苧麻對重金屬復(fù)合污染土壤的修復(fù)效率研究

摘 要：通過盆栽試驗?zāi)M了砷（As）、鉛（Pb）、鋅（Zn）復(fù)合污染環(huán)境，并研究了復(fù)合污染環(huán)境下不同As濃度對苧麻生長及其重金屬在植株體內(nèi)吸收、富集和遷移的影響。結(jié)果表明，在復(fù)合污染情況下，低濃度（≤100 mg/kg）的As對苧麻生長沒有顯著影響，而高濃度的As可使苧麻植株變矮、葉片易損、分蘗數(shù)及生物量減少，但仍能完成正常生理周期并且無嚴重毒害癥狀出現(xiàn)。由此表明，苧麻對As/Pb/Zn復(fù)合污染土壤具有一定的耐受性。且在試驗條件下，苧麻植株對As、Pb、Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別在0.11～2.43、0.11～1.03和0.59～1.66之間，苧麻地上部對As、Pb、Zn的富集系數(shù)分別在0.01～0.45、0.01～0.12和0.17～1.48之間，表明苧麻可作為As、Pb、Zn單一或復(fù)合污染土壤修復(fù)的植物。

關(guān)鍵詞：重金屬污染；苧麻；砷（As）；鉛（Pb）；鋅（Zn）；富集；轉(zhuǎn)運

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2014）17-0038-04

Composite Contaminated Soil Arsenic Concentrations Effect on Ramie's Growth and Absorption and Accumulation Characteristics of Arsenic， Lead and Zinc

LI Ya-zhen，LUO Lin，ZHANG Qi，YAN Hong-ling

（Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC）

Abstract：A pot experiment was done to observe the growth responses，accumulation and transfer characteristics of ramie （Boehmeria nivea） in different concentrations of As/Pb/Zn. Results showed that the ramie have tolerance under a certain concentration of As/Pb/Zn combined treatment，and in low concentrations the ramie to growth normally，while had significant inhibitory effect under high As concentrations，with the shorter plant height，thinning stem diameter and decreasing biomass. But still complete the normal growth cycle and no serious toxic symptoms. It is showed that， ramie on As / Pb / Zn composite contaminated soil has a certain tolerance. Bioaccumulation factor of As，Pb and Zn of ramie shoot was at 0.01 ～0.45，0.01 ～0.12 and 0.17～1.48 under the combined treatment. Transfer coefficients of As，Pb，Zn were 0.11～2.43，0.11～1.03 and 0.59～1.66. Ramie has good capacity of absorption，accumulation and transfer under As/Pb/Zn combined pollution. Compared to the small biomass plants，ramie is the ideal plant to repair composite pollution of heavy metals As/Pb/Zn.

