5種草坪植物對礦區(qū)Cd污染土壤的生態(tài)修復(fù)潛力研究

尹春芹,王永奎,孫清斌,2,劉先利,羅漢富

(1.湖北理工學(xué)院 a.礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點實驗室, b.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 黃石 435003;2.中國科學(xué)院南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室,江蘇 南京 210008)

0 引言

土壤重金屬Cd的主要來源包括礦產(chǎn)資源的開采、冶煉、尾礦、固體廢物及含Cd肥施用等工農(nóng)業(yè)活動。積累在土壤中的Cd會造成土壤不同程度的污染，也會隨著地表和地下徑流進入地表水及地下水資源，引起水體污染，危害水生生物的生長和繁殖，甚至造成死亡。土壤中的Cd也會被植物吸收，使植物受到迫害，并可隨著食物鏈進入人體[1-2]。Cd是劇毒重金屬元素，生物毒性強，常富集在肝和腎等器官中，會給人體健康帶來損害[3-4]。

湖北省大冶市有著悠久的礦冶文化，礦業(yè)的發(fā)展雖然帶來了經(jīng)濟的繁榮，但也給當?shù)氐沫h(huán)境帶來了污染。前期對大冶礦區(qū)周邊水稻田土壤重金屬污染情況作了較為全面的調(diào)查，結(jié)果表明，大冶礦區(qū)水稻田土壤受到Cd不同程度的污染，近23%的土壤樣本達到Cd重度污染級別[5]。研究表明，大冶礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤Cd污染問題較為嚴重，油菜地上部分Cd含量超過了食品衛(wèi)生標準最高限值[6]，小麥穗中Cd含量均存在不同程度的超標現(xiàn)象[7]，蔬菜Cd含量超標率達到了100%[8]，重金屬污染區(qū)人民面臨著更高的健康風(fēng)險[8-9]?？梢姡笠钡V區(qū)土壤Cd污染現(xiàn)象不容樂觀，已成為湖北省乃至全國環(huán)境治理的熱點地區(qū)。

至今，針對大冶礦區(qū)土壤重金屬污染問題已開展了大量的修復(fù)和治理工作，也取得了一定的成績。在生態(tài)環(huán)境治理過程中，栽種美觀并具有耐性的草坪植物對于受損或者退化的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建具有重要的現(xiàn)實意義。許多研究者通過野外調(diào)查或盆栽試驗[10]，發(fā)現(xiàn)了一些對Cd污染土壤具有一定修復(fù)潛力的植物，如三葉草[1]、孔雀草[11]、多年生黑麥草[12]、蜈蚣草[13]、萱草[14]等。這些研究成果為礦區(qū)Cd污染土壤生態(tài)系統(tǒng)的重建提供了一定的理論和數(shù)據(jù)支撐，但尚不能滿足不同地區(qū)、不同場地的修復(fù)需要。礦區(qū)土壤生態(tài)修復(fù)工作需要從實際出發(fā)，根據(jù)污染類型和程度、土地利用方式、政府規(guī)劃等具體情況，采取不同的修復(fù)和治理辦法，達到資源與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展之目的。草坪植物是恢復(fù)和構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)過程中不可或缺的植物載體。有鑒于此，本研究通過盆栽試驗，選取當?shù)仄毡榉N植的5種草坪植物(白三葉、紫花苜蓿、狗牙根、高羊茅及匍匐剪股穎)，探討它們對Cd的耐受程度及修復(fù)潛力，為礦區(qū)Cd污染土壤修復(fù)及生態(tài)系統(tǒng)重建提供優(yōu)勢備選植物，同時也可為分析草坪植物在Cd污染土壤生態(tài)修復(fù)中的潛力提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取5種當?shù)仄毡榉N植的綠化用草坪植物為試驗材料，分別為：白三葉(Trifoliumrepens)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、狗牙根(Cynodondactylon)、高羊茅(Festucaarundinacea)和匍匐剪股穎(Agrostisstolonifera)。

土壤選用當?shù)厥姓@林用土。土壤風(fēng)干，剔除植物根系和石礫，采用四分法，充分混勻，逐級過篩。將過5目篩土壤放置在陰涼處熟化30 d，供盆栽培養(yǎng)試驗使用。所用盆缽為13 cm(直徑)×15 cm(高)塑料盆，每盆裝上述供試土壤2.0 kg。測定土壤理化性質(zhì)和Cd全量。供試土壤的理化性質(zhì)測定方法參見文獻[15]，土壤全Cd的測定采用王水消解法，參見NY-T 1613-2008。供試土壤pH值為6.05，全氮為1.5 g/kg，全磷為2.1 g/kg，全鉀為19.2 g/kg，有機質(zhì)為34.4 g/kg，速效氮為35.4 mg/kg，速效磷為12.9 mg/kg，速效鉀為81.5 mg/kg，全Cd為0.18 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

