周啟武 楊國琴 張國昌 馬引娟 楊國恩

摘要 [目的]研究紫莖澤蘭根際重金屬元素的分布規(guī)律及富集能力，以便更好地利用紫莖澤蘭資源。[方法]采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）、原子熒光光譜法（AFS）和石墨爐原子吸收分光光度法（GF-AAS）測定4種生境紫莖澤蘭的莖、葉及其根際土中8種重金屬含量。[結(jié)果]在全部紫莖澤蘭的莖、葉及根際土中都檢測到8種重金屬元素，不同生境土壤重金屬含量差異顯著（P<0.05）且紫莖澤蘭莖、葉中重金屬含量隨生境變化顯著（P<0.05），其中Mn、Sr和Pb含量在莖、葉組織和根際土壤中含量均最高;富集作用表現(xiàn)為葉高于莖，且對不同重金屬富集能力不同，葉對Cd、Mn、Hg、Sr、Ni顯著（P<0.05），莖對Cd、Mn、As顯著（P<0.05），莖和葉組織平均富集系數(shù)分布規(guī)律均為Cd>Mn>Ni>Sr>Hg>Pb>As≈Cr。[結(jié)論]紫莖澤蘭對土中Cd、Mn、Hg、Sr、Ni、As有明顯的富集作用且富集能力呈現(xiàn)選擇性，因其適應(yīng)能力強、生長速度快、生物量大，可作為某些重金屬污染地區(qū)的一種修復(fù)植物，以實現(xiàn)入侵植物紫莖澤蘭的利用價值。

關(guān)鍵詞 紫莖澤蘭;根際土壤;重金屬元素;富集作用;植物修復(fù)

中圖分類號 X173文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）24-0087-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.024

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on the Bioaccumulation Ability of Eupatorium adenophorum to Heavy Metal Ions in Its Rhizosphere Soil

ZHOU Qiwu1，YANG Guoqin1，ZHANG Guochang2 et al （1.College of Biotechnology and Engineering，West Yunnan University，Lincang，Yunnan 677000; 2.Mengding Customs Integrated Technology Center，Lincang，Yunnan 677000）

Abstract [Objective]The distribution and bioaccumulation ability of heavy metals in invasive plant Eupatorium adenophorum and rhizosphere soil were studied to make better use of plant.[Method]8 kinds of heavy mentals in stems，leaves and soil from 4 habitats were measured by inductively coupled plasma mass spectrometry （ICPMS），atomic fluorescence spectroscopy （AFS） and graphite furnace atomic absorption spectrophotometry （GFAAS）.[Result]8 heavy metals were detected in the stems，leaves and rhizosphere soil of Eupatorium adenophorum，the contents of heavy metals in different habitats were significantly different （P<0.05） and the content in the stems and leaves changed significantly with the habitats （P<0.05）.The average content of Mn，Sr and Pb was the highest in the all samples.Bioaccumulation ability showed the leaf was higher than stem，and ability of different heavy metals varies with different tissues.Leaf had significant effect on Cd，Mn，Hg，Sr and Ni （P<0.05），stem on Cd，Mn and As was significant （P<0.05），and the distribution of average bioaccumulation factor of stems and leaves was Cd > Mn > Ni > Sr > Hg > Pb > As ≈ Cr.[Conclusion]Eupatorium adenophorum has significant bioaccumulation ability on soil heavy metals （Cd，Mn，Hg，Sr，Ni，As） ，and shows selective enrichment.It can be used as a repair plant in some heavy metal polluted areas and realize the utilization value of invasive plant Eupatorium adenophorum because of its strong adaptability，fast growth speed and large biomass.

