不同鉛濃度對(duì)車前和平車前生長(zhǎng)及鉛積累的影響

趙淑玲,何九軍,王一峰,張蕊紅,楊小錄,胡文斌

(1.隴南師范高等?？茖W(xué)校 農(nóng)林技術(shù)學(xué)院,甘肅 成縣 742500；2.成縣城關(guān)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站,甘肅 成縣 742500 )

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市化和工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步加快,人們對(duì)物質(zhì)需求急增導(dǎo)致環(huán)境污染加劇.我國(guó)土壤重金屬污染主要是汞、鉻、銅、鉛、鎳[1]等,其中重金屬鉛污染增長(zhǎng)速度較快.據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界每年鉛排放量約為5×106t,我國(guó)有六分之一的耕地不同程度受到重金屬污染[2].重金屬可以通過食物鏈一級(jí)一級(jí)傳遞,在動(dòng)植物體內(nèi)富集,進(jìn)一步對(duì)人類造成危害.2016年以來，國(guó)務(wù)院等部門先后發(fā)布《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》,污染土壤修復(fù)成為關(guān)注點(diǎn).

重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)主要包括生物修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)和聯(lián)合修復(fù)等[3],植物修復(fù)是利用植物對(duì)某些化學(xué)物質(zhì)的富集、可耐受性吸收、轉(zhuǎn)移、分解和轉(zhuǎn)化污染物等去除污染物,由于植物修復(fù)具有成本低適應(yīng)性廣,對(duì)周邊環(huán)境干擾少、原位修復(fù)以及有較多重金屬超富集植物等特點(diǎn),使植物修復(fù)成為21世紀(jì)以來研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[4].近年來關(guān)于修復(fù)植物的研究主要放在草本植物的超富集植物篩選上[5],陸引罡[6]、劉麗杰[7]、李婧[8]、張文博[9]等人研究中發(fā)現(xiàn)車前對(duì)重金屬Ni、Se、Zn、Cu、Hg、Pb均有不同程度的富集作用.與其他修復(fù)植物相比,車前(PlantagoasiaticaL.)和平車前(PlantagodepressaWilld.)生長(zhǎng)速度快,能有效阻止重金屬鉛進(jìn)入食物鏈,降低鉛危害的特點(diǎn).

本研究通過移栽試驗(yàn),研究車前和平車前在Pb2+污染土壤上的生長(zhǎng)情況,探索車前和平車前對(duì)鉛污染耐性及對(duì)鉛污染土壤修復(fù)的應(yīng)用潛力.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

車前種子采自成縣小川,平車前種子采自成縣梁山,2020年7月中旬至2020年9月上旬分別采集車前和平車前成熟果穗,在室內(nèi)陰干,留取種子待用.

栽種基質(zhì)槽(長(zhǎng)×寬×高=72 cm×21 cm×22 cm ).

育苗基質(zhì)(山東商道生物科技股份有限公司銀川分公司).

發(fā)酵后的農(nóng)家肥(隴南師專農(nóng)林技術(shù)學(xué)院).

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

用0.5%的KMnO4溶液將種子浸泡20 min,自來水沖洗干凈,播種在裝有育苗基質(zhì)與農(nóng)家肥(育苗基質(zhì)∶農(nóng)家肥=3∶1)的基質(zhì)槽中進(jìn)行催芽,催芽20 d左右,選取生長(zhǎng)狀況一致健康的幼苗進(jìn)行移栽。

將育苗基質(zhì)與農(nóng)家肥按3∶1比例混勻,硝酸鉛按不同濃度加到土壤中,鉛污染土壤處理梯度(以Pb2+計(jì))分別為:0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg、600 mg/kg、800 mg/kg.硝酸鉛與土壤充分混勻后裝入栽種基質(zhì)槽.

將生長(zhǎng)一致健康的幼苗分別移栽至裝有不同鉛濃度處理土壤的基質(zhì)槽中，每槽栽種15株,所有栽種幼苗的基質(zhì)槽放置在隴南師專智能溫室中.試驗(yàn)期間保持土壤含水量在70%左右.

移栽種植90 d后,將植株和土壤帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)的測(cè)定.

1.3 指標(biāo)測(cè)定及方法

主要測(cè)定株高、鮮重、干重、植物地上部分含鉛量和植物地下部分含鉛量(本試驗(yàn)中地上鮮重、地下鮮重、干重均指單株植物的生物量).

移栽90 d后將采收的車前和平車前先用自來水沖洗干凈再用蒸餾水沖洗至無泥土雜質(zhì),用濾紙吸取水分,在鼓風(fēng)烘干箱中105 ℃下20 min殺青,然后溫度設(shè)置為70 ℃烘干至恒重.將恒重的植物樣品研碎,過100目尼龍篩待用.土壤樣品四分法取樣,自然風(fēng)干后過篩待用.植物葉和根用HClO4-HNO3消解,土壤用HF-HClO4-HNO3消解后用原子吸收分光光度法分別測(cè)定葉、根及土壤中的Pb含量.富集系數(shù)和鉛轉(zhuǎn)移系數(shù)計(jì)算方法見公式(1)和(2).原子吸收分光光度計(jì)為ZEEnit 700P,Pb測(cè)定波長(zhǎng)為283.3 nm.

