王 瑩 徐宏波 王 洋 王夢(mèng)茜 汪成忠 尹原森 孫 雪 周 輝 卓麗環(huán)

（1. 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215000；2. 上海東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200000）

伴著鋅礦的過(guò)度開(kāi)采，隨之而來(lái)的礦渣、廢水、廢氣沉積到鋅礦周?chē)耐寥乐校雇寥冷\含量超標(biāo)，生長(zhǎng)在鋅礦周邊農(nóng)田的農(nóng)產(chǎn)品累積過(guò)量鋅，通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移到人類(lèi)體內(nèi)，致使人類(lèi)產(chǎn)生各種疾病、罹患癌癥甚至死亡，危及人類(lèi)健康［1］，所以礦區(qū)周?chē)r(nóng)田鋅污染治理和修復(fù)亟待解決。植物修復(fù)技術(shù)因其對(duì)環(huán)境友好，成本低、容易操作，不易產(chǎn)生二次污染成為重金屬土壤修復(fù)研究熱點(diǎn)［2］。眾所周知，重金屬鋅超富集植物東南景天、喜生于富含Zn、Pb 礦區(qū)的伴礦景天則為鋅污染土壤修復(fù)的理想材料［3～5］。根據(jù)同一科屬具有相同特性的原理［6］以及筆者前期研究基礎(chǔ)，篩選出對(duì)鋅具有較強(qiáng)抗性的5種景天，分別為長(zhǎng)藥景天（Sedum specta‐bile）、三七景天（S. aizoon）、德國(guó)景天（S. hybri‐dum）、松塔景天（S. lydium）、胭脂紅景天（S. spuri‐um‘Coccineum’），關(guān)于5 種景天的生長(zhǎng)響應(yīng)重金屬鋅脅迫的差異鮮有報(bào)道，筆者結(jié)合我國(guó)部分礦區(qū)周?chē)r(nóng)田鋅污染的情況，旨在為鋅礦污染農(nóng)田的修復(fù)提供良好植物材料。

植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況（生物量、株高等）是衡量植物耐受重金屬脅迫的重要指標(biāo)［7］。丁繼軍以石竹為研究對(duì)象，對(duì)其生物量等指標(biāo)進(jìn)行研究，目的研究石竹幼苗對(duì)土壤重金屬鎘（Cd）的耐受性［8］，孫博文以白花蛇舌草為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其生物量、株高等指標(biāo)進(jìn)行研究，探索中草藥白花蛇舌草耐受Cd、Pb的能力［9］，王愛(ài)云為闡明鉻脅迫對(duì)百花三葉草、高羊茅、紫花苜蓿3 種草本植物的毒害影響，則選擇生物量、株高作為試驗(yàn)指標(biāo)［10］。

我國(guó)是鋅礦資源較為豐富的國(guó)家［11］，具有形成礦點(diǎn)多、資源分散的特點(diǎn)，由于近些年對(duì)重金屬鋅的需求量增大，部分地區(qū)的鋅礦被過(guò)度開(kāi)采，開(kāi)采過(guò)后的廢渣、廢水、廢氣沉積到礦區(qū)周邊農(nóng)田中，致使鋅污染較為嚴(yán)重，本論文列舉了部分地區(qū)鋅礦周邊農(nóng)田鋅污染情況，旨在為修復(fù)鋅污染農(nóng)田提供理論依據(jù)。

本研究以長(zhǎng)藥景天、三七景天、德國(guó)景天、松塔景天、胭脂紅景天作為研究對(duì)象，對(duì)其在不同濃度重金屬鋅脅迫下，5 種景天的生物量、株高變化進(jìn)行研究，利用擬合回歸方程分析5種景天耐受鋅脅迫的能力以及差異，再結(jié)合我國(guó)部分地區(qū)鋅礦周?chē)r(nóng)田鋅污染情況，為今后鋅礦周?chē)r(nóng)田修復(fù)提供理想植物材料打下良好基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

