阿哈水庫(kù)底泥基質(zhì)中3種綠化植物的生長(zhǎng)及Cd的富集特征

嚴(yán)蓮英,范成五,劉桂華,高翔,秦松*

(1.貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 貴陽(yáng) 550018；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550006)

阿哈水庫(kù)是貴陽(yáng)市的三大水缸之一，坐落于黔中典型的喀斯特山區(qū)，屬地球化學(xué)敏感和生態(tài)環(huán)境脆弱的喀斯特碳酸鹽巖區(qū)域，由于特殊的地質(zhì)環(huán)境及長(zhǎng)期受人類活動(dòng)的影響，庫(kù)底沉積物淤積。近幾年，經(jīng)貴陽(yáng)市政府的整治，水庫(kù)水質(zhì)有所改善，但產(chǎn)生了大量的疏浚底泥，其安全處置成為一個(gè)難題。阿哈水庫(kù)底泥養(yǎng)分豐富，但重金屬Cd污染較為嚴(yán)重，不適于耕地利用，可考慮用于園林綠地[1]。此外，底泥中含有豐富的腐殖質(zhì)膠體，施用于土壤中不僅能改善土壤物理性質(zhì)，還能有效提高土壤的保水保肥能力[2-3]。另有研究表明，向底泥中添加一些改良劑制成種植基質(zhì)，更有利于植物的生長(zhǎng)，如張鴻齡等[4]利用底泥、粉煤灰和鋸木屑混合后種植紫花苜蓿(Medicagosativa)，紫花苜蓿長(zhǎng)勢(shì)良好，且能帶走一些基質(zhì)中的重金屬，胡雨彤等[5]向底泥堆肥中添加珍珠巖，能促進(jìn)孔雀草(Tagetespatula)的生長(zhǎng)。

珍珠巖能增大混合基質(zhì)的孔隙度，增強(qiáng)其通氣、保水、保肥的性能，蘑菇渣不僅含有豐富的養(yǎng)分，而且含有大量的微生物，與鋸木屑一樣具有質(zhì)輕、透氣保水、保肥的特點(diǎn)，是代替盆土的好材料，此外，貴州是種茶大省，茶園土呈酸性，可利用其降低底泥基質(zhì)的pH。三葉草(Oxalistriangularis)具有較強(qiáng)的氮磷去除能力，能有效減少由于地表徑流的沖刷、氮磷流失而造成的面源污染，同時(shí)，三葉草對(duì)含有重金屬Cd污染的土壤有一定的耐受性[6]；黑麥草(Loliumperenne)和孔雀草是目前花壇應(yīng)用的主要花草，且對(duì)Cd具有很強(qiáng)的富集能力，具備植物修復(fù)潛力[7-8]，又有研究指出草本植物對(duì)重金屬Cd轉(zhuǎn)移能力、吸收能力均高于灌木和喬木[9]，所以選擇三葉草、黑麥草和孔雀草來(lái)進(jìn)行此次試驗(yàn)。因喀斯特底泥的特殊性，目前對(duì)喀斯特地區(qū)水庫(kù)底泥的資源化利用較少，但已有研究指出草本植物在喀斯特地區(qū)紅楓湖底泥基質(zhì)中能正常生長(zhǎng)，且對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的吸附作用[10]。本研究通過(guò)向阿哈水庫(kù)污染底泥中添加一定比例的茶園土、木屑、蘑菇渣和珍珠巖，制成底泥基質(zhì)，研究其對(duì)3種草本綠化植物生長(zhǎng)的影響及3種植物對(duì)Cd的富集特征，為阿哈水庫(kù)及類似的喀斯特山區(qū)湖泊污染底泥整治工程提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)所用底泥為貴陽(yáng)市阿哈水庫(kù)疏浚底泥。底泥于疏浚場(chǎng)地堆積自然脫水至含水量達(dá)60%左右，裝入塑料桶中運(yùn)回大棚自然風(fēng)干，經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)濾，剔除碩石、木屑、動(dòng)植物殘?bào)w和生活垃圾等異物后研磨過(guò)2 mm篩備用；珍珠巖、木屑、蘑菇渣均取自貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝科學(xué)研究所；茶園土取自貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所基地。所有配比材料采集后均放置于實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，過(guò)篩后測(cè)定樣品的基本理化性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)所用孔雀草、黑麥草和三葉草均購(gòu)于當(dāng)?shù)鼗B市場(chǎng)。

表1 其他物料的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of other materials

-:未檢測(cè)Non detection.

