礦區(qū)植物假繁縷對鉛、鋅積累特性的研究

葉林春,張青松,蔣小軍,朱雪梅*,林立金,邵繼榮

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川 雅安 625014；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 都江堰 611830；3.雅安水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分站,四川 雅安 625000；4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與理學(xué)院,四川 雅安 625014)

礦區(qū)植物假繁縷對鉛、鋅積累特性的研究

葉林春1,張青松1,蔣小軍2,朱雪梅1*,林立金3,邵繼榮4

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川 雅安 625014；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 都江堰 611830；3.雅安水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分站,四川 雅安 625000；4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與理學(xué)院,四川 雅安 625014)

采用溫室砂培盆栽試驗研究了假繁縷(Pseudostellaria maximowicziana)對鉛、鋅積累的影響.結(jié)果表明,在所設(shè)定的重金屬濃度范圍內(nèi),假繁縷根干質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量、根冠比及植株鉛、鋅含量均隨所施鉛、鋅濃度的增加呈增大的趨勢.根和地上部分鉛含量最大值分別為 1386.08,1197.93mg/kg;鋅含量最大值分別為 9250.50,8243.15mg/kg.植株鉛和鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)均<1;但根和地上部分的鉛、鋅富集系數(shù)均>1.偏相關(guān)分析表明,假繁縷根和地上部分鉛、鋅的吸收間可能產(chǎn)生協(xié)同或加和作用.

假繁縷(Pseudostellaria maximowicziana)；鉛；鋅；積累特性

Abstract：Effects of Pseudostellaria maximowicziana accumulating Pb and Zn were studied. Pot plant experiment was carried out in the sand growth incubator. Both the biomass of Pseudostellaria maximowicziana in the roots and the shoots and the ratio of root to shoot (W/W) had increased, also the Pb contents of Pseudostellaria maximowicziana and the Zn contents increased as well with increasing of concentrations of Pb and Zn in nutrient solution. The highest Pb contents in the roots and the shoots of Pseudostellaria maximowicziana were 1386.08mg/kg and 1197.93mg/kg respectively, and the Zn contents were 9250.50mg/kg and 8243.15mg/kg respectively. Both Pb and Zn translocation coefficients of Pseudostellaria maximowicziana were less than 1, but both the Pb and Zn enrichment coefficients in roots and shoots of Pseudostellaria maximowicziana were more than 1. The partial correlation analysis indicated that the absorbing of Pb and Zn in roots and shoots of Pseudostellaria maximowicziana could have a synergistic or additive effect.

Key words：Pseudostellaria maximowicziana；Pb；Zn；characteristics of accumulation

植物修復(fù)是一項環(huán)境友好的重金屬污染土壤修復(fù)方法,尤其是超富集植物在修復(fù)重金屬污染土壤上得到了應(yīng)用.采用礦區(qū)篩選出的富集植物來修復(fù)重金屬污染土壤修復(fù)已成為環(huán)境生態(tài)研究的熱點之一[1-6].目前國內(nèi)外報道的鉛鋅超富集植物和富集植物不多,已報道的鉛鋅超富集植物有雙穗雀稗[Paspalum paspaloides (Michx.) Scribn.][7]、土荊芥(Chenopodium ambrosioides L.)[8]和東南景天(Sedum alfredii Hance)[9]等,且絕大部分是在采礦區(qū)和冶煉廠被發(fā)現(xiàn)的.而鉛鋅富集植物也僅有高羊茅、黑麥草和蜈蚣草等[10-11].因此,篩選鉛鋅礦區(qū)自然定植的富集植物并研究其對重金屬的富集特性具有重要意義.本課題組通過前期對四川省漢源縣團(tuán)寶山鉛鋅礦區(qū)的優(yōu)勢草本植物物種調(diào)查與篩選發(fā)現(xiàn),假繁縷(Pseudostellaria maximowicziana)對鉛的富集能力強,可以初步確定為鉛富集植物[12].為了進(jìn)一步確定假繁縷對鉛、鋅的富集特性,通過砂培盆栽試驗,研究了鉛鋅復(fù)合作用條件下,假繁縷植株對鉛、鋅的積累特性,以期能進(jìn)一步確定該植物的富集特征,并能為利用本地植物修復(fù)鉛鋅污染的土壤提供新材料.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

