鐵冬青幼苗對污染土壤中鉛、鎘的耐受、吸收和累積

阮可瑾，謝寶玥，鄧應(yīng)生，馮嘉儀，莊玉婷，吳道銘，曾曙才

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣東 廣州 510642； 2 東莞市大嶺山森林公園,廣東 東莞 523000)

土壤重金屬污染已成為世界性的環(huán)境問題[1]。2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示鉛(Pb)、鎘(Cd)的點位超標率分別達到1.5%和7.0%[2]。Pb、Cd等重金屬本質(zhì)上不可生物降解，在食物鏈中發(fā)生營養(yǎng)轉(zhuǎn)移、生物累積和生物放大，對動植物生長和人類健康會造成不良影響[3]。例如，Pb對生物機體造成生理、形態(tài)和生物化學(xué)等方面的毒性影響，使植物的葉綠素產(chǎn)生、細胞分裂、根伸長、種子萌發(fā)和蒸騰作用等受損[4]；Cd抑制光合作用，引起氧化應(yīng)激與基因損傷，影響植物的生長代謝[5]。

植物修復(fù)技術(shù)是利用具有較強重金屬吸收、富集能力的植物根系對重金屬吸收、轉(zhuǎn)移并儲存到植物地上部，最后再收獲植物從而達到回收重金屬并修復(fù)污染土壤的目的的一項技術(shù)[6]。與其他土壤重金屬修復(fù)技術(shù)相比，植物修復(fù)具有修復(fù)成本低、操作簡單、安全可靠、對土壤環(huán)境擾動少、對周圍環(huán)境具有美化作用、無二次污染等優(yōu)點[7]。相對于草本植物，木本植物具有生長周期長、生物量大等特點，可將污染物長時間穩(wěn)定在植物體內(nèi)，從而避開人類食物鏈[8-9]。將木本園林植物用于修復(fù)重金屬污染土壤，營造良好景觀效果的同時可起到生態(tài)修復(fù)作用，以充分發(fā)揮植物的生態(tài)效益[9]。因此，研究木本園林植物對土壤重金屬污染的耐受性及對重金屬的吸收累積特征，有助于提高重金屬污染土壤的植物修復(fù)效率。

鐵冬青Ilex rotunda屬于冬青科Aquifoliaceae冬青屬Ilex常綠灌木或喬木[10]，廣泛分布于我國華南地區(qū)，葉與果實極富特色，具有抗污染、防火、防風(fēng)和減弱噪音等特點，可廣泛應(yīng)用于公園、道路、居住區(qū)、廠礦綠化[11]，是優(yōu)良的園林觀賞樹種[12]。目前，對冬青屬的研究集中于種質(zhì)資源的調(diào)查、收集、整理，以及冬青屬的系統(tǒng)分類、遺傳多樣性等方面[13]，但重金屬脅迫方面的研究暫不多見。本試驗以鐵冬青幼苗為研究對象，探究其對Pb、Cd污染土壤的耐受性及對Pb、Cd的吸收累積特征，分析單一Pb、Cd污染條件下的植物生長狀況、根系形態(tài)特征和養(yǎng)分吸收、累積效果以及對重金屬的吸收、累積效果，為鐵冬青在Pb、Cd污染土壤修復(fù)方面的適用范圍提供參考，為城市綠地重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)及指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究供試植物為鐵冬青，購于廣州市德源林業(yè)有限公司，選取植株健康、長勢相近、株高約為40 cm的1年生實生苗用于試驗。供試土壤為華南地區(qū)典型的赤紅壤，采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹木園(113°36′E，23°15′N)0～20 cm 土層，其理化性質(zhì)見表1，重金屬含量均符合《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準 (試行)》(GB 15618—2018)[14]。土壤經(jīng)風(fēng)干、除雜、碾磨、過篩(3 mm)后用于盆栽試驗。栽培用盆為高19.5 cm、直徑22 cm的塑膠花盆。

表1 供試土壤理化性質(zhì)及重金屬環(huán)境質(zhì)量標準Table 1 Physicochemical properties of experimental soil and environmental quality risk control standard for soil heavy metal