Key words Eupatorium adenophorum;Rhizosphere soil;Heavy metal;Bioaccumulation ability;Phytoremediation

隨著國內(nèi)農(nóng)牧、礦業(yè)及工商業(yè)等迅猛發(fā)展加之前期不完善的污染物治理體系，致使我國很多地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的土壤重金屬污染[1-2]，特別是耕地土壤的重金屬污染問題比較突出[3]。因重金屬在環(huán)境中具有穩(wěn)定性和難降解性，易在土壤中長期累積，其污染具有隱蔽性，產(chǎn)生的后果不可逆轉(zhuǎn)[4-5]，使得其治理的難度大、過程長、費用高、效果差，若污染長期富集將會改變水土性狀和質(zhì)量，降低自我凈化能力，最終影響生態(tài)環(huán)境、人體健康甚至社會安全和發(fā)展[6]。目前，我國治理土壤重金屬污染問題主要通過物理、化學(xué)和生物修復(fù)3種措施[7]，其中通過生物修復(fù)是充分利用土壤中的生物進行生命活動時吸收富集元素以達(dá)到降低或修復(fù)土壤重金屬污染的目的，相對前2種措施來說操作簡單、消耗成本低、環(huán)境干擾少，具有原位修復(fù)和綠色可持續(xù)的優(yōu)點[1，8]，是當(dāng)前乃至今后研究和利用的主要方向和目標(biāo)。

紫莖澤蘭（Eupatorium adenophora Spreng.）又名飛機草、解放草、霸王草等，是我國當(dāng)前外來入侵植物中危害最嚴(yán)重之一，已對入侵地的生態(tài)、生物多樣性、農(nóng)林漁牧業(yè)安全生產(chǎn)以及人畜健康等造成了很大經(jīng)濟損失甚至產(chǎn)生一定威脅，且早被列入首批入侵我國的16種外來物種之首[9]，由此各界人士長期通過研究或采取了人工機械、化學(xué)或生物防治等措施一味地將其當(dāng)作害草進行防治[10]。然而，近年來紫莖澤蘭的研究方向也逐步從防治轉(zhuǎn)向綜合利用，通過生產(chǎn)有機肥料、能源、飼料、染料、纖維原料、生物農(nóng)藥等或用于改良土壤、保持水土流失及維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多樣性等[11]，企圖將紫莖澤蘭化害為利，變廢為寶。研究表明，紫莖澤蘭生長適應(yīng)能力、繁殖能力、入侵能力、抗逆境能力均較強，傳播速度快、生長范圍廣、生物產(chǎn)量高，具有很多礦區(qū)土壤重金屬污染修復(fù)先鋒植物的特征[12-13]，對Pb、Cd、Cr、Zn和Hg具有富集能力[14-17]，對其他重金屬的富集作用及具體應(yīng)用的深入研究報道較少。

因此，筆者采集云南省臨翔區(qū)4種不同生境的紫莖澤蘭及其根際土壤，通過分析植株莖、葉及根際土壤中的Sr、Cr、As、Cd、Pb、Hg、Mn、Ni含量和富集系數(shù)，擬揭示紫莖澤蘭莖、葉組織中重金屬的分布規(guī)律及對其根際土壤重金屬的富集能力，以期為紫莖澤蘭發(fā)揮重金屬污染修復(fù)價值及其應(yīng)用推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 樣品采集與處理。2018年7—9月，根據(jù)表觀土壤類型不同，隨機采集了臨滄市臨翔區(qū)花果山城市森林公園（生境土質(zhì)疏松且植被種類繁多、腐殖程度高，記為生境A）、忙角社區(qū)（生境為垃圾堆、生境群落單一，記為生境B）、西環(huán)路邊（生境屬于砂質(zhì)土、雜草叢生，記為生境C）和南汀河邊（生境濕潤、紅色疏松土質(zhì)、植被豐富，記為生境D）4種不同生境生長旺盛的紫莖澤蘭植株及根際土壤。植株葉、莖分開于室內(nèi)自然風(fēng)干后分別粉碎成粉末;去除根際土壤中的石子、動植物殘體等異物后用四分法將混勻土樣縮分至約100 g，風(fēng)干土樣研磨過10目（2.0 mm）尼龍篩（除去2 mm以上砂礫）后混勻，再用瑪瑙研缽研磨至全部通過100目（直徑0.149 mm）尼龍篩后混勻備用。

