不同種植模式下添加伊利石對污染土壤的修復(fù)*

李雅倩 高雄飛 楊為中 孫思哲 楊瑗羽 陳振華 馬嘉偉 葉正錢 柳 丹#

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)省部共建亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；3.景寧縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 麗水 323500)

礦區(qū)資源的開采和冶煉伴隨嚴(yán)重的重金屬污染。重金屬進(jìn)入土壤后，影響動植物的生長，危害人類的身體健康，對環(huán)境產(chǎn)生不可估量的影響[1-2]。其隱蔽性、長期性也導(dǎo)致了該問題無法從根本上解決。目前，重金屬污染作為無機(jī)污染的一種，已引起了國內(nèi)外廣大研究者的關(guān)注[3-5]。對重金屬污染的管控與治理，成了一項(xiàng)全球性的任務(wù)，而固化穩(wěn)定化技術(shù)，是這一任務(wù)中重要的一環(huán)。

黏土礦物(如伊利石、膨潤土等)因其儲量大、成本低，成為固化穩(wěn)定化技術(shù)的核心材料[6]846，可以降低土壤中重金屬的活性和有效性，從而降低生態(tài)風(fēng)險和重金屬對植物、動物和人類的毒害作用[7]。而相對于單一種植，間作可以促進(jìn)植物對土壤中養(yǎng)分的吸收和對水分、陽光、空氣的利用效率[8]。在間作模式下，植物地下根系之間相互作用，能夠改變植物根系的分泌物組成、土壤酶活性和微生物活動等，間接改變土壤中重金屬的有效性，從而影響植物對重金屬的可利用度[9]。

現(xiàn)有研究集中于黏土礦物對溶液中重金屬的離子吸附[10]，對黏土礦物鈍化土壤重金屬的研究較少，間作模式也大體上基于農(nóng)作物間作[11]及超積累植物和非超積累植物的組合[12]，缺乏重度污染下不同生態(tài)位景觀植物的種植模式探究。前期野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，枸骨(Ilexcornutavar.fortunei)對重金屬具有極強(qiáng)的耐性，適宜在重度污染的土壤中生長。基于此，本研究選取枸骨和綠蘿(Epipremnumaureum)作為間作植物，聯(lián)合伊利石進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，探究不同種植模式下添加伊利石對重金屬污染土壤的修復(fù)效果，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)具有借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

盆栽試驗(yàn)中的土壤于2019年3月采自上虞銀山鉛鋅礦附近，采集0～20 cm的耕層土壤進(jìn)行試驗(yàn)，其理化性質(zhì)如表1所示。將采集的土壤置于陰涼干燥處自然風(fēng)干，撿出土壤中的石塊及動植物殘?bào)w，過5 mm尼龍篩備用。

1.2 室內(nèi)盆栽試驗(yàn)

盆栽試驗(yàn)于2019年3月18日至5月18日進(jìn)行，盆栽試驗(yàn)容器為內(nèi)徑26.5 cm的塑料盆，伊利石添加量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，與土壤混勻后裝盆，每盆裝土3 kg，穩(wěn)定1周后備用。試驗(yàn)共設(shè)5個處理：未添加伊利石、無植物(記為CK)；添加伊利石、無植物(記為無植物)；添加伊利石、枸骨單種(記為枸骨單種)；添加伊利石、綠蘿單種(記為綠蘿單種)；添加伊利石、枸骨綠蘿間作(記為枸骨綠蘿間作)。每組設(shè)置3個重復(fù)，共15盆。單種模式每盆種植5株植物，間作模式每盆種植枸骨3株、綠蘿4株，挑選長勢相同、生長健壯的幼苗移栽，植株在溫室內(nèi)自然光照條件下生長，生長期間保持田間持水量的60%左右，生長兩個月后收獲進(jìn)行測定。

1.3 樣品測定與分析

植物樣品先后用自來水和去離子水洗凈，并用20 mmol/L的乙二胺四乙酸(EDTA)浸泡15 min左右除去根系表面吸附的重金屬離子，去離子水沖洗干凈，吸干表面水分，將樣品分成地上部與地下部，置于105 ℃殺青30 min后70 ℃下烘2 d左右，粉碎研磨備用。丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定，脯氨酸含量采用茚三酮比色法測定，植物重金屬全量采用硝酸消解/電感耦合等離子光譜(ICP-OES)法測定[13-14]。

