鉛鋅尾礦區(qū)優(yōu)勢草本植物體內(nèi)鉛及氮、磷、鉀含量變化特征

張樹金，李廷軒，鄒同靜，熊劍

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都611130）

隨著工業(yè)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化，環(huán)境問題越來越受到人們關(guān)注，重金屬引起的土壤污染也日益成為環(huán)境、土壤科學(xué)工作者研究的熱點(diǎn)問題。鉛（Pb）已成為環(huán)境中最普遍的重金屬污染物之一，其主要來源于人類活動如采礦、冶煉、焚燒、含鉛汽油、顏料及化肥和殺蟲劑的施用等［1］。目前，國內(nèi)外用來降解或消除土壤重金屬的基本方法分為物理法、化學(xué)法和生物修復(fù)法三大類，但前2類方法往往投資昂貴，需用復(fù)雜的設(shè)備，大多數(shù)只能暫時緩解重金屬危害，而且有可能造成二次污染［2，3］。近年來，包括微生物、植物和動物3種方法在內(nèi)的生物修復(fù)技術(shù)成為土壤污染修復(fù)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域［4，5］。1983年，美國科學(xué)家Chaney首次提出了利用某些能夠富集重金屬的植物來清除土壤重金屬污染的設(shè)想——植物修復(fù)技術(shù)的設(shè)想，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)勢顯示出巨大的生命力，很快成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［6－8］。

國際上報(bào)道的超富集植物已有400多種，但其富集重金屬的種類還比較有限，其中超富集鎳的植物約占73%［9］。但有關(guān)植物對鉛超富集或富集以及其生物學(xué)過程則報(bào)道較少。通過對我國植物進(jìn)行廣泛的篩選和調(diào)查，首次發(fā)現(xiàn)我國一種原生鉛富集植物——東南景天（Sedum alfredii），其地上部最高鉛濃度可達(dá)1 182 mg／kg［10］。但現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的超富集植物通常生物量低，生長緩慢，修復(fù)效率低，難以形成較完善的植物修復(fù)技術(shù)以直接大規(guī)模應(yīng)用于修復(fù)實(shí)踐［11］。因此，各國學(xué)者就提高超富集植物的生物產(chǎn)量和積累重金屬的能力作了大量研究，主要通過采取改良土壤環(huán)境、增加土壤肥力等農(nóng)藝措施提高超富集植物的生長速度、生物產(chǎn)量以及地上部的重金屬積累量［12，13］。

氮、磷、鉀是植物必需的大量營養(yǎng)元素，在物質(zhì)組成和代謝過程中有重要的作用，是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸等重要物質(zhì)的合成和代謝過程中不可或缺的組分［14］。植物缺乏大量營養(yǎng)元素的一種或幾種均會導(dǎo)致物質(zhì)組成和代謝的紊亂，進(jìn)而引起植物品質(zhì)、生物量和產(chǎn)量的下降。已有研究表明，氮、磷、鉀均能顯著影響超富集植物對鉛的吸收能力［15，16］。但對重金屬與大量營養(yǎng)元素分布特點(diǎn)及其交互關(guān)系的研究不多，而從植物整個生長時期，研究植物重金屬與大量營養(yǎng)元素的相關(guān)性甚少［17］。因此，在2007年對三合鉛鋅尾礦區(qū)的調(diào)查基礎(chǔ)上，從22種草本植物中篩選出9種優(yōu)勢植物，并于2008年對其氮、磷、鉀和鉛含量進(jìn)行分析研究。旨在探討不同生長時期植物鉛及氮、磷、鉀元素分布情況及其相關(guān)性，弄清大量營養(yǎng)元素與鉛的交互關(guān)系，以期為尾礦區(qū)重金屬污染的治理和修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于四川省雅安市滎經(jīng)縣三合鄉(xiāng)境內(nèi)（102°31′E，29°47′N），屬中緯度亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫15.3℃，雨量充沛。滎經(jīng)縣礦產(chǎn)資源豐富，各類礦產(chǎn)規(guī)模有64處，其中鉛鋅礦14處，探明貯量共50萬t。三合鉛鋅礦為該地區(qū)內(nèi)具有開采價(jià)值的一處，平均含鉛7.62%。采樣區(qū)域?yàn)?003年停用的尾礦區(qū)，面積約1hm2，海拔1 358～1 445m。區(qū)域內(nèi)土壤類型為黃壤。尾礦區(qū)土壤表面被礦渣覆蓋，植物以草本植物為主。

1.2 采樣方法

2008年在生長前期（春季，5月）、生長旺盛期（夏季，8月）和生長后期（秋季，10月）3個時期進(jìn)行采樣。9種優(yōu)勢植物分別屬于7科（表1），每種植物至少采集3個重復(fù)，每個重復(fù)取6株以上混合樣。

