趙怡陽(yáng) ,陶祥運(yùn) ,張易旻? ,王燕 ,蔣位青

(1.浙江博世華環(huán)?？萍加邢薰?浙江 杭州 310015;2.諸暨奕禾環(huán)保科技有限公司,浙江 諸暨 311825)

酸模 (Rumexacetosa) 是蓼科 (Polygonaceae)酸模屬中一種常見(jiàn)的多年生草本植物,廣泛分布于我國(guó)各地山坡、路邊、荒地或溝谷溪邊,是長(zhǎng)江中下游銅礦區(qū)的優(yōu)勢(shì)植物。酸模根系可深達(dá)1.5～2.0 m;在冬季結(jié)冰條件下仍可保持較強(qiáng)的生命力。Tang 等[1]報(bào)道生長(zhǎng)在長(zhǎng)江流域銅礦區(qū)的酸模對(duì)Cu 的平均積累量達(dá)到601 mg·kg-1。

關(guān)于酸模屬植物在污染修復(fù)中的應(yīng)用研究屢見(jiàn)不鮮,例如雜交酸模對(duì)鹽漬化土壤的開(kāi)發(fā)和改良[2],礦區(qū)廢棄地酸模對(duì)重金屬的吸收[3]及其在Pb、Zn 脅迫下的耐性機(jī)理[4],以及酸模對(duì)Cu 的積累特性研究[5]等。Barrutia 等[3]研究施肥對(duì)礦區(qū)和非礦區(qū)酸模生長(zhǎng)特性的影響,結(jié)果表明,施肥對(duì)礦區(qū)酸模的生長(zhǎng)有很好的促進(jìn)作用,體現(xiàn)了酸模對(duì)重金屬的耐性。李紅艷等[5]研究酸模對(duì)銅的耐性和積累特性,結(jié)果表明,酸模地上部對(duì)Cu 的積累量可達(dá)到1 500 mg·kg-1以上,可用于Cu 污染土壤的修復(fù)。Babalonas 等[6]研究表明,小酸模是生長(zhǎng)在Cu、Zn 等重金屬污染土壤上最重要的物種之一。Hulina 等[7]對(duì)克羅地亞Mahovo 地區(qū)的幾種野草中重金屬含量進(jìn)行了調(diào)查,結(jié)果表明,皺葉酸模(Rumexcrispus) 對(duì)Cu、Zn 具有很強(qiáng)的吸收能力。王小平等[8]研究了酸模在堿性土壤上修復(fù)Cd、Pb污染的土壤,結(jié)果表明,酸模對(duì)鎘的修復(fù)系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均較為優(yōu)秀。

然而,酸模對(duì)多種重金屬?gòu)?fù)合污染土壤修復(fù)的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道,本文將采用田間試驗(yàn)的研究方法探究酸模在Cd、Cu、Pb 復(fù)合污染的情況下對(duì)重金屬的富集及植物的生長(zhǎng)情況,為今后酸模用于大面積農(nóng)田土壤修復(fù)提供了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試植物:酸模,種子采集于進(jìn)賢當(dāng)?shù)靥镩g。供試土壤:采用田間原位試驗(yàn),在江西省南昌市進(jìn)賢縣某農(nóng)田選擇不同重金屬污染程度地塊A、地塊B,地塊土壤理化性狀見(jiàn)表1。

表1 供試土壤的理化性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用主要儀器包括:原子吸收光譜儀(ZEEnit700P,德國(guó)耶拿分析儀器有限公司)、研磨儀 (ZM200,賽默飛世爾科技公司)、恒溫水浴鍋 (HH-8,國(guó)華電器有限公司)、超聲波清洗器(KQ5200,昆山市超聲波儀器有限公司)、微波消解儀 (MARS XPRESS,北京安南科技有限公司)電子天平 (FA2104N,上海民僑精密科學(xué)儀器有限公司)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 (DHG-9243BS-Ⅲ,上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)、高速冷凍離心機(jī) (ST16R,賽默飛世爾科技公司) 和超低溫冰箱(賽默飛世爾科技公司)。

1.2 方法

1.2.1 酸模種植處理設(shè)計(jì)