團(tuán)寶山鉛鋅礦位于四川省雅安市漢源縣境內(nèi),礦區(qū)多年平均氣溫4.3℃.年降雨量3869mm,相對濕度 75 %,年平均蒸發(fā)量1421mm,年平均日照時數(shù)1381.4h.經(jīng)調(diào)查,該礦區(qū)的植被覆蓋率達(dá) 85%以上,植被以草本為主,其中優(yōu)勢植物物種主要有禾本科的蔗茅[Erianthus rufipilus (Steud.) Griseb]和黑穗畫眉草(Eragrostis nigra Nees ex Steud.),菊科的野菊(Chrysanthemum indicum L.)、艾蒿(Artemisia argyi Levl. Et Vant)和三葉鬼針草(Bidens pilosa L.),石竹科的緣毛卷耳(Cerastium furcatum Cham. et Schlecht)和假繁縷[Pseudostellaria maximowicziana(Franch.et Savat.) Pax.],蓼科的羊蹄(Rumex japonicus Houtt),莎草科的叢毛羊胡子草(Eriophorum comosum Nees)等.它們在礦區(qū)廣泛分布,但以假繁縷的分布最廣,且生長良好,生物量大.

1.2 供試材料

前期野外調(diào)查和室內(nèi)測定發(fā)現(xiàn),假繁縷根和地上部分的鉛含量分別為 1018.33,718.2mg/kg;鋅含量分別為 1102.90,1034.10mg/kg,達(dá)到鉛富集植物的標(biāo)準(zhǔn)[13].在此基礎(chǔ)上,再從礦區(qū)采集假繁縷健壯幼株(約15片葉、5cm高)作為盆栽試驗材料,進(jìn)一步研究其鉛、鋅富集特性.

1.3 室內(nèi)培養(yǎng)

將幼株用改進(jìn)的Hoagland 營養(yǎng)液進(jìn)行盆栽,營養(yǎng)液按胡宗達(dá)[14]等的方法配置.以石英砂作培養(yǎng)基質(zhì)(砂過2mm篩,經(jīng)2% HNO3溶液浸泡過夜,用去離子水沖洗,晾干)裝入高 13cm×直徑 12cm的塑料盆中,每盆裝砂 500g.然后將幼苗植入盆中,每盆3株,在人工氣候培養(yǎng)箱(PX2-310D)培養(yǎng),箱內(nèi)光照設(shè)為20000lx,光照時數(shù)12h/d,相對濕度75%,白天平均溫度為 26℃,夜間為 22℃.植株培養(yǎng)60d后收獲,培養(yǎng)期間,每隔3d澆1次Hoagland營養(yǎng)液,每次40mL/盆;每隔2d澆一次去離子水,每次30mL/盆.

1.4 試驗處理

預(yù)培養(yǎng) 14d后進(jìn)行鉛鋅處理,鉛鋅處理為 2因素 5水平試驗,鉛處理濃度設(shè)為 0,50,100,200, 400mg/L,分別設(shè)為P0、P1、P2、P3和P4;鋅處理濃度設(shè)為 0,100,300,500,700mg/L,分別設(shè)為Z0、Z1、Z2、Z3和Z4,每個處理重復(fù)3次.鉛鋅試劑分別采用分析純的Pb(CH3COO)2? 3H2O和ZnSO4? 7H2O,每隔5d澆一次相應(yīng)濃度的鉛、鋅溶液,每次 15mL/盆(恰好浸透砂基剛有溶液溢出),處理時間為60d,共澆鉛、鋅溶液10次.

1.5 測定方法

用原子吸收分光光度計(日本島津 A-6300)測定重金屬含量,結(jié)果以每 kg(干質(zhì)量)中鉛或鋅的mg數(shù)表示(mg/kg).富集系數(shù)以植物地上部分重金屬含量與處理溶液中重金屬濃度之比計量

[15-16].轉(zhuǎn)運系數(shù)以植物地上部重金屬含量與植物地下部重金屬含量之比.

1.6 數(shù)據(jù)處理

用Excel作圖,用DPS軟件進(jìn)行方差分析及偏相關(guān)分析.

