王碩 李德生 朱秀錦

摘要：以石榴為供試材料，通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究石榴在不同濃度梯度的鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）復(fù)合污染土壤下對(duì)重金屬的吸收、富集、轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律。結(jié)果表明：低濃度的復(fù)合重金屬污染（Cd2+濃度≤5 mg/L，Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）對(duì)石榴生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用，大致表現(xiàn)為鉛+鋅>鎘+鋅，鎘+鉛>鎘+鉛+鋅;石榴對(duì)鎘的吸收能力較好，對(duì)鉛和鋅的吸收能力相對(duì)較弱;石榴在重金屬?gòu)?fù)合污染下，其各個(gè)部位對(duì)重金屬的富集受到抑制作用，在高濃度梯度下（Cd2+濃度為50 mg/L，Pb2+濃度為1 500 mg/L，Zn2+濃度為1 500 mg/L）抑制作用更為明顯，具體表現(xiàn)為鎘>鉛>鋅;重金屬污染對(duì)石榴從葉轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬到莖再到根有一定的促進(jìn)作用。石榴在低濃度重金屬污染（Cd2+濃度≤5 mg/L，Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）中生長(zhǎng)旺盛，對(duì)鎘、鉛、鋅吸收、富集及轉(zhuǎn)運(yùn)能力較好，可作為鎘、鉛和鋅復(fù)合污染重金屬土壤的修復(fù)植物。

關(guān)鍵詞：石榴;重金屬?gòu)?fù)合污染;吸收能力;富集系數(shù);轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： X53 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）02-0250-04

我國(guó)土壤受鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬污染的影響越來(lái)越明顯，重金屬通過(guò)食物鏈富集在人體內(nèi)，危害人類(lèi)健康[1]。自20世紀(jì)90年代至今，植物修復(fù)作為一種生物修復(fù)方法，因其成本低、對(duì)土壤環(huán)境擾動(dòng)小，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[2-5]。植物修復(fù)的核心工作是尋找生物量大的超積累植物，目前國(guó)內(nèi)發(fā)現(xiàn)鎘超積累植物寶山堇菜、鋅超積累植物東南景天，國(guó)外發(fā)現(xiàn)芥菜對(duì)鎘、鉛、鋅等多種重金屬的吸收和富集效果很好。但是目前的研究大多是針對(duì)單一重金屬污染土壤的植物修復(fù)，而事實(shí)上重金屬污染土壤幾乎都是復(fù)合型污染，重金屬?gòu)?fù)合污染土壤對(duì)植物修復(fù)的要求更高，情況也更復(fù)雜。已經(jīng)研究的重金屬?gòu)?fù)合污染修復(fù)以草本為主，如菠菜[6]、蜈蚣草[7]、水芹[8]、甘蔗[9]、彎囊苔草[10]等，木本植物的研究較少?？梢?jiàn)植物修復(fù)重金屬污染土壤仍任重道遠(yuǎn)。