供試土壤：本試驗(yàn)采用盆栽方法，于2020 年4月在蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院相城校區(qū)試驗(yàn)大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)土壤來(lái)自相城校區(qū)內(nèi)農(nóng)田土，采集回來(lái)風(fēng)干，磨碎、剔除其中粗雜質(zhì)，過(guò)40目篩后備用，測(cè)定其基本理化性質(zhì)和重金屬本底值（見(jiàn)表1）。為了在取樣時(shí)減少對(duì)植物根部的傷害，將沙和土壤按1∶3 混合作為培養(yǎng)基質(zhì)，將其風(fēng)干消毒，將消毒后的培養(yǎng)基質(zhì)以1 kg 為單位裝入直徑20 cm、盆高25 cm的花盆中。

表1 盆栽土壤基本理化性質(zhì)和重金屬本底值Table 1 Physical，chemical and heavy metal characteristics of soil in pot experiment

5種景天處理：供試植物長(zhǎng)藥景天、三七景天、德國(guó)景天、松塔景天、胭脂紅景天選用蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院溫室內(nèi)籽播1年生容器苗，分別選擇健康、長(zhǎng)勢(shì)一致的植株移栽到試驗(yàn)大棚內(nèi)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，每種景天每盆種植3株，3次重復(fù)，7 d適應(yīng)性培養(yǎng)后，進(jìn)行不同濃度梯度重金屬鋅脅迫。

重金屬鋅濃度梯度設(shè)置：用ZnSO4·7H2O 對(duì)景天進(jìn)行脅迫處理，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照（0）。根據(jù)GB15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》以及前期預(yù)實(shí)驗(yàn)5 種景天的生長(zhǎng)狀況，設(shè)定了重金屬鋅濃度梯度，鋅以水溶液形式施于供試土壤中，該供試土壤全鋅含量低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，鋅溶液濃度分別達(dá)到80、160、320、800、1 600和2 000 mg·kg-1時(shí)均勻倒入土壤中，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，每隔7 d用不含重金屬的去離子水噴灑植株1次，噴灑時(shí)水不能從盆底流出，以減少實(shí)驗(yàn)誤差，脅迫處理60 d后取樣。

1.2 樣品采集處理與測(cè)定

5 種景天分別取9 個(gè)供試植株，先后用自來(lái)水和去離子水沖洗根系土壤和植株表面，然后用吸水紙分別吸取5 種景天表面水分，然后將供試5 種景天分割成地上和地下兩部分。每種景天每個(gè)處理的3 株植株利用游標(biāo)卡尺分別測(cè)定地上部分株高和根長(zhǎng)，取平均值，3次重復(fù)，景天株高則為地上部分株高與根長(zhǎng)之和；然后將供試景天在105℃殺青0.5 h，65℃烘干至恒重。用不銹鋼粉碎機(jī)把景天地上部分和地下部分分別粉碎，分別放入自封袋中，用電子天平分別測(cè)定每種景天每個(gè)處理的3株植株地上部分和地下部分的生物量，取平均值，3次重復(fù)，植株生物量為地上部分與地下部分之和。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用ANOVA 進(jìn)行方差分析，利用LSD 法進(jìn)行多重比較；利用Microsoft Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、多項(xiàng)式擬合分析、線(xiàn)性分析及作圖。圖中數(shù)據(jù)均為各處理數(shù)據(jù)的平均值，表中數(shù)據(jù)均為各處理數(shù)據(jù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種景天響應(yīng)鋅脅迫的差異分析

2.1.1 5種景天生長(zhǎng)對(duì)鋅脅迫的響應(yīng)

如表2 所示，5 種景天生物量隨重金屬鋅濃度增加均呈先上升后下降的趨勢(shì)，低濃度鋅對(duì)植物生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用，但隨著重金屬鋅濃度不斷增加，5 種景天生物量均有所下降，當(dāng)重金屬鋅脅迫濃度為2 000 mg·kg-1時(shí)，5 種景天生物量均低于對(duì)照，降幅分別為長(zhǎng)藥景天3.70%、三七景天56.27%、德國(guó)景天14.76%、松塔景天56.39%、胭脂紅景天30.99%，說(shuō)明5 種景天在高濃度重金屬鋅脅迫下，遭受毒害；其中三七景天、松塔景天生物量在重金屬鋅濃度為2 000 mg·kg-1時(shí)相對(duì)于對(duì)照降幅呈顯著性差異，說(shuō)明這2種景天毒害較嚴(yán)重。