育苗。酸模種子用1%NaClO 溶液滅菌10 min,先用自來(lái)水沖洗數(shù)次,再用去離子水沖洗3 次,然后放入初始溫度為45 ℃的蒸餾水中浸泡,24 h 后取出放入培養(yǎng)皿中,加蒸餾水浸泡催芽。將露白的種子放入盛有供試土壤的穴盤(pán)中,待幼苗長(zhǎng)出3～4片真葉,選擇均勻一致的幼苗移栽。

種植。選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的酸模幼苗分別移栽到兩塊不同程度重金屬污染的土壤中。每個(gè)地塊按照36 株·m-2種植;每個(gè)地塊設(shè)20 穴,每穴種植2株,每一生育期設(shè)4 個(gè)重復(fù),即每塊地需種植80株苗。種植前向土壤中施入底肥,生長(zhǎng)到第2 個(gè)月時(shí)再次施肥,每次施用化肥用量約為尿素0.4 kg,磷酸二銨0.3 kg,硫酸鉀0.4 kg,N∶P∶K 比為2∶1∶1.2。

1.2.2 樣品的采集和處理

酸模分別于移栽后30、45、60、75 和90 d 各取樣一次,同時(shí)采集各時(shí)期的土壤樣品進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。將植物樣分成莖葉和根兩部分,剪碎放入烘箱,在105 ℃下烘0.5 h,再在75 ℃下烘至恒重,將植物干樣品粉碎,過(guò)2 mm 篩待測(cè)。稱(chēng)取0.500 0(±0.000 5) g 植物樣品,放入150 mL 錐形瓶中。設(shè)3 個(gè)平行,加空白。用HNO3∶HClO4體積比4∶1 的混酸加蓋消解至溶液呈透明或淺黃色。用0.2% HNO3定容至25 mL 容量瓶,用原子吸收光譜儀測(cè)定樣品中重金屬含量。土壤中重金屬含量的測(cè)定采用歐共體物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)局提出的BCR 逐級(jí)提取法。

1.2.3 指標(biāo)計(jì)算公式

富集系數(shù)=植物各組織中重金屬含量/土壤中重金屬含量;

轉(zhuǎn)移系數(shù)=植物地上部分重金屬含量/植物地下部分重金屬含量。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

所有處理均設(shè)3 個(gè)平行,實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)使用計(jì)算機(jī)軟件Microsoft Excel 2007 和Origin 8.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并用SPSS 17.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生育期酸模生物量的變化

A、B 中酸模生物量分別為2.11～15.61 g 和1.88～13.57 g;在75 d 時(shí),地塊A、B 中酸膜生物量分別從15.61 g 和13.57 g 躍增至115.65 g 和99.87 g,至90 d 時(shí),達(dá)到生物量最大值136.61 g和117.23 g。從整個(gè)生育期比較A、B 地塊中酸膜的生物量,B 地塊中酸模的生物量明顯低于A(yíng) 地塊;兩者的莖葉部從最初相差0.22 g 到90 d 相差15.67 g,根部從最初相差0.01 g 到90 d 相差3.71 g;在這期間,兩者生物量之間的差距逐漸加大。因此,酸模生長(zhǎng)所受到的抑制作用與重金屬污染程度呈正相關(guān)。采用F 檢驗(yàn)法對(duì)A、B 地塊中植物不同生長(zhǎng)期的生物量進(jìn)行顯著性差異分析,置信度按95%計(jì) (自由度=19,F表取2.18),結(jié)果 (表2)表明,A、B 地塊中植物根的生物量在30、60 和75 d 時(shí)存在顯著性差異;植物莖在45、60 d 時(shí)存在顯著性差異;在90 d 時(shí),兩個(gè)地塊植株生物量不存在顯著性差異,說(shuō)明本研究中的土壤重金屬含量差距不足以嚴(yán)重影響酸模的生長(zhǎng)。

