淹水對重金屬污染土壤中杞柳生長和元素積累的影響

王麗，鄭怡暉，馮木彩，曹旖旎，邸東柳，陳光才*

(1.杭州市富陽區(qū)環(huán)境衛(wèi)生保障中心，浙江 杭州 311400；2.中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；3.諸城市農(nóng)業(yè)技術推廣中心，山東 濰坊 262200)

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，土壤污染問題愈發(fā)嚴重，由此引發(fā)的一系列環(huán)境問題不容忽視[1]。據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國土壤環(huán)境狀況整體形勢較為嚴峻，全國土壤污染點位總超標率達16.10%，其中以重金屬為主的污染點位占全部超標點位的82.80%，鎘(Cd)、鋅(Zn)的點位超標率分別為7.00%、0.90%[2]。土壤重金屬含量超標，將降低土壤微生物活性和土壤肥力。同時，土壤中的重金屬可通過食物鏈富集，最終影響植物、動物和人體健康[3]。人體內(nèi)鎘積累將破壞肝臟、腎臟功能[4-5]，因此亟需開展重金屬污染土壤的綠色修復技術研發(fā)。

與價格高昂且容易產(chǎn)生二次污染的傳統(tǒng)物理修復和化學修復方法相比，植物修復具有成本低、適用性廣、環(huán)境友好等優(yōu)勢，廣泛運用于修復土壤重金屬污染[6]。植物修復是通過植物吸收、固定土壤重金屬后，降低土壤重金屬含量或土壤重金屬的移動性，達到土壤修復目標[7-8]。目前，用于濕地污染修復的植物多為草本，如香蒲(Typhaorientalis)、美人蕉(Cannaindica)、鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)等[9]。但草本植物因個體矮小、生長緩慢、對重金屬耐受性弱等，在土壤污染治理中存有一定局限性[10]。相較于草本植物，木本植物具有生長期長，生物量大，吸收污染物多、吸收重金屬種類豐富等特點，被廣泛用于重金屬重度污染土壤的修復[11]。柳樹(Salixspp.)因其生長速度快、根系發(fā)達、生物量大、耐水濕、重金屬耐性強，可用于修復重金屬重度污染土壤[12]。如Migeon等[13]在Cd、Zn嚴重污染條件下比較了25個樹種的重金屬富集情況，發(fā)現(xiàn)柳樹對于Cd和Zn具有高積累特性。Tozser等[14]利用蒿柳(S.viminalis)提取污染地區(qū)重金屬，結果顯示Zn、Mn、Fe、Cu的生物富集系數(shù)較高，Cd、Mn及Zn的轉運系數(shù)較高，表明蒿柳對重金屬有較高的積累潛力。陳彩虹等[15]及劉治昆等[16]在水培條件下探究了Cu脅迫對‘蘇柳172’(S.jiangsuensisCL J-172)和垂柳(S.babylonica)礦質元素積累、生長及生理特性的影響，明確了2種柳樹用于Cu污染修復的潛力。在淹水條件下，杞柳(S.integra)能夠增加不定根和皮孔數(shù)量，調(diào)節(jié)抗氧化酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)物質等積極防御和共同作用來緩解淹水和Cu污染的復合脅迫[17-18]。

在河流、湖庫等水陸交錯帶，因為水位的周期性變化，土壤淹水成為限制濱岸帶植物生長的主要非生物脅迫因子之一[19]。淹水脅迫使植物地上葉片萎蔫脫落、地下根部腐爛，減少植物生物量，降低光合作用強度，從而削弱重金屬污染土壤的植物修復效率[20]。柳樹本身具有較強的生態(tài)適應性，能夠在河湖岸帶等低洼處生長良好，并且能夠在淹水的Cd污染和Cu污染土壤中生長良好[21-22]。但在多種重金屬污染的淹水環(huán)境下，柳樹的生長適應性及重金屬修復潛力尚不清楚，亟需開展系統(tǒng)研究。本研究以杞柳‘一支筆’(S.integra‘Yizhibi’)為試材，以超過風險管控值的Cd、Zn污染土壤為培養(yǎng)基質，通過盆栽試驗，設置淹水和非淹水2組處理，研究其生長表現(xiàn)、生理適應性以及重金屬積累和轉運能力，以期為杞柳在污染濕地修復方面提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選取杭州市富陽區(qū)(29°53′N，119°54′E)受污染的土壤，其理化性質如表1所示。根據(jù)《土壤環(huán)境質量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618—2018)，該土壤樣品重金屬Cd和Zn遠超土壤污染風險管制值，Cu和Pb未達到污染水平。