Key words：heavy metal pollution； ramie； As； Pb； Zn； accumulation； transfer

收稿日期：2014-07-15

基金項目：國家科技支撐計劃課題（2012BAC09B04）；環(huán)保部公益基金（201309051）

作者簡介：李雅貞（1990-），女，湖南瀘溪縣人，碩士研究生，主要從事土壤重金屬污染修復(fù)研究。

通訊作者：羅 琳

近年來，土壤重金屬污染成為人們關(guān)注的焦點，尤其是礦山開采、礦石冶煉帶來的重金屬污染問題廣受關(guān)注。因此，礦區(qū)植被恢復(fù)和土地復(fù)墾也成為目前備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。重金屬污染通常是多種重金屬一起污染，很少有單一重金屬污染的情況存在，即多種重金屬元素常常造成復(fù)合污染[1-2]。多種金屬元素共存時，其復(fù)合作用可不同程度地改變單一重金屬原本的活性或毒性，對植株的生長產(chǎn)生拮抗或協(xié)同作用[3]。例如：砷在土壤中的含量直接影響其對植物的毒害作用，低濃度的砷對植物生長表現(xiàn)出一定促進作用，而當砷在土壤中的含量較高時才表現(xiàn)出對植物生長的抑制作用[4]。苧麻、煙草和玉米等作物[5-7]常被用作修復(fù)重金屬污染的土壤。試驗研究表明，苧麻對鉛、砷和鎘具有較強的耐受性，對這些重金屬的富集能力也明顯高于其他植物[8-9]。因此，本研究通過盆栽試驗，模擬復(fù)合污染條件下苧麻對重金屬砷（As）、鉛（Pb）、鋅（Zn）的吸收和富集特征，探討苧麻對復(fù)合污染土壤修復(fù)效率及可行性，為礦區(qū)復(fù)合污染土壤治理提供科學(xué)理論依據(jù)及參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試苧麻為湘苧0501號，由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所提供。供試礦區(qū)土壤來自湖南省郴州資興市東江湖自然風(fēng)景區(qū)鉛鋅礦開采過后遺留的礦區(qū)平地。試驗?zāi)M礦區(qū)的土壤來自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻地農(nóng)田土。試驗土壤基本理化性狀見表 1。模擬試驗所添加的砷源、鉛源和鋅源分別為Na2HAsO4·12H2O（化學(xué)純）、Pb（NO3）2（化學(xué)純）和ZnSO4·7H2O（化學(xué)純）。

1.2 試驗設(shè)計

按As在土壤中的濃度不同設(shè)計5個試驗組，分別為A0（CK）：0 mg/kg；A1：50 mg/kg；A2：100 mg/kg；A3：200 mg/kg；A4：300 mg/kg。除A0處理不添加重金屬外，其余處理Pb和Zn的濃度均設(shè)計為500 mg/kg。同時，還設(shè)計一個礦區(qū)實地土壤的處理（A礦）。

農(nóng)田土壤風(fēng)干后，過5 mm篩，裝入口徑 25 cm、底內(nèi)徑 15 cm、深 20 cm 的塑料盆中，噴灑藥劑后充分拌勻，平衡2周后，作為重金屬污染的模擬土壤。平均每盆移栽2棵苧麻，每處理3次重復(fù)。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 苧麻的株高、分蘗數(shù)測定 以15 d為一個周期，用直尺測量苧麻的株高（以地上部分計算），記錄植物的有效分蘗數(shù)；觀察植物葉片大小、成色、落葉數(shù)量等外觀特征。

1.3.2 植物不同部位重金屬含量測定 （1）預(yù)處理：移栽60 d后將苧麻從泥土中取出，按莖、葉、根等部位分開；先后用自來水、蒸餾水沖洗干凈，并在吸水紙上吸干植物表面水分；晾干后在105℃的溫度下殺青30 min，再置于80℃下烘干至恒重，磨碎后過0.3 mm尼龍篩，備用。（2）測定：分別稱取0.5 g植物樣品置于50 mL消解管中，添加5mL濃HNO3靜置一晚后，采用電熱消解儀消解，消解完全后轉(zhuǎn)移到50 mL的容量瓶中，定容搖勻，立即過濾轉(zhuǎn)移到聚乙烯小瓶中備用，待測液用原子熒光光譜法測定消化液中As含量，用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀（ICP-OES）測定消化液中Pb和Zn含量。

1.3.3 土壤中重金屬的測定 從盆栽土壤中選取3～5個點的試驗土壤混勻，同一濃度梯度取3次重復(fù)的土樣混勻，作為土壤重金屬測定的樣品。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，過 0.15 mm尼龍篩備用。土壤中重金屬全量測定：稱取0.095～0.105 g樣品于具塞試管中加5 mL王水（鹽酸‥硝酸‥水=3‥1‥4）水浴消解90 min，平均每30 min搖晃試管；消解完后迅速加入5mL鹽酸溶液（V鹽酸‥V水=1‥1），定容至25 mL，靜置過夜；將溶液過濾轉(zhuǎn)移到聚乙烯小瓶中待測。待測液用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀（ICP-OES）測定消化液中As、Pb、Zn含量。土壤 pH、有機碳、全磷、堿解氮采用常規(guī)分析法[10]。部分計算公式如下：