1.3 樣品分析

采集的植物樣品分為地下部和地上部，分別用自來水充分沖洗，去除粘附于植物樣品上的泥土和污物，再用去離子水沖洗，在105℃下殺青30min，然后在70℃下于烘箱中烘至恒重，稱重。植物樣品粉碎后備用。植物樣品采用HNO3＋HClO4（5∶1，V∶V）在160℃用密閉的聚四氟乙烯罐消煮至澄清。消煮后的溶液洗至100mL容量瓶中，用高純水定容。樣品待測液分別用原子吸收分光光度計(jì)測定鉛含量［18］。植物樣品通過H2SO4＋H2O2消煮法消煮，采用蒸餾法測定全氮，鉬銻抗比色法測定全磷，火焰光度計(jì)法測定全鉀［18］。

表1 鉛鋅尾礦區(qū)優(yōu)勢草本植物種類Table 1 Family and species composition of the predominant herbaceous plants investigated in the lead－zinc mining tailing

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Excel 2003和SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物鉛含量變化特征

植物吸收鉛的能力隨著生長環(huán)境的變化而變化，影響植物吸收鉛的因素是多方面的。在不同生長時期，不同植物鉛含量差異很大。植物地下部表現(xiàn)出鉛含量高，變異程度大的特點(diǎn)，且明顯高于地上部（表2）。在3個生長時期，植株地上部鉛含量均小于1 000mg／kg，未達(dá)超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)。除L1和L8外，其余植物均在生長旺盛期地下部和地上部鉛含量同時達(dá)到最大值。

在生長前期，L1、L5、L8地下部鉛含量超過500mg／kg，與其他植物達(dá)到極顯著差異。其中L1地下部鉛含量為最高，達(dá)到15 542.1mg／kg，為其余植物的21.4～251.1倍；地上部仍以L1為最高，達(dá)到656.8mg／kg，為其余植物的2.3～16.1倍。在生長旺盛期，多數(shù)植物地下部和地上部鉛含量均有所增加。地下部鉛含量以L1為最高，達(dá)到10 720.1mg／kg，為其余植物的25.8～68.8倍；地上部鉛含量以L9為最高，達(dá)475.4mg／kg。在生長后期，多數(shù)植物地下部和地上部鉛含量表現(xiàn)出下降的趨勢，可能是由于隨著生長期的繼續(xù)延長，其生物量增大，產(chǎn)生稀釋效應(yīng)所致。其地下部和地上部鉛含量均以L1為最高，分別達(dá)4 132.2和188.0mg／kg，極顯著高于其余植物的鉛含量。

表2 9種優(yōu)勢草本植物3個生長時期鉛含量差異Table 2 Lead concentration in the roots and shoots of 9predominant herbaceous plant species at three growing stagesmg／kg

2.2 植物氮含量變化特征

氮被稱為生命的元素，它是蛋白質(zhì)、核酸和磷脂的主要成分，在生命活動中有特殊作用［19，20］。在不同生長時期，不同植物氮含量差異較大（表3）?？傮w上表現(xiàn)出地上部氮含量高于地下部，在3個生長時期，植物地上部平均氮含量分別為地下部的1.99，2.00和1.74倍。多數(shù)植物地下部和地上部氮含量在生長前期達(dá)到最大值，隨生長時期的延長，氮含量總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢。在生長前期，地下部氮含量為5.52～10.92g／kg，平均為7.93 g／kg。地上部則表現(xiàn)出氮含量相對較高，變異程度大的特點(diǎn)，平均氮含量為15.82g／kg。在生長旺盛期，多數(shù)植物氮含量呈現(xiàn)出降低的趨勢，其地下部和地上部平均氮含量分別為5.81和11.62g／kg，與生長前期相比均降低27%。在生長后期，植物氮含量繼續(xù)下降，地下部氮含量為2.44～6.76g／kg，平均為4.46g／kg；地上部氮含量為5.64～10.79g／kg，平均為7.77g／kg。與生長前期相比，其地下部和地上部平均氮含量分別下降44%和51%。