1.1.2 主要試劑。氬氣（≥99.995%）、氦氣（≥99.995%）均來自昆明宏發(fā)得利氣體有限公司;硝酸（ρ=1.42 g/mL，優(yōu)級純）、氫氟酸（ρ=1.49 g/mL，優(yōu)級純）、高氯酸（ρ=1.68 g/mL，優(yōu)級純）均來自美國默克公司;氫氧化鉀（優(yōu)級純，天津津科）;草酸溶液（100g/L）、鐵氰化鉀溶液（100 g/L）、硼氫化鉀（優(yōu)級純）均來自國藥集團;硫酸（分析純）、鹽酸（ρ=1.19 g/mL，優(yōu)級純）、磷酸氫二銨（5%，優(yōu)級純）、硫脲（分析純）、抗壞血酸（分析純）、三氧化二砷（優(yōu)級純）均來自阿拉丁試劑（上海）有限公司;鉛標(biāo)準(zhǔn)儲備液（0.500 mg/mL）、鎘標(biāo)準(zhǔn)儲備液（0.500 mg/mL）、鉛標(biāo)準(zhǔn)液（250 g/L）、鎘標(biāo)準(zhǔn)液（50 pg/L）均來自國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心;王水（1+1）。

1.1.3 主要儀器。

ICP-MS（Agilent7800，美國安捷倫）;AFS（AFS-8330，日本島津公司）;GF-AAS（ICE-3300GF，日本島津公司）;手動進樣器（10 μL）;萬分之一天平（BSA224S1，賽多利斯）;高壓微波消化器（Anton Paar MW PRO-T50，奧地利安東帕有限公司）;50～300℃恒溫干燥箱（DHG-9070A，上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司）;50～200 ℃控溫電熱板（EG35A-PLVS，常州國華電器）;高速粉碎機（FW100，武漢海納電器）;超純水系統(tǒng)（ELGA-classic uvF，英國ELGA公司）;水性微孔濾膜（0.22 μm）;25 mL容量瓶。

1.2 方法

1.2.1 試樣液制備。

1.2.1.1 植株樣品消解液制備。

稱取植株粉末0.2 g（精確至0.001 g），加入5 mL硝酸，加蓋放置1 h，于100 ℃電熱板預(yù)消解30 min，再于120 ℃維持5 min、150 ℃維持10 min、190 ℃維持20 min，冷卻后取出緩慢排氣，洗凈內(nèi)蓋，繼續(xù)于100 ℃電熱板上趕酸120～150 min排出棕色氣體，將消化液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，用少量超純水分3次洗滌內(nèi)罐，洗滌液合并于容量瓶中并定容至刻度，混勻備用;同時作空白試驗。

1.2.1.2 土壤樣品消解液制備。

參照《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）[18]制備土樣消解液，先于50 mL坩堝中稱取土樣0.2 g（精確至0.000 2 g），超純水潤濕后加入5 mL鹽酸，電熱板低溫加熱分解2 h，加入10 mL硝酸繼續(xù)加熱至余3 mL，依次加入5 mL 硝酸、4 mL氫氟酸和2 mL高氯酸后加蓋后中溫加熱1 h，開蓋除硅至冒白煙，反復(fù)操作至內(nèi)容物黏稠狀，用1 mL硝酸高氯酸混合液（V硝酸∶V高氯酸=5∶1）溫?zé)崛芙鈿堅筠D(zhuǎn)移至25 mL 容量瓶，加磷酸氫二銨溶液定容，搖勻待測。

1.2.2 試樣測定。

1.2.2.1 植物試樣測定。取“1.2.1.1”消解液和空白樣液，參照國標(biāo)GB 5009.268—2016測定紫莖澤蘭植株樣品中錳（Mn）、鎳（Ni）、鍶（Sr）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、汞（Hg）和砷（As）8種重金屬含量[19]。ICP-MS檢測條件為循環(huán)水48～50 ℃、氦氣0.05 MPa、氬氣0.6～0.7 MPa、載氣1.2 L/min、霧化室溫度2 ℃、引入樣品時間70 s、穩(wěn)定70 s、蠕動泵速度0.3 s，積分時間除Cd 0.5 s和As 1 s外其他均為0.1 s。通過公式（1），根據(jù)空白檢測值、試液檢測值、樣品稱樣量、稀釋倍數(shù)和試液體積計算樣品中重金屬含量，結(jié)果以mg/kg表示，保留2位小數(shù)。

