濕地植物鉛的富集特征及根際鉛移動(dòng)性的影響因素研究

楊俊興，鄭國(guó)砥，胡 健，楊 軍*，郭俊娒，周小勇，曹 柳，焦玉字

（1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境修復(fù)中心，北京 100101；2 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所，貴陽(yáng) 550081；3 濟(jì)源市環(huán)境科學(xué)研究所，河南濟(jì)源 459000）

濕地植物能夠生長(zhǎng)在淹水、缺氧和還原的土壤中是因?yàn)樗鼈兊厣喜糠帜軌驅(qū)⒖諝庵械难鯕廨斔偷降叵虏糠止└粑?，剩余的氧可以通過(guò)根系釋放至根際，即根系放氧 (radial oxygen loss,ROL)[1]。濕地植物地上部分將這些氧氣輸送到根部除了滿足根部呼吸外，還可以引起一些植物根際發(fā)生變化，如pH升降和根際鐵氧化。根際pH的變化可能由兩方面的原因?qū)е?，一是植物吸收土壤中的?yáng)離子較多，為保持土壤離子平衡，根向土壤分泌質(zhì)子；另一個(gè)是植物根和土壤之間二氧化碳的傳遞，植物根部和根際微生物呼吸產(chǎn)生的二氧化碳傳送到土壤導(dǎo)致被土壤吸收[2–3]。根際鐵的氧化主要是通過(guò)根際釋放的氧氣和土壤中的亞鐵離子 (Fe2+) 反應(yīng)生成難溶的鐵的氫氧化物[4]。因此，根際pH的變化和鐵的氧化會(huì)對(duì)濕地植物根際土壤重金屬形態(tài)變化產(chǎn)生影響，從而影響濕地植物對(duì)重金屬的吸收和累積。

近年來(lái)一些學(xué)者利用根箱 (rhizobox) 和根袋(rhizobag) 研究濕地植物 (含水稻)Pb的富集特征及根際鉛移動(dòng)性的影響因素。Lin等[5–6]研究發(fā)現(xiàn)水稻根際土壤溶液中Pb含量高于非根際，認(rèn)為氧化還原電位(Eh) 和pH變化是導(dǎo)致根際土壤Pb形態(tài)變化的直接原因。但邢軼蘭等[7]報(bào)道水稻根際土壤中Pb的有效性低于非根際。此外，Cheng等[8]研究表明不同根部

氧化能力的水稻品種根際土壤Pb有效性差異較大。對(duì)三種不同的濕地植物 (風(fēng)車草、棒頭草、沼地蓼)研究也發(fā)現(xiàn)，這三種濕地植物根際有效態(tài)Pb均低于非根際，其中根部氧化能力較強(qiáng)的植物根際Pb活性較低[9–10]。最近，Yang等[11]發(fā)現(xiàn)提高濕地植物根表和根際鐵膜含量可有效增加對(duì)其根際Pb的吸附。

但上述研究大多采用人工加入重金屬模擬污染土壤，考慮到土壤重金屬形態(tài)分布變化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，該法獲得的結(jié)果與實(shí)際重金屬污染土壤有一定的偏差。因此，本研究選取五種常見(jiàn)挺水濕地植物(大葉皇冠草、黑籽荸薺、圓幣草、草龍、小婆婆納)為試驗(yàn)材料，這些濕地植物具有生長(zhǎng)速度快、分布廣和對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素需求低的特點(diǎn)，通過(guò)根箱法研究種植在實(shí)際鉛污染土壤中的植物根際pH、氧化還原電位 (Eh)、鐵的氧化及重金屬化學(xué)形態(tài)的變化，一方面可以揭示濕地植物根際pH、Eh、鐵的氧化與其根際鉛形態(tài)變化之間的作用機(jī)理，另一方面也為人工濕地修復(fù)重金屬污染水體提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

五種常見(jiàn)挺水濕地植物分別為大葉皇冠草(Echinodorus amazonicus)、黑籽荸薺 (Eleocharis geniculata)、圓幣草 (Hydrocotyle vulgaris)、草龍(Jussiaea linifolia)、小婆婆納 (Veronica serpyllifolia)。供試濕地植物的苗和種子均是從無(wú)重金屬污染的地方采集得到。所選植物育苗方式分為營(yíng)養(yǎng)繁殖和種子培育兩種，其中大葉皇冠草、園幣草和小婆婆納為營(yíng)養(yǎng)繁殖；草龍和黑籽荸薺為種子培育。選取生長(zhǎng)大小較為一致的植物幼苗，進(jìn)行根際箱實(shí)驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

