東南景天種植及對土壤重金屬鋅和鎘的去除研究

楊琴 樊戰(zhàn)輝 孫家賓 陳光年 羅文倩 狄飛達(dá)

(成都市農(nóng)林科學(xué)院，四川 成都 611130)

土壤重金屬污染研究一直是全球環(huán)境領(lǐng)域的熱點和難點問題，土壤重金屬污染防治內(nèi)容是國家環(huán)境保護(hù)“十三五”規(guī)劃的重點內(nèi)容之一，是“十三五”削減總量-改善質(zhì)量-防范風(fēng)險的規(guī)劃主線的主要體現(xiàn)，是改善民生、保障安全的集中所在。土壤重金屬污染的過程具有長期性、隱蔽性、表聚性、不可逆轉(zhuǎn)性特點，嚴(yán)重影響著植物的生長、產(chǎn)量、品質(zhì)及人類健康[1,2]。同時，構(gòu)建生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，全球正面臨著糧食安全、水資源短缺和環(huán)境污染等諸多問題，這些問題的出現(xiàn)均與土壤資源破壞密切相關(guān)。隨著礦產(chǎn)資源的不合理開發(fā)與利用，污水灌溉，化肥、農(nóng)藥的大量施用以及工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，土壤污染日益嚴(yán)重。由于污染物進(jìn)入土壤使農(nóng)田遭受不同程度的污染，污染物通過在作物體內(nèi)的富集進(jìn)入食物鏈，對人畜健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成很大威脅[3,4]。

據(jù)全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，我國鎘點位超標(biāo)率為7.0%、鋅點位超標(biāo)率為0.9%，污染嚴(yán)重。東南景天是在我國發(fā)現(xiàn)的一種新的超累積植物，這不僅彌補(bǔ)了我國的空白，也為進(jìn)一步在我國尋找新的超累積植物資源提供了可能[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。即通過植物的一些特殊生理功能(如吸收、降解、穩(wěn)定、揮發(fā)等)來降低土壤中的重金屬污染物，甚至將土壤重金屬污染物移出環(huán)境的污染治理技術(shù)，植物修復(fù)也稱綠色修復(fù)或生物復(fù)[6]。與傳統(tǒng)方法相比，這項技術(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，成為研究熱點。我國目前關(guān)于重金屬-植物體系主要集中在重金屬-農(nóng)作物體系這一領(lǐng)域，而對野生超累積植物的研究較少。本試驗開展了東南景天耐鋅、鎘毒性能力的初步研究，以期為開發(fā)利用東南景天修復(fù)鋅、鎘污染土壤提供科學(xué)依據(jù)[7]。

1 材料與方法

1.1 供試材料

植物：東南景天，采自浙江臺州黃巖山區(qū)，為野生東南景天，葉片呈黃棕色，植株高度約為10cm。

土樣：實驗土壤取自成都市農(nóng)林科學(xué)院羊馬科研基地，為水稻土，取樣時間為2018年10月12日，該土壤剛于9月收獲水稻。土樣在室內(nèi)自然風(fēng)干，壓碎，去除土壤中雜質(zhì)，過40目篩，用于制備重金屬污染土壤。同時，另取一部分土壤，進(jìn)行土壤原始理化性質(zhì)檢測，結(jié)果如表1所示。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2 盆栽試驗

從表1可以看出，土樣中重金屬Zn、Cd的含量分別為0.1153mg/kg和0.00047mg/kg。外源性加入重金屬供給實驗土壤，鋅來源于ZnSO4·7H2O，鎘來源于Cd(NO3)2，2種物質(zhì)均溶于水。 Zn設(shè)1個空白，5個濃度，共6個水平；Cd設(shè)1個空白，5個濃度，共6個水平，共計36個處理，同時每個處理設(shè)3次平行，土培實驗設(shè)計如表2所示。

表2 土培試驗設(shè)計

制樣：制備重金屬污染土壤時，將事先稱好的ZnSO4·7H2O和Cd(NO3)2溶于去離子水中，再分別加到風(fēng)干土壤中，每盆土壤凈重2kg，混勻，加去離子水至土壤田間持水量的65%～70%，自然風(fēng)干，每隔7d加水風(fēng)干，如此反復(fù)鈍化1個月后進(jìn)行盆栽試驗。加入復(fù)合肥料做基肥，每盆栽植10株野生東南景天，生長過程中用去離子水灌溉，土壤濕度保持在田間持水量的65%～70%，2個月后將東南景天收獲，將植物鮮樣在105℃下殺青30min，然后在70℃下烘干至恒重，將東南景天根、莖、葉分別取樣，再分別磨細(xì)，過80目篩，分別測定每個處理東南景天根、莖、葉各部位Zn、Cd含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度Zn、Cd處理對東南景天的影響