2 結(jié)果與分析

本試驗是砂培試驗.砂子的作用一是支撐固定植物,二是在砂子空隙間保留一定量的營養(yǎng)液和空氣供植物吸收之用.砂子用前全部都經(jīng)過了處理,除去了其他雜物對植物生長的影響.同時,砂子本身對離子的吸附能力很弱,可以忽略.在施入重金屬溶液時,多余部分可以通過盆底小孔滲漏出去,不會在盆中積聚,且新施入溶液會把原來砂子中的溶液替換掉.因此,砂子空隙中的重金屬溶液濃度基本保持不變.根據(jù)前人水培或砂培研究,如顧超等[15]、閔運江等[16],富集系數(shù)的計算方法為植物地上部分重金屬含量與溶液中重金屬含量的比值,因而本文中所采用的富集系數(shù)計算均是施加的溶液中重金屬濃度.

2.1 鉛鋅復(fù)合作用下對假繁縷生物量的影響

由表1可見,在鉛濃度為50,100,200mg/L時,假繁縷根和地上部分干質(zhì)量均隨鋅濃度的升高而增大;當(dāng)鉛濃度為0,400mg/L時,其根和地上部分干質(zhì)量隨鋅濃度的增加呈先增后降的變化趨勢.當(dāng)鋅濃度為0,100mg/L時,假繁縷根干質(zhì)量隨鉛濃度的增加呈波狀起伏變化,地上部分干質(zhì)量則為先增后降的變化;當(dāng)鋅濃度為 300,500mg/L時,假繁縷根和地上部分干質(zhì)量均隨鉛濃度的增加而增大;當(dāng)鋅濃度為700mg/L時,其根和地上部分干質(zhì)量均隨鉛濃度的增加呈先增后降的變化.假繁縷根和地上部分干質(zhì)量在鉛濃度為400mg/L,鋅濃度為300mg/L時達(dá)到最大值,分別為1.62g/株和10.33g/株,表明假繁縷對鉛鋅復(fù)合作用表現(xiàn)出較強的抗性和耐性.方差分析表明,各處理濃度間假繁縷根干質(zhì)量及地上部分干質(zhì)量的差異均達(dá)極顯著水平(P<0.01).

表1 鉛鋅復(fù)合作用下對假繁縷生物量的影響Table 1 Effects of Pb and Zn on the biomass of Pseudostellaria maximowicziana

2.2 鉛鋅復(fù)合作用下假繁縷對鉛、鋅的積累

2.2.1 假繁縷對鉛的積累 由圖1可見,在鉛鋅復(fù)合作用條件下,鉛在假繁縷體內(nèi)的分布為:根>地上部分.在鉛濃度<400mg/L時,假繁縷根和地上部分鉛含量均隨鋅濃度的增大而增加;當(dāng)鉛濃度為400mg/L時,假繁縷根中鉛含量隨鋅濃度的增大而增加,而地上部分鉛含量則隨鋅濃度的增大先增后降.當(dāng)鋅濃度為 0,100,700mg/L時,假繁縷根和地上部分鉛含量均隨鉛濃度的升高呈先增后降的變化趨勢;當(dāng)鋅濃度為300,500mg/L時,假繁縷根和地上部分鉛含量則均隨鉛濃度的增加而增加.假繁縷根和地上部分鉛含量最大值出現(xiàn)在鉛濃度為200mg/L,鋅濃度為700mg/L時,其值分別為 1386.08,1197.93mg/kg.方差分析表明,各處理濃度間假繁縷根和地上部分鉛含量的差異均達(dá)極顯著水平(P<0.01).

2.2.2 假繁縷對鋅的積累 由圖2可見,在鉛鋅復(fù)合作用條件下,鋅在假繁縷體內(nèi)的分布規(guī)律和鉛的分布大致相同.在鋅濃度一定時,假繁縷根和地上部分鋅含量均隨鉛濃度的增而增加.假繁縷根和地上部分鋅含量分別在鉛濃度為 400mg/L,鋅濃度為700mg/L,鉛濃度為400mg/L,鋅濃度為500mg/L 時達(dá)到最大,其值分別為 9250.50, 8423.15mg/kg.方差分析表明,各處理濃度間假繁縷根和地上部分的鋅含量的差異均達(dá)極顯著水平(P<0.01).

2.2.3 鉛、鋅濃度與植株鉛、鋅含量的偏相關(guān)分析 從表2可以看出,假繁縷根和地上部分鉛含量與所施鉛、鋅濃度均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,鋅的加入,促進(jìn)了假繁縷根和地上部分對鉛的吸收和富集;而鉛的加入,也促進(jìn)了假繁縷根和地上部分對鋅的吸收和富集,但高濃度的鉛又抑制了假繁縷根和地上部分鋅的吸收和富集.這說明在本試驗濃度范圍內(nèi),施用的鉛、鋅對假繁縷根和地上部分鉛含量均產(chǎn)生了復(fù)合效應(yīng),即鉛鋅復(fù)合作用可能使鉛、鋅間產(chǎn)生了協(xié)同或加和作用.