將土壤樣品自然風(fēng)干，除去樣品中的動植物殘?bào)w，研磨后過篩備用。土壤基本理化性質(zhì)測定均參考文獻(xiàn)[15]，土壤重金屬全量的測定采用王水-高氯酸消解/ICP-OES法[16]，土壤中不同形態(tài)重金屬采用BCR分級提取法浸提。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA)以及最小顯著性差異(LSD)分析。植物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)的計(jì)算參考文獻(xiàn)[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同種植模式下添加伊利石對土壤pH、有機(jī)質(zhì)的影響

不同種植模式下添加伊利石，土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量不同(見圖1)。與CK相比，添加伊利石可以顯著增高土壤pH(p<0.05)，改良土壤酸性。不同種植模式下各處理的土壤pH總體表現(xiàn)為無植物>綠蘿單種>枸骨綠蘿間作>枸骨單種。綠蘿單種的土壤相比枸骨單種和枸骨綠蘿間作的土壤，pH分別提高了0.22、0.06。與CK相比，添加伊利石會顯著降低土壤中有機(jī)質(zhì)含量(p<0.05)，而種植植物可以在一定程度上提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中，枸骨綠蘿間作的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于兩種植物單種的土壤(p<0.05)。

3.2 不同種植模式下添加伊利石對植物生理指標(biāo)的影響

表1 供試土壤基本性質(zhì)

注：字母標(biāo)記指示同一指標(biāo)在不同種植模式下的差異性，字母不同代表差異顯著(p<0.05)，下同。

圖1 不同種植模式下添加伊利石對土壤pH與有機(jī)質(zhì)的影響

Fig.1 Effect of adding illite on soil pH and organic matter content under different planting modes

不同種植模式下，脯氨酸與丙二醛的含量不同(見圖2)。間作模式下的枸骨脯氨酸含量比單種模式顯著增高(p<0.05)，而綠蘿無明顯差異。枸骨與綠蘿體內(nèi)丙二醛含量分別低于單種模式18.74%和32.62%，但總體差異不顯著。

3.3 不同種植模式下添加伊利石對土壤重金屬有效態(tài)的影響

圖3為不同種植模式下添加伊利石，土壤重金屬有效態(tài)的變化情況。與CK相比，添加伊利石的各處理中土壤重金屬有效態(tài)Pb含量顯著降低(p<0.05)，枸骨單種、綠蘿單種、枸骨綠蘿間作和無植物分別低于CK 29.97%、32.21%、31.97%和32.49%，而有效態(tài)Zn含量之間大體上無顯著差異，在104.37～110.70 mg/kg波動。不同種植模式下，各處理之間土壤有效態(tài)Pb含量差異不顯著，間作模式下，土壤有效態(tài)Zn含量顯著高于無植物和綠蘿單種(p<0.05)，而與枸骨單種無顯著性差異。

圖3 不同種植模式下土壤重金屬有效態(tài)變化

3.4 不同種植模式下添加伊利石對植物重金屬含量和積累量的影響

不同種植模式下，添加伊利石對植物地上部和地下部重金屬的影響如圖4所示。無論何種種植模式下，植物體內(nèi)的Pb含量表現(xiàn)為綠蘿>枸骨(p<0.05)，而Zn在地上部表現(xiàn)為枸骨>綠蘿，在地下部表現(xiàn)為綠蘿>枸骨(p<0.05)。間作模式下，綠蘿地上部Pb含量高出單種模式107.92%(p<0.05)，達(dá)到725.50 mg/kg，地下部Pb較單種模式降低19.69%(p<0.05)，達(dá)到920.62 mg/kg；而枸骨地上部Pb含量與單種模式相比無顯著性差異，地上部Zn較單種模式提高39.58%(p<0.05)?？梢?，這兩種植物間作促進(jìn)了Pb從綠蘿地下部到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，但總體規(guī)律還是地下部>地上部。

表2列出了不同種植模式下添加伊利石，植物對重金屬的積累量變化。間作模式下，枸骨Pb、Zn總積累量分別顯著低于單種模式21.90%和10.85%。綠蘿在間作模式下，Zn總積累量降低，但差異不顯著，Pb總積累量顯著降低(p<0.05)。除綠蘿間作地下部Pb積累量顯著低于單種模式外，不同種植模式下枸骨和綠蘿地上部Pb、Zn和地下部Zn均無顯著性差異。

