隨著土壤中Zn處理濃度的增大，3種木本植物各器官中Zn的含量均顯著大于對照（P＜0.05）。在L1、L2處理水平時，根系是3種木本植物吸收積累Zn的主要部位，以毛紅椿地上部分Zn含量最高，為145.67 mg·kg-1。在L3處理水平下，毛紅椿陸續(xù)死亡，欒樹地上部分的Zn含量和總含量分別為櫸樹的1.07倍和1.08倍。當處理水平低于L3時，櫸樹、欒樹各器官中Zn含量均表現(xiàn)為：根系＞莖＞葉片，毛紅椿表現(xiàn)為根系＞葉片＞莖，當處理水平為L3時，櫸樹、欒樹各器官中Zn含量表現(xiàn)為：莖＞葉片＞根系。櫸樹、欒樹體內(nèi)Zn的總含量隨Zn處理水平的提高呈先增后減的趨勢（P＜0.05）；毛紅椿呈增加趨勢；毛紅椿、欒樹分別在L3、L4污染水平下死亡。

2.3 不同木本植物對Pb、Zn的富集能力

植物的轉(zhuǎn)運系數(shù)能反映出重金屬Pb、Zn在植物體內(nèi)的運輸和分配情況[21-23]，轉(zhuǎn)運系數(shù)越大，表明重金屬從根系向地上部分器官轉(zhuǎn)運的能力越強[11-12,24]。植物的富集系數(shù)是反映植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)能力大小的重要指標，富集系數(shù)越高，則植物對重金屬的吸收積累能力越強，越有利于植物提取重金屬，修復污染土壤[24-27]。4種木本植物對Pb、Zn富集能力狀況如表3所示。4種木本植物在Pb處理下轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，櫸樹、毛紅椿、欒樹和木荷的轉(zhuǎn)運系數(shù)的平均值分別為0.12、0.28、0.18、0.11，這表明4種植物對Pb的運輸能力的高低順序為：毛紅椿＞欒樹＞櫸樹＞木荷。3種木本植物對Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)普遍大于Pb處理下的對Pb的轉(zhuǎn)運系數(shù)，表明3種木本植物對Zn的運輸能力較強。毛紅椿、欒樹在Zn處理水平L2、L3時相繼枯萎死亡，櫸樹的轉(zhuǎn)運系數(shù)雖然隨著土壤Zn污染水平的增大呈遞減趨勢，但仍能存活，其體內(nèi)可能存在較強的運輸與解毒機制以應(yīng)對重金屬Zn的脅迫，而毛紅椿、欒樹這方面的能力相對較弱。

表2 Zn在不同植物體內(nèi)的分布與含量?Table 2 Zn distribution and concentration in different woody species (mg·kg-1)

表3 不同木本植物對重金屬Pb、Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)與富集系數(shù)Table 3 Translocation factor and accumulator factor of Pb, Zn in different woody species

4種植物地上部分對Pb的富集系數(shù)均小于1，表明植物地上部分中Pb的含量低于土壤中Pb的含量；4種木本植物地上部分對Pb的富集能力表現(xiàn)為：毛紅椿＞木荷＞欒樹＞櫸樹；櫸樹、毛紅椿、欒樹、木荷的根系對Pb富集系數(shù)的平均值分別為0.85、1.00、0.77、1.87，表明木荷根系對Pb的富集能力高于其他樹種，其次為毛紅椿、櫸樹，欒樹最低。櫸樹和毛紅椿對Zn的富集系數(shù)普遍存在減小的趨勢，表明當處理水平為L1時，這2種植物對Zn的富集能力較強，但當處理水平高于L1，Zn對植物產(chǎn)生脅迫作用，從而降低植物對Zn的富集能力；3種木本植物地上部分對Zn的富集系數(shù)最大值分別為0.50、0.70和0.52，根系富集系數(shù)最大值分別為0.65、0.76和0.69。