供試土壤取自廣東某礦區(qū)附近農(nóng)田污染土 (0—20 cm 耕層)。其基本理化性質(zhì)如下：pH(土∶水 =1∶2.5) 6.31、有機(jī)質(zhì)含量 11.61 g/kg、全氮 0.692 g/kg、全磷 0.486 g/kg、全鉀 12.71 g/kg、有效磷 1.95 mg/kg、速效鉀 40.8 mg/kg、總鉛 312 mg/kg [土壤鉛濃度超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (GB 15618-1995)]、總鐵 15.7 g/kg、總錳 1.03 g/kg、陽(yáng)離子交換量 4.89 cmol/kg。所用污染土壤均自然風(fēng)干后磨碎，除去石礫、植物殘?bào)w，過(guò)1 mm篩備用。

所采用根際箱用有機(jī)玻璃制成，規(guī)格為15 cm(底邊) × 15 cm (底邊) × 12 cm (高)，頂部開(kāi)口。每個(gè)根際箱內(nèi)被帶有機(jī)玻璃框架的尼龍網(wǎng) (孔徑 50 μm)相隔分成中間 (0～2 mm)(種植植物)、距中心 2～4 mm (根際，表示為 S1)、4～8 mm (近根際，表示為 S2)、8～40 mm (遠(yuǎn)根際，表示為 S3)、大于 40 mm(非根際，表示為S4)。尼龍網(wǎng)的面積為180 cm2(15 cm × 12 cm)，塑料框架的厚度為 2 mm。根際箱的中間由兩個(gè)框架相對(duì)拼合而成一個(gè)區(qū)間，厚度為4 mm。以這個(gè)區(qū)間的中間線為中心，在左右兩邊距中心 4、8、40 mm處分別插入尼龍網(wǎng)框架。

根際箱試驗(yàn)在中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院溫室內(nèi)進(jìn)行。每個(gè)根際箱裝污染土3 kg，S1、S2、S3和S4每側(cè)分別裝土40、80、640和740 g。選取生長(zhǎng)良好、大小一致的植物幼苗，移栽于每個(gè)根際箱的中間部分，每個(gè)根際箱移栽兩株植物，每種植物4次重復(fù)，全部在淹水的條件下培養(yǎng)5個(gè)月 (3月初—7月底) 后收獲。試驗(yàn)期間溫度為18～28℃，光照為自然光，相對(duì)濕度為65%～85%。生長(zhǎng)過(guò)程中，所種植的五種植物均未發(fā)現(xiàn)缺素癥狀，因此沒(méi)有追施肥料。收獲時(shí)，除草龍外，大葉皇冠草、黑籽荸薺、圓幣草和小婆婆納的植物地上部基本占據(jù)了4 mm的根際區(qū)域。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 濕地植物根際 pH 和 Eh 的測(cè)定 收獲植物前，分別測(cè)定各處理植物近根際 (S2) 土壤Eh。植物收獲后，小心取出根際箱內(nèi)各部分土壤，風(fēng)干，磨碎，過(guò)0.2 mm篩，pH值的測(cè)定用去離子水∶土2.5∶1混合，達(dá)平衡后用pH計(jì)測(cè)定。所用儀器型號(hào)為pH/Oxdi 340i(新加坡制)。

1.3.2 濕地植物根表鐵膜、地上部分及根部重金屬含量的測(cè)定 將收獲后的濕地植物用超純水洗凈根部，然后用DCB法[12]提取植物根表鐵膜，提取液定容后用ICP-AES測(cè)定溶液中的Pb、Fe和Mn元素含量。植株根表Fe、Mn膠膜數(shù)量用mg/kg(根干重) 表示。

2013年，公司緊緊抓住國(guó)家水利改革發(fā)展的機(jī)遇，狠抓內(nèi)部管理，積極提質(zhì)增效。經(jīng)過(guò)全體員工努力，全年實(shí)現(xiàn)銷售額近4億元，銷售量3萬(wàn)多t，參加各種招標(biāo)投標(biāo)200多次，中標(biāo)100多個(gè)工程，數(shù)量達(dá)2萬(wàn)多t。公司售后人員參與近百個(gè)工程項(xiàng)目的安裝指導(dǎo)工作。