選用杞柳‘一支筆’為試材，從同一棵母樹上挑選粗細一致、直徑為0.80～1.00 cm的1年生枝條，用去離子水洗凈后剪成長度為15 cm的插條備用。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Physicochemical properties of tested soil

1.2 試驗設計

盆栽試驗在塑料大棚中進行，自然光照，環(huán)境溫度為23 ℃～38 ℃，相對濕度為60%～65%。將剪好的杞柳插條插入裝有1.2 kg重金屬污染土壤的塑料花盆中(高15 cm，直徑11 cm)，每盆1個插條，插條插入土壤10 cm，培養(yǎng)120 d后，將其隨機分為2組，每組3個重復，每個重復有3盆，每盆1株苗，分別進行淹水和非淹水處理。淹水處理組淹水深度超過土壤表面10 cm，非淹水處理為對照組，對照組每天用自來水澆水，土壤濕度大致保持在田間持水量的70%。淹水處理維持90 d，整個試驗周期為7個月。

1.3 土壤理化性質測定

土壤樣品經(jīng)風干、研磨，再通過2 mm的篩網(wǎng)篩分后貯存?zhèn)溆?。將土壤和去離子水按1∶2.5的體積比混合搖勻，用pH計(Mettler Toledo,Columbus,USA)測量土壤pH[23]。土壤有機質采用重鉻酸鹽加熱氧化法和硫酸亞鐵試劑滴定法測定[23]。用元素分析儀(FLASH2000 CHNS/O，Thermo，USA)測量土壤中的總氮[23]；用硫酸消解鉬藍法測定總磷[23]。用王水(HNO3∶HCl為3∶1)在105 ℃消解土壤2 h后，通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES,Perkin Elmer Optima 8000,Waltham,MA,USA)測定土壤重金屬和總鉀含量。土壤理化性狀測試結果詳見表1，每組數(shù)據(jù)3次重復。

1.4 植物生長指標測定

淹水處理的7、14、28、56、90 d，9:00至14:00間，選取每株杞柳的3片成熟葉片，使用Li Cor-6800便攜式光合系統(tǒng)測定植物光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(E)。樣品室內(nèi)光強設定為1 000 μmol photon/s，氣流為500 μmol/s，CO2濃度為400 μmol/s。

收獲植株前，測量杞柳株高及莖徑，使用葉面積測量儀，測出葉長、葉寬和葉面積。將葉片與95%乙醇溶液混合后研磨，浸取3～5 min，后用分光光度計(UV-1800,MAPADA，Shanghai，China)分別在波長為665、649、652、470 nm測定葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、葉綠素a+b(Chl a+b)和類胡蘿卜素(Car)的含量[23]。

1.5 植物取樣與化學測定

每株杞柳收取后，分為根、插條、莖(插條上新長出主干部分)和葉4部分，用自來水清洗后用去離子水漂洗3次后，將樣品放入105 ℃烘箱烘干1 h，隨后在75 ℃烘至恒重。干燥完的樣品用小型磨粉機研磨后，用0.25 mm篩網(wǎng)篩分備用。取各組織粉末0.25 g用濃硝酸(HNO3)和過氧化氫(H2O2)熱阻斷系統(tǒng)消化后，用2%(v/v)HNO3溶液稀釋至50 mL，再采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定各樣品中的重金屬(Cd和Zn)和礦質元素(K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Na、B、Mo)含量。氮和磷的測定，參見1.3。

柳樹富集系數(shù)和轉運系數(shù)的計算公式分別如下：

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用DPS 13.01軟件中LSD法在0.05水平進行單因素方差分析，通過Origin 2018繪制圖表，試驗結果值均表示為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 淹水條件下杞柳的生長表現(xiàn)