2.4 不同木本植物在Pb脅迫下葉片中的養(yǎng)分含量

4種木本植物在Pb脅迫下葉片養(yǎng)分狀況如表4所示。4種木本植物葉片中K、Ca含量普遍大于對照，F(xiàn)e含量普遍小于對照；毛紅椿、欒樹葉片中的P含量普遍大于對照。欒樹、木荷葉片中Mg含量普遍大于對照，但櫸樹、毛紅椿葉片中Mg含量普遍低于對照。櫸樹葉片中P、Fe含量與Pb處理濃度相關(guān)性不顯著（P＞0.05）；Mg含量與Pb處理濃度呈顯著負相關(guān)（-0.049，P＜0.05）；K、Ca含量與Pb處理濃度呈極顯著正相關(guān)（0.865、0.968，P＜0.01），K含量表現(xiàn)為先增后減的趨勢。毛紅椿葉片中Fe含量與Pb處理濃度呈顯著負相關(guān)（-0.668，P＜0.01）；P、K、Ca含量與Pb處理濃度呈極顯著正相關(guān)（0.676、0.950、0.678，P＜0.01），總體上表現(xiàn)為增加趨勢。欒樹葉片中Mg、Fe含量與Pb處理濃度相關(guān)性不顯著（P＞0.05）；K含量Pb處理濃度呈顯著正相關(guān)（0.630，P＜0.05）；P、Ca含量與Pb處理濃度呈極顯著正相關(guān)（0.734、0.908，P＜0.01）。木荷葉片中P、Fe含量與Pb處理濃度相關(guān)性不顯著（P＞0.05）；而K、Ca、Mg含量與Pb處理濃度呈極顯著正相關(guān)（0.969、0.926、0.968，P＜0.01）。

表4 不同木本植物在Pb處理下葉片中營養(yǎng)元素含量?Table 4 The concentration of nutrition element in different woody species under Pb stress (g·kg-1)

2.5 不同木本植物在Zn處理下葉片中的養(yǎng)分含量

3種木本植物在Zn處理下對養(yǎng)分含量狀況如表5所示。3種木本植物葉片中K、Ca含量普遍大于對照，F(xiàn)e含量普遍小于對照；欒樹葉片中的P、Mg含量顯著大于對照。土壤中Zn處理水平與櫸樹、毛紅椿體內(nèi)的P、Mg、Fe含量相關(guān)性不顯著，表明Zn2+對櫸樹、毛紅椿葉片中P、Mg、Fe含量影響較??；而櫸樹、毛紅椿體內(nèi)K、Ca含量與土壤中Zn處理水平呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），表明兩者之間存在協(xié)同作用。欒樹葉片中P、Mg、Ca與Zn污染水平呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而Fe含量與Zn污染水平呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），表明重金屬Zn抑制了植物對Fe的吸收。

3 討 論

Pb、Zn在不同植物體內(nèi)的地上部分與根系的分布與總含量是不同的[11,26]。根是4種木本植物吸收積累重金屬Pb的主要部位，這可能是木本植物通過根部細胞的金屬位點實現(xiàn)對重金屬鉛的富集，使Pb對地上部分影響降低，體現(xiàn)4種木本植物對Pb的耐性[28-29]，這與施翔[11]、張富運[23]、Salt[30]等的研究結(jié)果相符。L4污染水平下，4種木本植物中，欒樹對Pb的吸收累積量最低，但欒樹能夠正常生長，這可能是欒樹通過根系對Pb的排斥作用[31]，或者根系分泌有機酸、氨基酸、糖等改變根際環(huán)境從而影響鉛的吸收[32]來減少重金屬對根系的毒害作用，體現(xiàn)了植物對重金屬的避性。根是櫸樹和欒樹吸收Zn的主要部位，但毛紅椿莖、葉中的Zn含量顯著高于根系，且在Zn處理下出現(xiàn)落葉現(xiàn)象，這可能是毛紅椿通過代謝途徑將重金屬排出體外，以減少重金屬對植物的毒害，表現(xiàn)另一種對重金屬的耐性途徑[28-29]。

表5 3種木本植物在Zn處理下葉片中營養(yǎng)元素含量?Table 5 The concentration of nutrition element in different woody species under Zn stress (g·kg-1)