Cd處理濃度梯度為0，1.0，2.5，5.0，10.0 mg/kg，代號分別為T0(對照)，T1，T2.5，T5和T10。根據(jù)Cd處理濃度，計算每盆添加粉狀氯化鎘的質(zhì)量，并混勻。每個盆栽施加基肥(以每千克土添加400 mg N(CO(NH2)2)，80 mg P(K2HPO4·3H2O)，200 mg K(KCl)計算)、混勻、備用。

選取較為飽滿的5種草種以相同的數(shù)量分別播種。每種植物設(shè)置5個Cd處理濃度(如上)，每個處理重復(fù)3次，試驗共計75盆。播種后加入等量蒸餾水，植物露天栽培，培養(yǎng)期定苗20株。生長期植物所需水均使用蒸餾水，每次等量供給。培養(yǎng)60 d后收獲，測定植物株高、生物量(以單株干重表示)、根長、植株各部位及土壤中Cd全量。

1.3 樣品處理和測定

植物收獲后，先用自來水清洗樣品上污物，再用去離子水清洗，瀝干水分。將植株分成地上和地下2個部分，稱鮮重后，置于105 ℃下殺青30 min，在70 ℃下烘至恒重，稱量干重，計算單株干重。將烘干后植物樣品粉碎，過0.149 mm孔徑篩后保存?zhèn)溆?。收集附帶在植物根系上大量的根際土，風(fēng)干，剔除植物根系，過0.149 mm孔徑篩。植物和土壤樣品中全Cd的測定采用王水消解法(NY-T 1613-2008)，植物和土壤樣品分別用原子吸收分光光度儀石墨爐法和火焰法(Varian AA240FS，美國)檢測。

1.4 植物耐受、富集和轉(zhuǎn)運能力評價

1)根系耐性指數(shù)(RTIs)能夠很好地反應(yīng)植物對重金屬的耐性，是評價植物耐受能力的一個十分重要的指標[16]。

根系耐性指數(shù)(RTIs)=各處理根系長度/對照根系長度。

2)采用Chamberlain等人[17]提出的“富集系數(shù)”來反映本研究典型草坪植物對Cd的生物富集能力。

生物富集系數(shù)(BCFs)=植物中的重金屬含量/基質(zhì)中的重金屬含量。

3)轉(zhuǎn)運系數(shù)(TFs)用來評價植物將重金屬從地下部向地上部的運輸和富集能力[18]。

轉(zhuǎn)運系數(shù)(TFs)=植物地上部重金屬含量/地下部重金屬含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

利用SPSS 17.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，P<0.05表示在95%的置信區(qū)間內(nèi)存在顯著性差異。凡有一個標記相同字母的(如a和ab)即為差異不顯著；凡有不同標記字母的(如a和b)即為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd對不同草坪植物株高的影響

Cd對5種草坪植物株高的影響如圖1所示。由圖1可知，豆科植物白三葉和紫花苜蓿的株高變化趨勢較為相似。當Cd處理濃度為1.0 mg/kg時，白三葉和紫花苜蓿的株高明顯高于對照(P<0.05)，表明較低Cd污染情況下，Cd的添加對它們的生長有促進作用。當Cd處理濃度≥2.5 mg/kg時，白三葉和紫花苜蓿的株高均受到顯著的影響(P<0.05)，表明較高Cd污染情況下，這2種草坪植物的生長均受到明顯抑制，且隨著Cd污染的加劇，抑制作用越顯著。

禾本科植物狗牙根在整個生長周期中長勢好，且不同Cd處理濃度下株高均顯著高于對照(P<0.05)，表明本試驗中Cd的添加劑量對它的生長未起到抑制作用，反而促進了植物的生長。高羊茅在Cd污染情況下長勢也較好，當Cd處理濃度≤5.0 mg/kg時，株高均顯著高于對照(P<0.05)。匍匐剪股穎在Cd污染情況下長勢也較好，Cd處理濃度≤2.5 mg/kg時株高均顯著高于對照(P<0.05)。

2.2 Cd對不同草坪植物生物量的影響

Cd對5種草坪植物生物量的影響如圖2所示。由圖2可知，豆科植物白三葉和紫花苜蓿的生物量(以單株干重計)變化趨勢較為相似。當Cd處理濃度為1.0 mg/kg時，白三葉、紫花苜蓿的根和莖葉的生物量均顯著高于對照(P<0.05)，表明較低Cd污染情況下，Cd的添加對它們的生長有促進作用。當Cd處理濃度≥2.5 mg/kg時，這2種草坪的整株生物量要顯著低于對照(P<0.05)，表明較高Cd污染情況下，它們的生長均受到明顯抑制，且隨著Cd污染的加劇，抑制作用越顯著。