1.2 研究方法

1.2.1配比實(shí)驗(yàn) 綜合考慮資源化利用成本、供試園藝植物的生長(zhǎng)習(xí)性、底泥的特性與底泥處理量，根據(jù)所用材料的理化特性，本試驗(yàn)將底泥、珍珠巖、木屑、蘑菇渣、茶園土按照表2充分混勻裝入塑料花盆(高21 cm，直徑20 cm)中，于室溫下平衡30 d，期間每3 d翻動(dòng)1次(保證其充分混勻)，以自來(lái)水澆灌，使其保持60%的田間持水量。每盆取100 g進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.2.2盆栽試驗(yàn) 試驗(yàn)在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所大棚進(jìn)行。綜合考慮供試園藝植物的生長(zhǎng)習(xí)性、底泥的特性與底泥處理量，試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理(表2)，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。 基質(zhì)配制完成后，混

表2 底泥基質(zhì)的配比 Table 2 Ratio of sediment substrate (%)

注：表中數(shù)據(jù)為體積比。

Note：The data in the Table are volume ratio.

合均勻后倒入塑料盆，每盆基質(zhì)量控制在2 kg左右，每盆分別移栽一棵相應(yīng)的植物(對(duì)每種植物進(jìn)行育苗，然后挑選大小和長(zhǎng)勢(shì)一致的苗)，種植盆在盆栽場(chǎng)大棚中隨機(jī)排列，用自來(lái)水澆灌，保證水分，生長(zhǎng)90 d后收獲。植株地上部分于收獲前測(cè)定株高，收獲時(shí)采集植株整株，用自來(lái)水洗凈后再用去離子水沖洗，測(cè)定鮮重和干重，然后分成地上部和地下部，制成樣品進(jìn)行相關(guān)的分析，同時(shí)采集對(duì)應(yīng)的底泥生長(zhǎng)基質(zhì)樣品，于室內(nèi)風(fēng)干后，制成樣品進(jìn)行分析。

1.3 樣品分析

采樣當(dāng)天將植物樣品用去離子水洗凈，先在 105 ℃殺青30 min，60 ℃烘干，用不銹鋼植物粉碎機(jī)磨碎，裝入自封袋編號(hào)備用。土壤樣先置于室內(nèi)自然風(fēng)干，根據(jù)需要研磨、過(guò)篩，裝入自封袋編號(hào)備用。于2016年11月進(jìn)行室內(nèi)分析，pH 值、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、電導(dǎo)率測(cè)定采用鮑士旦[11]的方法測(cè)定；采用ICP-MS(BOEN 36158)測(cè)定土壤Cd。

1.4 植物對(duì)重金屬的富集能力

植物對(duì)重金屬的富集能力可以用生物富集系數(shù)(bioconcentration factors，BCF)和生物轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor，TF)[12]表示。植物對(duì)重金屬的富集系數(shù)(BCF)=植物重金屬Cd含量/底泥基質(zhì)中重金屬Cd含量；植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=地上部分的重金屬Cd含量/地下部分的重金屬Cd含量。富集系數(shù)可表征底泥-植物體系中元素遷移的難易程度，是反映植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)能力大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)[13]。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用 Excel、DPS 7.05和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 底泥基質(zhì)的理化性質(zhì)

表3表明，供試驗(yàn)植物種植前基質(zhì)除對(duì)照外，有機(jī)質(zhì)的含量范圍為78.30～95.31 g·kg-1，速效氮為109.33～124.45 mg·kg-1，速效磷為17.20～24.70 mg·kg-1，速效鉀為178.12～206.46 mg·kg-1，均顯著(P<0.05)低于對(duì)照，說(shuō)明添加了養(yǎng)分含量低的珍珠巖、木屑、蘑菇渣和茶園土等調(diào)節(jié)質(zhì)地的物料降低了底泥基質(zhì)的養(yǎng)分含量，但所有處理養(yǎng)分含量都遠(yuǎn)高于CJ/T 340-2011[14]的要求，其中處理T1～T5有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀含量為CJ/T 340-2011限值的6.53～7.94倍、2.73～3.11倍、2.15～3.09倍和2.97～3.44 倍；基質(zhì)的pH為7.62～7.71，呈中性至弱堿性，滿足CJ/T 340-2011的要求(pH 5.50～8.30)，總孔隙度為42%～75%，滿足一般植物的生長(zhǎng)需求(孔隙度為40%～50%)，基質(zhì)的EC為1.47～1.62 ms·cm-1，Cd含量為0.88～1.12 mg·kg-1，EC和Cd含量分別為CJ/T 340-2011的1.23～1.35倍和0.88～1.12倍。同時(shí)，由于木屑、蘑菇渣的養(yǎng)分含量高于珍珠巖和茶園土，所以木屑、蘑菇渣所占比重較大的T5、T3和T4養(yǎng)分含量大于T2和T1，此外，調(diào)節(jié)孔隙度能力為珍珠巖>木屑>蘑菇渣>茶園土，所以，經(jīng)調(diào)節(jié)后，孔隙度較大的為T2、T5、T3和T4，綜上，T5為理化性質(zhì)最優(yōu)基質(zhì)。