根據(jù)Baker與Brooks提出的參考值[4-5]，當植物葉片或地上部分（干質(zhì)量）中含Pb量達到 1 000 mg·kg-1，Zn 達到 10 000 mg·kg-1以上，且還滿足植物地上部分重金屬含量/根系重金屬，即轉(zhuǎn)運系數(shù)＞1的植物為超富集植物。本文中Pb處理下4種木本植物中地上部分累積量最高的為木荷，累積量為182.51 mg·kg-1，分別為櫸樹的3.38倍、毛紅椿的1.92倍、欒樹的2.52倍。但4種木本植物地上部分對Pb的累積量均低于超富集植物標準值，且4種木本植物對Pb的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1。櫸樹、欒樹、毛紅椿在不同濃度Zn處理下，其轉(zhuǎn)運系數(shù)雖然大于1，但是其地上部分Zn累積量均未達到標準值。因此本文中4種木本植物均不能作為Pb或Zn的超富集植物。但王廣林[33]提出木本植物富集系數(shù)大于0.4，即可認為該植物的修復能力強，富集系數(shù)在0.1～0.4時，即可認為該植物對土壤重金屬污染有一定的修復能力。因此本文中4種木本植物可作為Pb污染土壤修復的潛力樹種，同理，櫸樹也可作為Zn污染土壤的修復樹種。

P、K是植物生長發(fā)育期間所必須的大量營養(yǎng)元素。Ca、Mg、Fe具有調(diào)節(jié)植物體的物質(zhì)合成、滲透壓，維持體內(nèi)代謝平衡等功能，是植物正常生長必需的營養(yǎng)元素。重金屬不僅可以通過自身的離子毒性對植物產(chǎn)生毒害作用，還可以與養(yǎng)分元素競爭植物根系吸收位，或者影響植物生理生化過程，從而引起植物對養(yǎng)分吸收性能的改變，間接影響植物的正常的生長發(fā)育[34]。Pb處理下，植物葉片中Fe含量與Pb處理濃度呈負相關(guān)，且4種木本植物均出現(xiàn)不同程度的失綠現(xiàn)象，這可能是由于鉛可與葉綠素蛋白的-SH結(jié)合，并通過代替其中的Fe2+、Mg2+，使葉綠素蛋白的中心離子遭到破壞，從而降低光合酶活性甚至影響葉綠素的合成，從而影響植物的光合作用[35-36]。本文中4種木本植物葉片中K、Ca含量總體上隨著Pb處理濃度增加呈不斷上升的趨勢，表明Pb與K、Ca吸收存在協(xié)同作用，Pb可以促進K、Ca的吸收，K可以通過影響根細胞的膜透性，Ca可以通過調(diào)節(jié)質(zhì)膜的酶活性增強植物對重金屬離子的吸收，與Fontes等[37]的研究相符。Zn處理下，從毛紅椿體內(nèi)營養(yǎng)元素含量來看，毛紅椿最終死亡并不是營養(yǎng)元素缺失造成的，可能與葉綠體結(jié)構(gòu)受到破壞、光合速率低、光合產(chǎn)物無法滿足植株生長需要有關(guān)。欒樹的死亡可能與Fe的缺失有關(guān)[35-36]。

4 結(jié) 論

（1）4種木本植物均非超富集植物，但均能作為修復Pb污染土壤的潛力樹種。4種木本植物對Pb的最大累積量分別為769.14、468.60、419.88、1 098.15 mg·kg-1，表現(xiàn)為：木荷＞櫸樹＞毛紅椿＞欒樹，轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，地上部分富集系數(shù)表現(xiàn)為：毛紅椿＞木荷＞欒樹＞櫸樹，根系富集系數(shù)表現(xiàn)為：木荷＞毛紅椿＞櫸樹＞欒樹。櫸樹、毛紅椿、欒樹、木荷在Pb處理下表現(xiàn)出較好的吸收、富集與轉(zhuǎn)運能力，可作為Pb污染土壤的潛力修復樹種。

（2）櫸樹和欒樹在Zn處理下基本上能正常生長，且對Zn有一定的富集能力，可用于Zn污染土壤的治理。但木荷和毛紅椿在Zn脅迫下易死亡，所以在選用木荷、毛紅椿修復Pb-Zn復合污染土壤時要慎重考慮Zn的脅迫作用。

（3）重金屬Pb、Zn對4種木本植物葉片中的K、Ca吸收存在促進作用，對Fe存在抑制作用。

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