朱劍飛, 李銘紅**, 謝佩君, 喬云蕾

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紫花苜蓿、黑麥草和狼尾草對Cu、Pb復(fù)合污染土壤修復(fù)能力的研究*

朱劍飛1,2, 李銘紅1,2**, 謝佩君2, 喬云蕾2

(1. 浙江師范大學(xué)行知學(xué)院 金華 321004; 2. 浙江師范大學(xué)生態(tài)研究所 金華 321004)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展, 土壤重金屬污染對糧食安全及人類的身體健康構(gòu)成了巨大的威脅, 而目前對于土壤重金屬污染的治理主要以植物修復(fù)為主。為了尋找適宜修復(fù)Cu、Pb復(fù)合污染土壤的牧草, 采用盆栽試驗(yàn)法, 將試驗(yàn)的植物設(shè)置9組處理: 1組對照組(CK), 不添加任何重金屬鹽; 4組單一污染, 即單一Cu低(Cu1, 200 mg×kg-1)、高濃度(Cu2400 mg×kg-1), 單一Pb低(Pb1300 mg×kg-1)、高濃度(Pb2800 mg×kg-1); 4組Cu、Pb復(fù)合污染(Cu1Pb1、Cu1Pb2、Cu2Pb1、Cu2Pb2)。通過比較紫花苜蓿()、黑麥草()、狼尾草()的適應(yīng)能力和富集特征, 研究了這3種常見牧草植物對受Cu、Pb復(fù)合污染土壤的修復(fù)效果。結(jié)果表明: 1)紫花苜蓿地上部和根部生物量均在Pb1處理組時(shí)最大, 顯著高于其他處理組; 黑麥草地上部生物量在Cu1Pb1處理組最大, 根部生物量在Pb1處理組最大; 狼尾草地上部生物量在Cu2Pb2處理組最大, 根部生物量在Cu2處理組最大。2)Cu單一污染下, 狼尾草抗性系數(shù)最大; Pb單一污染下, 紫花苜?？剐韵禂?shù)最大; Cu-Pb復(fù)合污染下, 狼尾草的抗性系數(shù)較大。高濃度Cu處理組3種牧草植物的地上部生物量、根部生物量和抗性系數(shù)均呈現(xiàn): 狼尾草>黑麥草>紫花苜蓿, 且狼尾草顯著大于黑麥草和紫花苜蓿。3)種植3種牧草植物后, 土壤重金屬Cu、Pb含量均有所降低。在一定濃度下, 土壤Cu-Pb重金屬間會(huì)相互促進(jìn)對方在牧草植物中的吸收。4)3種牧草中紫花苜蓿地上部對Cu的富集系數(shù)在Cu2Pb2處理組最大, 達(dá)1.61; 黑麥草根部對Cu的富集系數(shù)在Cu2Pb2處理組最大, 達(dá)3.80; 3種牧草地上部和根部對Pb的富集系數(shù)只在黑麥草根部的Cu1Pb1處理組時(shí)大于1, 達(dá)1.46。5)黑麥草對Pb的吸收能力較強(qiáng), 且主要積累在根系; 紫花苜蓿對Cu-Pb復(fù)合污染綜合修復(fù)效果最好。紫花苜蓿和黑麥草分別在Cu-Pb復(fù)合污染和Pb單一污染土壤中對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1, 分別為2.72和2.06, 反映其對土壤中的Pb具有富集潛力。綜合表明, 黑麥草對重金屬Pb具有較強(qiáng)的耐性, 在Pb單一污染土壤的植物修復(fù)及尾礦廢棄地的植被重建中, 可優(yōu)先作為選擇的材料; 紫花苜蓿對重金屬Cu、Pb均具有較強(qiáng)的耐性, 在重金屬Cu單一或Cu-Pb復(fù)合污染土壤的植物修復(fù)及尾礦廢棄地的植被重建中, 可優(yōu)先作為選擇的材料。

紫花苜蓿; 黑麥草; 狼尾草; 重金屬; Cu; Pb; 復(fù)合污染; 富集; 轉(zhuǎn)運(yùn)