計(jì)算公式如下

鉛富集系數(shù)=植物地上部分鉛含量/土壤中鉛含量，

(1)

鉛轉(zhuǎn)移系數(shù)=植物地上部分鉛含量/植物根部鉛含量[10].

(2)

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Origin 2018軟件作圖,數(shù)據(jù)用IBM SPSS Statistics 23軟件,比較平均值單因素Anova檢驗(yàn)鄧肯法進(jìn)行方差分析(0.05水平),二因素分析用一般線性模型中單因素法分析統(tǒng)計(jì),數(shù)據(jù)用平均值表示(Means)±標(biāo)準(zhǔn)差(SD).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同鉛濃度對(duì)車前和平車前生物量的影響.

表1 不同濃度鉛處理對(duì)車前和平車前幼苗生物量的影響

由表1可以看出,車前的株高在Pb2+濃度為200 mg/kg時(shí),株高最高為25.74 cm,隨后株高與CK相比均下降,在Pb2+濃度為800 mg/kg時(shí),株高最低為22.68 cm,車前的根長(zhǎng)隨Pb2+濃度的增加整體呈下降趨勢(shì),平車前在Pb2+濃度為600 mg/kg時(shí),株高最高為17.98 cm,在Pb2+濃度為800 mg/kg時(shí),株高最低為14.64 cm,平車前的根長(zhǎng)在Pb2+濃度為600 mg/kg時(shí)根長(zhǎng)最長(zhǎng),為12.60 cm.車前和平車前的株高與根長(zhǎng)與對(duì)照組相比,整體無差異(P>0.05),表明車前和平車前植株在本試驗(yàn)范圍內(nèi)鉛脅迫下沒有明顯的生長(zhǎng)不良狀況.

表1顯示車前在Pb2+濃度為200 mg/kg～400 mg/kg時(shí),其地上部分和地下部分的鮮重均高于CK,地下部分鮮重與CK相比差異顯著(P<0.01),車前干重整體呈增加趨勢(shì),在Pb2+濃度為200 mg/kg～400 mg/kg時(shí)與CK相比差異顯著(P<0.01),平車前地下干重隨Pb2+濃度的增加呈上升趨勢(shì),平車前根系生長(zhǎng)隨Pb2+濃度的增加而增加,與文珂[11]研究結(jié)果相同.車前和平車前在相同鉛濃度處理下地上鮮重、地下鮮重、地下干重有差異(P<0.05),地上干重在Pb2+濃度為400 mg/kg、600 mg/kg、800 mg/kg時(shí)兩品種間差異極顯著(P<0.01).

鉛不同濃度對(duì)車前和平車前生長(zhǎng)指標(biāo)影響相關(guān)系數(shù)見表2.

表2 鉛處理對(duì)車前和平車前生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)性分析

2.2 車前和平車前地上和地下部分對(duì)鉛的積累

圖1 不同濃度鉛處理對(duì)車前和平車前地上及地下部分鉛含量的影響圖

由圖1可以看出,隨土壤中鉛濃度的增加,車前和平車前地上部分和地下部分的含鉛量增加,地上與地下部分的含鉛量均在鉛濃度為800 mg/kg時(shí)達(dá)到最高值.車前地上與地下部分的含鉛量為56.96 mg/kg和344.36 mg/kg,分別是CK的44.50倍和117.93倍,平車前地上與地下部分含鉛量為50.28 mg/kg和332.47 mg/kg,分別是CK的43.34倍和130.90倍.車前和平車前地上部分與地下部分含鉛量處理組與CK相比,差異極顯著(P<0.01).圖1顯示,在相同鉛濃度土壤栽培條件下,車前和平車前地下部分含鉛量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地上部分.植物的根部有吸收作用,根部固定的鉛隨土壤鉛濃度的增加而增加,鉛通過根部吸收運(yùn)輸,轉(zhuǎn)運(yùn)至植物的地上部分[12].劉麗杰[7]在研究車前對(duì)Cu和Ni的富集時(shí)發(fā)現(xiàn)車前的根部能積累較多的重金屬,而葉片中積累的較少.在相同鉛濃度處理下,車前的地上部分和地下部分的含鉛量均高于平車前,推測(cè)在本試驗(yàn)鉛濃度范圍內(nèi),車前比平車前對(duì)鉛的固定能力更強(qiáng).