圖4 不同種植模式下添加伊利石對植物重金屬的影響

表2 不同種植模式下植物對重金屬的積累量變化

圖5 不同種植模式下添加伊利石對植物重金屬富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響

3.5 不同種植模式下添加伊利石對植物富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響

由圖5可以看出，間作模式下綠蘿對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力顯著提高，枸骨對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力無顯著性差異，說明枸骨與綠蘿間作可以促進(jìn)綠蘿對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)。兩種植物對Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)在不同種植模式下無顯著性差異。兩種植物對Pb的富集能力均表現(xiàn)為地下部>地上部，枸骨對Zn的富集規(guī)律為地上部>地下部。間作模式下枸骨對Pb的富集幾乎無影響，但顯著促進(jìn)綠蘿地上部對Pb的富集，降低地下部對Pb的富集，這一規(guī)律與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)反映的規(guī)律一致。此外，間作能夠顯著促進(jìn)枸骨地上部對Zn的富集(p<0.05)。

4 討 論

4.1 對土壤pH、有機(jī)質(zhì)的影響

已有研究表明，添加合適的礦物改良劑可以提高土壤的pH[18]，還可以增加土壤黏土礦物含量[19]，提高土壤速效養(yǎng)分含量[20]，從而明顯提高土壤儲蓄養(yǎng)分、緩沖調(diào)控和污染凈化的能力。孫約兵等[21]的盆栽試驗(yàn)表明，添加海泡石可以增加酶活性和微生物數(shù)量，一定程度上可以改善土壤環(huán)境質(zhì)量。間作可以促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成和營養(yǎng)物質(zhì)含量的增加，提高土壤的保蓄性，改良土壤質(zhì)地，提升土壤肥力[22]。在間作模式下，選用在生態(tài)位上互補(bǔ)的植物，可以將間作優(yōu)勢發(fā)揮到最大。

添加伊利石，土壤的pH顯著增加，與前人的研究結(jié)果一致。種植植物的處理下，pH低于無植物處理，這可能是因?yàn)橹参锔捣置诘头肿佑袡C(jī)酸，對土壤性質(zhì)產(chǎn)生影響所致[23]。添加伊利石，土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低，種植植物有機(jī)質(zhì)含量增高，且間作模式有機(jī)質(zhì)含量均大于單種模式，說明枸骨與綠蘿間作比單一種植對土壤的改良效果更好。謝英荷等[24]也得出棗麥間作下有機(jī)質(zhì)含量高于單種,達(dá)到了極顯著水平，說明選取適宜的兩種植物間作可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改良土壤質(zhì)地，提升土壤肥力[25]。

4.2 對植物生理指標(biāo)的影響

脯氨酸是植物體蛋白質(zhì)的重要組分之一，以游離狀態(tài)廣泛存在于植物體中。在外界環(huán)境脅迫下，脯氨酸在植物體內(nèi)大量積累。除了作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外，脯氨酸還在穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)、減少氧脅迫及調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原勢等方面起重要作用[26]。丙二醛是膜脂過氧化物酶作用的分解產(chǎn)物,可以反映外界因素脅迫下植物膜系統(tǒng)的受害程度[27]，這兩個指標(biāo)可以反映植物的抗逆性與受損傷程度。

間作能夠顯著提高枸骨體內(nèi)的脯氨酸含量，說明間作可以緩解重金屬對枸骨的脅迫，增強(qiáng)枸骨抗逆性能。楊宏偉等[28]研究干旱脅迫下與百喜草(Paspalumnotatum)間作對油橄欖(Oleaeuropaea)抗旱生理的影響，發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫的加劇,間作能顯著提高油橄欖葉片脯氨酸含量,說明與百喜草間作能提高油橄欖葉片細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力和保水能力，增強(qiáng)了油橄欖的抗逆性能。于保港等[29]研究了間作對莎草(CyperusglomeratusL.)、蠶豆(ViciafabaL.)生理指標(biāo)與重金屬形態(tài)分布的影響，結(jié)果表明，間作與單種相比，兩種植物體內(nèi)的丙二醛含量均無顯著性差異，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。這一結(jié)果可能與植物對逆境脅迫的響應(yīng)機(jī)制等有關(guān)。