土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分, 它與人類生產(chǎn)和生命活動(dòng)有著密切聯(lián)系, 因此也極易受多種污染物的污染, 其中重金屬鹽是土壤污染的重點(diǎn)污染源之一。重金屬污染具有不可逆累積性, 易于富集, 不易降解, 它能通過食物鏈進(jìn)入人體從而危害人類健康, 這給人類社會(huì)以及其所處的生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響[1-2]。其中Cu、Pb是我國土壤-植物生態(tài)系統(tǒng)中主要的重金屬污染物, 過量的Pb進(jìn)入環(huán)境并參與水體-土壤-生物系統(tǒng)循環(huán), 植物吸收富集重金屬Pb后會(huì)擾亂植物對礦物營養(yǎng)的吸收; Cu是植物生長發(fā)育所必需的微量元素, 但過量的Cu具有較高的毒性, 會(huì)使植物生長發(fā)育受阻、生理代謝過程發(fā)生紊亂等[3-9]。因此, 重金屬Cu、Pb對土壤生態(tài)環(huán)境影響的研究引起了普遍關(guān)注[10-11]。土壤中的污染源不是單獨(dú)存在, 往往是多種污染成分同時(shí)存在, 產(chǎn)生綜合作用, 因此通過研究Cu、Pb復(fù)合污染對植物脅迫的影響效應(yīng), 可探索土壤復(fù)合重金屬污染的治理手段[12-13]。

目前對土壤重金屬污染治理的研究大多以植物修復(fù)為主, 通過植物對重金屬的吸收、累積、轉(zhuǎn)化來達(dá)到治理目的[14]。該方法適用污染因子廣泛, 且修復(fù)投入少、成本低, 不會(huì)引起二次污染, 能大面積推廣應(yīng)用, 因此成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[15-16]。由于國內(nèi)外關(guān)于超積累富集植物的篩選等方面的研究對象以農(nóng)作物[17]和蔬菜[18]較多, 其研究材料通常矮小、生長慢、生物量低、周期長且大多不具備較好的經(jīng)濟(jì)效益, 從而導(dǎo)致難以大規(guī)模推廣應(yīng)用[19]。牧草不僅是飼料, 適應(yīng)性強(qiáng)、生長快速、生物量大, 而且在生態(tài)恢復(fù)、水土保持等方面也有著重要作用。迄今國內(nèi)外已有數(shù)十種牧草用于重金屬污染土壤的植物修復(fù), 如紫花苜蓿()、多花黑麥草()等[20]。然而, 紫花苜蓿作為修復(fù)植物對Pb的富集能力較強(qiáng), 黑麥草對Cu有較強(qiáng)的富集特性, 是Pb-Zn尾礦修復(fù)的先鋒植物, 而紫花苜蓿、黑麥草()和狼尾草()對Cu-Pb復(fù)合污染土壤的研究報(bào)道卻較少[21-23]。本研究選擇紫花苜蓿、黑麥草和狼尾草等3種牧草作為試驗(yàn)材料, 考察牧草對土壤重金屬Cu、Pb的耐受能力、吸收能力和轉(zhuǎn)移能力, 尋找適宜修復(fù)Cu-Pb污染的牧草, 以期為今后深入牧草修復(fù)重金屬污染土壤的適宜性提供一定的研究依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試植物

供試植物紫花苜蓿、黑麥草和狼尾草種子均購于浙江省金華市種子市場, 選取顆粒飽滿、個(gè)體均勻的種子作為試驗(yàn)材料, 種植于盆栽中, 用于試驗(yàn)。

1.1.2 供試土壤

土壤采自浙江師范大學(xué)的生物園基地, 取0~20 cm的表層農(nóng)田土壤, 自然風(fēng)干后, 先初步剔除其中粗雜質(zhì), 過100目篩后備用。為了在取樣時(shí)減少對植物根部的傷害, 將黃沙和土壤按1∶4混合作為培養(yǎng)基質(zhì)。測得混合后土壤Cu的背景值為35.94 mg×kg-1, Pb的背景值為78.22 mg×kg-1, pH為6.8左右。用分析純的CuCl2×2H2O和Pb(NO3)2配制成不同濃度梯度的重金屬鹽溶液, 拌入風(fēng)干的土壤中并充分混勻, 靜置鈍化兩周后作為試驗(yàn)土壤。

1.2 研究方法

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2008)、自然背景值及前期試驗(yàn)Cu、Pb單一污染土壤對種子萌發(fā)及幼苗影響的結(jié)果進(jìn)行綜合設(shè)計(jì), 共設(shè)9個(gè)處理組(表1), 每組3盆重復(fù)。試驗(yàn)所用的每個(gè)花盆中加入1.5 kg供試土壤, 加入不同濃度的重金屬, 制成各濃度污染土壤, 然后將消毒處理過的種子直接播種在配置好重金屬濃度的土壤中。加供試土壤區(qū)域地下水使土壤含水率為田間持水量的60%, 根據(jù)植株大小, 每盆留取6個(gè)植株(同一植物的處理組中植株數(shù)一致)。試驗(yàn)60 d后收獲所有植物和根系周圍土樣。