試驗期間觀察發(fā)現(xiàn)，杞柳能在Cd和Zn重度污染土壤中正常生長并維持較好的長勢，淹水處理對杞柳生長影響不明顯。較對照相比，淹水條件下的杞柳株高、葉面積、葉長及葉寬僅略微增加，但莖粗減少(表2)；總生物量差異不明顯，但各組織生物量的差異不一致，淹水處理分別減少了杞柳葉部、插條、根部生物量的15.30%、30.20%和18.00%，但大幅增加了莖部生物量，為對照的147.30%(圖1)。

表2 土壤淹水對杞柳生長及葉片性狀的影響Table 2 The plant parameters and leaf traits of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

圖1 土壤淹水對杞柳生物量的影響Figure 1 The biomass of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

2.2 淹水條件下杞柳的光合色素含量及光合能力

由表3可知，土壤淹水處理對杞柳葉綠素含量無顯著影響，僅略微增加Chl a、Car含量和Chl a/Chl b值，降低Chl b和Chl a+b含量。處理時間對杞柳光合指標的影響如圖2所示，從圖中可以看出，土壤淹水降低杞柳光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)及蒸騰速率(E)。當淹水處理為90 d時，Pn、Gs、Ci、E分別下降7.70%、1.69%、37.87%、25.89%。此外，在28 d至56 d時，杞柳在淹水條件下的Ci值顯著降低。

表3 土壤淹水條件下杞柳葉片光合色素含量Table 3 The photosynthetic pigment of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

圖2 土壤淹水對杞柳的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(E)的影響Figure 2 Effects of different flooded time on photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), intercellular CO2concentration (Ci) and evaporation rate (E) of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

2.3 淹水條件下重金屬元素在杞柳各器官的積累和分布

土壤淹水對杞柳各部位Cd、Zn分布均有顯著影響(圖3)。淹水顯著降低杞柳根、插條、莖及葉部Cd含量，其中不同組織中Cd的積累量由高到低排序為：根>葉>插條>莖。而在非淹水條件下，Cd在杞柳各組織中的積累量由高到低依次為：根>葉>莖>插條。土壤淹水顯著降低杞柳葉部、莖部、插條中Zn的含量，增加根部Zn濃度，其中各組織中Zn的積累量由高到低排序為根>葉>插條>莖。非淹水條件下各組織Zn積累量為葉>根>插條>莖。

圖3 土壤淹水條件下Cd、Zn在杞柳各組織的濃度Figure 3 Concentration of Cd and Zn in tissue of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions注：圖中數(shù)據(jù)表示平均值±標準差，不同字母表示在0.05水平上差異顯著，n=3，下同

土壤淹水對杞柳生物富集系數(shù)及轉運系數(shù)的影響如圖4所示。淹水顯著降低杞柳地上部Cd、Zn的生物富集系數(shù)，與非淹水處理相比，Cd、Zn的BCF值分別減少74.39%、90.68%。土壤淹水對根部Cd、Zn的富集系數(shù)影響顯著，但變化不同，其中，淹水使根部Cd的BCF值降低29.94%，Zn的BCF值增加27.06%。土壤淹水對Cd、Zn的轉運系數(shù)影響顯著，地上部Cd、Zn的TF值分別降低了63.46%、80.56%。

圖4 土壤淹水條件下杞柳地上部、根系重金屬生物富集系數(shù)(BCF)及轉運系數(shù)(TF)Figure 4 BCF and TF of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

2.4 淹水條件下杞柳礦質元素的積累和分布

土壤淹水條件下杞柳不同組織中的礦質元素含量如表4所示。淹水處理對不同組織中礦質元素含量影響顯著。對大量元素分析發(fā)現(xiàn)，淹水處理顯著降低葉片中P、Ca含量，增加K含量；顯著降低莖組織中N、P、K、Ca、S含量；降低插條組織中N、P、K、Ca、Mg、S含量；降低根組織中N、P含量，增加K、Ca、Mg、S含量。