4.3 對土壤重金屬有效態(tài)的影響

重金屬對生物的毒性主要是通過有效態(tài)產(chǎn)生，而黏土礦物的添加可以影響土壤中微環(huán)境，改變重金屬賦存狀態(tài)，黏土礦物本身也可以自溶產(chǎn)生陰離子，結(jié)合壤中的重金屬陽離子，進(jìn)行表面吸附與離子配位，進(jìn)而大幅度降低土壤中重金屬的有效性，改變重金屬的生物可利用性和移動性，緩解重金屬脅迫[30]。張金秀等[6]850-852探究了3種黏土礦物(鈉基膨潤土、硅藻土、沸石)添加對蠶豆生長和土壤重金屬含量的影響，結(jié)果表明，施用黏土礦物對土壤中的Cd、Pb、Cu有顯著鈍化作用。也有研究表明，施用不同用量的黏土礦物-生物炭復(fù)合改良劑，能夠顯著降低土壤中二乙烯三胺五乙酸(DTPA)提取態(tài)Cd的含量，同時也顯著降低了小白菜中的Cd含量[31]。

間作模式下土壤有效態(tài)Zn顯著高于無植物與綠蘿單種，推測植物根系分泌物能夠?qū)χ亟饘儆行B(tài)產(chǎn)生影響，而間作模式下植物根系相互作用，改變了根系分泌物中有機(jī)酸的種類和含量，土壤有效態(tài)重金屬含量也因此受到影響[32]52-55。

4.4 對植物重金屬含量和積累量的影響

間作能促進(jìn)綠蘿地上部對Pb的積累，降低其地下部對Pb的積累，說明間作能夠促進(jìn)Pb在綠蘿體內(nèi)從地下部到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，但對Zn大體無影響。秦麗[32]26-28發(fā)現(xiàn)續(xù)斷菊(Sonchusasper)與玉米間作顯著促進(jìn)了續(xù)斷菊對Cd、Pb的吸收累積，卻降低了玉米體內(nèi)Cd、Pb的累積量。這是因?yàn)椴煌N類植物及植物不同器官組織對重金屬的吸收與積累會有明顯差異[33]。

4.5 對植物富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響

根據(jù)植物對重金屬的吸收及重金屬在植物體內(nèi)的分布情況，大體上可以將植物分為3種類型，富集型、根部囤積型和規(guī)避型。富集型植物從土壤中主動吸收富集重金屬；根部囤積型植物表現(xiàn)為將重金屬大量富集在植物根部，少量或極少向地上部轉(zhuǎn)移；規(guī)避型植物則將重金屬沉積在根系表面，抵制重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)[34]。富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可以表征植物從土壤中吸收重金屬及重金屬從根到地上部的遷移能力，可以反映植物的吸收機(jī)制和植物類型[35]。

枸骨為Pb根部囤積型植物、Zn富集型植物，而綠蘿對兩種重金屬都表現(xiàn)為根部囤積型。間作能顯著促進(jìn)綠蘿地上部對Pb的富集，降低地下部對Pb的富集，說明枸骨與綠蘿間作可以顯著提高綠蘿對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，這一規(guī)律與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)反映的規(guī)律一致。

5 結(jié) 論

(1)添加伊利石后，土壤pH顯著增高，而有機(jī)質(zhì)含量顯著降低，而枸骨與綠蘿間作可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改良土壤質(zhì)地，提升土壤肥力。

(2)間作可以緩解重金屬對枸骨的脅迫，增強(qiáng)枸骨抗逆性能。

(3)與CK相比，添加伊利石，有效態(tài)Pb顯著降低，有效態(tài)Zn無顯著性差異。不同種植模式下，有效態(tài)Pb含量差異不顯著，間作模式下有效態(tài)Zn含量顯著高于無植物和綠蘿單種。

(4)間作模式下枸骨Pb總積累量、Zn總積累量低于單種，而綠蘿的Zn總積累量無顯著變化，Pb總積累量顯著降低。

(5)枸骨為Pb根部囤積型，Zn富集型；而綠蘿對兩種重金屬均表現(xiàn)為根部囤積型。枸骨與綠蘿間作能夠顯著提高綠蘿地上部Pb富集和對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。