表2 不同重金屬?gòu)?fù)合污染水平下酸模不同生長(zhǎng)時(shí)期的生物量

2.2 不同生育期酸模莖葉部和根部對(duì)Cd、Cu、Pb 的積累和分布

從圖1 可看出,在整個(gè)生育期內(nèi),A 地塊中酸模莖葉部對(duì)Cu、Pb 的富集量均表現(xiàn)出先升后降再升的趨勢(shì),在生長(zhǎng)的45 d 分別達(dá)到最高富集量13.31 mg·kg-1和9.68 mg·kg-1;在75 d 之后,酸模對(duì)Cu、Pb 的富集量迅速降低,分別比45 d 下降了69.9%和73.6%。酸模根部對(duì)Cu、Pb 的富集量要大于莖葉部,在45 d 分別達(dá)到最高富集量30.11 mg·kg-1和35.72 mg·kg-1;在75 d,酸模對(duì)Cu 和Pb 的富集量又迅速降低。在B 地塊中,酸模莖葉部和根部對(duì)Cu、Pb 的富集量在整個(gè)生育期內(nèi)表現(xiàn)出與A 地塊相同的富集趨勢(shì)。B 地塊中酸模莖葉部在5 個(gè)生育期對(duì)Cu 的富集量分別是A 地塊的1.69 倍、1.70 倍、1.15 倍、2.33 倍、1.26倍,根部是其1.10 倍、1.82 倍、0.91 倍、1.60倍、1.45 倍;莖葉部對(duì)Pb 的富集量分別是其2.45倍、1.43 倍、1.52 倍、0.55 倍、1.61 倍,根部是其2.27 倍、1.77 倍、1.15 倍、0.49 倍、1.18 倍。因此,除75 d 酸模的根部外,隨著土壤中Cu、Pb污染程度增加,酸模莖葉部和根部對(duì)Cu、Pb 的富集量都有顯著增加,并且在整個(gè)生育期表現(xiàn)出相同的積累態(tài)勢(shì)。

從圖1 可見(jiàn),雖然在整個(gè)生育期內(nèi),酸模莖葉部對(duì)Cd 的富集量表現(xiàn)出與對(duì)Cu 富集相同的富集趨勢(shì),但不同的是,酸模對(duì)Cd 的富集在60 d 才達(dá)到對(duì)Cd 最大富集量;酸模根部對(duì)Cd 的吸收與酸模莖葉部對(duì)Cd 的吸收在整個(gè)生育期內(nèi)具有相同的富集趨勢(shì)。在75 d,酸模對(duì)Cd 的富集量顯著降低,但在90 d,酸模莖葉部和根部對(duì)Cd 的富集量有所回升;當(dāng)土壤中Cd 的含量從0.70 mg·kg-1增加到1.34 mg·kg-1時(shí),酸模莖葉部與根部對(duì)Cd的富集量都有所增加,并且根部對(duì)Cd 的富集量要高于莖葉部。由此可見(jiàn),酸模在不同生育期對(duì)不同重金屬的吸收具有偏好性。

圖1 酸模不同部位在各個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)Cd、Cu、Pb 的富集量

綜上分析可知,酸模對(duì)Cd、Cu、Pb 富集量隨時(shí)間的變化分為3 個(gè)階段,0～45 d 是酸模吸收Cd、Cu、Pb 的敏感期。此時(shí)酸模根系快速生長(zhǎng),對(duì)土壤中的重金屬有一個(gè)快速積累的過(guò)程,富集量顯著升高。45～75 d,酸模對(duì)土壤中Cd、Cu、Pb的富集量降低,此時(shí)期酸模莖葉部和根部在生長(zhǎng)代謝旺盛,使得重金屬通過(guò)土壤和根不斷向莖葉部轉(zhuǎn)移;隨著根部化學(xué)性狀的變化和莖葉部代謝機(jī)制減弱,莖葉部和根部吸收的重金屬量逐漸減少[9-10]。此時(shí)酸模的生物量急劇增大,說(shuō)明當(dāng)酸模進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)后,莖葉部快速生長(zhǎng),酸模葉片迅速增大,前期吸收的Cd、Cu、Pb 在酸模體內(nèi)得到稀釋,符合作物生長(zhǎng)的稀釋效應(yīng)[11]。75～90 d,酸模中Cd、Cu、Pb 含量再次增加,原因是隨著酸模從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變,根系分泌物的種類(lèi)發(fā)生變化,更有利于活化被土壤吸附的Cd、Cu、Pb,從而促進(jìn)酸模對(duì)Cd、Cu、Pb 的吸收;其次,酸模根系發(fā)育第二個(gè)高峰期的到來(lái),根系活力增加和吸收區(qū)域擴(kuò)大,能夠吸收到更多的重金屬。盡管在整個(gè)生育期內(nèi)酸模對(duì)土壤中Cd、Cu、Pb 的富集量隨著復(fù)合污染程度的增加而上升,但總的來(lái)說(shuō),重金屬主要富集于酸模的根部,特別在酸模生長(zhǎng)的45～60 d,其根部重金屬的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于莖葉部。