假繁縷根和地上部分鋅含量與所施鉛濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,根鋅含量與所施鋅濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,而地上部分鋅含量與所施鋅濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系.這說明在本試驗濃度范圍內(nèi),施用的鉛、鋅對根和地上部分鋅含量均產(chǎn)生了復(fù)合效應(yīng),即鉛鋅復(fù)合作用可能使鉛、鋅間產(chǎn)生了協(xié)同或加和作用.

圖1 鉛鋅復(fù)合作用下假繁縷對鉛的積累Fig.1 Effects of Pb and Zn on the Pb accumulation of Pseudostellaria maximowicziana

圖2 鉛鋅復(fù)合作用下假繁縷對鋅的積累Fig.2 Effects of Pb and Zn on the Zn accumulation of Pseudostellaria maximowicziana

表2 鉛、鋅濃度與植株鉛、鋅含量的偏相關(guān)系數(shù)Table 2 Partial correlations of Pb and Zn concentrations in solution and contents in Pseudostellaria maximowicziana

2.3 鉛鋅復(fù)合作用下假繁縷對鉛、鋅富集系數(shù)的影響

2.3.1 鉛鋅復(fù)合作用下假繁縷對鉛的富集系數(shù) 由表3可見,在鉛鋅復(fù)合作用下,假繁縷根和地上部分的鉛富集系數(shù)均大于1,且根>地上部分.在鉛濃度一定時,假繁縷根和地上部分鉛富集系數(shù)隨鋅濃度的升高而減小;在鋅濃度一定時,假繁縷根和地上部分鉛富集系數(shù)隨鉛濃度的升高呈增大的趨勢.假繁縷根和地上部分鉛富集系數(shù)最大值出現(xiàn)在鉛濃度為 400mg/L、鋅濃度為100mg/L時,其值分別為22.28和13.50,最小值出現(xiàn)在鉛濃度為0、鋅濃度為700mg/L時,其值分別為1.85和1.34.

2.3.2 鉛鋅復(fù)合作用下假繁縷對鋅的富集系數(shù) 由表 3 可見,在鉛濃度一定時,隨鋅濃度的增加,假繁縷根和地上部分鋅富集系數(shù)均呈增大的趨勢.在鋅濃度一定時,隨鉛濃度的增加,假繁縷根和地上部分鋅富集系數(shù)則呈先增后降的趨勢.假繁縷根和地上部分的最小富集系數(shù)出現(xiàn)在鉛濃度為700mg/L、鋅濃度為100mg/L時,其值分別為10.93和9.51;最大為鉛濃度為100mg/L、鋅濃度為700mg/L時,其值分別為68.40和58.14.

表3 鉛鋅作用下假繁縷對鉛、鋅的富集系數(shù)的影響Table 3 Effects of Pb and Zn on the Pb and Zn enrichment coefficients of Pseudostellaria maximowicziana

2.4 鉛鋅復(fù)合作用下假繁縷對鉛、鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響

2.4.1 鉛鋅復(fù)合作用下假繁縷對的鉛轉(zhuǎn)運系數(shù) 由表 4可見,在鉛鋅復(fù)合作用下,假繁縷鉛轉(zhuǎn)運系數(shù)隨鉛濃度的升高而大體呈增大的趨勢.在鉛濃度為 0時,鉛轉(zhuǎn)運系數(shù)隨鋅濃度的增加無明顯變化.在鉛濃度為 400mg/L時,鉛轉(zhuǎn)運系數(shù)隨鋅濃度的增大表現(xiàn)為先增后降,同時在鉛濃度為400mg/L,鋅濃度為500mg/L時達(dá)到最大,為0.91.在鋅濃度一定時,隨鉛的增加,鉛轉(zhuǎn)運系數(shù)呈先升后降的趨勢.

2.4.2 鉛鋅復(fù)合作用下假繁縷對的鋅轉(zhuǎn)運系數(shù) 由表 4可見,在鉛鋅復(fù)合作用下,假繁縷鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)隨所施鉛、鋅濃度的升高呈增大的趨勢,但在鉛濃度為400mg/L時,轉(zhuǎn)運系數(shù)隨鋅濃度的增加先增后降.假繁縷鋅轉(zhuǎn)運系數(shù)在鉛濃度為400mg/L,鋅濃度為500mg/L時達(dá)到最大值,為0.93.