濕地植物提取鐵膜后將植物用超純水洗凈，于65℃烘箱中烘干至恒重，將地上部和地下部分開(kāi)，分別稱量干重。

將烘干后的樣品剪碎，稱取植物樣約0.5 g放入消化管中，加入5 mL濃硝酸 (超級(jí)純)，浸泡過(guò)夜；放入消化爐內(nèi) 90℃ 30 min→140℃ 30 min→180℃1 h→冷卻→1 mL HClO4→160℃ 20 min→180℃2 h→冷卻后用超純水定容；然后用德國(guó)耶拿原子吸收光譜儀 (Zeenit 700 型) 測(cè)定消解溶液中 Pb、Fe 和Mn的濃度。為了進(jìn)行質(zhì)量控制，測(cè)試樣品中包含空白和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSV-2(灌木枝葉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所)。Pb、Fe和 Mn 的回收率為 90% ± 10%。

1.3.3 土壤可提取態(tài) Fe3+和 Fe2+的測(cè)定 植物收獲后，測(cè)定S1、S2、S3和S4層土壤可溶性鐵的濃度(Fe3+和Fe2+)[13]。

1.3.4 土壤 Pb 化學(xué)形態(tài)的測(cè)定 用連續(xù)提取法[14]提取土壤中不同形態(tài)的Pb，包括可交換態(tài) (EX)、碳酸鹽結(jié)合態(tài) (WSA)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài) (OX)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài) (OM) 和殘?jiān)鼞B(tài) (RES)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

重金屬的移動(dòng)性因子 (mobility factor，MF) 公式[15]：MF = (EX + WSA)/(EX + WSA + OX + OM +RES) × 100%。

采用SPSS 19統(tǒng)計(jì)軟件處理數(shù)據(jù)，所獲取的計(jì)量資料基本滿足正態(tài)分布，以均數(shù) ± 標(biāo)準(zhǔn)差表示，不同植物或根際與非根際間比較采用方差分析(ANOVA)，進(jìn)一步兩兩比較采用LSD檢驗(yàn)或T檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 五種濕地植物根際pH和Eh

從圖1可知，未種植物的污染土即對(duì)照土的pH 均顯著高于根際土 pH (P＜0.05)。與非根際土相比，五種供試植物的根際土的pH均顯著下降，特別是根際土的pH顯著低于近根際和非根際土的pH(P＜0.05)，大葉皇冠草根際pH下降幅度較大，下降幅度為4.8%。五種供試植物根際pH下降范圍是0.2～0.4。五種供試植物非根際土的pH和對(duì)照土的pH差異不顯著。

2.2 五種濕地植物對(duì)鉛的吸收和累積

從表1可知，五種濕地植物體內(nèi)和根表鐵膜鉛的含量有顯著差異 (P＜0.05)。大葉皇冠草根部Pb含量和根表鐵膜Fe、Mn含量顯著高于其他四種植物，其地上部Pb含量低于其他四種植物，小婆婆納地上部Pb含量高于其他四種植物。五種供試植物Pb主要分布在根部，其次是根表鐵膜，地上部分最少。五種供試植物根表富集的鐵膜濃度顯著高于錳膜濃度 (P＜0.05)。

圖1 五種植物根際和非根際土壤的pH(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤, n = 4)Fig.1 pH values of the rhizosphere and non-rhizosphere soils after5months (mean ± SE, n = 4)[注（Note）：柱上不同字母表示同種植物根際土壤pH在0.05 (LSD-檢驗(yàn)) 水平上差異顯著Different letters above the bars of the same plant mean significantly different among the rhizosphere soils at the level of P＜0.05 (LSD-test)].

圖2 五種植物近根際 (S2) 土壤的Eh(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤，n = 4)Fig.2 Eh values in the near rhizosphere (S2) soils after plant growth for a period of5months (mean ± SE, n = 4)[注（Note）：柱上不同字母表示近根際土壤Eh在0.05 (LSD-檢驗(yàn)) 水平上差異顯著Different letters above the bars mean significantly different among the near rhizosphere soils at the level of P＜0.05 (LSD-test)].

