王天順,陳 偉,蔣文艷,楊玉霞,段維興,王海軍,李曉妤,廖 潔,莫磊興

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與檢測(cè)技術(shù)研究所，廣西 南寧 530007； 2.廣西甘蔗種質(zhì)資源圃，廣西 南寧 530007)

工農(nóng)業(yè)及經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展以及長(zhǎng)期、大量、不合理施用農(nóng)用化肥、工業(yè)廢水，致使農(nóng)田土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類健康帶來了潛在的威脅[1]，因此有必要對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，而植物提取修復(fù)土壤重金屬污染是當(dāng)今研究最多且最有發(fā)展前景的一種綠色技術(shù)。斑茅作為一種野生植物，具有抗寒、抗旱、抗鹽、抗病蟲等特性，逆境生存能力強(qiáng)。黃紅英等[2]通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，斑茅對(duì)Cd、Zn、Pb、Cu 具有一定的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力。由于斑茅生長(zhǎng)繁殖快、生物量大、根系發(fā)達(dá)，在同樣的生長(zhǎng)周期和空間內(nèi)能夠帶走的重金屬總量也大，斑茅作為修復(fù)植物的開發(fā)應(yīng)用具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。植物修復(fù)技術(shù)是生物修復(fù)技術(shù)中的一種，主要包括植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定等方式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在環(huán)境修復(fù)治理中對(duì)其應(yīng)用均有研究[3-4]，有些已初步進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段[5]。楊肖娥等[6]發(fā)現(xiàn)Zn超積累植物東南景天，陳同斌等[7]發(fā)現(xiàn)As超積累植物蜈蚣草，蘇德純等[8]發(fā)現(xiàn)Cd超積累植物油菜，劉威等[9]發(fā)現(xiàn)Cd超積累植物寶山堇菜，張學(xué)洪等[10]發(fā)現(xiàn)Cr超積累植物李氏禾，薛生國(guó)等[11]發(fā)現(xiàn)Mn超積累植物商陸，LIU等[12]發(fā)現(xiàn)Mn超積累植物青葙。斑茅作為廣泛的野生植物資源，在華南地區(qū)分布廣泛，其對(duì)重金屬的吸收富集研究大多集中在野外調(diào)查分析，在復(fù)合污染條件下其對(duì)重金屬吸收富集轉(zhuǎn)運(yùn)研究還鮮見報(bào)道。因此，以此為切入點(diǎn)，在不同重金屬復(fù)合污染條件下，研究斑茅的生長(zhǎng)狀況和對(duì)重金屬的吸收富集轉(zhuǎn)運(yùn)特征，旨在闡明其對(duì)復(fù)合重金屬污染的耐受能力、吸收富集能力及轉(zhuǎn)運(yùn)能力，以期為斑茅在重金屬污染土壤中的提取修復(fù)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為禾本科蔗茅屬植物斑茅(SaccharumarundinaceumRetz.)，具有分蘗力強(qiáng)、高大叢生、抗旱性強(qiáng)等特性。斑茅采自廣西甘蔗種質(zhì)資源圃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研試驗(yàn)核心區(qū)網(wǎng)室大棚中進(jìn)行，采用桶栽模擬方式，土壤取自廣西農(nóng)科院試驗(yàn)田耕層，土壤的基本理化性質(zhì):pH值(水與土比為5∶1)為5.90，有機(jī)質(zhì)含量為11.0 g/kg，土壤全Cd、全Zn、全Pb、全Cu含量分別為3.5、54.8、39.8、23.7 mg/kg。每桶裝試驗(yàn)用土18 kg。施加不同梯度含量的重金屬Cd、Zn、Pb、Cu于土壤中，采用直接移栽方式將斑茅種植于Cd、Zn、Pb、Cu復(fù)合污染的土壤中。污染土壤共設(shè)5個(gè)處理水平(T0、T1、T2、T3、T4)，其中，T0處理為對(duì)照，如表1所示。施加的重金屬形態(tài)為分析純的CdCl2·2.5H2O、ZnSO4·7H2O、Pb(NO3)2和CuSO4·5H2O，以固態(tài)形式加入土壤，充分拌勻后澆水浸泡，使添加的重金屬與土壤進(jìn)行充分平衡老化，1個(gè)月后移栽斑茅，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，每桶1株，根據(jù)土壤水分實(shí)際情況不定期澆水確保土壤水分，種植5個(gè)月后進(jìn)行收割處理，并測(cè)定斑茅中重金屬Cd、Zn、Pb、Cu的含量。

表1 重金屬復(fù)合污染試驗(yàn)不同處理Cd、Zn、Pb、Cu添加量Tab.1 Addition content of Cd，Zn，Pb and Cu in heavy metals combined pollution treatments mg/kg