表1 重金屬交互濃度設(shè)計(jì)及處理代碼

1.3 樣品處理和重金屬測定

取植物樣先用自來水充分沖洗, 再用0.1 mol×L-1稀鹽酸洗凈, 最后用去離子水淋洗2~3次, 吸干表面水分。將植物樣品分成地上部和根系兩部分, 置于烘箱中105 ℃殺青30 min, 70 ℃下烘干至恒重, 稱取各部位干重, 研磨過60目尼龍篩待測。將土樣自然風(fēng)干后, 研磨過100目尼龍篩待測。用HNO3-HClO4消解植物樣, HCl-HNO3-HClO4消解土樣。用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(Inductively Coupledplasma-Atomic Emission Spectrometry, ICP-AES)進(jìn)行植物和土壤Cu、Pb含量的測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

抗性系數(shù)=處理總生物學(xué)產(chǎn)量/對照總生物學(xué)產(chǎn)量 (1)

生物富集系數(shù)(bioaccumulation factor, BAF)=p/s (2)

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(translocation factor, TF)ou (3)

式中:p為植物體內(nèi)該重金屬含量,s為土壤中該重金屬含量,o為植物地上部分該重金屬含量,u為植物根部該重金屬含量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.0、SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cu、Pb單一及其復(fù)合處理對3種牧草生長的影響

從圖1A可知, 單一Cu污染下, 紫花苜蓿地上部生物量隨處理濃度增加呈下降趨勢, 黑麥草和狼尾草地上部生物量隨處理濃度增加呈先下降后上升趨勢; 高濃度Cu污染下狼尾草地上部生物量顯著高于紫花苜蓿和黑麥草(<0.05), 表明狼尾草對高濃度Cu污染土壤的耐性更強(qiáng)。單一Pb污染下, 3種牧草地上部生物量均隨著處理濃度增加呈先上升后下降的趨勢; 紫花苜蓿地上部生物量顯著高于黑麥草(<0.05)且低濃度下顯著高于狼尾草(<0.05), 表明紫花苜蓿對Pb污染土壤的耐性更強(qiáng)。Cu-Pb污染條件下, 紫花苜蓿在Cu1Pb2處理組地上部生物量最大, 黑麥草在Cu1Pb1處理組最大, 狼尾草在Cu2Pb2處理組最大; 狼尾草在Cu-Pb復(fù)合污染下地上部生物量顯著高于黑麥草(<0.05), 紫花苜蓿只在Cu1Pb2處理組時(shí)顯著高于黑麥草(<0.05), 而與狼尾草差異不顯著(0.05)。同一種牧草地上部生物量在不同處理組之間也存在顯著性差異, 紫花苜蓿Pb1處理組地上部生物量顯著高于其他處理組(<0.05); 黑麥草Cu1Pb1處理組地上部生物量顯著高于Cu2Pb2處理組(<0.05); 狼尾草Cu2Pb2處理組地上部生物量顯著高于其他處理組(<0.05), 其他處理組之間差異不顯著(>0.05)。

從圖1B可知, 單一Cu污染下, 紫花苜蓿根部生物量隨著處理濃度增加呈下降趨勢, 而黑麥草和狼尾草則反之, 高濃度Cu污染下狼尾草根部生物量顯著高于紫花苜蓿和黑麥草(<0.05), 表明狼尾草對高濃度Cu污染土壤的耐性更強(qiáng); 單一Pb污染下, 3種牧草根部生物量均隨著處理濃度增加呈先上升后下降趨勢, 高濃度Pb污染下黑麥草和狼尾草根部生物量顯著高于紫花苜蓿(<0.05), 表明紫花苜蓿對Pb污染土壤的耐性更弱; Cu-Pb污染條件下, 紫花苜蓿和狼尾草在Cu1Pb2處理組根部生物量最大, 黑麥草在Cu1Pb1處理組最大, 狼尾草在Cu-Pb復(fù)合污染下根部生物量顯著高于紫花苜蓿(<0.05)。同一種牧草根部生物量在不同處理組之間也存在顯著性差異, 紫花苜蓿Pb1處理組根部生物量顯著高于其他處理組(<0.05); 黑麥草Pb1和Pb2污染處理組根部生物量顯著高于Cu1Pb2、Cu2Pb1和Cu2Pb2處理組(<0.05); 狼尾草Cu2處理組根部生物量顯著高于Pb2、Cu1Pb1和Cu2Pb2處理組(<0.05)。