2.3 不同生育期酸模對(duì)農(nóng)田中Cd、Cu、Pb 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

2.3.1 富集系數(shù)

從表3 可知,在Cd、Cu、Pb 復(fù)合污染條件下,酸模不同部位對(duì)各重金屬的富集能力各不相同,在生長(zhǎng)的45～60 d,酸模對(duì)各重金屬的富集系數(shù)達(dá)到最大值。隨著土壤重金屬污染加劇,酸模對(duì)Cu 和Pb 的富集能力改變較少,但對(duì)Cd 的富集能力有較大程度的下降。除此之外,酸模對(duì)重金屬Cu 和Pb 的富集能力較差,富集系數(shù)都很低,而對(duì)Cd 的富集系數(shù)超過(guò)了1,最高可達(dá)5.77,由此可見(jiàn),酸模在30～90 d 內(nèi)對(duì)各重金屬富集能力表現(xiàn)為Cd>Cu>Pb。

表3 酸模對(duì)Cd、Cu、Pb 富集系數(shù)

2.3.2 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

從表4 可知,酸模在不同生育期,對(duì)不同重金屬表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)移能力。A 地塊內(nèi),除30 d和75 d 酸模對(duì)各重金屬的轉(zhuǎn)移能力規(guī)律為Cd>Pb>Cu 之外;其余3 個(gè)時(shí)期酸模對(duì)各重金屬的轉(zhuǎn)移能力表現(xiàn)的各不相同。B 地塊內(nèi),酸模生長(zhǎng)的45 d 和75 d,對(duì)各重金屬的轉(zhuǎn)移能力相同,為Cd>Cu>Pb;酸模生長(zhǎng)的第60 天和第90 天,轉(zhuǎn)移能力亦相同,為Cu>Pb>Cd。從整個(gè)生育期看,酸模對(duì)Cd、Cu、Pb 的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大值都出現(xiàn)在75～90 d,并且酸模對(duì)Cu、Cd 的轉(zhuǎn)移能力總體表現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢(shì),只有在復(fù)合污染濃度較高時(shí),酸模生長(zhǎng)的90 d 對(duì)Cu、Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)有所下降。

表4 酸模對(duì)Cd、Cu、Pb 轉(zhuǎn)移系數(shù)

2.3.3 綜合分析

從表3 和表4 可以看出,酸模對(duì)土壤中Cu、Pb 的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)效果不佳,這與之前報(bào)道的酸模對(duì)Cu 和Pb 具有超量的富集能力不符[3,5,12],并且不符合Cu、Pb 超積累植物的要求,但酸模對(duì)于Cd的富集能力大大超過(guò)了Cu 和Pb,其莖葉部和根部對(duì)Cd 的富集系數(shù)均超過(guò)了1。相比其他富集植物的研究結(jié)果,如龍玉梅等[13]研究表明,龍葵在模擬鎘污染的不同種類(lèi)土壤中轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.99～2.53,富集系數(shù)為2.13～10.68;魏樹(shù)和[14]研究龍葵發(fā)現(xiàn),對(duì)Cd 的富集系數(shù)為2.68,可推斷酸模在實(shí)際Cd、Cu、Pb 復(fù)合污染農(nóng)田中對(duì)Cd 仍具有富集的潛力。

3 討論

本研究采用農(nóng)田試驗(yàn)對(duì)酸模進(jìn)行培養(yǎng)的方式,研究酸模的富集能力和轉(zhuǎn)移能力,結(jié)果表明,在Cd、Cu、Pb 復(fù)合污 染農(nóng)田 中,酸模對(duì)Cd、Cu、Pb 的富集系數(shù)最高分別達(dá)到5.77、0.15 和0.10,轉(zhuǎn)移系數(shù)最高分別為1.19、0.89、0.68,富集能力為Cd>Cu>Pb?？傮w來(lái)說(shuō)酸模在Cd、Cu、Pb 復(fù)合污染農(nóng)田中對(duì)Cd 有足夠的修復(fù)潛力,但是針對(duì)Cu 和Pb 修復(fù)存在較大的短板,在后續(xù)的研究中可嘗試其他富集植物與酸模間作、套作等方式開(kāi)展修復(fù),以解決含Cd 重金屬?gòu)?fù)合污染農(nóng)田修復(fù)的問(wèn)題。