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 斑茅全株鮮質(zhì)量的測(cè)定 收割后除去土壤，整株取出斑茅，先用自來水把根部沖洗干凈，并將根部放在20 mmol/L的Na2-EDTA溶液中浸泡3 h以除去表面吸附的重金屬，再用去離子水反復(fù)沖洗干凈，晾干水分后測(cè)量斑茅全株鮮質(zhì)量。

1.3.2 斑茅根、莖、葉中Cd、Zn、Pb、Cu含量的測(cè)定 將斑茅分為根、莖、葉三部分，105 ℃殺青30 min后，70 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，研磨樣品過0.5 mm篩后分別準(zhǔn)確稱取磨碎的根、莖、葉各0.200 0 g至微波消解罐中，加入3 mL H2O2和6 mL濃HNO3，蓋緊進(jìn)行微波消解，消解液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶，定容后再稀釋10～100倍，采用火焰-石墨爐原子吸收光譜儀(PE900T)測(cè)定溶液中Cd、Zn、Pb、Cu含量。

1.4 富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)計(jì)算

富集系數(shù)(Concentration factor,BCF)=植株組織重金屬含量/土壤重金屬含量。

轉(zhuǎn)移系數(shù)(Translocation factor,TF)=植株地上部組織重金屬含量/植株根部重金屬含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

采用 SPSS 18.1 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析，采用Excel 2018軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同重金屬復(fù)合污染處理對(duì)斑茅鮮質(zhì)量的影響

不同處理斑茅地上部鮮質(zhì)量如圖1所示。斑茅地上部生物量隨著重金屬Cd、Zn、Pb、Cu復(fù)合污染物含量的增加呈逐漸減小趨勢(shì)。與T0處理相比，只有T1處理斑茅地上部鮮質(zhì)量略有下降；T2、T3、T4處理受復(fù)合重金屬含量影響，斑茅地上部鮮質(zhì)量下降明顯，分別降低20.60%、25.11%、26.71%。結(jié)果表明，高含量的復(fù)合重金屬處理使斑茅的生長(zhǎng)受到一定程度的抑制，但各處理下斑茅葉片、根系均未發(fā)現(xiàn)毒害現(xiàn)象，據(jù)此可推測(cè)在復(fù)合重金屬含量大于T4處理的一定幅度范圍內(nèi)，斑茅依然可以存活。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters mean significant difference among different treatments(P<0.05)圖1 Cd、Zn、Pb、Cu復(fù)合污染試驗(yàn)不同處理下斑茅地上部鮮質(zhì)量Fig.1 The fresh weights of Saccharum arundinaceum Retz.under different treatments of heavy metals Cd,Zn,Pb,Cu combined pollution

2.2 不同重金屬復(fù)合污染處理下斑茅根、莖、葉中的Cd、Zn、Pb、Cu含量

不同重金屬復(fù)合污染處理下斑茅根、莖、葉中的Cd、Zn、Pb、Cu含量見表2。

在不同Cd、Zn、Pb、Cu復(fù)合污染處理下，隨著重金屬含量的增加，斑茅根、莖、葉組織中Cd、Zn、Pb、Cu含量逐漸增大。T4處理根莖葉的Cd、Zn、Pb和Cu含量均達(dá)到最大，根部Cd、Zn、Pb、Cu的最大含量分別為104.4、2 486.0、379.7、1 457.3 mg/kg，分別是對(duì)照T0的11.2、20.3、3.6、24.1 倍；莖部Cd、Zn、Pb、Cu的最大含量分別為32.3、1 461.7、77.6、25.3 mg/kg，分別是對(duì)照T0的17.0、108.3、1.2、2.4倍；葉部Cd、Zn、Pb、Cu的最大含量分別為13.6、488.5、21.7 g、43.5 mg/kg，分別是對(duì)照T0的68.0、45.2、14.5、10.6 倍。從各處理斑茅根莖葉中Cd、Zn、Pb、Cu含量來看，對(duì)于Cd和Pb，均是根中含量最大，莖中含量次之，葉中含量最??；但對(duì)于Zn，T1—T3處理呈現(xiàn)莖>根>葉的分布規(guī)律，T4處理相較于T1—T3處理，Zn含量大小分布為根>莖>葉;但對(duì)于Cu，T0—T2處理呈現(xiàn)根>莖>葉的分布規(guī)律，T3—T4處理相較于T0—T2處理，Cu含量分布為根>葉>莖。由此可見，在Cd、Zn、Pb、Cu復(fù)合污染土壤中種植斑茅，Cd、Pb、Cu主要富集在斑茅的根部，Zn主要富集在斑茅的根部及莖部。

2.3 不同重金屬復(fù)合污染處理下斑茅莖葉中Cd、Zn、Pb、Cu的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn)

在不同重金屬復(fù)合污染處理下，斑茅對(duì)Cd、Zn、Pb、Cu的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)見表3。