2.2 Cu、Pb單一及其復(fù)合處理對3種牧草抗性系數(shù)的影響

從圖2可知, 單一Cu污染下, 牧草的抗性系數(shù): 狼尾草>黑麥草>紫花苜蓿, 低濃度Cu處理組3種牧草之間對Cu的抗性能力差異不顯著(>0.05), 而在高濃度Cu處理組黑麥草和狼尾草對Cu的抗性能力顯著高于紫花苜蓿(<0.05); 單一Pb污染下, 紫花苜蓿的抗性系數(shù)顯著大于黑麥草和狼尾草(<0.05), 而且在低濃度Pb處理下最大, 高濃度Pb處理組3種牧草的抗性系數(shù)差異不顯著(<0.05); Cu-Pb復(fù)合污染下, 高濃度Cu處理組3種牧草的抗性系數(shù)均呈現(xiàn): 狼尾草>黑麥草>紫花苜蓿, 且3種牧草之間對重金屬的抗性能力差異顯著(<0.05)。同一種牧草抗性系數(shù)在不同處理間也存在顯著性差異, 紫花苜蓿Pb1處理組的抗性系數(shù)顯著高于其他處理組(<0.05); 黑麥草Cu2、單一Pb以及Cu1Pb1污染處理抗性系數(shù)顯著高于Cu2Pb2處理(<0.05); 狼尾草Cu2Pb2處理抗性系數(shù)顯著高于Pb2處理(<0.05), 而其他處理之間差異不顯著(>0.05)。低濃度Cu污染下, 紫花苜蓿和狼尾草的抗性系數(shù): Cu1Pb2>Cu1Pb1>Cu1, 表明Pb的添加會(huì)促進(jìn)紫花苜蓿和狼尾草的生長且隨著Pb濃度的升高促進(jìn)作用會(huì)加強(qiáng); 黑麥草的抗性系數(shù): Cu1Pb1>Cu1>Cu1Pb2, 表明低濃度Pb會(huì)促進(jìn)黑麥草的生長, Pb濃度過高時(shí)則會(huì)抑制其生長。高濃度Cu污染條件下, 紫花苜蓿和黑麥草的抗性系數(shù): Cu2> Cu2Pb1>Cu2Pb2, 表明Pb的添加會(huì)抑制紫花苜蓿和黑麥草的生長且隨著Pb濃度的升高抑制作用會(huì)加強(qiáng); 狼尾草的抗性系數(shù): Cu2Pb2>Cu2>Cu2Pb1, 表明低濃度Pb會(huì)抑制黑麥草的生長, Pb濃度過高時(shí)則會(huì)促進(jìn)狼尾草的生長。低濃度Pb污染下, 紫花苜蓿的抗性系數(shù): Pb1>Cu1Pb1>Cu2Pb1, 表明Cu的添加會(huì)抑制紫花苜蓿的生長且隨著Cu濃度的升高抑制作用加強(qiáng); 黑麥草的抗性系數(shù): Cu1Pb1> Pb1>Cu2Pb1, 表明低濃度Cu會(huì)促進(jìn)黑麥草的生長, Cu濃度過高時(shí)則會(huì)抑制其生長; 狼尾草的抗性系數(shù): Pb1>Cu2Pb1> Cu1Pb1, 表明Cu的添加會(huì)抑制狼尾草的生長, 但隨著Cu濃度升高抑制作用會(huì)減弱。高濃度Pb污染下, 紫花苜蓿和黑麥草的抗性系數(shù): Pb2> Cu1Pb2>Cu2Pb2, 表明Pb的添加會(huì)抑制紫花苜蓿和黑麥草的生長且隨著Pb濃度的升高抑制作用加強(qiáng); 狼尾草的抗性系數(shù): Cu2Pb2>Cu1Pb2>Pb2, 表明Cu的添加會(huì)促進(jìn)狼尾草的生長且隨著Cu濃度的升高促進(jìn)作用加強(qiáng)。

圖1 Cu、Pb單一及復(fù)合污染對3種牧草地上部(A)和根部(B)生物量的影響

不同大寫字母表示在各重金屬處理下3種牧草間差異顯著(<0.05), 不同小寫字母表示在同一牧草不同重金屬處理間差異顯著(<0.05)。Different capital letters indicate significant differences among three pastures under the same heavy metal treatment (< 0.05). Different lowercase letters indicate significant differences among heavy metal treatments for the same pasture (< 0.05).

