萱草對土壤中鎘、鉛、鋅單一污染的修復效果

王碩 李德生 王靜 晁卓錫 張才

摘要：利用盆栽試驗，研究不同重金屬濃度下萱草（Hemerocallis fulva）對土壤中鎘、鉛、鋅的修復效果。結果表明，一定范圍內(nèi)，土壤重金屬含量促進了萱草的地上生物量；低濃度重金屬脅迫（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進了萱草葉片對鎘、鉛、鋅的富集，具體表現(xiàn)為鎘>鋅>鉛；鎘、鉛、鋅的轉運系數(shù)隨土壤重金屬濃度的增加而逐漸減小，具體表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅；低濃度重金屬脅迫（Cd≤5 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）提高了萱草對土壤中鎘、鉛、鋅的修復效率，表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅。表明萱草對低濃度鎘、鉛、鋅單一污染土壤的修復效果較好。

關鍵詞：萱草（Hemerocallis fulva）；重金屬污染；富集系數(shù)；轉運系數(shù)；修復效果

中圖分類號：Q948.116 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）06-0035-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.06.008

Abstract： Using pot experiment，the repairing effect of Hemerocallis fulva on Cd，Pb，Zn in soil under different concentrations of heavy metals. The results showed that aboveground biomass of H. fulva was increased within a certain heavy metal content range in soil； The low concentration of heavy metals（Cd≤20 mg/kg，Pb≤1 000 mg/kg， Zn≤1 000 mg/kg） promoted the enrichment of Cd，Pb，Zn in H. fulva leaves，and the specific performance showed Cd>Zn>Pb； With heavy metal concentration increasing，the transfer coefficient of Cd，Pb，Zn decreased，and the specific performance showed Pb>Cd>Zn； The low concentration of heavy metal （Cd≤5 mg/kg，Pb≤1 000 mg/kg，Zn≤1 000 mg/kg） improved the repair efficiency of H. fulva on Cd，Pb，Zn in soil，and the specific performance showed Pb>Cd>Zn. It suggested that H. fulva was good for low concentrations of Cd，Pb，Zn in soil.

Key words： Hemerocallis fulva； heavy metal pollution； enrichment coefficients； transfer coefficients； repairing effect

鎘、鉛、鋅在大氣、水體和土壤中都有著嚴重的污染影響[1]。2014年全國土壤污染調(diào)查中，鎘、鉛、鋅對土壤的污染名列前茅，污染程度表現(xiàn)為鎘>鉛>鋅[2]。Cd、Pb是主要引起蔬菜復合風險的因素，對于人體存在明顯的健康風險[3]。研究鎘、鉛、鋅污染土壤的修復工作成為領域一大熱點，目前國內(nèi)對于鎘、鉛和鋅污染土壤的植物修復多數(shù)為草本[4，5]。對于物理化學的修復手段來說，植物修復沒有二次污染、成本較低、工藝簡便，是理想的土壤修復手段[5]。

植物修復的最主要問題是植株矮小、對環(huán)境適應性差、對重金屬吸收富集能力較差[6]。與灌木和喬木相比，草本具有較高的生長率，較強的環(huán)境適應能力，較高的生物生長量[7]。萱草（Hemerocallis fulva）對土壤環(huán)境適應能力強，在中性、偏堿性的嚴苛環(huán)境土壤中均能生長良好，其根耐寒能力較強，地下根莖能耐受-20 ℃的低溫。萱草具有較高的營養(yǎng)價值、藥用價值以及觀賞價值[8-10]。國內(nèi)已有一些關于萱草修復污染土壤的研究，效果都較為顯著，但主要針對鎘、銅、鉛重金屬及石油污染，研究也多為生理影響和積累富集效果[11-16]。

以萱草為試驗對象，研究其在落葉前（9月）和落葉后（12月）對土壤中鎘、鉛、鋅的積累、富集、轉運效果以及修復效率，深入分析萱草對單一鎘、鉛、鋅污染土壤的修復效果。為萱草修復重金屬污染土壤的實際運用和推廣提供更深入的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

2016年4月開始萱草栽培工作。選擇長勢一致的萱草，土壤選取天津理工大學校園內(nèi)土壤，校園土∶營養(yǎng)土=10∶1，混合后放入口徑為19.1 cm的花盆中，土重2.7 kg/盆。試驗土壤有機質(zhì)16.01 g/kg，pH 6.79，含水率12%，土壤所含鎘、鉛和鋅含量分別為11.17、43.83、179.33 mg/kg。

