楊琴 樊戰(zhàn)輝 孫家賓 陳光年 羅文倩 狄飛達(dá)

(成都市農(nóng)林科學(xué)院，四川 成都 611130)

土壤重金屬污染研究一直是全球環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，土壤重金屬污染防治內(nèi)容是國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十三五”規(guī)劃的重點(diǎn)內(nèi)容之一，是“十三五”削減總量-改善質(zhì)量-防范風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)劃主線的主要體現(xiàn)，是改善民生、保障安全的集中所在。土壤重金屬污染的過(guò)程具有長(zhǎng)期性、隱蔽性、表聚性、不可逆轉(zhuǎn)性特點(diǎn)，嚴(yán)重影響著植物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)及人類健康[1,2]。同時(shí)，構(gòu)建生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，全球正面臨著糧食安全、水資源短缺和環(huán)境污染等諸多問(wèn)題，這些問(wèn)題的出現(xiàn)均與土壤資源破壞密切相關(guān)。隨著礦產(chǎn)資源的不合理開(kāi)發(fā)與利用，污水灌溉，化肥、農(nóng)藥的大量施用以及工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，土壤污染日益嚴(yán)重。由于污染物進(jìn)入土壤使農(nóng)田遭受不同程度的污染，污染物通過(guò)在作物體內(nèi)的富集進(jìn)入食物鏈，對(duì)人畜健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成很大威脅[3,4]。

據(jù)全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，我國(guó)鎘點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%、鋅點(diǎn)位超標(biāo)率為0.9%，污染嚴(yán)重。東南景天是在我國(guó)發(fā)現(xiàn)的一種新的超累積植物，這不僅彌補(bǔ)了我國(guó)的空白，也為進(jìn)一步在我國(guó)尋找新的超累積植物資源提供了可能[5]。

1983年，美國(guó)科學(xué)家Chaney首次提出了利用某些能夠富集重金屬的植物來(lái)清除土壤重金屬污染的設(shè)想。即通過(guò)植物的一些特殊生理功能(如吸收、降解、穩(wěn)定、揮發(fā)等)來(lái)降低土壤中的重金屬污染物，甚至將土壤重金屬污染物移出環(huán)境的污染治理技術(shù)，植物修復(fù)也稱綠色修復(fù)或生物復(fù)[6]。與傳統(tǒng)方法相比，這項(xiàng)技術(shù)以其高效、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)協(xié)調(diào)性等優(yōu)勢(shì)顯示出巨大的生命力，成為研究熱點(diǎn)。我國(guó)目前關(guān)于重金屬-植物體系主要集中在重金屬-農(nóng)作物體系這一領(lǐng)域，而對(duì)野生超累積植物的研究較少。本試驗(yàn)開(kāi)展了東南景天耐鋅、鎘毒性能力的初步研究，以期為開(kāi)發(fā)利用東南景天修復(fù)鋅、鎘污染土壤提供科學(xué)依據(jù)[7]。

1 材料與方法

1.1 供試材料

植物：東南景天，采自浙江臺(tái)州黃巖山區(qū)，為野生東南景天，葉片呈黃棕色，植株高度約為10cm。

土樣：實(shí)驗(yàn)土壤取自成都市農(nóng)林科學(xué)院羊馬科研基地，為水稻土，取樣時(shí)間為2018年10月12日，該土壤剛于9月收獲水稻。土樣在室內(nèi)自然風(fēng)干，壓碎，去除土壤中雜質(zhì)，過(guò)40目篩，用于制備重金屬污染土壤。同時(shí)，另取一部分土壤，進(jìn)行土壤原始理化性質(zhì)檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2 盆栽試驗(yàn)

從表1可以看出，土樣中重金屬Zn、Cd的含量分別為0.1153mg/kg和0.00047mg/kg。外源性加入重金屬供給實(shí)驗(yàn)土壤，鋅來(lái)源于ZnSO4·7H2O，鎘來(lái)源于Cd(NO3)2，2種物質(zhì)均溶于水。 Zn設(shè)1個(gè)空白，5個(gè)濃度，共6個(gè)水平；Cd設(shè)1個(gè)空白，5個(gè)濃度，共6個(gè)水平，共計(jì)36個(gè)處理，同時(shí)每個(gè)處理設(shè)3次平行，土培實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 土培試驗(yàn)設(shè)計(jì)

制樣：制備重金屬污染土壤時(shí)，將事先稱好的ZnSO4·7H2O和Cd(NO3)2溶于去離子水中，再分別加到風(fēng)干土壤中，每盆土壤凈重2kg，混勻，加去離子水至土壤田間持水量的65%～70%，自然風(fēng)干，每隔7d加水風(fēng)干，如此反復(fù)鈍化1個(gè)月后進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。加入復(fù)合肥料做基肥，每盆栽植10株野生東南景天，生長(zhǎng)過(guò)程中用去離子水灌溉，土壤濕度保持在田間持水量的65%～70%，2個(gè)月后將東南景天收獲，將植物鮮樣在105℃下殺青30min，然后在70℃下烘干至恒重，將東南景天根、莖、葉分別取樣，再分別磨細(xì)，過(guò)80目篩，分別測(cè)定每個(gè)處理東南景天根、莖、葉各部位Zn、Cd含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度Zn、Cd處理對(duì)東南景天的影響