2.3 植物磷含量變化特征

磷素有“能量元素”之美譽(yù)，是植物正常生長發(fā)育不可或缺的營養(yǎng)元素之一，在植物整個生命歷程中起著極其重要的作用［21］。尾礦區(qū)9種優(yōu)勢草本植物磷含量與氮含量的變化趨勢相似（表4），在不同生長時期，不同植物磷含量差異較大。在3個生長時期，總體上表現(xiàn)出地上部磷含量高于地下部，其平均磷含量分別為地下部的1.67，1.85和1.28倍。隨著生長時期的延長，磷含量呈現(xiàn)下降的趨勢。在生長前期，植物地下部磷含量為0.81～1.85 g／kg，平均磷含量為1.28g／kg。地上部則表現(xiàn)出磷含量相對較高，變異程度大的特點(diǎn)，為0.80～3.05g／kg，平均磷含量為2.14g／kg。在生長旺盛期，植物磷含量的變異程度增大，可能是由于在生長旺盛期，不同植物對磷的需求差異較大，導(dǎo)致其選擇吸收和積累的量有差別所致。但其平均磷含量仍略有降低，與生長前期相比，磷含量分別降低16%和7%。在生長后期，植物地下部和地上部平均磷含量分別為1.02和1.31g／kg，與生長前期相比，分別降低20%和39%。

2.4 植物鉀含量變化特征

鉀在植物的生長發(fā)育以及產(chǎn)量形成過程中都有十分重要的作用。鉀并不直接參與植物體內(nèi)組織、器官的形成，而是通過促進(jìn)植物體內(nèi)生理、生化活動及代謝反應(yīng)來調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育及產(chǎn)量形成［22］。在不同生長時期，不同植物鉀含量差異較大，總體上表現(xiàn)出地下部鉀含量低于地上部（表5）。植物地下部和地上部鉀含量均在生長前期或生長旺盛期時達(dá)到最大值，隨著生長時期的繼續(xù)延長，鉀含量呈現(xiàn)出下降的趨勢，并在生長后期達(dá)到最小值。在生長前期，植物地下部鉀含量為2.78～16.04g／kg，平均為10.81g／kg；地上部鉀含量為10.63～32.59 g／kg，平均為19.89g／kg，是地下部平均鉀含量的1.84倍。在生長旺盛期，植物地下部和地上部平均鉀含量分別為10.75和18.95g／kg，后者為前者的1.76倍。在生長后期，植物鉀含量處于較低水平，地下部和地上部平均鉀含量分別為8.42和13.96g／kg，與生長前期相比，分別下降22%和30%。

表3 9種優(yōu)勢草本植物不同生長時期氮含量差異Table 3 Nitrogen concentration in the roots and shoots of 9predominant herbaceous plant species at three growing stagesg／kg

表4 9種優(yōu)勢草本植物3個生長時期磷含量差異Table 4 Phosphorus concentration in the roots and shoots of 9predominant herbaceous plant species at three growing stagesg／kg

表5 9種優(yōu)勢草本植物3個生長時期鉀含量差異Table 5 Potassium concentration in the roots and shoots of 9predominant plant herbaceous species at three growing stagesg／kg

3 討論

3.1 植物鉛與氮、磷、鉀含量變化特征

李裕紅等［17］在對泉州灣海岸植物研究指出，鉀為含量最高的大量營養(yǎng)元素，高含量的鉀有助于增強(qiáng)植物的抗逆性。自然環(huán)境下生長的泉州灣海岸植物的氮、磷、鉀含量與其銅、鋅、鉛含量之間無顯著相關(guān)關(guān)系。本研究得出，鉀含量最高，氮次之，磷最低。尾礦區(qū)9種優(yōu)勢草本植物總體上表現(xiàn)出地上部氮、磷、鉀含量高于地下部，并隨著生長時期的延長，呈現(xiàn)出下降的趨勢。這可能是由于隨著生長時期的延長，植物發(fā)生木質(zhì)化，并主要以糖類、纖維素等碳水化合物的形式增加生物量，導(dǎo)致氮、磷、鉀的含量相對降低。植物鉛含量則是地上部小于地下部，可能是由于鉛為植物非必需營養(yǎng)元素，凱氏帶的阻隔將大量的鉛滯留在地下部，這也是至今尚未發(fā)現(xiàn)真正意義上的鉛超富集植物的根本原因所在［23］。

表6 9種優(yōu)勢草本植物地上部和地下部鉛含量在3個生長時期的相關(guān)性分析Table 6 Relationship between lead concentration of root and shoot of 9predominant herbaceous plant species at three growth stages

相關(guān)性分析得出，在植物生長前期，其地上部鉛含量與地下部鉛含量以及與生長旺盛期和生長后期的地上部或地下部鉛含量均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而在生長旺盛期和生長后期，同一時期地上部和地下部鉛含量之間以及不同時期地上部與地下部鉛含量之間均存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系（表6）。這是因?yàn)橹参镏饕ㄟ^根系吸收重金屬鉛，并從地下部往地上部運(yùn)輸，但鉛在植物體內(nèi)移動性小，不易轉(zhuǎn)移。由于不同的植物生長速度和轉(zhuǎn)移能力不同［24］，導(dǎo)致在生長前期，9種優(yōu)勢草本植物地上部吸收和累積鉛的能力存在明顯差異，故無顯著的相關(guān)關(guān)系。因此，在尾礦區(qū)篩選鉛植物修復(fù)材料時，應(yīng)避開在植物生長前期進(jìn)行采樣。但不同類型的礦區(qū)及氣候條件對植物重金屬的吸收累積存在差異，篩選時期可能存在一定的差異。