表1 五種植物體內(nèi)的Pb濃度及根表鐵膜Pb、Fe和Mn的濃度 (mg/kg)(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤, n = 4)Table1 Concentrations of Pb in shoot and root tissues and concentrations of Pb, Fe and Mn in iron plaque on root surface of five wetland plants grown in rhizoboxes filled with the soil contaminated by Pb for a period of5months (mean ± SE, n = 4)

2.3 五種濕地植物根際和非根際Fe2+和Fe3+濃度

由表2可知，未種植物的對(duì)照土Fe2+和Fe3+濃度均顯著高于供試根際土 (P＜0.05)，和五種供試植物非根際土中的Fe2+和Fe3+濃度相比差異不顯著。五種供試植物根際土的Fe2+和Fe3+濃度也顯著低于其非根際土的 Fe2+和 Fe3+濃度 (P＜0.05)。五種供試植物之間根際土的 Fe2+和 Fe3+濃度差異也較為顯著 (P＜0.05)，其中大葉皇冠草根際Fe2+和Fe3+濃度顯著低于其他四種植物根際的 Fe2+和 Fe3+濃度 (P＜0.05)。

表2 五個(gè)月后五種植物根際和非根際土的可提取態(tài)二價(jià)鐵和三價(jià)鐵的濃度 (平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤, n = 4)Table2 Concentrations of extractable Fe2+ and Fe3+ in rhizosphere and nonrhizosphere soils of the five plants grown in rhizoboxes filled with the soil contaminated by Pb for a period of5months (mean ± SE, n = 4)

2.4 五種植物根際和非根際Pb形態(tài)分布

由表3可知，五種供試植物根際和非根際Pb形態(tài)分布不同。EX-Pb由于含量較低均檢測(cè)不出。五種供試植物根際和非根際土壤中的Pb形態(tài)主要以RES為主 (36.39%～47.54%)，其次是OX(30.16%～41.64%)、OM(8.85%～15.08%) 和 WSA(6.89%～12.46%)。其中，S1和S2土壤中的WSA-Pb和RESPb濃度顯著降低，OX-Pb和OM-Pb濃度則顯著增加(P＜0.05)。五種供試植物中，大葉皇冠草根際(S1)WSA-Pb顯著低于其他植物，OM-Pb則顯著高于其他植物 (P＜0.05)。

由表4可知，五種供試植物對(duì)其根際和非根際的Pb移動(dòng)性具有顯著影響。五種供試植物的根際土(S1)Pb的移動(dòng)因子 (MF) 均顯著低于非根際土 (S2、S3、S4) 的 MF(P＜0.05)。S2、S3 和 S4 土之間 Pb 的移動(dòng)性因子差異不顯著。五種供試植物根際土Pb移動(dòng)因子也有顯著差異，大葉皇冠草根際土 (S1)Pb的移動(dòng)因子顯著低于黑籽荸薺、圓幣草和草龍 (P ＜0.05)，草龍根際土 (S1)Pb的移動(dòng)因子最高。

3 討論

3.1 濕地植物根際pH和Eh

有研究發(fā)現(xiàn)，酸性土壤在淹水還原狀態(tài)下，pH會(huì)逐漸提高，并達(dá)到中性左右；而堿性土壤在淹水還原條件下，pH值會(huì)降至中性左右[16–17]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，未種植植物的對(duì)照土pH在淹水五個(gè)月后，pH上升0.2～0.5個(gè)單位，更接近中性。而種植植物根際土 (S1) 的pH則下降0.1～0.4個(gè)單位。這五種供試植物根際pH下降可能是由于根系對(duì)陰陽(yáng)離子吸收不平衡造成的。有研究發(fā)現(xiàn)水稻在淹水條件下，對(duì)氮的吸收主要以銨鹽為主，在其過(guò)程中根系會(huì)分泌一些質(zhì)子來(lái)平衡陰陽(yáng)離子吸收的不平衡[18]。另外，造成根際pH不同于非根際的因素很多，除了根系對(duì)陰陽(yáng)離子吸收的不平衡和呼吸和微生物代謝產(chǎn)生的二氧化碳外，根系分泌的有機(jī)物也有一定的影響，此外，植物種類、土壤緩沖性能、肥料類型等都會(huì)影響根際pH[19]。