禾本科植物狗牙根在不同Cd處理濃度下整株植物的生物量均明顯高于對照(P<0.05)，表明本試驗中Cd的添加劑量對它的生長未起到抑制作用，反而促進了它的生長；Cd處理濃度為5.0 mg/kg時生物量達到最大，為0.15 g/株。高羊茅在Cd處理濃度≤2.5 mg/kg時，莖葉生物量均顯著高于對照(P<0.05)，整株植物的生物量在Cd處理濃度為2.5 mg/kg時達到最大，為0.60 g/株。匍匐剪股穎整株植物的生物量在Cd處理濃度為2.5 mg/kg時達到最大，為0.44 g/株。

圖2 Cd對5種草坪植物生物量的影響

2.3 不同草坪植物對Cd的耐受能力評價

植物的根系耐性指數(shù)(RTIs)能較好地反應(yīng)植物對重金屬的耐性。RTIs值大于1時，說明該種植物對這種重金屬有較強的耐受能力，可以在此重金屬濃度下生長得比較好；而植物RTIs值小于1時，表明植物耐性指數(shù)較小，很難在此濃度的重金屬環(huán)境條件下生長。5種草坪植物根系對Cd的耐性指數(shù)如圖3所示。豆科植物白三葉在Cd處理濃度為1.0 mg/kg時，RTIs值大于1，說明較低Cd污染對植物根系的生長有促進作用，但隨著Cd污染程度加大，根系生長受到抑制，根長小于對照，生長受阻。紫花苜蓿在Cd處理濃度為1.0和2.5 mg/kg時，RTIs值均大于1，但隨著Cd處理濃度的增大，植物根系表現(xiàn)出受害癥狀。禾本科植物狗牙根、高羊茅和匍匐剪股穎在不同Cd處理濃度下，RTIs值均大于1，植物長勢好，未出現(xiàn)受害癥狀，表現(xiàn)出較強的耐Cd性。

圖3 5種草坪植物根系對Cd的耐性指數(shù)

2.4 不同草坪植物對Cd的富集能力評價

植物的富集系數(shù)(BCFs)是評價是否為超積累植物的重要依據(jù)。通常把BCFs值大于1的植物認定為超積累植物。5種草坪植物莖葉和根的富集系數(shù)見表1。由表1可知，草坪植物莖葉和根的BCFs值均大于1，表明這幾種草坪植物對Cd有很好的積累能力。其中，豆科植物白三葉和紫花苜蓿莖葉的BCFs值的變化規(guī)律相似，表現(xiàn)為隨著Cd添加濃度的增大先增大后降低的趨勢，在Cd添加為2.5 mg/kg時達到最大值，BCFs值分別為30.2和10.5；另外，2種植物相比較，白三葉莖葉的BCFs值顯著大于紫花苜蓿(P<0.05)。禾本科植物狗牙根、高羊茅和匍匐剪股穎的BCFs值變化規(guī)律相似，表現(xiàn)為隨著Cd添加濃度的增大而降低的趨勢，在Cd添加濃度為1.0 mg/kg時達到最大值，BCFs值分別為19.2，18.5和12.6。

5種草坪植物根的BCFs值表現(xiàn)為隨著Cd添加濃度的增大而降低的趨勢。在Cd添加濃度為1.0 mg/kg時達到最大值，白三葉根的BCFs值為26.8，紫花苜蓿為82.9，狗牙根為95.1，高羊茅為81.3，匍匐剪股穎為24.7。另外，除白三葉外，其他4種草坪植物莖葉的BCFs值均顯著小于根(P<0.05)。

表1 5種草坪植物莖葉和根的富集系數(shù)(BCFs)

2.5 不同草坪植物對Cd的轉(zhuǎn)運能力評價

5種草坪植物對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)見表2。由表2可知，白三葉的TFs值有隨著Cd添加濃度的增大先增大后降低的趨勢。在Cd添加濃度為2.5 mg/kg時達到最大值，為1.3。隨后，TFs值降低，在Cd添加濃度為10 mg/kg時TFs值小于1。其他4種草坪植物的TFs值均小于1，表明Cd從根部轉(zhuǎn)運到莖葉部分的能力差。

表2 5種草坪植物對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)(TFs)

3 討論

3.1 Cd脅迫下不同草坪植物的耐受性

植物對重金屬有良好的耐受性才能夠在重金屬污染土壤上保持良好的生長狀態(tài)[19]。不同植物對Cd的耐受性都有一定的耐受閾值，超過了耐受閾值，就會影響植物細胞的代謝，使植物生長受到抑制、形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變等[20]。