1.2 方法

2016年5月向土壤中投加重金屬溶液，鎘以 CdCl2·2.5H2O的形式加入，鋅以ZnSO4·7H2O的形式加入，鉛以Pb（NO3）2的形式加入，Cd濃度梯度為0、1、5、20、50 mg/kg，分別記為CK-Cd、Cd-1、Cd-2、Cd-3、Cd-4；Pb濃度梯度為0、100、500、1 000、1 500 mg/kg，分別記為CK-Pb、Pb-1、Pb-2、Pb-3、Pb-4；Zn濃度梯度為0、100、500、1 000、1 500 mg/kg，分別記為CK-Zn、Zn-1、Zn-2、Zn-3、Zn-4。每個處理設3個重復。

萱草的葉片分別在9月初和12月末進行重金屬含量的測量，萱草的根及萱草生物量的測量在12月末進行。收割的植物樣本分別用自來水洗凈，再用去離子水清洗一遍，自然晾干表層水分，稱重并裝入紙袋中，置于100 ℃烘箱中至恒重，用電子天平稱量干重。烘干的樣品用粉碎機粉碎，過80目尼龍篩，消解植物樣品使用9 mL硝酸，消解土壤樣品使用硝酸-高氯酸法（9∶1）。使用ICP-OES儀器測定萱草葉與根內(nèi)的鎘、鉛和鋅含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)的制圖采用Excel軟件，各處理組與對照差異顯著性的數(shù)據(jù)分析利用SPSS軟件完成。

2 結果與分析

2.1 土壤鎘、鉛、鋅對萱草生長的影響

植物生物量影響對重金屬的富集能力，也直接影響植物修復重金屬污染土壤的效果[16，17]。由表1可見，萱草在不同濃度的鎘、鉛、鋅處理下全部存活，說明萱草對鎘、鉛、鋅污染土壤具有很好的耐性。由表2可見，萱草地上生物量隨鎘、鉛、鋅污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢。重金屬脅迫下，萱草地上生物量均大于對照，分別在鎘5 mg/kg、鉛500 mg/kg、鋅1 000 mg/kg時獲得最大值，比對照分別高出3.69、1.70、3.62倍。處理組間顯著性水平也隨著重金屬污染濃度的增加而愈加顯著。表明土壤中鎘、鉛、鋅脅迫明顯促進了萱草的生長，隨重金屬濃度的增加生長的差異越明顯。

2.2 鎘、鉛、鋅在萱草葉和根部的積累

圖1、圖2、圖3顯示不同濃度的單一鎘、鉛、鋅污染土壤下的萱草葉和根內(nèi)鎘、鉛、鋅含量。落葉前，萱草葉內(nèi)鎘、鉛、鋅含量隨土壤重金屬污染濃度的增高而呈逐漸增加趨勢，且均小于對照；落葉后，萱草內(nèi)鉛、鋅含量隨土壤重金屬污染濃度的增高而先增后減，鎘含量則逐漸減小，且鎘、鉛含量整體上大于對照，鋅含量整體上小于對照。表明萱草開始枯黃時，低濃度重金屬污染（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）對鎘、鉛、鋅的吸收有促進作用，高濃度重金屬污染（Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）則產(chǎn)生明顯抑制作用?？赡苁怯捎谌~片枯黃，植物機能開始衰弱，對高濃度重金屬的抗性有所降低。

落葉后，萱草根內(nèi)鉛、鋅含量隨土壤重金屬污染濃度的增高而呈先增后減趨勢，這與落葉后萱草葉內(nèi)鉛、鋅含量趨勢一致，且整體上大于對照；鎘含量則呈先減后增的趨勢，且大于對照。表明重金屬脅迫促進了萱草根部吸收重金屬。Cd污染濃度為50 mg/kg時，落葉后萱草葉內(nèi)鎘含量明顯降低，而根內(nèi)有所增加，表明高濃度鎘（Cd=50 mg/kg）污染下，萱草對鎘從根部轉運到葉片受到明顯的抑制作用。

2.3 萱草鎘、鉛、鋅富集系數(shù)