2.3 不同鉛處理對(duì)車前和平車前轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

由圖2可以看出,車前和平車前對(duì)鉛的轉(zhuǎn)移系數(shù)隨鉛濃度含量的增加呈下降趨勢(shì),植物將重金屬由植物地下部分轉(zhuǎn)移到植物地上部分的能力可以用轉(zhuǎn)移系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià).在本試驗(yàn)中,車前和平車前的轉(zhuǎn)移系數(shù)均低于0.5,同時(shí)CK的轉(zhuǎn)移系數(shù)與處理組相比均高于處理組(P<0.01),因此在較低鉛濃度污染土壤條件下,車前和平車前有較強(qiáng)的鉛轉(zhuǎn)運(yùn)能力.方差分析結(jié)果表明(表3),車前和平車前兩個(gè)品種間轉(zhuǎn)移系數(shù)無差異(P>0.05),但不同鉛處理濃度對(duì)車前和平車前的影響差異顯著(P<0.01).

表3 不同濃度鉛處理下車前和平車前轉(zhuǎn)移系數(shù)的方差分析

2.4 不同鉛處理對(duì)車前和平車前富集系數(shù)的影響

植物對(duì)重金屬的積累可以用富集系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià).由圖3可知隨土壤鉛濃度的增加，車前和平車前的富集系數(shù)呈下降趨勢(shì),在土壤含鉛量為200 mg/kg時(shí),富集系數(shù)急劇下降,在土壤含鉛量為800 mg/kg時(shí),車前和平車前的富集系數(shù)達(dá)到最低值.車前和平車前隨土壤含鉛量的增加其富集系數(shù)與CK相比均差異顯著(P<0.01),富集系數(shù)的方差分析(表4)也表明品種、鉛濃度以及品種×濃度對(duì)富集系數(shù)的影響差異顯著(P<0.01).

圖2 不同濃度鉛處理下車前和平車前的轉(zhuǎn)移系數(shù)圖3 不同濃度鉛處理下車前和平車前的富集系數(shù)

表4 不同濃度鉛處理下車前和平車前富集系數(shù)的方差分析

3 討論

正常情況下,植物體內(nèi)鉛的含量小于10 mg/kg[13]，過量的鉛對(duì)植物毒害作用較大,不同的植物對(duì)鉛的敏感度不同[14],植物的根系吸收鉛的含量大大高于葉的含鉛量.車前細(xì)胞壁限制鉛進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),細(xì)胞器對(duì)鉛有較強(qiáng)的結(jié)合能力[8].植物對(duì)重金屬脅迫的應(yīng)答機(jī)制十分復(fù)雜,王怡仁[15]在研究鉛對(duì)小麥根系脅迫時(shí)發(fā)現(xiàn),鉛脅迫組與對(duì)照組之間有3萬多個(gè)差異表達(dá)基因.文珂[11]等人研究重金屬污染土壤與非污染區(qū)土壤上平車前生長(zhǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)平車前在重金屬污染土壤上能生長(zhǎng)、開花、結(jié)實(shí),但污染土壤上生長(zhǎng)的平車前與非污染土壤相比,污染土壤上生長(zhǎng)的平車前根系比例較非污染區(qū)土壤上生長(zhǎng)的平車前高.

試驗(yàn)中,車前的株高在Pb2+濃度為200 mg/kg時(shí)，株高最高,隨后株高與CK相比均下降,車前的根長(zhǎng)隨Pb2+濃度的增加整體呈下降趨勢(shì),平車前在Pb2+濃度為600 mg/kg時(shí),株高、根長(zhǎng)達(dá)到最高,車前和平車前的株高與根長(zhǎng)與對(duì)照組相比,整體無差異(P>0.05),表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，鉛對(duì)車前和平車前植株的生長(zhǎng)沒有明顯的不良影響.但地上部分和地下部分的鮮重和干重均受到影響.車前在土壤鉛濃度為200 mg/kg時(shí),植株鮮重有最高值,車前干重總體呈上升趨勢(shì).平車前鮮重在土壤鉛濃度為400 mg/kg時(shí),植株鮮重值最高.車前和平車前的地下干重隨土壤鉛濃度的增加總體上升,推測(cè)在鉛脅迫下植物細(xì)胞生長(zhǎng)過程中體積增加緩慢,又因?yàn)榉e累一定的鉛,植株含水量與CK相比要低.車前和平車前對(duì)重金屬Pb的積累隨土壤含鉛量的增加而增加,在土壤鉛濃度為800 mg/kg時(shí),車前和平車前整株含鉛量達(dá)到最高值,車前和平車前地下部分的含鉛量高于地上部分,這與趙毅輝[16]和毛雪飛[17]研究結(jié)果相同.對(duì)重金屬較敏感的植物根部對(duì)重金屬的累積量高,車前和平車前的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)隨土壤鉛濃度的增加總體呈下降趨勢(shì).

4 結(jié)論

綜上所述,在本試驗(yàn)范圍鉛脅迫(200 mg/kg、400 mg/kg、600 mg/kg、800 mg/kg)下,車前和平車前地上和地下部分含鉛量隨土壤鉛濃度的增加而增加,地下部分含鉛量整體高于地上部分,車前和平車前的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)隨土壤鉛濃度的增加總體呈下降趨勢(shì).在本試驗(yàn)中車前和平車前植株沒有明顯的生長(zhǎng)不良狀況,表明車前和平車前在鉛污染土壤上有一定的抗性和應(yīng)用潛力.