X=（p-p0）×v×fm×1 000（1）

式中，X為待測元素含量（mg/kg）;p為試樣溶液中被測元素質(zhì)量濃度（μg/L）;p0為空白檢測值（μg/L）;v為試樣消化液體積（mL）;f為試樣稀釋倍數(shù);m為試樣稱取質(zhì)量（g）;1 000為換算系數(shù)。

1.2.2.2 土壤試樣測定。

（1）石墨爐原子吸收分光光度法。取“1.2.1.2”消解液和空白樣液，參照國標(biāo)GB 5009.17—2014測定土壤樣品中鉻（Cr）、鎘（Cd）、錳（Mn）、鍶（Sr）和鎳（Ni）5種重金屬含量[18]。檢測結(jié)果是處理后試樣濃度，然后按公式（2）計算試樣中重金屬含量，結(jié)果以mg/kg表示，保留2位小數(shù)。

W =C×Vm×（1-f）（2）

式中，W為試樣中重金屬含量（mg/kg）;C為試液的吸光度減去空白試驗的吸光度，然后在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得重金屬的含量（μg/L）;V為試液定容的體積（mL）;m為稱取試樣的重量（g）;f為試樣中水分的含量（%）。

（2）原子熒光光譜法。取“1.2.1.2”消解液和空白樣液，參照國標(biāo)GB/T 22105.3—2008測定土壤中砷（As）、鉛（Pb）和汞（Hg）3種重金屬含量[20]。檢測結(jié)果是處理后試樣濃度，然后按公式（3）計算出樣品中某元素的具體含量，結(jié)果以mg/kg表示，保留2位小數(shù)。

W=（c-c0）× vm×（1-f）×1 000× 10（3）

式中，W為試樣中重金屬含量（mg/kg）;c為試液元素含量（ng/mL）;c0為試劑空白液測定濃度（ng/mL）;v為樣品消解后定容體積（mL）;m為試樣質(zhì)量（g）;f為土壤含水量（%）;1 000 為換算系數(shù);10為稀釋倍數(shù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理。試驗每個樣品重復(fù)測定3次，通過Microsoft Office 2010求算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差并繪圖比較分析，測定結(jié)果數(shù)值表示形式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（±SD）;利用SPSS 22.0中文版進行單因素方差分析。

生物富集系數(shù)（bioconcentration factor，BCF）是指植物某特定組織中重金屬含量與土壤相應(yīng)元素含量的比值，該比值能夠衡量植物將土壤中某重金屬吸收轉(zhuǎn)移到特定組織內(nèi)部的能力，BCF值越大表示富集能力越強，該研究用其反映紫莖澤蘭對重金屬的富集能力，按以下公式計算[21-23]：

BCF=ω1ω2（4）

其中，BCF為富集系數(shù)，ω1為紫莖澤蘭莖或葉中某重金屬含量（mg/kg），ω2為土壤中相應(yīng)重金屬含量（mg/kg）。

2 結(jié)果與分析

2.1 各樣品中重金屬含量分析

對4個不同生境紫莖澤蘭的莖、葉及其根際土壤中Mn、Ni、Sr、Cr、Cd、Pb、Hg和As共8種元素進行測定，結(jié)果如表1所示。由表1可知，不同生境的紫莖澤蘭莖、葉和根際土壤均檢測到8種重金屬，但同一元素在不同生境土壤中的含量差異均顯著（P<0.05），且紫莖澤蘭莖、葉中的Mn、Sr、Pb 3種元素因生境不同表現(xiàn)差異顯著（P<0.05），而Ni、Cr、Cd、Hg 4種元素含量隨生境變化不明顯（趨向一致），As元素變化無規(guī)律。Mn、Sr含量在4種生境全部植株的莖、葉和根際土壤中含量均較高，Pb在根際土壤中含量均較高但植物的莖、葉中含量較低，其余元素含量因生境不同變化無規(guī)律，此結(jié)果與汪文云等[24]對紫莖澤蘭莖、葉中重金屬元素含量測定分析結(jié)果一致。說明紫莖澤蘭莖、葉組織中的重金屬來自于根際土壤，但各組織對不同重金屬的吸收富集能力不同。