1.2 試驗設(shè)計

試驗場地設(shè)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院溫室大棚。本試驗分為單一Pb污染試驗(土壤 Pb 添加量分別為 500、1 000 和 1 500 mg·kg-1，分別記為 Pb500、Pb1000和 Pb1500處理)、單一 Cd 污染試驗 (土壤 Cd添加量分別為 10、25 和 50 mg·kg-1，分別記為 Cd10、Cd25和 Cd50處理)兩部分，以不添加重金屬的赤紅壤作為對照(CK)，每個處理4次重復(fù)，共計28盆。每盆基質(zhì)干質(zhì)量均為4 kg，重金屬Pb、Cd分別以固體PbCl2(分析純)、CdCl2(分析純)形式加入土壤，將重金屬與基質(zhì)混勻后加水浸沒土壤平衡21 d，平衡期間若有下滲水流出則倒回盆中。平衡結(jié)束后移栽苗木，每盆1株鐵冬青。試驗于2017年10月中旬開始，2018年3月中旬結(jié)束，試驗期5個月。試驗期間依天氣情況2～3 d 澆一次水，每次每盆澆水量為 100 mL，全程不施肥，不使用農(nóng)藥。

1.3 指標測定

試驗結(jié)束后用直尺和電子游標卡尺分別對植物株高、地徑進行測量，然后將所有試驗苗木整株挖出，帶回實驗室，先用自來水洗凈植株，再用去離子水沖洗晾干。植物根系用雙光源掃描儀掃描后，用根分析軟件 WinRHIZO Pro 2005b (Regent Instruments Inc)分析根長、根表面積、根體積等指標。將植物根、地上部分開，放入烘箱100 ℃殺青30 min后，70 ℃烘至恒質(zhì)量，用電子天平測定根和地上部生物量。

植物養(yǎng)分的測定：先用H2SO4-H2O2消解植物樣品，獲得待測液，全氮(N)含量使用AA3連續(xù)流動分析儀測定，全磷(P)含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀(K)含量用火焰分光光度計法測定[15]。植物Pb、Cd含量測定：采用HNO3-H2O2(體積比8∶2)微波消解后，用原子吸收光譜法(AAS)測定[16]。植物質(zhì)量指數(shù)[17]、各部位及全株元素累積量[18]、全株元素含量[19]的計算方法如下：

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)均采用 Microsoft Excel 2007 進行整理，采用Origin Pro9.0軟件繪圖。采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對不同處理的植株生長、養(yǎng)分及重金屬含量和累積量進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan’s多重比較，對不同部位之間的重金屬含量和累積量進行t檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一Pb、Cd污染對鐵冬青生長的影響

單一Pb、Cd污染對鐵冬青生長有不同程度的影響(圖1)。與CK相比，不同Pb污染處理下鐵冬青株高無顯著差異(P＞0.05)，Pb500處理下鐵冬青根生物量 (3.63 g·株-1)顯著增加 (P＜0.05)，Pb500、Pb1000處理下地徑分別比CK顯著增加17.15%和13.59%，但Pb1500處理顯著降低根、地上部和總生物量。Pb1500處理的株高、地徑以及根、地上部和總生物量均顯著小于Pb500，且分別比Pb500降低7.34%、19.89%、73.83%、51.33%和59.79%。此外，Cd25處理的株高顯著小于CK和Cd10，不同Cd污染處理對地徑和根、地上部、總生物量無顯著影響(P＞0.05)。

圖1 土壤單一Pb或Cd污染對鐵冬青生長的影響Fig. 1 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on growth of Ilex rotunda

單一Pb、Cd污染對質(zhì)量指數(shù)的影響如圖2所示，Pb500和Pb1000處理的鐵冬青質(zhì)量指數(shù)顯著大于CK，分別是CK的1.38和1.35倍。與CK相比，Pb1500處理顯著降低質(zhì)量指數(shù)，比CK顯著降低56.25%，并且其質(zhì)量指數(shù)顯著小于3種Cd污染處理。不同Cd污染處理對質(zhì)量指數(shù)無顯著影響。這說明 500 和 1 000 mg·kg-1的 Pb 污染處理在一定程度上提高了鐵冬青幼苗的質(zhì)量指數(shù)，但 1 500 mg·kg-1Pb污染處理對生長有抑制作用，而單一Cd污染對鐵冬青質(zhì)量指數(shù)未造成顯著影響。