劉勇等[1]通過室內(nèi)沙壤土培試驗，研究了土壤Cd污染下(Cd處理濃度分別為0，3，5，7，10 mg/kg)三葉草對Cd的污染修復(fù)潛力，結(jié)果表明，生長期間白三葉整株生物量均顯著低于對照，表明Cd污染下三葉草的生長均受到一定抑制。也有研究表明，白三葉中葉綠素a的含量隨著Cd污染濃度的增大呈現(xiàn)出稍微上升后下降的趨勢，當Cd污染濃度高于30 mg/kg時，葉綠素a的含量下降，顯著影響了白三葉的光合作用[21]。本研究中，Cd處理濃度(1.0 mg/kg以下)較低時，白三葉長勢好，RTIs值大于1，Cd的添加對白三葉的生長有促進作用；超過2.5 mg/kg后，植物的生物量降低，根系生長受到抑制。這種差異可能與品種、種植的土壤條件及Cd處理濃度不同有關(guān)。

孫寧驍?shù)萚22]研究表明，紫花苜蓿(新疆大葉苜蓿)在Cd添加濃度小于25 mg/kg時對植物的生長有促進作用，高于50 mg/kg表現(xiàn)為抑制生長。楊姝等[23]分析了7個品種的紫花苜蓿對Cd和Pb的富集特征，結(jié)果表明Cd污染濃度在4.25 mg/kg下，株高因品種不同存在顯著差異。本試驗中，Cd處理濃度大于2.5 mg/kg時，紫花苜蓿的RTIs值小于1，植物根系表現(xiàn)出受害癥狀。由于不同的紫花苜蓿品種對Cd脅迫的響應(yīng)存在顯著差異[23-25]，故在礦區(qū)Cd污染土壤生態(tài)修復(fù)中要根據(jù)污染的程度選用適合于當?shù)卦耘嗟钠贩N。

另外，本試驗中禾本科植物狗牙根、高羊茅和匍匐剪股穎在不同Cd污染程度下(0～10 mg/kg)，植物長勢好，RTIs值均大于1，未出現(xiàn)受害癥狀，表現(xiàn)出較強的耐Cd性。這一結(jié)果與張遠兵等[26]、徐佩賢等[27]的研究結(jié)果一致。

3.2 Cd脅迫下不同草坪植物的富集及轉(zhuǎn)運能力

植物根尖部位的根毛區(qū)對Cd2+的吸收最為活躍[28]。土壤中的Cd能否被植物所富集，主要取決于Cd有效態(tài)含量，但有效態(tài)含量的高低受多種因素的影響[28-29]。例如土壤粒徑組成、有機質(zhì)含量、陽離子交換量、pH值、氧化還原電位、植物種類等[29]。本試驗條件下的研究結(jié)果表明，除白三葉外，其他4種草坪植物莖葉對Cd的富集量遠遠小于根部，TFs值均小于1，這一結(jié)果與很多學(xué)者[22-23,25,27]研究結(jié)果相一致。但徐佩賢等[27]研究發(fā)現(xiàn)，當Cd的處理濃度高于200 mg/kg后，高羊茅和匍匐剪股穎的TFs值大于1，且隨著處理濃度的增大，Cd從根部轉(zhuǎn)移到莖葉部分的能力也增大。

本研究結(jié)果，在Cd添加濃度≤5mg/kg時，白三葉的TFs值大于1，表現(xiàn)出良好的轉(zhuǎn)運能力，但Cd添加濃度為10 mg/kg時TFs值小于1，植物的生長受到明顯抑制。劉勇等[1]研究發(fā)現(xiàn)，Cd 添加濃度在5～10 mg/kg時，三葉草的TFs值大于1。但也有研究發(fā)現(xiàn)，白三葉在Cd濃度為10 mg/kg脅迫下，TFs值小于1[30]。這些研究結(jié)果進一步說明，白三葉對Cd的耐受值和轉(zhuǎn)運能力不僅與土壤中Cd含量有關(guān)，還可能與其他因素相關(guān)，例如植物品種和土壤的理化性質(zhì)差異等。對于這些因素的具體影響機制尚有待開展進一步研究。

4 結(jié)論

1)本試驗選取的5種綠化草坪植物對Cd均具有較好的富集能力。

2)狗牙根、高羊茅和匍匐剪股穎對Cd的轉(zhuǎn)移能力較弱，TFs值均小于1，但其生長并未受到抑制，表現(xiàn)出較強的耐Cd性，可作為礦區(qū)Cd污染土壤生態(tài)修復(fù)的備選植物。

3)白三葉和紫花苜蓿在Cd污染程度較低的情況下，RTIs值均大于1，但隨著Cd濃度的增大，根系生長受到抑制。在Cd添加濃度為10 mg/kg時，轉(zhuǎn)運能力降低，TFs值為0.9。在礦區(qū)Cd污染土壤生態(tài)修復(fù)中應(yīng)根據(jù)污染的程度選用適合于具體污染場地的品種。