在不同Cd、Zn、Pb、Cu復(fù)合污染處理下，斑茅根中Cd、Zn、Pb、Cu的富集系數(shù)分別為2.64～4.44、1.42～2.91、0.66～2.62、1.34～3.44。除T0處理外，斑茅根中Cd、Zn、Cu的富集系數(shù)隨著復(fù)合污染土壤中Cd、Zn、Cu含量的增大而增大，但斑茅根中Pb的富集系數(shù)隨著復(fù)合污染土壤中Pb含量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

表2 Cd、Zn、Pb、Cu復(fù)合污染試驗(yàn)不同處理下斑茅根、莖、葉中Cd、Zn、Pb、Cu的含量

注：同列后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。

Note： Different lowercases in the same column mean significant differences between different treatments(P<0.05),the same below.

表3 Cd、Zn、Pb、Cu復(fù)合污染試驗(yàn)不同處理下斑茅莖、葉中Cd、Zn、Pb、Cu的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Tab.3 Concentration factors and translocation factors of Cd，Zn，Pb，Cu in stem and leaf of Saccharum arundinaceum Retz.under different treatments of heavy metals combined pollution

在不同Cd、Zn、Pb、Cu復(fù)合污染處理下，斑茅莖中Cd、Zn、Pb、Cu的富集系數(shù)分別為0.54～1.62、0.25～2.44、0.18～1.60、0.06～0.45；轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.20～0.58、0.11～1.43、0.20～0.61、0.02～0.18。其中，T2處理斑茅莖中Cd的富集系數(shù)最大，達(dá)到1.62,T1處理斑茅莖中Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，達(dá)到0.58；T3處理斑茅莖中Zn的富集系數(shù)最大，達(dá)到2.44,T1處理斑茅莖中Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，達(dá)到1.43；T4處理斑茅莖中Pb的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)均最小，分別為0.18、0.20，由此可見，Pb含量越高越不利于斑茅莖部對(duì)Pb的富集和轉(zhuǎn)移；在T0—T4處理中，斑茅莖中Cu的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)均隨土壤中Cu含量的增加呈逐漸減小趨勢(shì)，最小富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.06、0.02。

在不同Cd、Zn、Pb、Cu復(fù)合污染處理下，斑茅葉中Cd、Zn、Pb、Cu的富集系數(shù)分別為0.06～0.58、0.13～0.57、0.02～0.07、0.06～0.17；轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.02～0.13、0.09～0.20、0.01～0.09、0.03～0.08。在T1—T4處理中，斑茅葉中Cd、Zn的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)均隨著Cd、Zn含量的增加而升高；而斑茅葉中Pb的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)均隨著Pb含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；T0處理斑茅葉中Cu的富集系數(shù)最大，達(dá)到0.17，此時(shí)Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.07。

3 結(jié)論與討論

隨著復(fù)合污染土壤中Cd、Zn、Pb、Cu含量的增加，本研究重金屬含量范圍內(nèi)斑茅根莖葉各部均沒有毒害特征出現(xiàn)，表現(xiàn)出一定的耐性，證明斑茅在一定含量重金屬復(fù)合污染環(huán)境中可以正常生長(zhǎng)。胡鵬杰等[13]發(fā)現(xiàn)，在Cd 質(zhì)量濃度≤20 mg/L時(shí)，長(zhǎng)柔毛委陵菜能夠正常生長(zhǎng)。熊愈輝等[14]的研究也表明，在臨界濃度分別為500 μmol/L和1 000 μmol/L以下時(shí)，Cd和Pb對(duì)東南景天的生長(zhǎng)基本無抑制作用。本研究表明，低Cd、Zn、Pb、Cu含量處理對(duì)斑茅生物量基本沒有影響，但伴隨重金屬含量升高斑茅生物量逐漸減小，這與許多試驗(yàn)植物對(duì)重金屬的生理響應(yīng)結(jié)果類似。如楊俊等[15]研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cu、Pb 和As復(fù)合污染物含量增加，蓖麻、蜈蚣草、印度芥菜和向日葵的生物量均顯著下降。孫健等[16]在Cd、Pb、Cu、Zn和As 5種重金屬復(fù)合脅迫下種植燈心草，其地上部生長(zhǎng)受到一定程度的抑制，其研究發(fā)現(xiàn)，在土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)上限值條件下種植燈心草，地上部生物量減9.15%。廖琴等[17]研究表明，伴隨土壤中Cd、Pb、Zn、Ni 復(fù)合污染水平的提高，芹菜地上部生物量明顯下降。以上研究表明，當(dāng)土壤重金屬復(fù)合含量超過一定限度時(shí)，植物各組織的生理生長(zhǎng)代謝和營(yíng)養(yǎng)吸收均會(huì)受到不同程度的影響，其生長(zhǎng)發(fā)育也會(huì)表現(xiàn)不同程度的抑制。