圖2 Cu、Pb單一及復(fù)合污染中3種牧草的抗性系數(shù)

不同大寫字母表示在各重金屬處理下3種牧草間差異顯著(<0.05), 不同小寫字母表示在同一牧草不同重金屬處理間差異顯著(<0.05)。Different capital letters indicate significant differences among three pastures under the same heavy metal treatment (< 0.05). Different lowercase letters indicate significant differences among heavy metal treatments for the same pasture (< 0.05).

2.3 Cu、Pb單一及其復(fù)合處理下3種牧草對Cu、Pb的富集量

從圖3可知, 單一Cu及Cu-Pb復(fù)合污染下, 隨著土壤中Cu濃度增加, 牧草植物地上部分、根的Cu含量都增加。當(dāng)土壤中Cu添加量為200 mg×kg-1時(shí), 紫花苜蓿地上部分、根部的Cu在300 mg×kg-1Pb復(fù)合暴露時(shí)分別升高104.31%、146.2%, 在800 mg×kg-1Pb復(fù)合時(shí)地上部分升高13.26%, 根部降低28.06%; 繼續(xù)加大土壤中Cu污染量至400 mg×kg-1, 紫花苜蓿地上部分Cu含量隨著Pb含量增加而升高, 根部則隨著Pb含量增加而降低, 由此可見土壤中Pb含量增加, 會(huì)抑制紫花苜蓿對Cu的吸收, 但高濃度Cu處理下土壤中Pb含量增加, 會(huì)促進(jìn)紫花苜蓿地上部分對Cu的吸收。黑麥草地上部分低濃度Cu處理下土壤中Pb含量增加, 會(huì)抑制黑麥草地上部分對Cu的吸收, 高濃度Cu處理下反之; 低濃度Cu處理下土壤中Pb含量增加, 會(huì)促進(jìn)黑麥草根部對Cu的吸收, 高濃度Cu處理下反之; 狼尾草土壤中Pb含量增加, 會(huì)促進(jìn)狼尾草對Cu的吸收。在Cu2Pb1和Cu2Pb2處理組中紫花苜蓿地上部對Cu的富集量顯著高于黑麥草和狼尾草(<0.05), 而黑麥草根部對Cu的富集量顯著高于紫花苜蓿和狼尾草(<0.05)。

單一Pb及Cu-Pb復(fù)合污染下, Pb在牧草植物地上部分、根中的富集情況表明, 單一Pb污染下, 牧草植物地上部分、根部Pb含量隨著污染程度增加而增加。300 mg×kg-1Pb條件下, 對比單一濃度Pb, 低濃度Cu(200 mg×kg-1)復(fù)合時(shí)紫花苜蓿地上部分Pb含量有所降低, 高濃度Cu則有所增加, 說明添加Cu會(huì)抑制紫花苜蓿對Pb的吸收, 隨著Cu濃度的增加, Cu對紫花苜蓿吸收Pb的抑制作用會(huì)減弱, 達(dá)到一定Cu濃度時(shí)會(huì)促進(jìn)紫花苜蓿對Pb的吸收。紫花苜蓿地上部對Pb的富集量在復(fù)合重金屬處理組下均顯著高于黑麥草和狼尾草(<0.05)。3種牧草根部在單一Pb及Cu-Pb復(fù)合污染下對Pb的富集呈差異顯著(<0.05), Cu2Pb1處理組紫花苜蓿和黑麥草對Pb的富集量差異不顯著(>0.05)。

整體來看, 這3種牧草植物地上部分和根系對重金屬的富集差異很大, 基本上牧草植物的根系中重金屬含量大于地上部分, 這可能與植物對重金屬的耐性機(jī)制有關(guān)。Cu-Pb復(fù)合污染影響復(fù)雜, 在一定濃度下, 土壤Cu-Pb間會(huì)相互促進(jìn)對方在牧草植物中的吸收。

圖3 Cu、Pb單一及復(fù)合污染中3種牧草的Cu、Pb含量

不同小寫字母表示各重金屬處理下3種牧草間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among three pastures under the same heavy metal treatment (< 0.05).

2.4 Cu、Pb單一及其復(fù)合處理下3種牧草Cu、Pb的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

從圖4可知, 3種牧草植物在單一及復(fù)合污染下對Cu的富集能力普遍高于Pb, 表明3種牧草植物對重金屬Cu的富集能力更強(qiáng)。3種牧草地上部對Cu的富集系數(shù)在Cu2Pb2處理組最大, 達(dá)1.61, 根部對Cu的富集系數(shù)普遍大于1, 只在Cu1Pb2處理組時(shí)紫花苜蓿根部Cu富集系數(shù)為0.85。3種牧草地上部和根部對Pb的富集系數(shù)普遍小于1, 只在Cu1Pb1處理組時(shí)黑麥草根部Pb富集系數(shù)大于1, 達(dá)1.46。3種牧草之間對Cu、Pb的富集系數(shù)普遍差異顯著(<0.05)。

圖4 Cu、Pb單一及復(fù)合污染中3種牧草對Cu、Pb的富集系數(shù)

不同小寫字母表示各重金屬處理下3種牧草間間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among three pastures under the same heavy metal treatment (< 0.05).