石榴在我國(guó)南北方均可栽培，其適應(yīng)性強(qiáng)，含有豐富的維生素C并且其葉、皮、花、根均可入藥，兼具觀賞和食用雙重價(jià)值，是園林常用品種之一。近年來(lái)的研究表明，石榴皮可作為一種吸附劑或者低成本的活性炭富集水中鎘、鋅、鉛等重金屬，并且發(fā)現(xiàn)石榴皮與鉛的結(jié)合能力最強(qiáng)[11-12]，而國(guó)內(nèi)外缺少石榴修復(fù)污染土壤的相關(guān)研究。故本研究以石榴為試驗(yàn)材料，探討石榴對(duì)土壤中鎘、鉛、鋅的積累、富集、轉(zhuǎn)運(yùn)效果及其生物量變化，深入分析石榴對(duì)重金屬?gòu)?fù)合污染土壤的修復(fù)效果，為重金屬?gòu)?fù)合污染土壤的修復(fù)開(kāi)拓更多方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為石榴嫩枝，供試土壤取樣于天津理工大學(xué)校園內(nèi)，并加入營(yíng)養(yǎng)土（草木灰）按m校園土 ∶ m營(yíng)養(yǎng)土=10 ∶ 1比例混合。利用盆栽技術(shù)，2016年4月進(jìn)行石榴枝扦插，在天津理工大學(xué)環(huán)安學(xué)院3樓露臺(tái)開(kāi)始栽培。測(cè)得土壤基本理化性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)含量16.01 mg/kg，pH值6.79，含水率12%。土壤所含鎘、鉛、鋅含量分別為4.18、40.26、142.69 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置4種不同類(lèi)型的鎘、鉛和鋅復(fù)合污染，各類(lèi)型梯度濃度如表1所示。將CdCl2、Pb（NO3）2、ZnSO4分別按濃度梯度配成溶液，均勻混入土中?？傆?jì)107個(gè)內(nèi)徑為26.5 cm的塑料盆，每盆土質(zhì)量5.5 kg。試驗(yàn)每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。本研究以Cd+Zn-1、Cd+Zn-2、Cd+Zn-3、Cd+Zn-4分別代表鎘+鋅復(fù)合濃度1 mg/L+100 mg/L、5 mg/L+500 mg/L、20 mg/L+1 000 mg/L、50 mg/L+1 500 mg/L;以Pb+Zn-1、Pb+Zn-2、Pb+Zn-3、Pb+Zn-4分別代表鋅+鉛復(fù)合濃度100 mg/L+100 mg/L、500 mg/L+500 mg/L、1 000 mg/L+1 000 mg/L、1 500 mg/L+1 500 mg/L;以Cd+Pb-1、Cd+Pb-2、Cd+Pb-3、Cd+Pb-4分別代表鉛+鎘復(fù)合濃度1 mg/L+100 mg/L、5 mg/L+500 mg/L、20 mg/L+1 000 mg/L、50 mg/L+1 500 mg/L;以Cd+Pb+Zn-1、Cd+Pb+Zn-2、Cd+Pb+Zn-3、Cd+Pb+Zn-4分別代表鎘+鉛+鋅復(fù)合濃度1 mg/L+100 mg/L+100 mg/L、5 mg/L+500 mg/L+500 mg/L、20 mg/L+1 000 mg/L+1 000 mg/L、50 mg/L+1 500 mg/L+1 500 mg/L。

1.3 樣品處理與測(cè)量方法

2016年9月在天津理工大學(xué)環(huán)安學(xué)院3樓露臺(tái)收集石榴葉、莖，測(cè)量生物量并測(cè)量土壤及植物各部位鎘、鉛、鋅含量;2016年11月在天津理工大學(xué)環(huán)安學(xué)院3樓露臺(tái)收集石榴根，測(cè)量根周?chē)寥兰案挎k、鉛、鋅含量。將植物樣品用蒸餾水洗凈、晾干，放入100 ℃烘箱內(nèi)烘至恒質(zhì)量，用千分之一電子天平稱(chēng)干質(zhì)量。烘干的樣品粉碎后過(guò)80目尼龍篩呈粉末狀，植物樣品倒入試管中加9 mL硝酸，土壤樣品倒入試管中加9 mL硝酸和1 mL氫氟酸，使用石墨消解儀（型號(hào)：SH230，購(gòu)自濟(jì)南海能儀器股份有限公司）進(jìn)行消解。最后用ICP-OES（即電感耦合等離子發(fā)射光譜儀，型號(hào)：VistaISTA-MPX型，購(gòu)自美國(guó)Varian公司）檢測(cè)重金屬含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Excel 2007進(jìn)行圖表處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬?gòu)?fù)合污染物對(duì)石榴地上生物量的影響

生物量可以反映植物對(duì)重金屬污染的修復(fù)能力[13]。表2統(tǒng)計(jì)了不同濃度梯度下重金屬?gòu)?fù)合污染對(duì)石榴地上生物量的影響。可以看出，石榴的地上生物量隨復(fù)合污染物濃度的增加整體呈先增后減的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為鉛+鋅>鎘+鋅，鎘+鉛>鎘+鉛+鋅。在Zn+Cd-1、Zn+Pb-1、Pb+Cd-2、Cd+Pb+Zn-2處理下分別高于對(duì)照組77.57%、307.35%、206.99%、166.91%。隨著污染濃度的增加，石榴地上生物量沒(méi)有明顯的增加，在Zn+Cd-3、Zn+Pb-4、Pb+Cd-3、Cd+Pb+Zn-3處理下有明顯的下降。說(shuō)明低濃度的復(fù)合重金屬污染（Cd2+≤5 mg/L，Pb2+≤500 mg/L，Zn2+≤500 mg/L）對(duì)石榴生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用。重金屬?gòu)?fù)合污染不同梯度之間的石榴地上生物量差異顯著。