隨著復(fù)合污染土壤中Cd、Zn、Pb、Cu含量的增加，斑茅根、莖、葉組織中的Cd、Zn、Pb、Cu含量也逐漸增加，研究發(fā)現(xiàn)，Cd、Pb、Cu在斑茅組織中的含量順序?yàn)楦?莖>葉，這與大多數(shù)植物在重金屬環(huán)境中的組織積累結(jié)果一致。許中堅(jiān)等[18]研究表明，與對(duì)照相比，在Pb、Zn、Cd復(fù)合污染條件下，芥菜和油菜體內(nèi)重金屬含量顯著提高，且其地下部重金屬含量高于地上部含量。茹淑華等[19]發(fā)現(xiàn)，隨著土壤Cu、Zn、Pb、Cd含量的增加，番茄根中Cu、Zn、Pb、Cd的含量明顯增大，莖葉中Zn、Cd含量也呈明顯的上升趨勢(shì)，番茄對(duì)同一重金屬元素的富集能力順序?yàn)楦?莖葉>果實(shí)。林詩悅等[20]研究表明，在Cd、Zn、Pb復(fù)合污染土壤中，龍葵和印度芥菜對(duì)重金屬Cd、Zn 具有較強(qiáng)的富集與忍耐能力，且其吸收富集量隨土壤中重金屬含量的增加而增加，龍葵和印度芥菜地下部對(duì)重金屬Pb的吸收富集能力大于地上部。以上研究表明，植物各組織中重金屬含量與復(fù)合污染土壤中各種金屬的含量密切相關(guān)，總的來講，植株各組織部位重金屬含量隨著土壤重金屬含量的增大而增大。

本研究表明,土壤中Cd、Zn、Pb、Cu 4 種重金屬元素在斑茅不同部位的富集系數(shù)存在較大差別?？傮w上看,斑茅對(duì)Cd、Zn的富集能力較強(qiáng),其次是Pb、Cu。除T0處理外，同一處理水平時(shí)4種重金屬在斑茅中的富集系數(shù)受重金屬含量的影響表現(xiàn)為莖部Zn>Cd>Pb>Cu，葉部Cd>Zn>Cu>Pb。這或許與重金屬元素在植物體內(nèi)的生物化學(xué)過程及植物對(duì)其吸收和運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制密切相關(guān)[21]。本研究表明，斑茅不同部位對(duì)重金屬的富集系數(shù)也存在一定差別,除T3、T4處理重金屬Cu富集系數(shù)為葉>莖外，其他處理表現(xiàn)為莖>葉。許中堅(jiān)等[22]研究證實(shí)，復(fù)合污染土壤中Cu、Zn、Cd、Pb 4種重金屬元素在萵苣不同部位的富集系數(shù)也存在一定差別,表現(xiàn)為根>葉>莖。廖琴等[17]發(fā)現(xiàn)，Cd、Pb、Zn、Ni 4種重金屬在芹菜根部的富集系數(shù)大于地上部的富集系數(shù)，證實(shí)芹菜根部對(duì)Cd、Pb、Zn、Ni吸收累積能力大于地上部。

轉(zhuǎn)移系數(shù)是植株地上部組織重金屬含量/植株根部重金屬含量[23]，可以表征植物根部向地上組織運(yùn)輸重金屬的能力。本研究表明，在復(fù)合污染條件下斑茅莖部對(duì)Cd、Pb、Cu 3種重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，且同一重金屬元素在不同處理之間的轉(zhuǎn)移系數(shù)不同。除T0處理外隨著不同處理重金屬含量的增加，斑茅莖部Cd、Zn、Pb、Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)逐漸減小，而葉部Cd、Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)逐漸增大，葉部Pb、Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)先增大后減小。廖琴等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合污染條件下，芹菜對(duì)Cd、Pb、Zn、Ni的轉(zhuǎn)移能力和規(guī)律與本研究有類似之處。林詩悅等[20]研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤中復(fù)合重金屬含量的增加，芥菜和油菜對(duì)Pb、Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)能力總體上呈減小趨勢(shì)，證明芥菜和油菜對(duì)Pb、Zn的吸收更多集中在根部。

綜上，低含量的重金屬復(fù)合污染土壤，對(duì)斑茅地上部鮮質(zhì)量影響不大，但高含量則對(duì)斑茅地上部鮮質(zhì)量有抑制作用。斑茅地上部莖、葉對(duì)Cd、Zn表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性和富集能力，莖、葉中Cd含量最大分別為32.3、13.6 mg/kg，Zn的含量最大分別為1 461.7、488.5 mg/kg，并具有一定的轉(zhuǎn)移能力，斑茅可作為Cd、Zn污染土壤的修復(fù)植物。