2.1.1 不同濃度Zn、Cd處理對(duì)東南景天生長(zhǎng)的影響

盆栽試驗(yàn)2個(gè)月后，東南景天植株性狀如下圖1、圖2所示。圖1編號(hào)情況如下表3所示。

圖1 不同濃度下植株性狀

表3 植株情況

注：橫坐標(biāo)代表Zn濃度，縱坐標(biāo)代表Cd濃度，如B3是指Zn=500mg/kg，Cd=100mg/kg。

圖2 不同濃度下植株性狀

觀察整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)我讳\處理下，當(dāng)Zn≤100mg/kg，東南景天長(zhǎng)勢(shì)不會(huì)受明顯影響，葉片呈青綠色，根莖葉和對(duì)照組比無(wú)明顯差異；在Zn<50mg/kg處理下，東南景天生長(zhǎng)發(fā)育較快，長(zhǎng)勢(shì)良好，根相比對(duì)照組更粗，葉片也更肥大；當(dāng)Zn>500mg/kg時(shí)，植株出現(xiàn)明顯的重金屬中毒癥狀，矮小稀疏，葉片枯萎掉落，根系的長(zhǎng)度也比對(duì)照組低；當(dāng)Zn濃度達(dá)到1000mg/kg時(shí)，東南景天葉片黃化、頂葉掉落，根系萎縮，植株呈現(xiàn)紅棕色。

單一鎘處理下，當(dāng)Cd≤50mg/kg，東南景天生長(zhǎng)發(fā)育較快，長(zhǎng)勢(shì)良好，與對(duì)照相比無(wú)明顯差異；當(dāng)Cd>500mg/kg時(shí)，植株出現(xiàn)明顯的重金屬中毒癥狀，植株矮小稀疏，葉片黃化、頂葉掉落，根系的長(zhǎng)度也比對(duì)照組低；當(dāng)Cd濃度達(dá)到1000mg/kg時(shí)，東南景天葉片黃化、頂葉掉落，根系萎縮，植株呈現(xiàn)紅棕色，與對(duì)照組青綠色葉片差異較大。

同時(shí)，從圖1可以看出，A2(Zn=100mg/kg，Cd=0)、B1(Zn=0，Cd=100mg/kg)的長(zhǎng)勢(shì)明顯好于B2(Zn=100mg/kg，Cd=100mg/kg)。A3(Zn=500mg/kg，Cd=0)、C1(Zn=0，Cd=500mg/kg)的長(zhǎng)勢(shì)明顯好于C3(Zn=500mg/kg，Cd=500mg/kg)。A4(Zn=1000mg/kg，Cd=0)、D1(Zn=0，Cd=1000mg/kg)的長(zhǎng)勢(shì)明顯好于D4(Zn=100mg/kg，Cd=100mg/kg)。說(shuō)明在Zn、Cd雙重脅迫下的東南景天的生長(zhǎng)勢(shì)劣于同濃度下單一Zn或Cd脅迫下的生長(zhǎng)。

2.1.2 不同濃度Zn、Cd處理對(duì)東南景天累積Zn、Cd的影響

重金屬通過(guò)植物根系進(jìn)入植物體內(nèi)后，會(huì)不同程度地轉(zhuǎn)移到植物的根莖葉中，不同部位的沉積量可以反映出該植物對(duì)重金屬的富集量。不同濃度Zn、Cd處理對(duì)東南景天根、莖、葉累積Zn、Cd量的影響如圖3、圖4所示。

圖3 不同濃度Zn處理對(duì)東南景天累積Zn量的影響

圖4 不同濃度Cd處理對(duì)東南景天累積Cd量的影響

從圖3可知，東南景天受單一Zn脅迫下，其根中累積Zn量隨著土壤中Zn濃度的增加而增加，東南景天莖、葉中累積Zn量隨著土壤中Zn濃度的增加先增加后急劇下降，說(shuō)明當(dāng)Zn>500mg/kg時(shí)會(huì)抑制Zn在東南景天體內(nèi)的遷移及轉(zhuǎn)運(yùn)。從高濃度Zn處理下東南景天受毒害癥狀可知，當(dāng)土壤中Zn濃度>500mg/kg，Zn對(duì)東南景天的生長(zhǎng)產(chǎn)生了很強(qiáng)的毒害作用。Zn累積量在東南景天體內(nèi)的分配大小為根>莖>葉，顯示東南景天對(duì)Zn具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力和富集能力。

從圖4可知，東南景天受單一Cd脅迫下，其根中累積Cd量隨著土壤中Cd濃度的增加先增加后急劇減小，Cd累積量在東南景天體內(nèi)的分配大小為根>莖>葉，顯示東南景天對(duì)Cd具有較強(qiáng)富集作用，但東南景天吸收的Cd多累積在植物根部，向地上部分運(yùn)輸?shù)腃d較少，說(shuō)明Cd在東南景天體內(nèi)的遷移能力較低。