富集系數(shù)=苧麻體中某種元素含量/土壤中某種元素含量

轉(zhuǎn)運系數(shù)=苧麻地上部某元素含量/根部某元素含量

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010、SigmaPlot 10.0和SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中不同濃度砷處理對苧麻生長情況的影響

由圖1可知，在試驗設(shè)計的As/Pb/Zn復(fù)合污染處理下，苧麻植株均能完成正常的生理周期。但與空白對照組相比，植株的株高、分蘗數(shù)等指標表現(xiàn)出隨處理濃度增加而受抑制的趨勢。其中，低濃度As脅迫下苧麻的生長與空白對照組沒有太大變化，A1處理的苧麻株高（41.5 cm）和有效分蘗數(shù)（2.98株/兜）分別比對照組減少5.68%和7.17%。高濃度As脅迫下苧麻的生長抑制現(xiàn)象最為明顯，表現(xiàn)為植株矮小、分蘗數(shù)明顯減少，且隨著As濃度的增加，抑制程度也相應(yīng)加重，因此A4處理的苧麻株高最矮（22.0 cm）、分蘗數(shù)最少（0.84株/兜），分別比對照減少50.0%和73.83%，且差異達極顯著水平

（P <0.01）。礦區(qū)土壤種植的苧麻株高為40.0 cm，有效分蘗數(shù)為3.06株/兜，比對照分別減少10%和4.67%。

上述結(jié)果表明，在As/Pb/Zn復(fù)合污染的情況下，當As的濃度≤ 100 mg/kg時，苧麻的營養(yǎng)生長發(fā)育未受到明顯影響，株高和有效分蘗數(shù)變化均不顯著；而當As的濃度>100 mg/kg時，苧麻的營養(yǎng)生長受到明顯的抑制，且隨著As濃度的增高，抑制作用越明顯。

2.2 苧麻體內(nèi)重金屬含量分布及轉(zhuǎn)運系數(shù)

從表2中可以看出，苧麻體內(nèi)As含量和土壤中As含量有直接相關(guān)性，隨著土壤中As濃度的上升，麻株體內(nèi)的As含量也隨之增加。當土壤中As濃度≤100 mg/kg時，隨著土壤中As濃度的增加，苧麻植株體內(nèi)重金屬Pb和Zn的含量也呈上升趨勢。當土壤中As濃度為100 mg/kg時，苧麻植株體內(nèi)Pb和Zn的含量達224.72、1 222.75 mg/kg，分別比對照組的植株增加了209.02、1 047.91 mg/kg；其中，處理與對照之間的Zn含量差異達極顯著水平（P <0.01）。當土壤中As濃度≥100 mg/kg時，苧麻植株體內(nèi)的Pb含量卻降低了。這可能是由于高濃度As抑制了植株的生長發(fā)育，導(dǎo)致植株矮小，對重金屬的轉(zhuǎn)運能力變?nèi)?，從而苧麻植株對Pb和Zn的轉(zhuǎn)運相對降低。但與對照植株相比，處理組苧麻植株體內(nèi)的Pb和Zn含量還是增加了49.72～72.88 和569.95～668.09 mg/kg。

轉(zhuǎn)運系數(shù)反映了植物地上部轉(zhuǎn)運根部重金屬吸收量的能力，是衡量植物修復(fù)重金屬污染的又一重要指標，一般系數(shù)越大說明該植物修復(fù)效率越好。由表2還可知，A0（CK）和A1處理的苧麻植株對As的轉(zhuǎn)運系數(shù)>1，說明低濃度的As處理對植株重金屬As的轉(zhuǎn)運能力沒有明顯影響。但高濃度的As處理對植株自身的毒害作用較大，植株對重金屬As的轉(zhuǎn)運能力明顯下降。