2.1.1 不同濃度Zn、Cd處理對東南景天生長的影響

盆栽試驗2個月后，東南景天植株性狀如下圖1、圖2所示。圖1編號情況如下表3所示。

圖1 不同濃度下植株性狀

表3 植株情況

注：橫坐標(biāo)代表Zn濃度，縱坐標(biāo)代表Cd濃度，如B3是指Zn=500mg/kg，Cd=100mg/kg。

圖2 不同濃度下植株性狀

觀察整個試驗過程發(fā)現(xiàn)：單一鋅處理下，當(dāng)Zn≤100mg/kg，東南景天長勢不會受明顯影響，葉片呈青綠色，根莖葉和對照組比無明顯差異；在Zn<50mg/kg處理下，東南景天生長發(fā)育較快，長勢良好，根相比對照組更粗，葉片也更肥大；當(dāng)Zn>500mg/kg時，植株出現(xiàn)明顯的重金屬中毒癥狀，矮小稀疏，葉片枯萎掉落，根系的長度也比對照組低；當(dāng)Zn濃度達(dá)到1000mg/kg時，東南景天葉片黃化、頂葉掉落，根系萎縮，植株呈現(xiàn)紅棕色。

單一鎘處理下，當(dāng)Cd≤50mg/kg，東南景天生長發(fā)育較快，長勢良好，與對照相比無明顯差異；當(dāng)Cd>500mg/kg時，植株出現(xiàn)明顯的重金屬中毒癥狀，植株矮小稀疏，葉片黃化、頂葉掉落，根系的長度也比對照組低；當(dāng)Cd濃度達(dá)到1000mg/kg時，東南景天葉片黃化、頂葉掉落，根系萎縮，植株呈現(xiàn)紅棕色，與對照組青綠色葉片差異較大。

同時，從圖1可以看出，A2(Zn=100mg/kg，Cd=0)、B1(Zn=0，Cd=100mg/kg)的長勢明顯好于B2(Zn=100mg/kg，Cd=100mg/kg)。A3(Zn=500mg/kg，Cd=0)、C1(Zn=0，Cd=500mg/kg)的長勢明顯好于C3(Zn=500mg/kg，Cd=500mg/kg)。A4(Zn=1000mg/kg，Cd=0)、D1(Zn=0，Cd=1000mg/kg)的長勢明顯好于D4(Zn=100mg/kg，Cd=100mg/kg)。說明在Zn、Cd雙重脅迫下的東南景天的生長勢劣于同濃度下單一Zn或Cd脅迫下的生長。

2.1.2 不同濃度Zn、Cd處理對東南景天累積Zn、Cd的影響

重金屬通過植物根系進(jìn)入植物體內(nèi)后，會不同程度地轉(zhuǎn)移到植物的根莖葉中，不同部位的沉積量可以反映出該植物對重金屬的富集量。不同濃度Zn、Cd處理對東南景天根、莖、葉累積Zn、Cd量的影響如圖3、圖4所示。

圖3 不同濃度Zn處理對東南景天累積Zn量的影響

圖4 不同濃度Cd處理對東南景天累積Cd量的影響

從圖3可知，東南景天受單一Zn脅迫下，其根中累積Zn量隨著土壤中Zn濃度的增加而增加，東南景天莖、葉中累積Zn量隨著土壤中Zn濃度的增加先增加后急劇下降，說明當(dāng)Zn>500mg/kg時會抑制Zn在東南景天體內(nèi)的遷移及轉(zhuǎn)運。從高濃度Zn處理下東南景天受毒害癥狀可知，當(dāng)土壤中Zn濃度>500mg/kg，Zn對東南景天的生長產(chǎn)生了很強(qiáng)的毒害作用。Zn累積量在東南景天體內(nèi)的分配大小為根>莖>葉，顯示東南景天對Zn具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運能力和富集能力。

從圖4可知，東南景天受單一Cd脅迫下，其根中累積Cd量隨著土壤中Cd濃度的增加先增加后急劇減小，Cd累積量在東南景天體內(nèi)的分配大小為根>莖>葉，顯示東南景天對Cd具有較強(qiáng)富集作用，但東南景天吸收的Cd多累積在植物根部，向地上部分運輸?shù)腃d較少，說明Cd在東南景天體內(nèi)的遷移能力較低。