同時(shí)，對(duì)東南景天根莖葉各部位分別累積Zn、Cd的變化趨勢(shì)曲線進(jìn)行方程擬合，擬合曲線見(jiàn)表4。由表4可知，東南景天根、莖、葉中Zn含量與土壤中Zn濃度均能用二次方程進(jìn)行模型擬合，相關(guān)系數(shù)R2根部=0.6538 ，莖部=0.6538 ，葉部=0.9054，均已經(jīng)達(dá)到擬合顯著水平，葉部擬合最為顯著。由于不同的土壤中Zn濃度，東南景天根、莖、葉中Zn含量的變化趨勢(shì)也不同，適用的擬合曲線也不同，其中葉部Zn含量隨著土壤中Zn濃度的變化曲線擬合最佳，相關(guān)系數(shù)R2=0.9054，已達(dá)到極顯著水平。同時(shí)，東南景天根、莖、葉中Cd含量與土壤中Cd濃度也能用二次方程進(jìn)行模型擬合，相關(guān)系數(shù)R2根部=0.7597，莖部=0.9525 ，葉部=0.9509，均已達(dá)到擬合顯著水平。其中，莖和葉的擬合曲線最佳，相關(guān)系數(shù)均已達(dá)到極顯著水平。

表4 不同濃度Zn、Cd處理下東南景天累積Zn、Cd的曲線擬合模型

2.2 不同濃度Zn、Cd處理下東南景天莖和葉對(duì)Zn、Cd的遷移系數(shù)和富集系數(shù)

利用東南景天進(jìn)行重金屬Zn、Cd污染土壤修復(fù)，除了明確東南景天對(duì)Zn、Cd的耐性以及累積能力，還應(yīng)研究東南景天由根向莖、葉遷移Zn、Cd的能力。利用植物的富集系數(shù)和遷移系數(shù)描繪植物對(duì)重金屬的吸收和運(yùn)輸是受學(xué)界普遍認(rèn)可的科學(xué)方法。東南景天對(duì)Zn、Cd的富集系數(shù)和遷移系數(shù)和如表5所示。

表5 東南景天莖和葉對(duì)Zn、Cd的遷移系數(shù)和富集系數(shù)

由表5可知，Zn脅迫下，東南景天莖葉的遷移系數(shù)先增大后減小。說(shuō)明在一定范圍內(nèi)Zn濃度的增加促進(jìn)了東南景天體內(nèi)的Zn從根部到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，這種促進(jìn)作用隨Zn濃度上升而繼續(xù)增加，達(dá)到較高水平時(shí)又逐漸降低。相同條件下，東南景天對(duì)Cd的遷移規(guī)律類似于對(duì)Zn的遷移，東南景天對(duì)Cd的遷移系數(shù)和富集系數(shù)低于Zn。

3 結(jié)論

東南景天受單一Zn脅迫下，其根部Zn含量隨著土壤中Zn濃度的增加極顯著升高。東南景天莖和葉的Zn含量隨著土壤中Zn濃度的增加先上升，到土壤中Zn濃度達(dá)到500mg/kg時(shí)急劇下降。東南景天對(duì)Zn的富集系數(shù)隨著土壤中Zn濃度的增加呈先升高后降低，葉的富集系數(shù)隨著土壤中Zn濃度的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)。東南景天的遷移系數(shù)隨著土壤中Zn濃度的變化呈波動(dòng)趨勢(shì)，隨著處理濃度的增加先增加后急劇減小。表明在東南景天正常生長(zhǎng)的土壤Zn濃度范圍內(nèi)(≤500mg/kg)，東南景天具有較強(qiáng)的向莖、葉轉(zhuǎn)運(yùn)Zn的能力。

東南景天受單一Zn脅迫下，其根中Cd含量隨著土壤中Cd濃度的增加先增加后降低，到土壤中Cd濃度達(dá)到500mg/kg時(shí)急劇下降。東南景天莖和葉的Cd含量隨著土壤中Cd濃度的增加緩慢上升。東南景天對(duì)Cd的富集系數(shù)隨著土壤中Cd濃度的增加呈先升高后降低，葉的富集系數(shù)隨著土壤中Zn濃度的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)。東南景天對(duì)Cd的遷移系數(shù)隨著土壤中Cd濃度的變化呈波動(dòng)趨勢(shì)，隨著處理濃度的增加先增大后急劇減小。

在Zn、Cd雙重脅迫下的東南景天的生長(zhǎng)是劣于同濃度下單一Zn或Cd脅迫下的生長(zhǎng)。

東南景天具有對(duì)Zn的較好吸收特性和一定的耐Zn毒性能力以及對(duì)Cd較強(qiáng)的耐性和富集能力為東南景天修復(fù)Cd污染土壤以及低Zn濃度的Zn-Cd復(fù)合污染土壤提供了可能。