表3 底泥基質(zhì)的理化性質(zhì)Table 3 Physical and chemical properties of sediment substrate

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

Note: Different lowercase letters within the same column indicate significant differences (P<0.05), the same below.

2.2 底泥基質(zhì)對(duì)3種植物生物量的影響

生物量是表征植物生長(zhǎng)情況的重要指標(biāo)之一。以3種植物和6種基質(zhì)進(jìn)行二因素方差分析(表4)，結(jié)果表明，三葉草、黑麥草和孔雀草的地上部分鮮重均值為36.56～93.98 g·盆-1，地下部分為0.95～33.65 g·盆-1，地上部分干重均值為4.16～11.43 g·盆-1，地下部分為0.46～3.94 g·盆-1，其中，三葉草表現(xiàn)得最好，地上、地下部分鮮重、地上和地下部分干重分別為93.98、33.65、11.43和3.94 g·盆-1；其次是孔雀草，地上、地下部分鮮重、地上和地下部分干重分別為52.38、8.64、8.26和1.65 g·盆-1；再次是黑麥草，地上、地下部分鮮重、地上和地下部分干重分別為36.56、0.95、4.16和0.46 g·盆-1。CK、T1、T2、T3、T4和T5的地上部分鮮重均值為42.00～73.92 g·盆-1，地下部分鮮重均值為11.14～15.83 g·盆-1，地上部分干重均值為5.91～9.73 g·盆-1，地下部分干重均值為1.51～2.48 g·盆-1。其中，T5表現(xiàn)得最好，地上、地下部分鮮重、地上部分干重和地下部分干重，均值分別為73.92、15.66、9.73和2.48 g·盆-1；其次是T3，地上部分鮮重、地下部分鮮重、地上和地下部分干重，均值分別為69.07、15.83、9.04和2.32 g·盆-1；最后是CK，均值分別為42.00、11.14、5.91和1.51 g·盆-1。綜上，T5處理的植物生長(zhǎng)情況最好，底泥基質(zhì)中植物的長(zhǎng)勢(shì)為三葉草>孔雀草>黑麥草。

表4 不同處理對(duì)植物生物量的影響Table 4 Effects of different treatments on plant biomass (g·pot-1)

2.3 植物重金屬Cd的富集特征

不同底泥基質(zhì)處理和植物種類對(duì)植物重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)影響不同(表5)。三葉草、黑麥草和孔雀草地上部分Cd的含量范圍分別為0.10～0.14 mg·kg-1、0.21～0.31 mg·kg-1和0.93～1.22 mg·kg-1，地下部分分別為0.04～0.15 mg·kg-1、4.32～4.98 mg·kg-1和0.40～0.93 mg·kg-1，其中，三葉草CK、T1和T4處理地上部Cd含量大于地下部分，其他處理的地上部分小于或等于地下，黑麥草地下部分大于地上，孔雀草的地上部分大于地下；三葉草、黑麥草和孔雀草的Cd累積量為1.03～2.24 μg·盆-1、2.73～3.72 μg·盆-1和7.46～12.60 μg·盆-1；可見，對(duì)重金屬的累積能力為孔雀草>黑麥草>三葉草。

一般植物正常的Cd含量為0.2～3.0 mg·kg-1[15]，通過(guò)比較得出，除黑麥草地下部分Cd含量超過(guò)正常值外，其余植物Cd含量均在植物正常含量范圍內(nèi)。由此可見，不僅可以在底泥基質(zhì)中種植這3種植物，且可以借助這3種植物將底泥中重金屬去除。