從圖5可知, 3種牧草植物在單一及復(fù)合污染下對Cu的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均低于1, 紫花苜蓿在Cu2Pb2處理組對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高, 達(dá)2.72, 而黑麥草在低濃度Pb污染條件下對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1, 為2.06, 說明這兩種牧草在該污染條件下能較容易地從地下部分向地上部分遷移重金屬Pb, 反映出這兩種植物對Pb具有植物提取的能力。狼尾草對重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1, 可能是植物會(huì)通過自身的排斥機(jī)制減少毒害。3種牧草植物之間對Cu的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)除對照組均存在顯著性差異(<0.05), 對Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)除對照組和Cu1Pb1均存在顯著性差異(<0.05), 紫花苜蓿在Cu1Pb2、Cu2Pb1和Cu2Pb2處理組時(shí)對Cu、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均顯著高于和黑麥草和狼尾草(<0.05)。紫花苜蓿和黑麥草對Cu、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)能力強(qiáng)于狼尾草。

3 討論

研究表明, 植物對重金屬的吸收存在濃度效應(yīng),即隨著環(huán)境中重金屬離子濃度的升高, 植物富集的重金屬含量也會(huì)相應(yīng)增加, 毒害程度也會(huì)加深[24-25]。植物是從土壤環(huán)境中富集重金屬并通過生理生化過程將其累積到植物體中, 而不同植物對重金屬的耐性、吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)能力相差很大[26]。本研究所選用的3種牧草植物在對受Cu-Pb復(fù)合污染土壤的修復(fù)研究中, 植物吸收的重金屬均主要積累在植物根系, 這與大多數(shù)植物對重金屬的累積特性相似, 可能是植物啟動(dòng)了適應(yīng)重金屬的忍耐機(jī)制, 根部通常能釋放多種有利于對有毒重金屬起固定作用的有機(jī)化合物, 包括單糖、氨基酸等[27], 即根部的重金屬富集量大于地上部分, 不具備超富集植物的一般特征, 而迄今發(fā)現(xiàn)的超富集植物大多生長緩慢, 生物量小, 極大限制了植物修復(fù)的實(shí)際應(yīng)用[28]?，F(xiàn)已探明, 本試驗(yàn)采用的紫花苜蓿、黑麥草和狼尾草對Cu和Pb均有一定的耐性, 適用于Cu-Pb復(fù)合污染土壤的修復(fù)[29]。

圖5 Cu、Pb單一及復(fù)合污染中3種牧草對Cu、Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

不同小寫字母表示各重金屬處理下3種牧草間間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among three pastures under the same heavy metal treatment (< 0.05).

在相同的環(huán)境條件下, 紫花苜蓿、黑麥草和狼尾草生物量和抗性系數(shù)基本上呈現(xiàn)顯著性差異(<0.05), 產(chǎn)生差異的主要原因可能是這3種牧草自身各異的形態(tài)而非是所受重金屬的傷害程度, 因?yàn)楦叽竽敛葜仓甑纳锪棵黠@要高于矮小的植株。3種牧草在單一及復(fù)合污染條件下隨著不同處理濃度的變化直接影響到植物的生長發(fā)育和新陳代謝, 不同植物根系對重金屬的富集能力自然不同, 這一結(jié)論與夏漢平等[30]研究的香根草(L.)和百喜草(Flugge)對鉛鋅尾礦的抗性研究相似。3種牧草在各重金屬濃度下的生物量明顯不同, 牧草之間受重金屬影響的程度亦不一樣, 這可以從它們的生物量抗性指數(shù)中反映出來。它能較好地反映植物對重金屬的抗性, 指數(shù)越高, 表明該植物的生物量所受的影響越小, 對重金屬的抗性也就越強(qiáng)。從3種牧草對Cu-Pb復(fù)合污染土壤的抗性上可見, 狼尾草可用于Cu或Cu-Pb復(fù)合污染地的土壤固定和植被修復(fù), 紫花苜蓿可用于Pb污染地的土壤固定和植被修復(fù)。在Cu-Pb復(fù)合污染的各濃度水平下, 牧草植物的生物量有所降低, 根系的生長發(fā)育受到抑制, 且濃度越高, 抑制作用越明顯, 由此可知Cu-Pb復(fù)合污染比單一污染具有更高的毒性, 這與趙楊迪等[31]的結(jié)論相似。