此外，4種生境紫莖澤蘭根際土壤中的Ni、Cr、Pb、As含量均低于我國土壤環(huán)境質(zhì)量（農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)）一級標(biāo)準(zhǔn)值，A、C、D 3個生境土壤中Cd含量低于一級標(biāo)準(zhǔn)值（0.30 mg/kg），而B采樣點（忙角社區(qū)垃圾堆旁）低于三級標(biāo)準(zhǔn)值（0.60 mg/kg）（表1），且均未超出我國農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值[25]，說明重金屬含量與生境土壤有關(guān)且該研究的4種生境生態(tài)環(huán)境土壤重金屬污染風(fēng)險低。

2.2 紫莖澤蘭中重金屬元素分布規(guī)律

植物在細(xì)胞和亞細(xì)胞水平上對重金屬有區(qū)隔化作用，這可能是植株的不同組織器官或部位的重金屬含量或分布不同的主要原因[26-27]，不同重金屬在4種生境紫莖澤蘭莖和葉中的含量有一定差異，但均表現(xiàn)為Mn含量最高、Hg含量最低，且葉中的8種重金屬平均含量均為高于莖（表1）。

結(jié)合圖1可知，紫莖澤蘭的莖和葉中所含8種重金屬平均含量變化與根際土壤中對應(yīng)元素含量高低一致。根際土壤中平均含量較高的3種元素依次為Mn（254.33 mg/kg）、Sr（252.62 mg/kg）和Pb（61.35 mg/kg），紫莖澤蘭莖組織中對應(yīng)元素含量依次為Mn（71.16 mg/kg）、Sr（13.57 mg/kg）和Pb（0.64 mg/kg），葉組織中依次為Mn（89.57 mg/kg）、Sr（27.74 mg/kg）和Pb（6.03 mg/kg），說明紫莖澤蘭吸收富集元素含量的多少與該元素在根際土壤中的含量高低成正比，這可能與土壤中一定范圍內(nèi)高濃度的重金屬脅迫而促進了植物體吸收相應(yīng)元素有關(guān)，且該研究的結(jié)論與劉小文等[15]的研究結(jié)論一致 。另外，雖然土壤中具有較高的Pb含量，但紫莖澤蘭的莖和葉組織中含量都明顯偏低，其余5種重金屬在土壤和植株中的平均含量均較低，說明紫莖澤蘭對土壤中重金屬的富集作用具有元素選擇性。

2.3 紫莖澤蘭對重金屬富集能力分析

從表2可以看出，紫莖澤蘭對重金屬的富集系數(shù)因組織部位和生境不同而存在一定差異。其中A和D生境的紫莖澤蘭的葉、莖對Cd的富集能力均表現(xiàn)較強（大于1.2），而其他生境紫莖澤蘭莖和葉對重金屬的富集作用各不一致，如A位點的紫莖澤蘭莖和葉分別對Mn、Ni、Cr、Cd、Pb的富集能力差異顯著（P<0.05），B位點的莖和葉分別對8種重金屬的富集能力差異均顯著（P<0.05），C位點的莖和葉分別對Mn、Ni、Cr、Pb、Hg、As的富集能力差異顯著（P<0.05），而D位點的莖和葉只有對Hg的富集能力不顯著，這分別與李冰等[28]、王厚杰等[29]、劉月莉等[30]研究紫莖澤蘭對Cr、Cd、Pb、Ni、Mn富集能力的結(jié)論相一致。說明生境對紫莖澤蘭富集重金屬能力影響較大，而對其富集重金屬種類（選擇性）影響小，這可能與不同生境條件下各紫莖澤蘭植株的新陳代謝水平差異及生長狀態(tài)有關(guān)。