3.2 大量營養(yǎng)元素在植物修復(fù)中的作用

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的超富集植物通常生物量低，生長緩慢，修復(fù)效率低，阻礙了植物修復(fù)技術(shù)以直接大規(guī)模應(yīng)用于修復(fù)實(shí)踐［25］。因此，前人的研究致力于通過施加外源物質(zhì)等來 提 高 修 復(fù) 效 果［26］。 李 繼 光 等［27，28］研 究 表明，在外界生長環(huán)境的氮素含量未達(dá)到東南景天的最適臨界點(diǎn)情況下，適當(dāng)施加氮肥顯著促進(jìn)東南景天的生長，提高其干物質(zhì)產(chǎn)量，同時促進(jìn)了東南景天對鎘的吸收及向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)。孫琴等［12］研究得出，適當(dāng)增磷顯著促進(jìn)東南景天的生長，提高其干物質(zhì)產(chǎn)量，同時促進(jìn)了東南景天對鋅的吸收及鋅向地上部分的運(yùn)轉(zhuǎn)和積累。聶俊華等［16］在對單一營養(yǎng)元素氮、磷、鉀對植物富集鉛的研究中得出，少量的氮和鉀可促進(jìn)富集植物干質(zhì)量的增加，促進(jìn)植物對鉛的吸收，隨著氮和鉀水平的增加，植物對鉛的吸收能力降低，但鉀的抑制作用不如氮的顯著；土壤供磷會降低植物對鉛的吸收，且鉛含量下降達(dá)極顯著水平。相關(guān)性分析得出，9種優(yōu)勢草本植物地下部氮、磷、鉀含量與鉛含量均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系（表7），這可能是由于植物吸收氮、磷、鉀的方式與吸收鉛的方式不同及鉛在植物體內(nèi)的移動性相對較小所致。在生長后期，9種優(yōu)勢植物地上部氮和鉀含量與鉛含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（0.750＊和0.773＊），表明氮和鉀可能對解重金屬鉛的毒害起到一定的作用。

華中蹄蓋蕨（L1）是一種常見的多年生蕨類植物，這種蕨類植物根系發(fā)達(dá)、根部鉛吸收能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)運(yùn)能力弱，是一種新型的鉛穩(wěn)定修復(fù)材料，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值［29］。本研究得出，華中蹄蓋蕨能夠?qū)⒋罅裤U囤積在地下部，在3個生長時期，其根部累積量分別為32.64，41.81和21.49mg／株，并維持正常的生長，這可能與其在3個生長時期地上部、地下部氮含量均處于較高水平（表2），大量蛋白質(zhì)與重金屬結(jié)合降低其毒性有關(guān)。然而，能否通過增施氮肥，提高華中蹄蓋蕨的穩(wěn)定修復(fù)效率仍需進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

尾礦區(qū)9種優(yōu)勢草本植物以鉀為含量最高的大量營養(yǎng)元素，氮次之，磷最低，且植物地上部氮、磷、鉀含量均高于地下部，并隨著生長時期的延長呈下降趨勢。植物鉛含量差異很大，在不同生長時期其含量變化也較明顯，表現(xiàn)出地下部明顯高于地上部。9種優(yōu)勢草本植物均未表現(xiàn)超富集鉛的能力，但華中蹄蓋蕨地下部能夠囤積大量鉛，并保持正常生長，進(jìn)一步證實(shí)其能作為穩(wěn)定修復(fù)的先鋒植物，應(yīng)進(jìn)一步研究探討其富集忍耐重金屬的機(jī)理。

尾礦區(qū)9種優(yōu)勢草本植物地下部氮、磷、鉀含量在3個生長時期均與鉛含量無顯著的相關(guān)關(guān)系。在生長后期，地上部氮、鉀含量與鉛含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明氮和鉀可能對植物解重金屬鉛的毒害起到一定的作用，其機(jī)理目前尚不清楚，還有待進(jìn)一步研究。

在植物生長前期，其地上部鉛含量與地下部鉛含量以及與生長旺盛期和生長后期的地上部或地下部鉛含量均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，而在生長旺盛期和生長后期，同一時期地上部和地下部鉛含量之間以及不同時期地上部與地下部鉛含量之間均存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系。因此，在尾礦區(qū)篩選鉛植物修復(fù)材料時，應(yīng)避開在植物生長前期采樣。但不同類型的礦區(qū)及氣候條件對植物重金屬的吸收累積存在差異，篩選時期可能存在一定的差異。

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