同時，對東南景天根莖葉各部位分別累積Zn、Cd的變化趨勢曲線進(jìn)行方程擬合，擬合曲線見表4。由表4可知，東南景天根、莖、葉中Zn含量與土壤中Zn濃度均能用二次方程進(jìn)行模型擬合，相關(guān)系數(shù)R2根部=0.6538 ，莖部=0.6538 ，葉部=0.9054，均已經(jīng)達(dá)到擬合顯著水平，葉部擬合最為顯著。由于不同的土壤中Zn濃度，東南景天根、莖、葉中Zn含量的變化趨勢也不同，適用的擬合曲線也不同，其中葉部Zn含量隨著土壤中Zn濃度的變化曲線擬合最佳，相關(guān)系數(shù)R2=0.9054，已達(dá)到極顯著水平。同時，東南景天根、莖、葉中Cd含量與土壤中Cd濃度也能用二次方程進(jìn)行模型擬合，相關(guān)系數(shù)R2根部=0.7597，莖部=0.9525 ，葉部=0.9509，均已達(dá)到擬合顯著水平。其中，莖和葉的擬合曲線最佳，相關(guān)系數(shù)均已達(dá)到極顯著水平。

表4 不同濃度Zn、Cd處理下東南景天累積Zn、Cd的曲線擬合模型

2.2 不同濃度Zn、Cd處理下東南景天莖和葉對Zn、Cd的遷移系數(shù)和富集系數(shù)

利用東南景天進(jìn)行重金屬Zn、Cd污染土壤修復(fù)，除了明確東南景天對Zn、Cd的耐性以及累積能力，還應(yīng)研究東南景天由根向莖、葉遷移Zn、Cd的能力。利用植物的富集系數(shù)和遷移系數(shù)描繪植物對重金屬的吸收和運輸是受學(xué)界普遍認(rèn)可的科學(xué)方法。東南景天對Zn、Cd的富集系數(shù)和遷移系數(shù)和如表5所示。

表5 東南景天莖和葉對Zn、Cd的遷移系數(shù)和富集系數(shù)

由表5可知，Zn脅迫下，東南景天莖葉的遷移系數(shù)先增大后減小。說明在一定范圍內(nèi)Zn濃度的增加促進(jìn)了東南景天體內(nèi)的Zn從根部到地上部的轉(zhuǎn)運，這種促進(jìn)作用隨Zn濃度上升而繼續(xù)增加，達(dá)到較高水平時又逐漸降低。相同條件下，東南景天對Cd的遷移規(guī)律類似于對Zn的遷移，東南景天對Cd的遷移系數(shù)和富集系數(shù)低于Zn。

3 結(jié)論

東南景天受單一Zn脅迫下，其根部Zn含量隨著土壤中Zn濃度的增加極顯著升高。東南景天莖和葉的Zn含量隨著土壤中Zn濃度的增加先上升，到土壤中Zn濃度達(dá)到500mg/kg時急劇下降。東南景天對Zn的富集系數(shù)隨著土壤中Zn濃度的增加呈先升高后降低，葉的富集系數(shù)隨著土壤中Zn濃度的增加呈逐漸降低的趨勢。東南景天的遷移系數(shù)隨著土壤中Zn濃度的變化呈波動趨勢，隨著處理濃度的增加先增加后急劇減小。表明在東南景天正常生長的土壤Zn濃度范圍內(nèi)(≤500mg/kg)，東南景天具有較強(qiáng)的向莖、葉轉(zhuǎn)運Zn的能力。

東南景天受單一Zn脅迫下，其根中Cd含量隨著土壤中Cd濃度的增加先增加后降低，到土壤中Cd濃度達(dá)到500mg/kg時急劇下降。東南景天莖和葉的Cd含量隨著土壤中Cd濃度的增加緩慢上升。東南景天對Cd的富集系數(shù)隨著土壤中Cd濃度的增加呈先升高后降低，葉的富集系數(shù)隨著土壤中Zn濃度的增加呈逐漸降低的趨勢。東南景天對Cd的遷移系數(shù)隨著土壤中Cd濃度的變化呈波動趨勢，隨著處理濃度的增加先增大后急劇減小。

在Zn、Cd雙重脅迫下的東南景天的生長是劣于同濃度下單一Zn或Cd脅迫下的生長。

東南景天具有對Zn的較好吸收特性和一定的耐Zn毒性能力以及對Cd較強(qiáng)的耐性和富集能力為東南景天修復(fù)Cd污染土壤以及低Zn濃度的Zn-Cd復(fù)合污染土壤提供了可能。