圖2 土壤單一Pb、Cd污染對鐵冬青質(zhì)量指數(shù)的影響Fig. 2 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on quality index of Ilex rotunda

2.2 單一Pb、Cd污染對鐵冬青根系形態(tài)的影響

由圖3可知，Pb500處理的鐵冬青根表面積顯著大于CK，增加了31.23%。Pb500和Pb1000處理的根長、根體積均與CK無顯著差異，Pb1500的根長、根表面積、根體積均顯著小于其他處理。此外，單一Cd污染對鐵冬青根系形態(tài)無顯著影響。

圖3 土壤單一Pb、Cd污染對鐵冬青根系形態(tài)的影響Fig. 3 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on root morphology of Ilex rotunda

2.3 單一Pb、Cd污染對鐵冬青養(yǎng)分吸收累積的影響

單一Pb、Cd污染條件下鐵冬青對不同養(yǎng)分元素的吸收累積有所不同(圖4)。由圖4A～4C可知，Pb污染處理對鐵冬青根、地上部N含量和根K含量均無顯著影響；Pb500和Pb1000處理的根、地上部P含量和地上部K含量均與CK無顯著差異，Pb1500處理的根、地上部P含量和地上部K含量分別比CK增加124.00%、55.17%和115.00%，同時顯著高于其他處理。這說明單一Pb污染未對鐵冬青養(yǎng)分吸收產(chǎn)生抑制作用，同時 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染對鐵冬青各部位P含量和地上部K含量具有一定的促進作用。

圖4 土壤單一Pb、Cd 污染對鐵冬青養(yǎng)分含量的影響Fig. 4 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on nutrient contents of Ilex rotunda

由圖4D～4F可知，不同Cd污染濃度對鐵冬青根和地上部的N、P含量及根K含量均無顯著影響。但Cd10、Cd25和Cd50處理下地上部K含量均顯著大于CK，分別是CK的1.31、1.54和1.52倍。

如圖5所示，不同Pb污染處理對鐵冬青全株P(guān)、K累積量均無顯著影響，不同Cd污染處理對全株N、P、K累積量均無顯著影響。與CK相比，Pb1500處理顯著降低全株N累積量(降低51.73%)，但Pb500和Pb1000處理的全株N累積量均與CK無顯著差異。

圖5 土壤單一Pb、Cd污染對鐵冬青養(yǎng)分累積量的影響Fig. 5 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on nutrient accumulation of Ilex rotunda

2.4 單一Pb、Cd污染對鐵冬青重金屬吸收累積的影響

單一Pb污染條件下，鐵冬青對Pb具有較好的吸收和累積作用(表2)。與CK相比，不同Pb污染處理均顯著增加鐵冬青全株P(guān)b含量和根、全株P(guān)b累積量。Pb1500條件下各部位、全株P(guān)b含量及地上部、全株P(guān)b累積量均達到最大值，且顯著大于其他處理，但Pb500和Pb1000處理之間無顯著差異。Pb1500處理的地上部Pb含量及累積量分別為183.67 mg·kg-1和 515.73 μg·株-1，顯著大于其他處理，但Pb500、Pb1000的地上部Pb含量及累積量均與CK無顯著差異。在相同Pb污染條件下，鐵冬青根Pb含量及累積量顯著大于地上部。

表2 土壤單一Pb污染對鐵冬青重金屬Pb吸收累積的影響1)Table 2 Effects of single Pb pollution in soil on Pb contents and accumulations of Ilex rotunda