2.2 石榴對(duì)土壤重金屬?gòu)?fù)合污染物的積累

圖1、圖2、圖3分別是石榴在不同復(fù)合重金屬污染下根、莖、葉內(nèi)鎘、鉛、鋅含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。植物體內(nèi)天然存在一些重金屬，如鎘含量<3 mg/kg，鉛含量≤70 mg/kg，鋅含量在 1～160 mg/kg 之間[14]。結(jié)果顯示，石榴對(duì)鎘的吸收能力較好，對(duì)鉛和鋅的吸收能力相對(duì)較弱。

由圖1、圖2、圖3可以看出，不同重金屬?gòu)?fù)合污染下石榴葉片、莖內(nèi)和根部的鎘、鉛、鋅含量整體上隨污染濃度升高呈先增后減的趨勢(shì)。

在鎘+鉛+鋅濃度為20 mg/L+1 000 mg/L+1 000 mg/L時(shí)，葉片、莖內(nèi)鎘含量出現(xiàn)最大值，分別是對(duì)照的5.73、2.05倍;在鎘+鉛濃度為20 mg/L+1 000 mg/L時(shí)，葉片鉛含量出現(xiàn)最大值，是對(duì)照的4.38倍;在鉛+鋅濃度為1 000 mg/L+1 000 mg/L 時(shí)，葉內(nèi)鋅含量出現(xiàn)最大值，是對(duì)照的2.49倍。說(shuō)明石榴在重金屬?gòu)?fù)合污染濃度增加到一定值時(shí)（Cd2+濃度為 20 mg/L，Pb2+濃度為1 000 mg/L，Zn2+濃度為1 000 mg/L），葉片對(duì)鎘、鉛、鋅吸收量最大，促進(jìn)了葉片對(duì)重金屬的積累。

在鉛+鋅濃度為1 000 mg/L+1 000 mg/L時(shí)莖內(nèi)鉛含量出現(xiàn)最大值，是對(duì)照的8.70倍;在鎘+鉛+鋅濃度為 50 mg/L+1 500 mg/L+1 500 mg/L時(shí)莖內(nèi)鋅含量出現(xiàn)最大值，是對(duì)照的2.43倍。以上結(jié)果與石榴葉片吸收重金屬的情況相似。說(shuō)明石榴在重金屬?gòu)?fù)合污染濃度增加到一定值時(shí)（Cd2+濃度為 50 mg/L，Pb2+濃度為1 000 mg/L，Zn2+濃度為1 000 mg/L），莖內(nèi)對(duì)鎘、鉛、鋅吸收含量較大，促進(jìn)了莖對(duì)重金屬的積累。

在鎘+鉛濃度為1 mg/L+100 mg/L時(shí)根部鎘含量出現(xiàn)最大值，是對(duì)照的8.64倍;在鉛+鋅濃度為100 mg/L+100 mg/L 時(shí)根部鉛含量和鋅含量出現(xiàn)最大值，分別是對(duì)照的6.62、6.69倍。在復(fù)合重金屬污染下，石榴根部的重金屬含量明顯高于對(duì)照，說(shuō)明復(fù)合重金屬污染促進(jìn)了石榴根部對(duì)重金屬的積累。石榴葉、莖、根對(duì)鋅的吸收在鎘、鋅復(fù)合污染不同濃度梯度下的變化規(guī)律與鎘、鉛、鋅三者復(fù)合污染梯度下的變化相似，說(shuō)明鉛的加入對(duì)石榴各部位吸收鋅的影響不大。

與鎘、鉛、鋅兩兩復(fù)合污染相比，在3種重金屬?gòu)?fù)合污染下石榴對(duì)鎘、鉛、鋅的吸收量并沒(méi)有明顯減少，說(shuō)明石榴對(duì)多種重金屬?gòu)?fù)合污染有一定的抗性。整體來(lái)看，石榴對(duì)鎘的吸收表現(xiàn)為葉>莖>根;石榴對(duì)鉛的吸收表現(xiàn)為莖>葉>根;石榴對(duì)鋅的吸收表現(xiàn)為莖>葉>根。