如表3 所示，5 種景天株高隨重金屬鋅濃度增加均呈先上升后下降的趨勢(shì)，低濃度鋅對(duì)植物生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用，但隨著重金屬鋅濃度不斷增加，5種景天株高均有所下降，當(dāng)重金屬鋅脅迫濃度為2 000 mg·kg-1時(shí)，5 種景天株高均低于對(duì)照，降幅分別為長(zhǎng)藥景天7.14%、三七景天39.42%、德國(guó)景天20.34%、松塔景天23.97%、胭脂紅景天4.38%，5種景天在高濃度重金屬鋅脅迫下，遭受毒害；其中三七景天、德國(guó)景天、松塔景天株高在重金屬鋅濃度為2 000 mg·kg-1時(shí)相對(duì)于對(duì)照呈顯著性差異，說(shuō)明這3種景天毒害較嚴(yán)重。

2.1.2 5種景天生長(zhǎng)與鋅脅迫多項(xiàng)式擬合分析

如圖1 所示，5 種景天生物量增幅與鋅濃度多項(xiàng)式擬合方程R2值分別為長(zhǎng)藥景天0.35、三七景天0.98、德國(guó)景天0.60、松塔景天0.90、胭脂紅景天0.73，數(shù)值較好，擬合效果好，能充分說(shuō)明5 種景天生物量增幅與鋅濃度之間的關(guān)系；5種景天生物量增幅最大值出現(xiàn)在不同鋅濃度脅迫下，松塔景天、胭脂紅景天生物量增幅最大值出現(xiàn)在80 mg·kg-1時(shí)，長(zhǎng)藥景天、三七景天增幅最大值出現(xiàn)在160 mg·kg-1時(shí)，德國(guó)景天生物量增幅最大出現(xiàn)在320 mg·kg-1時(shí)；5 種景天生物量相對(duì)于對(duì)照降低的濃度也有所不同，長(zhǎng)藥景天、德國(guó)景天在重金屬鋅濃度為2 000 mg·kg-1時(shí)生長(zhǎng)受阻，三七景天、松塔景天、胭脂紅景天生長(zhǎng)受到抑制出現(xiàn)在鋅濃度為320 mg·kg-1。

如圖2 所示，5 種景天株高增幅與鋅濃度多項(xiàng)式擬合方程R2值分別為長(zhǎng)藥景天0.47、三七景天0.97、德國(guó)景天0.33、松塔景天0.92、胭脂紅景天0.47，數(shù)值較好，擬合效果好，能充分說(shuō)明5 種景天株高增幅與鋅濃度之間的關(guān)系；5 種景天株高增幅最大值出現(xiàn)在不同鋅濃度脅迫下，松塔景天、胭脂紅景天株高增幅最大值出現(xiàn)在鋅濃度為80 mg·kg-1時(shí)，長(zhǎng)藥景天、三七景天株高增幅最大值出現(xiàn)在鋅濃度為160 mg·kg-1時(shí)，德國(guó)景天增幅最大值出現(xiàn)在鋅濃度為320 mg·kg-1時(shí)；5種景天株高低于對(duì)照的濃度也有所不同，三七景天、松塔景天、胭脂紅景天在重金屬鋅濃度為320 mg·kg-1時(shí)株高低于對(duì)照，德國(guó)景天株高在鋅濃度為1 600 mg·kg-1時(shí)株高低于對(duì)照，長(zhǎng)藥景天株高則在鋅濃度為2 000 mg·kg-1時(shí)低于對(duì)照。