富集系數(shù)是指植物地上部金屬含量與土壤中該金屬含量的比值，在一定程度上反映了沉積物或土壤中重金屬向植物體內(nèi)遷移的難易程度[17]。由表3可知，落葉前及落葉后，萱草對鎘的富集系數(shù)隨污染濃度的增加而呈減小趨勢；落葉前及落葉后，萱草對鉛、鋅的富集系數(shù)隨污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢。整體上，萱草富集系數(shù)表現(xiàn)為鎘>鋅>鉛，均小于1，落葉后的富集系數(shù)大于落葉前。低濃度重金屬脅迫下的鎘、鉛、鋅富集系數(shù)都大于對照。表明低濃度重金屬脅迫（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進了萱草葉片對鎘、鉛、鋅的富集，但高濃度重金屬污染（Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）則表現(xiàn)出抑制作用，在萱草葉片開始枯黃后尤為明顯。

2.4 萱草鎘、鉛、鋅轉運系數(shù)

轉運系數(shù)是指植物地上部金屬含量與植物地下部該金屬含量的比值，反映了金屬由植物根部向地上部轉移的難易程度，也衡量了植物在污染土壤中對金屬的修復效果[17]。由表4可知，從整體來看，萱草對鎘、鉛、鋅的轉運系數(shù)隨土壤重金屬污染濃度的增加而呈減小的趨勢，大于對照。整體上，萱草轉運系數(shù)表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅，小于1。表明重金屬脅迫促進了萱草對鎘、鉛、鋅由根部到葉片的轉運，但隨重金屬脅迫濃度的增加促進作用逐漸降低。

2.5 萱草對鎘、鉛、鋅的修復效率

修復效率是指修復前后土壤中某金屬含量差值與修復前土壤中該金屬含量的比值，可直觀反映植物對土壤中某金屬的去除效果，從而分析植物的修復效果。由表5可知，萱草對鎘、鉛、鋅的修復效率在落葉前后均隨污染濃度的增加而呈減小趨勢。整體上，萱草修復效率表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅。落葉后修復效率大于落葉前。表明低濃度重金屬脅迫（Cd≤5 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進了萱草去除土壤中鎘、鉛、鋅的能力，而高濃度重金屬脅迫（Cd=20 mg/kg、Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）則表現(xiàn)為抑制作用，在萱草葉片枯黃后尤為突出。

3 小結

萱草對土壤中鎘、鉛、鋅單一污染的修復效果從萱草地上生物量、體內(nèi)重金屬含量、富集系數(shù)、轉運系數(shù)和修復效率5個方面來分析。第一，萱草對土壤中鎘、鉛、鋅單一污染有明顯的耐性，一定范圍內(nèi)促進萱草地上的生長，在鎘5 mg/kg、鉛500 mg/kg、鋅1 000 mg/kg時促進作用最明顯；第二，高濃度重金屬脅迫（Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）對萱草葉片和根吸收鉛、鋅有一定的抑制作用；第三，低濃度重金屬脅迫（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進了萱草葉片對鎘、鉛、鋅的富集，但高濃度重金屬污染（Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）則表現(xiàn)出抑制作用，在萱草葉片開始枯黃后尤為顯著，富集系數(shù)表現(xiàn)為鎘>鋅>鉛，小于1；第四，重金屬脅迫促進了萱草對鎘、鉛、鋅由根部到葉片的轉運，但隨重金屬脅迫濃度的增加促進作用逐漸降低，表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅，小于1；第五，低濃度重金屬脅迫（Cd≤5 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進了萱草去除土壤中鎘、鉛、鋅的能力，而高濃度重金屬脅迫（Cd=20 mg/kg、Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）則表現(xiàn)為抑制作用，在萱草葉片枯黃后尤為突出，表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅。

修復效果取決于植物的耐性和富集系數(shù)[18]。萱草可用于土壤中低濃度單一鎘、鉛、鋅（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）的污染修復，對鎘的修復效果相對更佳。因萱草為觀賞性與藥用性并存的多年生草本植物，可多年栽培修復土壤，在實際應用中從整體上提高植物修復污染土壤的綜合效果和景觀效果[19]。修復后的萱草若達到國家蔬菜可食用標準或可再利用，為植物修復后續(xù)處理開辟新道路[20]。因此，萱草對土壤重金屬污染的修復具有廣闊的前景。

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