淹水處理對不同組織中微量元素含量影響更為明顯。土壤淹水顯著增加葉部和莖部Mn、Mo含量，降低Na、B含量，其中葉部Fe、Mn和Mo含量分別增加1.16倍、1.67倍、1.74倍，Na、B含量分別減少20.30%、33.40%；莖部Mn、Fe和Mo分別增加1.03、2.71、2.62倍，Na、B含量分別減少37.44%、8.07%。土壤淹水提高插條和根部對微量元素的吸收，其中插條Fe、Mn、Na、B和Mo含量分別增加7.50、3.05、1.57、1.22、2.50倍；根系Fe、Mn、Na、B和Mo分別增加2.17、6.48、1.81、1.69、4.91倍(表4)。

對土壤淹水條件下杞柳微量元素間的相關性進行分析，發(fā)現(xiàn)土壤淹水促進了杞柳各微量元素(除B外)間的相關性。無論是否淹水，Cd、Zn與各元素均呈正相關，在淹水條件下Cd、Zn與B的相關性不高，但與其他元素相關性較強(圖5)。

表4 土壤淹水條件下杞柳不同組織中的營養(yǎng)元素含量Table 4 Elements level in tissue of Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

圖5 土壤淹水條件下杞柳中微量元素間的相關性Figure 5 The correlations of elements in Salix integra grown in non-flooded/flooded conditions

3 討 論

3.1 土壤淹水對杞柳生長的影響

淹水導致土壤缺氧從而影響植物生長，植物會通過自身形態(tài)或生理改變以適應土壤環(huán)境，如增生不定根等，來滿足植物生長對氧氣的需求[24]。土壤淹水使柳樹根系從有氧呼吸轉為無氧呼吸，導致柳樹樹根腐爛死亡，雖增加不定根維持呼吸，但根的總生物量顯著減少。土壤淹水減少了根部O2供應，導致植物葉片氣孔關閉，從而降低氣孔導度，減小蒸騰速率[25]。氣孔導度降低，氣體交換速率降低，致使葉片吸收CO2減少，其胞間CO2濃度降低，凈光合速率也減小[20]。本研究中淹水56 d至90 d時，杞柳葉片氣孔導度增加，推測是因不定根形成，增加了杞柳對O2的吸收，促使杞柳Ci值和Pn值下降幅度減弱[26-27]。同時，葉綠素與Pn值有著密切聯(lián)系，葉綠素含量隨著Pn值下降而下降[9]。在試驗中，淹水條件對杞柳葉綠素影響微弱，但總含量略微減小，因此土壤淹水對杞柳的光合作用有削弱作用。

3.2 土壤淹水對杞柳礦質元素積累的影響

土壤條件會影響植物對無機離子的吸收和轉運，干擾礦質營養(yǎng)代謝過程，作為生長和發(fā)育必需的物質，礦質元素在植物體內(nèi)具有重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)土壤淹水對杞柳體內(nèi)礦質元素含量有顯著影響，且淹水條件加強了杞柳中微量元素(除B外)之間的相關性。無論是否淹水，Cd、Zn與各元素影響均呈正相關，表明杞柳體內(nèi)，Cd、Zn與礦質元素之間存在協(xié)同效應。土壤淹水增加了插條和根部對各微量元素的吸收，在缺氧條件下，杞柳地下部分微量元素的積累可能與根部滲透調(diào)節(jié)有關。土壤淹水增加了杞柳葉內(nèi)和莖內(nèi)Fe、Mn、Mo含量，減少了Na、B含量。Fe、Mn、Mo與光合作用關系密切，在葉綠體受損情況下，F(xiàn)e、Mn含量的增加可以減緩淹水對杞柳光合作用的削弱[28]。Na、B含量減少可能是因為在淹水和重金屬雙重脅迫下，杞柳木質部轉運受阻，金屬離子轉移能力下降，從而導致葉、莖部Na、B含量的減少[29-30]。