3 討論

理想的超富集植物除滿足超富集植物界定的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)外[12],還應(yīng)具有生長期短、抗病蟲害和抗旱能力強、生物量大,能同時富集2種或2種以上的重金屬的特點[17].從植物對鉛、鋅含量的積累含量來看,按照 Brooks對超富集植物的定義,植物地上部分鉛和鋅含量分別大于 1000, 10000mg/kg,且地上部重金屬含量大于根部重金屬含量及富集系數(shù)大于1的植物才被稱為鉛鋅超富集植物.從本試驗的研究結(jié)果來看,雖在高濃度(鉛濃度為200,400mg/L和鋅濃度為500, 700mg/L)條件下,假繁縷地上部分鉛含量已超過了超富集植物鉛含量的臨界值,但在低濃度時,其鉛鋅含量未達(dá)到超富集植物鉛鋅含量的臨界值,且轉(zhuǎn)運系數(shù)小于1,因而未達(dá)到鉛超富集植物的標(biāo)準(zhǔn).但根據(jù)聶俊華等[18]認(rèn)為鉛含量大于 500mg/kg、鋅含量大于5000mg/kg,并能在鉛鋅污染條件下能正常生長的植物為富集植物.本試驗的假繁縷單株干質(zhì)量平均達(dá)到10.33g,且生長良好.同時假繁縷根和地上部分鉛含量均超過了 500mg/kg,說明它具備富集植物的特征,能相對有效地從環(huán)境中吸收鉛.因此,可以確定假繁縷為鉛富集植物.

表4 鉛鋅復(fù)合作用下假繁縷對鉛、鋅的轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 4 Effects of Pb and Zn on the Pb and Zn translocation coefficients of Pseudostellaria maximowicziana

本試驗為砂培試驗,假繁縷對重金屬鉛鋅的吸收更為直接,其根和地上部分的富集系數(shù)均大于 1.轉(zhuǎn)運系數(shù)用來評價植物將重金屬從根向地上部的運輸和富集能力,其數(shù)值大于 1意味著被植物地上部吸收的重金屬含量大于根吸收重金屬含量[10,19].本試驗中假繁縷的鉛、鋅的富集系數(shù)均大于 1,而根的富集系數(shù)大于地上部分.從轉(zhuǎn)運系數(shù)來看,假繁縷根和地上部分的鉛、鋅的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于 1,這意味著被假繁縷地上部吸收的鉛鋅含量小于地下部吸收鉛鋅含量,但其地上部分生物量較大,生長周期較短,也可作為鉛鋅礦區(qū)污染土壤修復(fù)的備用植物.

4 結(jié)論

4.1 鉛鋅復(fù)合作用下,隨所施鉛鋅濃度的增大,假繁縷生物量、植株鉛、鋅含量呈增大的趨勢,是一種鉛富集植物.

4.2 鉛鋅復(fù)合作用下,假繁縷根的富集系數(shù)要高于地上部分,且根和地上部分的鉛、鋅的富集系數(shù)均大于 1,但根的富集系數(shù)大于地上部分,且根和地上部分的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1.

4.3 假繁縷根和地上部分鉛、鋅的吸收間可能產(chǎn)生協(xié)同或加和作用.

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Characteristics of accumulating lead and zinc by diggings plant Pseudostellaria maximowicziana.

YE Lin-chun1, ZHANG Qing-song1, JIANG Xiao-jun2, ZHU Xue-mei1*, LIN Li-jin3, SHAO Ji-rong4
(1.College of Resource and Environment, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China；2.Sichuan Water Conservancy Vocational College, Dujiangyan 611830, China；3.Ya’an Soil and Water Conservation Monitoring Substation, Ya’an 625000, China；4.College of Biology and Science, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China). China Environmental Science, 2010,30(2)：239～245

X503

A

1000-6923(2010)02-0239-07

2009-06-20

四川省科技廳2008年科技支撐計劃項目(2008FZ0180)

* 責(zé)任作者, 教授, zhubroad@163.com

葉林春(1984-),女,廣西桂林人,四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院碩士研究生,主要從事環(huán)境生態(tài)工程及生態(tài)恢復(fù)研究.