Cu是植物生長必需的微量元素之一, 能夠影響氧化還原過程, 并且參與光合作用的電子傳遞體系[32]。Cu能促進(jìn)植物的生長發(fā)育, 但達(dá)到一定濃度并超過此界限時(shí), 重金屬Cu對植物根系的毒害作用必然會(huì)抑制植物的生長發(fā)育, 而Cu對植物根系的毒害作用是通過抑制根細(xì)胞分裂、根活力等造成的。對于Pb的富集, 3種植物在各濃度處理組都表現(xiàn)為根部大于地上部分, 這可能是因?yàn)镻b在根系主要以Pb3(PO4)2和PbCO3等沉淀形式存在, 在植物汁液中的離子態(tài)和絡(luò)合態(tài)Pb, 由于吸收、鈍化或沉淀作用, 向地上部運(yùn)輸困難[33]。賈玉華等[34]研究天竺葵(Bailey)在Pb污染土壤中對Pb的吸收和體內(nèi)分布規(guī)律時(shí), 發(fā)現(xiàn)大部分Pb積累在天竺葵的根部。也有試驗(yàn)證明在Pb污染環(huán)境下大部分Pb富集于紅薯[(L.) Lam.]根部[35]。本研究所得的結(jié)果與此一致, 由于植物吸收的重金屬大部分積累在根部, 從而減輕了地上部分各器官的毒害作用。另外, 試驗(yàn)結(jié)果還表明, Cu-Pb復(fù)合處理在一定程度上促進(jìn)了牧草植物對Cu、Pb的吸收, 這說明復(fù)合重金屬土壤處理下兩種重金屬在牧草植物體內(nèi)的積累具有協(xié)同作用。這一結(jié)論和李凡等[36]用Cu、Pb單一及復(fù)合處理玉米(L.)幼苗體內(nèi)Cu、Pb積累的結(jié)果相似。重金屬元素之間的相互作用表現(xiàn)得很復(fù)雜, 這種相互作用效應(yīng)又和多種因素相關(guān), 因此具體機(jī)理還有待研究。

富集系數(shù)是反映植物對重金屬富集特征的物理量, 用來評價(jià)植物將重金屬吸收轉(zhuǎn)移到其體內(nèi)能力的大小。該研究結(jié)果顯示, 因?yàn)镃u具有相對較高的生物活性, 并且3種牧草在復(fù)合污染條件下對Cu具有較高的耐性, 因此相對于Cu, Pb在牧草體內(nèi)的富集能力較低。Pb在土壤中很難移動(dòng), 因?yàn)镻b主要以化學(xué)吸附為主, 生成穩(wěn)定的絡(luò)合物, 從而使其難以遷移, 起到對重金屬的排斥作用。林大松等[37]在Cu-Pb復(fù)合污染條件下對小白菜(L.)的研究得出相似的結(jié)論。轉(zhuǎn)移系數(shù)是用來反映植物將重金屬從根部向地上部轉(zhuǎn)移富集的能力。轉(zhuǎn)移系數(shù)越大, 重金屬從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)。紫花苜蓿對于Cu單一及Cu-Pb復(fù)合污染土壤具有較好的修復(fù)效果, 3種牧草中除了Pb1和Cu2Pb2處理組, Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1, 這與葉春和[21]對重金屬“積累量M根>M地上”的研究結(jié)果一致。紫花苜蓿對比黑麥草和狼尾草, 對Cu-Pb復(fù)合污染土壤中Pb具有富集潛力。植物對重金屬Cu、Pb的富集能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力決定了相應(yīng)污染土壤種類的修復(fù)。

4 結(jié)論

從抗性系數(shù)上看, Cu單一及Cu-Pb復(fù)合污染中高濃度Cu污染條件下狼尾草的抗性系數(shù)最大, 狼尾草對單一Cu污染及Cu-Pb復(fù)合污染中高濃度Cu污染土壤具有最好的修復(fù)效果, 紫花苜蓿對Pb的抗性系數(shù)最大, 紫花苜蓿對單一Pb污染土壤具有最好的修復(fù)效果。

紫花苜蓿在Cu-Pb復(fù)合污染條件下地上部分對Cu、Pb的富集能力高于黑麥草和狼尾草, 黑麥草在Cu-Pb復(fù)合污染條件下根部對Cu、Pb的富集能力高于紫花苜蓿和狼尾草。