由表3可知，土壤不同Cd污染處理對鐵冬青Cd含量及累積量有顯著影響。根Cd含量隨著Cd污染量增加而顯著增加，并且在Cd50條件下達到最大值 (6.40 mg·kg-1)，Cd50處理分別比 CK、Cd10和 Cd25處理增加 7 011.11%、223.23% 和39.74%，且差異顯著。與CK相比，不同Cd污染均顯著增加各部位、全株Cd含量及累積量，Cd25、Cd50處理的全株Cd含量和各部位、全株Cd累積量均顯著大于Cd10處理的相應(yīng)指標，但Cd25、Cd50處理之間無顯著差異。根Cd含量在Cd10、Cd25和Cd50處理下均顯著大于地上部，根Cd累積量在Cd50處理下顯著大于地上部。

表3 土壤單一Cd污染對鐵冬青重金屬Cd吸收累積的影響1)Table 3 Effects of single Cd pollution in soil on Cd contents and accumulations of Ilex rotunda

3 討論與結(jié)論

3.1 鐵冬青對單一Pb、Cd污染土壤的耐受性

在植物修復(fù)中，植物對重金屬的耐受性是影響污染環(huán)境修復(fù)效果的主要因素之一[20]。本試驗結(jié)果顯示，鐵冬青地徑、質(zhì)量指數(shù)以及根、地上部、總生物量在土壤不同Cd污染條件下均與CK無顯著差異，這與火炬樹Rhus typhina根、芽伸長抑制率隨Cd2+濃度增加而增大[21]，以及黃葛樹Ficus virens在10 mg·kg-1的土壤 Cd 脅迫時生長受到抑制[22]的試驗結(jié)果均有所不同?？赡苁且驗橹参飳d的耐受性因土壤Cd污染程度和植物種類不同而有所差異[23]。本研究還發(fā)現(xiàn)，鐵冬青地徑、質(zhì)量指數(shù)在500和 1 000 mg·kg-1的土壤 Pb 處理下顯著提高，根生物量在 500 mg·kg-1的 Pb 處理時顯著提高。這可能是由于低含量重金屬污染對植物而言是逆境環(huán)境，因此自身會最大程度地提高生命活動來抵制逆境并表現(xiàn)出生長旺盛的現(xiàn)象[24]。在1 500 mg·kg-1的Pb處理時，鐵冬青株高、地徑與CK均無顯著差異，但鐵冬青地上部、總生物量和質(zhì)量指數(shù)受到顯著抑制。這可能是因為土壤較高的Pb濃度超過植物自身對Pb的耐受限度，導(dǎo)致植物體細胞膜或葉綠體被破壞[25]，大量葉片受損甚至脫落，從而影響植物正常生長。綜合來看，鐵冬青對Cd污染和500～1 000 mg·kg-1的 Pb 污染具有較好的耐受性，但在 1 500 mg·kg-1Pb 污染時生長受到一定程度的抑制。

3.2 單一Pb、Cd污染對鐵冬青根系形態(tài)和養(yǎng)分吸收累積的影響

土壤中的重金屬首先要與植物的根部接觸才能進入植物體內(nèi)，因此重金屬對植物的毒害作用往往從植物的根部開始[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，鐵冬青根表面積僅在 500 mg·kg-1的 Pb污染條件下受到顯著促進作用，但根長、根表面積、根體積在 1 500 mg·kg-1的Pb污染處理時受到顯著抑制，說明單一Pb污染對鐵冬青根系形態(tài)的影響表現(xiàn)出低濃度促進、高濃度抑制的特點。這與Pb、Cd污染對白花蛇舌草Hedyotis diffusa的試驗結(jié)論一致[27]，植物可通過減少根表面積、根長等和降低根表面的活性位點，從而減少根系對重金屬的吸收[28]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，各Cd污染處理對鐵冬青根系形態(tài)無顯著影響，這與Cd污染極顯著影響大豆總根長和根表面積的研究結(jié)論有所不同[29]，說明鐵冬青根系對Cd污染具有較好的適應(yīng)性。