2.1.3 5種景天生長(zhǎng)與鋅脅迫線(xiàn)性分析

5種景天生物量以增幅最大值作為分界點(diǎn)，分界點(diǎn)前的線(xiàn)性分析代表對(duì)景天生長(zhǎng)的促進(jìn)過(guò)程，分界點(diǎn)后的線(xiàn)性分析則為景天生長(zhǎng)的抑制過(guò)程，如圖3 所示，5 種景天生物量促進(jìn)、抑制線(xiàn)性分析R2值分別為長(zhǎng)藥景天1、0.75，三七景天1、0.71，德國(guó)景天0.96、0.97，松塔景天1、0.87，胭脂紅景天1、0.80，數(shù)值好，說(shuō)明擬合效果好，能夠利用5 種景天生長(zhǎng)促進(jìn)、抑制回歸方程得到5 種景天生長(zhǎng)促進(jìn)、抑制速率；促進(jìn)長(zhǎng)藥景天生物量增加的速率為0.32，抑制速率為-0.02；促進(jìn)三七景天生物量增加的速率為0.11，抑制速率為-0.03；促進(jìn)德國(guó)景天生物量增加的速率為0.27，抑制速率為-0.06；促進(jìn)松塔景天生物量增加的速率為0.33，抑制速率為-0.04；促進(jìn)胭脂紅景天生物量增加的速率為0.45，抑制速率為-0.03。

5種景天株高以增幅最大值作為分界點(diǎn)，分界點(diǎn)前的線(xiàn)性分析代表對(duì)景天生長(zhǎng)的促進(jìn)過(guò)程，分界點(diǎn)后的線(xiàn)性分析則為景天生長(zhǎng)的抑制過(guò)程，如圖4 所示，5 種景天株高促進(jìn)、抑制線(xiàn)性分析值R2分別為長(zhǎng)藥景天0.98、0.86，三七景天0.92、0.94，德國(guó)景天0.98、0.53，松塔景天1、0.90，胭脂紅景天1、0.50，數(shù)字較好，擬合效果好，說(shuō)明5 種景天生長(zhǎng)促進(jìn)、抑制回歸方程可以得到5 種景天生長(zhǎng)促進(jìn)、抑制速率；促進(jìn)長(zhǎng)藥景天株高增加的速率為0.23，抑制速率為-0.02；促進(jìn)三七景天株高增加的是0.01，抑制速率為-0.02；促進(jìn)德國(guó)景天株高增加的速率為0.03，抑制速率為-0.01；促進(jìn)松塔景天株高增加的速率為0.1，抑制速率為-0.02；促進(jìn)胭脂紅景天株高增加的速率為0.18，抑制速率為-0.01。

2.2 我國(guó)鋅污染情況

2018 年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018）中明確提出鋅為農(nóng)用地污染物之一，當(dāng)鋅含量超過(guò)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值時(shí)，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)或土壤生態(tài)環(huán)境可能存在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測(cè)，原則上應(yīng)當(dāng)采取安全利用措施，如表4 所示，我國(guó)部分鋅礦周邊的農(nóng)田鋅濃度均高于篩選值，鋅污染農(nóng)田亟待修復(fù)。

表4 我國(guó)部分地區(qū)鋅礦周?chē)r(nóng)田鋅污染情況表Table 4 Situation table of zinc pollution in farmland around zinc mines in some areas of China

3 討論

5種景天生物量、株高隨著重金屬鋅濃度增加均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，5 種景天生物量、株高在重金屬鋅濃度為2 000 mg·kg-1時(shí)低于對(duì)照，說(shuō)明5 種景天生長(zhǎng)受到抑制，這與朱娜、李富榮研究結(jié)果相一致［23］。鋅是動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量元素，低濃度的鋅對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起到促進(jìn)作用，但土壤中鋅含量一旦過(guò)高，植物的生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，所以5 種景天的生物量、株高隨著重金屬鋅濃度增加，呈現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象；三七景天、松塔景天生物量相對(duì)于對(duì)照呈顯著性差異下降，三七景天、德國(guó)景天、松塔景天株高相對(duì)于對(duì)照呈顯著性差異降低，說(shuō)明三七景天、松塔景天遭受鋅毒害較嚴(yán)重。