As/Pb/Zn復(fù)合污染處理下，苧麻根系中的重金屬Pb含量均高于地上部累積量，植株對重金屬Pb的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1。這與很多研究結(jié)論一致[11-12]，這可能是由于 Pb 具有負電性，易與 Mn、Fe 等化合物及碳酸鹽形成共價鍵，在土壤中很難被植物吸收，且植株根系吸收后也很難向地上部轉(zhuǎn)運的緣故，因此導(dǎo)致苧麻植株根部的 Pb 含量較高[13]。另外，也可能是因為植物對土壤中的Pb有被動吸收的特征，雖然植株能將重金屬吸收至根內(nèi)，但金屬元素大量囤積于根部，只有少量可向地上部轉(zhuǎn)移，從而保護植株，避免高含量重金屬對植株光合、呼吸、生殖等系統(tǒng)的傷害。

As/Pb/Zn復(fù)合污染處理下，苧麻對重金屬Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1，這主要是因為Zn是植物必需的營養(yǎng)元素，苧麻在一定濃度重金屬復(fù)合污染脅迫下，仍能從根部轉(zhuǎn)運到地上部分，可能是這幾種金屬之間存在協(xié)同作用，因而促進苧麻對Zn的轉(zhuǎn)運。

2.3 苧麻對重金屬的富集效應(yīng)

富集系數(shù)是評價植物吸收積累重金屬能力的重要指標，通常系數(shù)越大，說明該植物富集效率越高[14]。由表3可知，苧麻對As、Pb的富集系數(shù)均<1，對土壤中As、Pb的吸收能力較弱。土壤中As濃度越高，苧麻對As、Pb的吸收能力越低。這可能是由高濃度As對植株生長的抑制作用導(dǎo)致的，從而對重金屬吸收能力產(chǎn)生較大的拮抗作用。當土壤中As濃度≤100 mg/kg時，苧麻對Zn的富集系數(shù)>1，且富集效率隨著土壤中As濃度的增加而逐漸增高；但當土壤中As濃度>100 mg/kg時，苧麻對Zn的吸收能力逐漸降低。由富集系數(shù)可以看出，苧麻并非As/Pb/Zn的富集性植物，但其生長周期在試驗設(shè)計的重金屬濃度下能夠完成，說明苧麻對As/Pb/Zn復(fù)合污染具有一定的耐受性。

3 結(jié)論與討論

試驗結(jié)果顯示，在模擬As/Pb/Zn 復(fù)合污染的情況下，低濃度的As處理對苧麻的生長及其生物量均無明顯影響，而高濃度的As處理對苧麻生長確有明顯的抑制效應(yīng)，主要表現(xiàn)為植株變矮、葉片易落、分蘗數(shù)及生物量減少，但仍能完成正常生理周期并且無嚴重毒害癥狀出現(xiàn)。由此表明，苧麻對As/Pb/Zn復(fù)合污染土壤具有一定的耐受性。

苧麻植株體內(nèi)的As含量與土壤中的As濃度有直接相關(guān)性。隨著土壤中As濃度的增加，苧麻植株根系對As的吸收量隨之上升；而當土壤中As濃度≥100 mg/kg時，苧麻植株體內(nèi)的Pb、Zn含量逐漸降低；且除了重金屬Zn以外，其他兩種重金屬在植株根部的含量均高于地上部的含量。這表明重金屬As和Pb被植株吸收后，大部分仍滯留在根部。

As/Pb/Zn復(fù)合污染處理下，苧麻植株對As、Pb、Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別在0.11～2.43、0.11～1.03和0.59～1.66之間，苧麻地上部對As、Pb、Zn的富集系數(shù)分別在0.01～0.45、0.01～0.12和0.17～1.48之間。苧麻地上部對Zn的富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運系數(shù)明顯大于As和 Pb，表明苧麻對重金屬Zn 具有相對較強的吸收累積與遷移能力，雖然苧麻對重金屬 As和Pb的富集能力及轉(zhuǎn)運系數(shù)較小，但其能完成生理周期，對As/Pb/Zn復(fù)合污染土壤具有一定的耐受性，相比生物量小的植物而言，仍是修復(fù)As、Pb、Zn單一或復(fù)合污染土壤的理想植物，可以改善重金屬土壤肥力，有助于重金屬污染地的生態(tài)恢復(fù)。

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（責任編輯：成 平）