3.3 土壤淹水對杞柳重金屬富集和轉運的影響

植物對Cd的吸收是以蒸騰作用為動力，通過木質部運輸完成，因此無論是否淹水，杞柳根部Cd含量最高，葉部其次[31]。但與非淹水土壤相比，土壤淹水減少杞柳各組織Cd含量，降低杞柳體內(nèi)Cd的富集系數(shù)和轉運系數(shù)，表明土壤淹水抑制杞柳對Cd的吸收和轉運能力，推測是因土壤淹水破壞了根系的外皮層和內(nèi)皮層，缺少內(nèi)外皮層轉運蛋白，致使Cd轉運至莖部時受阻，從而導致杞柳的轉運系數(shù)下降，地上部Cd富集能力下降[32]。

杞柳蒸騰速率的降低同樣影響地上部Zn轉運系數(shù)，但是在非淹水條件下，杞柳地上部Zn的轉移系數(shù)高于Cd，推測是因Zn可參與光合作用，提高了轉運效率[33]。淹水土壤根內(nèi)Zn含量較對照處理顯著增加，葉、莖和插條組織Zn含量減少，降低杞柳地上部的富集系數(shù)和轉運系數(shù)，但增加了根系的富集系數(shù)。表明土壤淹水增加了杞柳根對Zn的吸收，抑制Zn的轉運能力。推測是因土壤淹水破壞了根部結構，杞柳根系細胞液泡成為Zn的主要區(qū)隔場所，減少Zn從根部向地上部的運輸。

3.4 淹水條件下杞柳的重金屬修復潛力

生物量和重金屬富集系數(shù)是決定植物修復能力的兩大重要指標[34]。非淹水條件下，杞柳生長良好，對重金屬吸收、積累和轉運能力更強，表明其對重金屬有良好的耐受性和修復能力。淹水條件下，杞柳均能存活并保持正常生長。淹水90 d時，光合速率和蒸騰速率下降，Cd、Zn的TF值分別降低63.46%、80.56%，土壤中Cd、Zn主要富集在杞柳根部，淹水降低杞柳的重金屬轉運能力，該現(xiàn)象與重金屬的木質部轉運驅動力—蒸騰拉力降低有關[21]。但淹水條件下杞柳總生物量及根、莖、葉生物量沒有受到顯著影響，表明杞柳有較強耐水淹能力，這與柳屬植物生態(tài)幅較寬、抗逆性較強等生物學特性密切相關[35]。

綜上所述，土壤淹水雖然對杞柳‘一支筆’地上部分的重金屬轉運能力和富集能力有一定上的削弱，但這是一種植物在適應淹水環(huán)境的普遍現(xiàn)象，常見于大多數(shù)濕地植物[36-39]。并且，淹水環(huán)境中杞柳仍能保持良好生長狀態(tài)且具有較高生物量，根系生物富集Cd、Zn能力也較強，與其他草本濕地植物(香蒲、美人蕉、鳳眼蓮、蘆葦、互花米草、香根草等)相比[9，40-41]，杞柳能利用自身更大的生物量和發(fā)達的根系，將土壤中金屬污染物固定于體內(nèi)，從而減少向濕地系統(tǒng)的釋放，修復更大的土壤范圍。因此，淹水條件下杞柳仍然具有較高的植物修復潛力。

4 結 論

杞柳‘一支筆’在重金屬污染土壤中經(jīng)90 d淹水后仍可正常生長，其光合速率略有下降，但生物量無顯著降低。土壤淹水使杞柳體內(nèi)微量元素間(除B外)相關性增強，增加杞柳插條和根部對微量元素的吸收和柳樹葉內(nèi)和莖內(nèi)Fe、Mn、Mo含量，減少Na、B含量。土壤淹水降低杞柳蒸騰速率，致使杞柳的重金屬轉運能力降低，地上部的重金屬富集能力減弱。綜合考慮杞柳“一支筆”生長和金屬積累情況，我們認為杞柳對淹水脅迫具有很高耐受性、生理適應機制和重金屬富集能力，在淹水地區(qū)仍然具有較強的植物修復潛力，為更好地利用該物種改善濕地環(huán)境的重金屬污染土壤、濕地和水系消落帶物種的選擇及植被的構建提供了參考依據(jù)。