不同植物對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力不同(表6)，有研究指出當(dāng)一種植物對(duì)重金屬的BCF>1和TF>1的，表明植物對(duì)重金屬的富集能力較強(qiáng)，并可同時(shí)在地上部分和地下部分累積大量重金屬，符合這種特征的植物為富集型植物[16]。3種植物對(duì)重金屬Cd的富集能力存在較大差異。三葉草地上部分的富集系數(shù)為0.09～0.13，地下部分為0.04～0.17，黑麥草地上部分為0.20～0.31，地下部分為3.96～5.01，孔雀草地上部分為0.93～1.11，地下部分為0.37～1.06。只有黑麥草的地下部分和孔雀草CK處理的地上部分、T2的地上部分、地下部分及T5的地上部的BCF>1，由此可見，黑麥草的地下部分對(duì)Cd具有很強(qiáng)的富集能力，孔雀草的地上部分對(duì)Cd具有較強(qiáng)的富集作用。綜合3種植物對(duì)重金屬Cd的富集系數(shù)，富集能力為黑麥草地下部分>孔雀草地上部分>孔雀草地下部分>黑麥草地上部分>三葉草地上部分>三葉草地下部分，總體富集能力為孔雀草>黑麥草>三葉草。

表5 不同處理對(duì)植物體內(nèi)重金屬Cd含量與累積量的影響Table 5 Effects of different treatments on Cd content and accumulation in plants

表6 不同處理下3種植物對(duì)重金屬Cd的富集能力Table 6 Enrichment ability of three plants to heavy metal Cd under different treatments

植物轉(zhuǎn)移系數(shù)反映植物向莖、葉轉(zhuǎn)移重金屬的能力，轉(zhuǎn)移系數(shù)越大表明植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移能力越強(qiáng)。如TF>1，說(shuō)明植物將地下部分的重金屬元素轉(zhuǎn)移至地上部分能力強(qiáng)；如果TF<1，說(shuō)明植物將重金屬轉(zhuǎn)移至地上部的能力較弱[16]。三葉草的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.67～3.23(表6)，黑麥草為0.05～0.07，孔雀草為1.00～2.52，可見，黑麥草是根富集植物，植株對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的根系過(guò)濾作用，可以防止有毒污染物在植物中的過(guò)度積累導(dǎo)致植物的衰亡[17]，三葉草和孔雀草是地上部富集植物。綜合3種植物對(duì)重金屬Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)，轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)弱為孔雀草>三葉草>黑麥草。

2.4 植物重金屬累積量與底泥基質(zhì)中重金屬含量的關(guān)系

將3種植物重金屬含量與底泥基質(zhì)中的重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析(表7)，3種植物的不同部位與底泥基質(zhì)中的Cd含量無(wú)明顯的相關(guān)性。3種植物的地上部分與地下部分的相關(guān)系數(shù)為-0.38～-0.48，為負(fù)相關(guān)，但不顯著。原因可能是為了資源化利用底泥，所配制的底泥基質(zhì)中的Cd含量不成梯度，基質(zhì)的理化性質(zhì)也不同造成的。

表7 植物Cd含量與底泥基質(zhì)Cd含量的相關(guān)分析Table 7 Correlation analysis of Cd content between plant and sediment substrate

3 討論

生長(zhǎng)基質(zhì)的酸堿度、鹽分、孔隙度和養(yǎng)分含量對(duì)植物的生長(zhǎng)具有重要作用。底泥的養(yǎng)分含量較豐富，施入土壤能有效增加土壤的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等含量[2]，用底泥來(lái)配制基質(zhì)可以提高基質(zhì)養(yǎng)分含量，同時(shí)往底泥基質(zhì)中添加珍珠巖、鋸木屑和蘑菇渣不僅可以增加底泥的孔隙度，同時(shí)，鋸木屑和蘑菇渣在緩慢腐熟過(guò)程中還可以增加底泥養(yǎng)分的緩慢供應(yīng)，有利于重復(fù)利用[5,18-19]，還可以改善基質(zhì)的pH、EC等性狀。此外，由于其他物料的添加，稀釋了底泥中的Cd，使其他處理的Cd含量都低于對(duì)照[4]。

底泥基質(zhì)的平均Cd含量已超過(guò)CJ/T 340-2011中的Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，目前對(duì)于這3種植物的Cd毒害臨界值尚未見報(bào)道，3種植物在底泥基質(zhì)中都能生長(zhǎng)，可能是基質(zhì)中Cd的含量未達(dá)到3種植物耐性的臨界點(diǎn)，也可能與底泥中含量較高的有機(jī)質(zhì)和pH有關(guān)，金屬離子的溶解度會(huì)隨 pH 值升高而降低，金屬有機(jī)絡(luò)合物的穩(wěn)定性則隨環(huán)境 pH 值升高而增強(qiáng)[20]，重金屬還能與有機(jī)質(zhì)形成具有一定穩(wěn)定程度的金屬有機(jī)絡(luò)合物，降低重金屬的生物可利用性以及植物的吸收[21]，此外，阿哈水庫(kù)底泥的硫及鈣含量非常高[22-23]，S可在細(xì)胞內(nèi)形成巰基物質(zhì)和促進(jìn)液泡移動(dòng)，以隔離和螯合Cd離子，減小Cd的生物有效性[24]，Ca與Cd具有相似的化學(xué)性質(zhì)，是吸附位點(diǎn)的主要競(jìng)爭(zhēng)者，當(dāng)兩者在溶液中同時(shí)存在時(shí)，可顯著地降低植物對(duì)Cd的吸收和積累，從而減輕Cd的毒害[25]。