黑麥草雖富集能力不突出, 但易種植, 對Cu、Pb單一及Cu-Pb復(fù)合土壤仍有一定的改善作用, 可以作為Pb單一污染土壤的修復(fù)植物; 紫花苜蓿對土壤Cu-Pb污染綜合富集能力最強(qiáng), 可以考慮作為Cu單一或者是Cu-Pb污染土壤的修復(fù)植物; 狼尾草對Cu、Pb的耐受性相對較差, 不適合進(jìn)行Cu-Pb復(fù)合污染土壤的修復(fù)。

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Phytoremediation of single and combined pollution of Cu and Pb by,, and*

ZHU Jianfei1,2, LI Minghong1,2**, XIE Peijun2, QIAO Yunlei2

(1. Xingzhi College, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China; 2. Institute of Ecology, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

With rapid socio-economic development, the problem of heavy metal contamination of soils is increasingly threatening food security and human health. So far, phytoremediation has been the main mode of treatment of soils for heavy metal pollution. To develop pastures suitable for remediation of complex Cu and Pb contaminated soils, a pot experiment consisting of 9 treatments was set up. The control (CK) was not treated with heavy metal salts. Four other treatments had low and high pollutions of single metals including Cu (Cu1: 200 mg×kg-1Cu2+; Cu2: 400 mg×kg-1Cu2+), Pb (Pb1: 300 mg×kg-1Pb2+; Pb2: 800 mg×kg-1Pb2+). The other four treatments consisted of both Cu and Pb pollutions of Cu1Pb1, Cu1Pb2, Cu2Pb1and Cu2Pb2. The effects of pastures (forages) plantation on the Cu and Pb contaminated soil remediation were determined by comparing the adaptability and enrichment characteristics of alfalfa (), ryegrass () and pennisetum (). The results showed that: 1) the aboveground and belowground biomasses ofwere largest under Pb1treatment, which were significantly larger than those for the other treatments. The aboveground biomass ofwas largest under Cu1Pb1treatment and belowground biomass oflargest under Pb1treatment. The aboveground biomass ofwas largest under Cu2Pb2treatment and belowground biomass oflargest under Cu2treatment. 2) When the soil was treated solely with Cu, the resistance coefficient ofwas largest among the three pasture species. Then when the soil was treated solely with Pb, the resistance coefficient ofwas largest. For Cu and Pb combined treatment, the resistance coefficient ofwas largest. The order of aboveground biomass, belowground biomass and resistance coefficient of the three pasture plants under high Cu concentration treatments was>>. Then the aboveground biomass, belowground biomass and resistance coefficient ofwere significantly higher than those ofand. 3) Soil contents of Cu and Pb decreased after planting the forage plants. At a certain concentration, soil Cu-Pb promoted the absorption of each other by the pasture plants. 4) The enrichment coefficient of Cu for aboveground biomass ofwas highest under Cu2Pb2treatment, which was 1.61. Then the enrichment coefficient of Cu for belowground biomass ofwas highest under Cu2Pb2treatment, which was 3.80. Only the enrichment coefficient of Pb for aboveground and belowground biomass ofexceeded 1.0, reaching 1.46. 5) The absorption ability of Pb bywas stronger and accumulated mainly in belowground biomass.had the best comprehensive repair effect of complex Cu-Pb pollution. The transport coefficients of Pb inandwere higher than 1.0 in complex Cu-Pb and single Pb polluted soils, respectively, and were 2.72 and 2.06, which reflected their respective potentials for enrichment of Pb in the soil. Thushad a stronger tolerance to Pb pollution and was therefore a better remedy for Pb-polluted soils.had a stronger tolerance to Cu and Pb and was therefore a better remedy for soils polluted with single Cu or composite Cu-Pb.

;;;Heavy metal; Cu; Pb; Combined pollution; Enrichment; Translocation

, E-mail: sky82@zjnu.cn

Apr. 26, 2017;

Jul. 14, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170363

X53

A

1671-3990(2018)02-0303-11

李銘紅, 主要研究方向?yàn)樯锒鄻有员Ｗo(hù)、植物修復(fù)重金屬污染土壤。E-mail: sky82@zjnu.cn 朱劍飛, 主要研究方向?yàn)橹参镄迯?fù)重金屬污染土壤。E-mail: 925209134@qq.com

2017-04-26

2017-07-14

* This research was supported by the Open Foundation Project of Zhejiang Provincial Top Key Discipline (ZC323016018).

* 浙江省重中之重學(xué)科開放基金項(xiàng)目(ZC323016018)資助