表3 五個(gè)月后五種植物根際和非根際土鉛形態(tài)分布 (%)(平均值，n = 4)Table3 Effects of the five wetland plants on relative distribution of Pb fractions (% of total Pb content) in rhizosphere and non-rhizosphere soils for a period of five months (mean, n = 4)

濕地植物由于具有根系滲氧功能 (ROL)，根際Eh要高于非根際[20]。本試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。五種植物近根際土 (S2) 的Eh均高于未種植植物的土壤Eh。其中大葉皇冠草和小婆婆納兩種植物的Eh顯著高于其他三種植物的Eh，表明這兩種植物根系有較強(qiáng)的放氧能力。

3.2 五種濕地植物根際和非根際Fe2+和Fe3+濃度

本試驗(yàn)結(jié)果表明，五種供試植物根際土 (S1) 的Fe2+和 Fe3+濃度顯著低于非根際土 (S3 和 S4) 的Fe2+和Fe3+濃度。這五種供試植物根際Fe2+濃度下降的原因可能是根系對(duì)Fe2+吸收和氧化造成的。與Fe3+相比，F(xiàn)e2+的可溶性明顯提高，更容易被植物吸收[21–22]。土壤在淹水狀態(tài)下，土壤中高價(jià)位的Fe3+、Mn4+等離子會(huì)被還原為Fe2+、Mn2+等離子。淹水條件下，F(xiàn)e2+含量的增加在一定程度上增大了根系與土壤中Fe2+的接觸機(jī)會(huì)，由于濕地植物根部的放氧作用，使得根際還原態(tài)Fe2+被氧化而在根表和根際沉積下來(lái)。五種供試植物根際Fe3+濃度下降的原因可能是Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+導(dǎo)致。其中大葉皇冠草根際Fe3+和Fe2+的濃度顯著低于其他四種植物，進(jìn)一步表明大葉皇冠草根系有較強(qiáng)的根際鐵氧化能力。

表4 五個(gè)月后五種植物根際和非根際土鉛的移動(dòng)性因子 (%)(平均值，n = 4)Table4 Effects of the five wetland plants on mobility factor of Pb (%) in rhizosphere and non-rhizosphere soils for a period of five months (mean, n = 4)

雖然五種植物近根際土 (S2) 的Eh均高于未種植植物土的Eh，但是數(shù)值均低于 0，但從五種植物根表富集了較多的鐵膜來(lái)看，植物根表和根際 (S1) 的Eh明顯高于近根際 (S2)。有研究認(rèn)為植物根際Eh為100～200 mV左右時(shí)，植物根表才能形成較多的鐵膜[23]。唐羅忠等報(bào)道，當(dāng)Eh高于200 mV時(shí)，濕地土壤中Fe2+濃度很低，但Eh低于200 mV時(shí)，濕地土壤中的Fe2+濃度不斷提高，說(shuō)明Fe3+向Fe2+轉(zhuǎn)化所導(dǎo)致[22]。但也有研究發(fā)現(xiàn)Eh高于200 mV時(shí)，土壤仍然會(huì)有較高的Fe2+濃度存在[24]。這些研究結(jié)果進(jìn)一步表明，土壤種類不同，即土壤性質(zhì)不同，會(huì)出現(xiàn)不同的研究結(jié)果。同時(shí)土壤pH對(duì)鐵化合物的溶解性影響很大，這也決定了鐵還原反應(yīng)的難易程度。也有研究發(fā)現(xiàn)，鐵還原的臨界Eh值在pH 6～7時(shí)約為 100 mV，pH為5時(shí)約為 300 mV，pH為8時(shí)約為–100 mV[25]。就本實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，五種濕地植物根際pH范圍在6～7，根際Eh在100～200 mV左右，在滿足鐵的還原條件的同時(shí)，根系滲氧將根際Fe2+氧化，在根表形成鐵膜，由此可見(jiàn)根際土壤Fe2+和Fe3+濃度的降低是和環(huán)境吻合的。