5種景天在重金屬鋅脅迫濃度達(dá)到2 000 mg·kg-1時(shí)仍能生長(zhǎng)，說(shuō)明5種景天對(duì)重金屬鋅具有很強(qiáng)的耐受性，究其原因主要有5 點(diǎn)：①5 種景天根系代謝能力強(qiáng)，能分泌出檸檬酸、蘋(píng)果酸等羧酸類(lèi)有機(jī)物，這些有機(jī)物均能有效絡(luò)合重金屬離子，降低其對(duì)植物的毒性及其在土壤中的移動(dòng)性，從而緩解根際重金屬對(duì)于景天的毒害脅迫，這與Hall 的研究結(jié)果相一致［24］；②5種景天根系具有較強(qiáng)的抗氧化能力，植物正常啟動(dòng)抗氧化防御機(jī)制，提高其抗氧化能力，是減緩重金屬脅迫傷害和提高植物自身重金屬耐性的重要措施，與Zhang、毛石花、高艷的研究結(jié)果相類(lèi)似［25～27］；③轉(zhuǎn)移到景天根系的重金屬離子被區(qū)室化，區(qū)隔到液泡中，降低了鋅離子對(duì)根系的毒害作用，與段德超的研究結(jié)果相似［28］；④5種景天根際存在多種有益微生物，多種根際有益微生物與景天互利共生，有益微生物協(xié)助景天吸收養(yǎng)分，并分泌有機(jī)酸鈍化根際重金屬或促進(jìn)植物根系對(duì)重金屬無(wú)毒化吸收，進(jìn)而提高景天對(duì)重金屬鋅的耐受性，這與吳道銘的研究結(jié)果相一致［29］。

5種景天生物量、株高增幅最大值出現(xiàn)在不同鋅濃度脅迫下，長(zhǎng)藥景天、胭脂紅景天生物量、株高在鋅濃度為80 mg·kg-1時(shí)增幅最大，長(zhǎng)藥景天、三七景天生物量、株高在鋅濃度為160 mg·kg-1時(shí)增幅最大，德國(guó)景天生物量、株高在鋅濃度為320 mg·kg-1時(shí)增幅最大；5 種景天生物量、株高隨著重金屬濃度不斷增加，增幅降低，直至變?yōu)樨?fù)值，三七景天、松塔景天、胭脂紅景天生物量、株高在重金屬鋅濃度為320 mg·kg-1時(shí)增幅變?yōu)樨?fù)值，長(zhǎng)藥景天生物量、株高在重金屬鋅濃度為2 000 mg·kg-1時(shí)增幅變?yōu)樨?fù)值，德國(guó)景天生物量增幅在鋅濃度為2 000 mg·kg-1變?yōu)樨?fù)值，而株高增幅在鋅濃度為1 600 mg·kg-1變?yōu)樨?fù)值。

5種景天生物量、株高在某一鋅濃度脅迫下增幅最大，但隨著鋅濃度繼續(xù)增加，增幅逐漸降低直至負(fù)值；生物量、株高增幅達(dá)到最大值所對(duì)應(yīng)的重金屬鋅濃度則為分界點(diǎn)，分界點(diǎn)前則為促進(jìn)植物生長(zhǎng)的鋅濃度，分界點(diǎn)后則為抑制植物生長(zhǎng)的鋅濃度；利用線(xiàn)性曲線(xiàn)分析促進(jìn)速率和抑制速率，從R2值來(lái)看，除抑制松塔景天、胭脂紅景天株高R2值外，其余景天生物量、株高R2值都高于0.7，說(shuō)明景天生長(zhǎng)與鋅脅迫線(xiàn)性分析可以說(shuō)明促進(jìn)或抑制情況，線(xiàn)性回歸方程中的系數(shù)則為促生或抑制速率；就生物量而言，胭脂紅促生速率最大，德國(guó)景天抑制速率最大；就株高而言，長(zhǎng)藥景天促生速率最大，長(zhǎng)藥景天抑制速率最大。

我國(guó)是鋅礦較為豐富的國(guó)家，但由于過(guò)度的開(kāi)采致使周?chē)霓r(nóng)田鋅污染較為嚴(yán)重，從本論文列舉的不同地區(qū)的鋅污染情況表可以看出，各地區(qū)鋅污染情況有所不同，但都高于土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，亟待修復(fù)。結(jié)合本論文5種景天耐受重金屬鋅脅迫的差異性，篩選合適的景天修復(fù)重金屬鋅污染農(nóng)田。