2.3 石榴對(duì)鎘、鉛、鋅的富集能力

富集系數(shù)是指植物體中某元素含量與土壤中相應(yīng)元素含量之比[13]。表3結(jié)果顯示，石榴葉片對(duì)鎘的富集系數(shù)整體上隨復(fù)合污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢(shì)，莖部和根部鎘富集系數(shù)基本上隨復(fù)合污染濃度的增加而呈先增后減、先減后增再減或下降的趨勢(shì);石榴葉片、莖部和根部對(duì)鉛的富集系數(shù)多數(shù)表現(xiàn)為隨復(fù)合污染濃度的增加而呈先減后增再減的趨勢(shì)（其他表現(xiàn)為先減后增、先增后減等趨勢(shì)）;石榴葉片、莖部對(duì)鋅的富集系數(shù)隨鋅隔復(fù)合污染濃度的增加而呈下降的趨勢(shì)，葉片、莖部對(duì)鋅的富集系數(shù)隨鋅鉛復(fù)合污染和鎘鉛鋅復(fù)合污染濃度的增加而呈先減后增再減、先減后增或先增后減的趨勢(shì)，根部富集系數(shù)隨復(fù)合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢(shì)（除鋅鎘處理）。石榴根部對(duì)鎘、鉛、鋅的富集與葉片和莖部相比較差。整體上，石榴富集重金屬的能力表現(xiàn)為鎘>鉛>鋅。在重金屬?gòu)?fù)合污染下，石榴各部位對(duì)重金屬的富集略低于對(duì)照。說(shuō)明石榴在重金屬?gòu)?fù)合污染下，其各個(gè)部位對(duì)重金屬的富集受到抑制，高濃度梯度下（Cd2+濃度為50 mg/L，Pb2+濃度為1 500 mg/L，Zn2+濃度為 1 500 mg/L）抑制作用更為明顯。

2.4 石榴對(duì)鎘、鉛、鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)能力

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是地上部分重金屬含量與地下部分重金屬含量之比[15]。由表4可知，石榴莖-葉鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨重金屬?gòu)?fù)合污染濃度的增加而呈先增后減再增或先減后增的趨勢(shì)，根-莖鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨重金屬?gòu)?fù)合污染濃度的增加而呈先減后增或先減后增再減的趨勢(shì);石榴莖-葉鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨鋅鉛復(fù)合污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢(shì)，隨鉛鎘復(fù)合污染和鎘鉛鋅復(fù)合污染濃度的增加而呈上升的趨勢(shì)，根-莖鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨鋅鉛復(fù)合污染和鎘鉛鋅復(fù)合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢(shì)，隨鉛鎘復(fù)合污染濃度的增加而呈先增后減再增的趨勢(shì);石榴莖-葉鋅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨重金屬?gòu)?fù)合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢(shì)，根-莖鋅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨鋅鎘復(fù)合污染濃度的增加而呈先增后減再增的趨勢(shì)，根-莖鋅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨鋅鉛復(fù)合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢(shì)，隨鎘鉛鋅復(fù)合污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢(shì)。在重金屬?gòu)?fù)合污染下，石榴對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力高于對(duì)照，說(shuō)明重金屬污染對(duì)石榴從葉轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬到莖再到根有一定的促進(jìn)作用。

3 討論與結(jié)論

低濃度的復(fù)合重金屬污染（Cd2+濃度≤5 mg/L，Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）對(duì)石榴生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用，具體表現(xiàn)為鉛+鋅>鎘+鋅，鎘+鉛>鎘+鉛+鋅。李錚錚發(fā)現(xiàn)，魚(yú)腥草在低濃度鋅、鉛復(fù)合污染下（Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）生長(zhǎng)良好[16];孟桂元等發(fā)現(xiàn)，苧麻在低濃度鎘、銻、鉛復(fù)合污染下（Cd2+濃度≤100 mg/L，Pb2+濃度≤800 mg/L，Sb3+濃度≤100 mg/L）有很強(qiáng)的耐受性[13];趙轉(zhuǎn)軍等發(fā)現(xiàn)，在低濃度鎘、鋅與低濃度的鎘、鋅、鎳復(fù)合污染下胡蘿卜生物量有所增長(zhǎng)[17]。這是由于低濃度重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)的刺激作用促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)。