3.3 五種濕地植物鉛的吸收和累積

一般植物地上部正常的Pb含量是8.1 mg/kg,如果地上部分Pb濃度超過(guò)27 mg/kg便可對(duì)植物造成毒害[26]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5種供試植物地下部分Pb濃度遠(yuǎn)高于其地上部分 (表1)。濕地植物的這種將重金屬不向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)而對(duì)重金屬具有較高的耐性已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報(bào)道[27–30]。植物對(duì)重金屬的抗性可以通過(guò)兩個(gè)途徑，即避性和耐性。避性是指一些植物可通過(guò)某種外部機(jī)制保護(hù)自己，使其不吸收環(huán)境中高含量的重金屬?gòu)亩馐芏竞?。耐性是指植物體內(nèi)具有某些特定的生理機(jī)制，能吸收較多的重金屬而不受到毒害[31]。對(duì)旱生耐Zn植物Festuca rubra研究發(fā)現(xiàn)，高濃度Zn處理可以誘導(dǎo)植物根部細(xì)胞內(nèi)的液泡增多，以便將過(guò)量的鋅貯存起來(lái)避免毒害[32]。類似的研究結(jié)果在一些濕地植物如寬葉香蒲和蘆葦?shù)戎幸驳玫阶C實(shí)[27–28,33]。

有研究認(rèn)為鐵膜是濕地植物對(duì)還原性逆境的一種適應(yīng)性反應(yīng)，這種氧化膜的存在防止一些重金屬污染物進(jìn)入植物根系[34–35]。就本實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著根表鐵膜數(shù)量的增加，富集在5種供試植物根表鐵膜中的Pb也顯著增加 (表2)。這和前人研究鐵膜富集重金屬的結(jié)果較為一致。有研究發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)在淹水條件下的鹽生植被Aster tripolium富集在根表鐵膜中As的濃度是非淹水條件下的40倍[36]。也有研究發(fā)現(xiàn)水稻根表形成的鐵膜對(duì)生長(zhǎng)介質(zhì)中鋅有富集作用并存在一定的飽和能力[37]。但也有研究發(fā)現(xiàn)濕地植物根表鐵膜對(duì)一些重金屬?zèng)]有富集作用[35,38]。此外，有研究進(jìn)一步指出根表鐵膜對(duì)重金屬的吸附能力不僅具有一定的飽和性，而且吸附在根表鐵膜上的比例一般小于總量的50%，大部分累積在根部組織中[39]。

3.4 濕地植物Pb分布、鐵膜、根際pH、Eh、Fe2+、Fe3+、Pb移動(dòng)性因子之間的相關(guān)性

由表5可知，濕地植物根部Pb濃度與根表鐵膜中的Fe和Mn濃度呈顯著正相關(guān)，表明根表鐵膜的積累對(duì)于根部Pb的積累有一定的促進(jìn)作用。而根表鐵膜中Fe、Mn和Pb濃度與根際Fe2+濃度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，反映了濕地植物不僅在根表增加鐵膜含量，并對(duì)植物根際Fe2+的氧化產(chǎn)生了促進(jìn)作用。同時(shí)供試植物根際Fe3+濃度和Pb的移動(dòng)性因子 (MF) 呈極顯著正相關(guān)，表明根際Fe3+濃度可作為評(píng)價(jià)濕地植物根際Pb移動(dòng)性的參考指標(biāo)。pH和Eh與其他指標(biāo)沒(méi)有呈顯著相關(guān)關(guān)系。

表5 供試濕地植物分布，鐵膜，近根際 (S2) pH、Eh、Fe2+ 濃度、Fe3+ 濃度、Pb移動(dòng)性因子之間的泊松積矩相關(guān)系數(shù) (n = 20)Table5 Person correlation matrix for Pb distribution in root, shoot and plaque, pH, Eh, Fe2+ and Fe3+ concentrations and MF in rhizosphere soils (S2) of the five wetland plant species (n = 20)