重金屬污染在一定程度上會提高植物對養(yǎng)分的吸收和利用效率，促進植物對營養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)運能力[30]。本研究結(jié)果顯示，1 500 mg·kg-1的土壤Pb污染處理顯著提高鐵冬青根和地上部P含量以及地上部K含量。這與前人對櫸樹Zelkova schneideriana、毛紅椿Toona ciliatavar.pubescens、欒樹Koelreuteria paniculata、木荷Schima superba的研究結(jié)果相似，這4種木本植物在不同Pb處理濃度下葉片K含量普遍大于對照，毛紅椿和欒樹葉片中P含量與Pb處理濃度呈極顯著正相關(guān)[31]。說明重金屬Pb在一定程度上能促進植物葉片對P、K元素的吸收?？赡苁且驗橹参锔滴盏腜b轉(zhuǎn)移到地上部過程中，需要重金屬ATP酶等膜轉(zhuǎn)運蛋白嚴格調(diào)控Pb離子向木質(zhì)部轉(zhuǎn)運[32]，故需要大量吸收P元素合成相應(yīng)膜轉(zhuǎn)運蛋白。同時，本研究也發(fā)現(xiàn)各Cd污染處理均顯著提高地上部K含量，可能是由于Pb、Cd與K吸收存在協(xié)同作用，Pb或Cd可通過促進植物對K的吸收從而增強植物對重金屬離子的吸收[33]。本研究還發(fā)現(xiàn)鐵冬青各部位N含量未受到Pb污染的顯著影響，但全株N累積量在 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染條件下顯著下降，這與藿香薊Ageratum conyzoides的N累積量在高濃度Pb處理中顯著增加的試驗結(jié)果不一致[34]，主要是由于 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染處理顯著降低了鐵冬青生物量，因此對N的累積效果受到一定程度的抑制作用。

3.3 鐵冬青對單一Pb、Cd污染土壤的修復(fù)潛力

植物可以通過根系吸收土壤中的重金屬污染物，達到改良土壤的效果[35]。本研究中，各Pb污染處理均顯著促進鐵冬青全株P(guān)b含量和根、全株P(guān)b累積量增加，各Cd污染處理也顯著提高各部位和全株的Cd含量及累積量，證實鐵冬青對土壤Pb、Cd具有較強的吸收、累積效果和一定的修復(fù)作用。有研究表明，土壤中Pb的施加濃度是決定植物對Pb吸收量的關(guān)鍵因素[31]，本試驗發(fā)現(xiàn)，500和1 000 mg·kg-1的 Pb 處理條件下鐵冬青各部位及全株 Pb 含量、累積量均顯著小于 1 500 mg·kg-1的Pb污染處理，但二者之間無顯著差異，這說明鐵冬青對 500 ～1 000 mg·kg-1的 Pb 污染土壤的 Pb 吸收、累積效果是相近的，對 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染土壤具有很好的修復(fù)潛力。與此同時，可能正是由于在 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染時鐵冬青從土壤中吸收并累積了大量Pb，因此導(dǎo)致生長受到明顯抑制。前人研究表明，多數(shù)植物根系重金屬含量高，地上部分的重金屬含量相對較低[24,31,36]。本研究也發(fā)現(xiàn)，在土壤Pb、Cd相同處理條件下鐵冬青根部Pb、Cd含量顯著大于地上部。此外，鐵冬青地上部Pb含量及累積量僅在 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染處理時顯著提高，但不同Cd污染處理均顯著提高地上部Cd含量及累積量，表明鐵冬青地上部對Pb的吸收、累積作用較差，但對Cd具有一定的吸收、累積效果。

本研究證實鐵冬青對土壤單一Cd污染和500～1 000 mg·kg-1的 Pb 污染均具有較好的耐受性，對單一Pb、Cd污染土壤也具有較好的重金屬吸收、累積效果，可作為 Cd 污染土壤和 500 ～1 000 mg·kg-1的Pb污染土壤修復(fù)的備選樹種。不僅如此，鐵冬青對于 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染土壤也具有較強的修復(fù)潛力，但可能是由于植物體內(nèi)吸收大量重金屬在一定程度上會抑制植物生長，因此對于 1 500 mg·kg-1的Pb污染土壤的長期修復(fù)效果有限，但可在短期內(nèi)發(fā)揮一定的修復(fù)作用。本試驗僅以鐵冬青幼苗為試驗對象，單一Pb、Cd污染對鐵冬青的進一步影響需要長期深入研究。