結(jié)合表1和表2發(fā)現(xiàn)，紫莖澤蘭莖、葉對重金屬的富集作用與生境土壤該元素含量情況無關(guān)，如Mn在D生境土壤中含量最高而在C生境中最低，但富集系數(shù)最大的是B生境的莖和C生境的葉;Cd在B生境土壤中含量最高而在A生境中最低，但B生境的莖、葉富集系數(shù)卻最小而A生境的莖、葉富集系數(shù)均較高;4個生境土壤中含量較高的是Mn、Sr和Pb，但富集系數(shù)最高的元素是Cd，且Pb在B生境中含量最高而富集系數(shù)相對較低;B生境土壤Hg含量最低，但該生境植株葉片的富集系數(shù)又最大;A和C生境土壤As含量均較高，富集系數(shù)均很小。

重金屬作為根際土壤的元素組成部分，在植物生長代謝過程中會將特定元素吸收為自身利用，但從表2可以看出，該研究的4種生境植株樣品莖和葉對8種重金屬元素吸收富集系數(shù)明顯不同，所有的莖和葉對Cd具有較大的富集系數(shù)，其次是Mn，對其他6種元素的富集系數(shù)很小，這可能是導(dǎo)致植物地上部分各組織中元素分布存在差異的原因之一，其根本原因還可能與不同生境紫莖澤蘭的莖、葉組織生長速度快、生物量大的生物學(xué)特性有關(guān)。

紫莖澤蘭莖、葉對重金屬富集能力大小可能與植物組織生長狀態(tài)有關(guān)。4種生境土壤中Cr含量相當(dāng)，此時所有植株對其富集系數(shù)均呈現(xiàn)葉明顯高于莖（表2）。該研究采集的紫莖澤蘭植株為生長旺盛期，表現(xiàn)為所有葉片組織對重金屬（除As外）的平均富集能力均比莖組織高（圖2），這與汪文云等[24]研究發(fā)現(xiàn)紫莖澤蘭對As富集系數(shù)最小相吻合;不同的是，此次研究的植株莖和葉組織的富集系數(shù)規(guī)律均為Cd>Mn>Ni>Sr>Hg>Pb>As≈Cr，這可能與采樣時紫莖澤蘭葉片生長迅速、新陳代謝快、生物量大的生物學(xué)特性相關(guān)，由此特點可很好地將紫莖澤蘭利用于特定重金屬污染土壤的植物修復(fù)。

3 結(jié)論

紫莖澤蘭莖、葉組織中的8種重金屬均來自于根際土壤，不同生境土壤中重金屬含量差異顯著（P<0.05），導(dǎo)致紫莖澤蘭莖和葉中重金屬元素含量隨生境變化顯著（P<0.05），該研究的4種生境莖、葉和根際土壤中的Mn、Sr和Pb含量均為較高且含量規(guī)律一致。紫莖澤蘭葉對Cd、Mn、Hg、Sr、Ni，莖對Cd、Mn、As的富集作用均顯著（P<0.05），對其他元素富集能力小可能與此次采樣植株生境缺乏適當(dāng)高含量元素脅迫有關(guān)，但莖、葉組織平均富集系數(shù)分布規(guī)律均為Cd>Mn>Ni>Sr>Hg>Pb>As≈Cr，且富集能力葉大于莖。因此，入侵植物紫莖澤蘭在一定生境條件下對根際土壤中特定重金屬具有不同能力的富集作用，在紫莖澤蘭長期防治無果的情況下，轉(zhuǎn)變思路將紫莖澤蘭由入侵植物轉(zhuǎn)化為有用植物，利用其特性發(fā)揮生態(tài)-經(jīng)濟型的土壤重金屬修復(fù)植物值得應(yīng)用推廣。

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