本試驗(yàn)采用五步連續(xù)提取法將重金屬形態(tài)分為可交換態(tài) (EX)、碳酸鹽結(jié)合態(tài) (WSA)、鐵錳氧化態(tài)(OX)、有機(jī)態(tài) (OM) 和殘?jiān)鼞B(tài) (RES)。結(jié)果表明，與非根際土 (S2，S3和S4) 相比，五種供試植物根際土(S1) 的 Pb 移動(dòng)因子 (mobility factor,MF) 均顯著降低。與非根際土相比，根際土 (S1) 的WSA-Pb和RES-Pb濃度降低，OX-Pb和OM-Pb濃度升高。由此可見(jiàn)，供試植物根際WSA-Pb降低是導(dǎo)致其根際Pb移動(dòng)性降低的主要原因。其中可交換態(tài) (EX) 比較容易為植物吸收利用，同時(shí)也是重金屬對(duì)植物產(chǎn)生污染的主要形態(tài)，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可交換態(tài) (EX) 金屬只占總量的很小一部分，如EX-Pb濃度較低，檢測(cè)不出。碳酸鹽結(jié)合態(tài) (WSA) 被吸附于碳酸鹽表面或者以共沉淀的形式存在，其遷移活動(dòng)能力受土壤pH的影響很大，在這五種形態(tài)中是移動(dòng)性較強(qiáng)的一種[40]。由試驗(yàn)結(jié)果可知，根際土 (S1) 的WSA-Pb均顯著低于非根際土 (S2，S3，S4)，這可能是由于根際酸化引起的。濕地植物ROL氧化根際Fe2+的過(guò)程中釋放的質(zhì)子會(huì)不斷地溶解碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬，導(dǎo)致重金屬?gòu)倪@種形態(tài)釋放出來(lái)。同時(shí)這些釋放出來(lái)的重金屬可能會(huì)被土壤中的鐵錳氧化物吸附并形成鐵錳氧化態(tài)。

因此，從本研究結(jié)果來(lái)看，濕地植物根際土壤的pH、Eh、Fe3+和Fe2+變化對(duì)其根際重金屬形態(tài)變化有重要作用。大量研究報(bào)道，在淹水條件下，濕地植物根際無(wú)定形鐵含量增加，根際無(wú)定形鐵的增加將會(huì)導(dǎo)致鐵錳氧化態(tài)重金屬濃度的升高[30]。據(jù)報(bào)道，無(wú)定形鐵對(duì)Pb的吸附能力大于針鐵礦和赤鐵礦[41]。因此，從本試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，根際土 (S1)OX-Pb濃度顯著升高，原因可能和根際鐵含量的升高有關(guān)。有研究報(bào)道淹水條件下，濕地土壤中可溶性Pb含量和Fe含量呈顯著正相關(guān)[30]。鐵錳氧化態(tài)是一種對(duì)環(huán)境因素比較敏感的結(jié)合態(tài)，在淹水條件下土壤Eh和pH的變化會(huì)使該形態(tài)鐵錳變得不穩(wěn)定[42]。根際土(S1)OX-Pb濃度下降可能是根際pH和Eh變化導(dǎo)致的，其釋放的金屬可能被植物根際微生物和根系分泌的有機(jī)物質(zhì)所結(jié)合，形成OM-Pb。在淹水條件下，水稻根際As的移動(dòng)性主要由根際氧化還原程度所決定[43]。最近，有研究發(fā)現(xiàn)，根際氧化能力強(qiáng)的濕地植物和水稻能顯著降低根際重金屬 (As、Cd、Pb 和 Zn) 的有效性[11,44–45]。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，滲氧能力較強(qiáng)和根系生物量最高的大葉皇冠草的根際土(S1) 的Pb移動(dòng)因子 (MF) 是最低的，這表明濕地植物根系放氧對(duì)其根際pH、Eh、Fe3+和 Fe2+的影響會(huì)導(dǎo)致其根際Pb在可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)和有機(jī)態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡變化過(guò)程。

4 結(jié)論

1) 五種供試植物的Pb主要分布在根部，其次是根表鐵膜，地上部分最少。大葉皇冠草根部Pb含量和根表鐵膜中的Pb含量顯著高于其他四種植物，其地上部分Pb含量顯著低于其他四種植物，小婆婆納地上部分Pb含量顯著高于其他四種植物。

2) 五種供試植物根表富集的鐵膜數(shù)量顯著高于錳膜數(shù)量。大葉皇冠草和小婆婆納根表鐵膜中的Fe和Mn含量顯著高于其他三種植物。

3) 與非根際相比，五種植物根際pH下降，F(xiàn)e2+和 Fe3+濃度顯著下降，Eh顯著升高，Pb的移動(dòng)性顯著降低，根際Pb移動(dòng)性降低的原因主要是根際碳酸鹽結(jié)合態(tài)Pb含量顯著下降。大葉皇冠草根際pH、 Eh、Fe3+和Fe2+的影響導(dǎo)致其根際WSA-Pb降低效應(yīng)最為顯著。