3種植物在底泥基質(zhì)中的生長(zhǎng)情況不同，生物量為三葉草>孔雀草>黑麥草，除了與植物特性有關(guān)外，可能的原因是CJ/T 340-2011指出，一般植物對(duì)基質(zhì)EC的適應(yīng)性為 0.15～1.20 ms·cm-1，耐鹽植物對(duì)基質(zhì)EC的適應(yīng)性為≤1.8 ms·cm-1，而此次配比的基質(zhì)EC為1.47～1.62 ms·cm-1，需要耐性植物才能正常生長(zhǎng)，雖孔雀草和黑麥草適應(yīng)性強(qiáng)，更有研究指出三葉草可適應(yīng)寒冷及炎熱，酸和堿性土[26]，此外還有研究指出，孔雀草和黑麥草是Cd累積植物，液胞區(qū)隔化和細(xì)胞壁固持是孔雀草應(yīng)對(duì) Cd 脅迫的重要耐性機(jī)制[27-28]，但三葉草對(duì)重金屬耐性表現(xiàn)為少吸收，在同等重金屬脅迫條件下，重金屬含量較低，長(zhǎng)勢(shì)較其他植物好[29-30]，同時(shí)本研究結(jié)果也顯示在同等條件下孔雀草對(duì)Cd的累積量遠(yuǎn)大于黑麥草，黑麥草遠(yuǎn)大于三葉草。還有研究指出當(dāng)Cd在植物體內(nèi)含量達(dá)到1 mg·kg-1時(shí)，就會(huì)抑制植物生物量的累積[31]，本研究表明，除三葉草Cd含量約為0.10 mg·kg-1外，孔雀草地上部分Cd含量超過(guò)1 mg·kg-1，黑麥草地下部分的Cd含量甚至超過(guò)了4 mg·kg-1，基質(zhì)中的Cd可能是影響到孔雀草和黑麥草的生長(zhǎng)，導(dǎo)致它們的生物量沒(méi)有三葉草高的主要原因之一。此外，三葉草屬于豆科車軸草屬，具有固氮作用，在提升植株氮素養(yǎng)分的同時(shí)，氮素在白三葉草的重金屬鎘解毒機(jī)制中具有重要作用，能夠緩解鎘對(duì)植株的毒害[32]。

4 結(jié)論

1)配制的底泥基質(zhì)有機(jī)質(zhì)的含量范圍為78.3～95.31 g·kg-1，速效氮為109.33～124.45 mg·kg-1，速效磷為17.2～24.7 mg·kg-1，速效鉀為178.12～206.46 mg·kg-1，pH為7.62～7.71，總孔隙度為42%～75%，EC為1.47～1.62 ms·cm-1，Cd為0.88～1.12 mg·kg-1，滿足CJ/T 340-2011的要求。

2)底泥基質(zhì)種植的三葉草、黑麥草和孔雀草的鮮重及干重分別為127.63、15.37，37.51、4.62和61.02、9.91 g·盆-1，生物量的大小順序?yàn)椋喝~草>孔雀草>黑麥草。

3)種植的三葉草、黑麥草和孔雀草地上部分Cd含量范圍分別為0.10～0.14 mg·kg-1、0.21～0.31 mg·kg-1和0.93～1.22 mg·kg-1，地下部分為0.04～0.15 mg·kg-1、4.32～4.98 mg·kg-1和0.40～0.93 mg·kg-1，除黑麥草地下部分Cd含量超過(guò)正常值外，其余值均在正常范圍內(nèi)。Cd累積量分別為1.03～2.24 μg·盆-1、2.73～3.72 μg·盆-1和7.46～12.60 μg·盆-1，孔雀草對(duì)Cd有較強(qiáng)的富集能力。

4)三葉草、黑麥草和孔雀草地上部分和地下部分富集系數(shù)分別為0.09～0.13、0.04～0.17，0.20～0.31、3.96～5.01，0.93～1.11、0.37～1.06，富集能力為黑麥草地下部分>孔雀草地上部分>孔雀草地下部分>黑麥草地上部分>三葉草地上部分>三葉草地下部分。