萱草对土壤中镉、铅、锌单一污染的修复效果

王硕 李德生 王静 晁卓锡 张才

摘要：利用盆栽试验，研究不同重金属浓度下萱草（Hemerocallis fulva）对土壤中镉、铅、锌的修复效果。结果表明，一定范围内，土壤重金属含量促进了萱草的地上生物量；低浓度重金属胁迫（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促进了萱草叶片对镉、铅、锌的富集，具体表现为镉>锌>铅；镉、铅、锌的转运系数随土壤重金属浓度的增加而逐渐减小，具体表现为铅>镉>锌；低浓度重金属胁迫（Cd≤5 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）提高了萱草对土壤中镉、铅、锌的修复效率，表现为铅>镉>锌。表明萱草对低浓度镉、铅、鋅单一污染土壤的修复效果较好。

关键词：萱草（Hemerocallis fulva）；重金属污染；富集系数；转运系数；修复效果

中图分类号：Q948.116 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）06-0035-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.06.008

Abstract： Using pot experiment，the repairing effect of Hemerocallis fulva on Cd，Pb，Zn in soil under different concentrations of heavy metals. The results showed that aboveground biomass of H. fulva was increased within a certain heavy metal content range in soil； The low concentration of heavy metals（Cd≤20 mg/kg，Pb≤1 000 mg/kg， Zn≤1 000 mg/kg） promoted the enrichment of Cd，Pb，Zn in H. fulva leaves，and the specific performance showed Cd>Zn>Pb； With heavy metal concentration increasing，the transfer coefficient of Cd，Pb，Zn decreased，and the specific performance showed Pb>Cd>Zn； The low concentration of heavy metal （Cd≤5 mg/kg，Pb≤1 000 mg/kg，Zn≤1 000 mg/kg） improved the repair efficiency of H. fulva on Cd，Pb，Zn in soil，and the specific performance showed Pb>Cd>Zn. It suggested that H. fulva was good for low concentrations of Cd，Pb，Zn in soil.

Key words： Hemerocallis fulva； heavy metal pollution； enrichment coefficients； transfer coefficients； repairing effect

镉、铅、锌在大气、水体和土壤中都有着严重的污染影响[1]。2014年全国土壤污染调查中，镉、铅、锌对土壤的污染名列前茅，污染程度表现为镉>铅>锌[2]。Cd、Pb是主要引起蔬菜复合风险的因素，对于人体存在明显的健康风险[3]。研究镉、铅、锌污染土壤的修复工作成为领域一大热点，目前国内对于镉、铅和锌污染土壤的植物修复多数为草本[4，5]。对于物理化学的修复手段来说，植物修复没有二次污染、成本较低、工艺简便，是理想的土壤修复手段[5]。

植物修复的最主要问题是植株矮小、对环境适应性差、对重金属吸收富集能力较差[6]。与灌木和乔木相比，草本具有较高的生长率，较强的环境适应能力，较高的生物生长量[7]。萱草（Hemerocallis fulva）对土壤环境适应能力强，在中性、偏碱性的严苛环境土壤中均能生长良好，其根耐寒能力较强，地下根茎能耐受-20 ℃的低温。萱草具有较高的营养价值、药用价值以及观赏价值[8-10]。国内已有一些关于萱草修复污染土壤的研究，效果都较为显著，但主要针对镉、铜、铅重金属及石油污染，研究也多为生理影响和积累富集效果[11-16]。

以萱草为试验对象，研究其在落叶前（9月）和落叶后（12月）对土壤中镉、铅、锌的积累、富集、转运效果以及修复效率，深入分析萱草对单一镉、铅、锌污染土壤的修复效果。为萱草修复重金属污染土壤的实际运用和推广提供更深入的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

2016年4月开始萱草栽培工作。选择长势一致的萱草，土壤选取天津理工大学校园内土壤，校园土∶营养土=10∶1，混合后放入口径为19.1 cm的花盆中，土重2.7 kg/盆。试验土壤有机质16.01 g/kg，pH 6.79，含水率12%，土壤所含镉、铅和锌含量分别为11.17、43.83、179.33 mg/kg。

1.2 方法

2016年5月向土壤中投加重金属溶液，镉以 CdCl2·2.5H2O的形式加入，锌以ZnSO4·7H2O的形式加入，铅以Pb（NO3）2的形式加入，Cd浓度梯度为0、1、5、20、50 mg/kg，分别记为CK-Cd、Cd-1、Cd-2、Cd-3、Cd-4；Pb浓度梯度为0、100、500、1 000、1 500 mg/kg，分别记为CK-Pb、Pb-1、Pb-2、Pb-3、Pb-4；Zn浓度梯度为0、100、500、1 000、1 500 mg/kg，分别记为CK-Zn、Zn-1、Zn-2、Zn-3、Zn-4。每个处理设3个重复。

萱草的叶片分别在9月初和12月末进行重金属含量的测量，萱草的根及萱草生物量的测量在12月末进行。收割的植物样本分别用自来水洗净，再用去离子水清洗一遍，自然晾干表层水分，称重并装入纸袋中，置于100 ℃烘箱中至恒重，用电子天平称量干重。烘干的样品用粉碎机粉碎，过80目尼龙筛，消解植物样品使用9 mL硝酸，消解土壤样品使用硝酸-高氯酸法（9∶1）。使用ICP-OES仪器测定萱草叶与根内的镉、铅和锌含量。

1.3 数据处理

试验数据的制图采用Excel软件，各处理组与对照差异显著性的数据分析利用SPSS软件完成。

2 结果与分析

2.1 土壤镉、铅、锌对萱草生长的影响

植物生物量影响对重金属的富集能力，也直接影响植物修复重金属污染土壤的效果[16，17]。由表1可见，萱草在不同浓度的镉、铅、锌处理下全部存活，说明萱草对镉、铅、锌污染土壤具有很好的耐性。由表2可见，萱草地上生物量随镉、铅、锌污染浓度的增加而呈先增后减的趋势。重金属胁迫下，萱草地上生物量均大于对照，分别在镉5 mg/kg、铅500 mg/kg、锌1 000 mg/kg时获得最大值，比对照分别高出3.69、1.70、3.62倍。处理组间显著性水平也随着重金属污染浓度的增加而愈加显著。表明土壤中镉、铅、锌胁迫明显促进了萱草的生长，随重金属浓度的增加生长的差异越明显。

2.2 镉、铅、锌在萱草叶和根部的积累

图1、图2、图3显示不同浓度的单一镉、铅、锌污染土壤下的萱草叶和根内镉、铅、锌含量。落叶前，萱草叶内镉、铅、锌含量随土壤重金属污染浓度的增高而呈逐渐增加趋势，且均小于对照；落叶后，萱草内铅、锌含量随土壤重金属污染浓度的增高而先增后减，镉含量则逐渐减小，且镉、铅含量整体上大于对照，锌含量整体上小于对照。表明萱草开始枯黄时，低浓度重金属污染（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）对镉、铅、锌的吸收有促进作用，高浓度重金属污染（Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）则产生明显抑制作用。可能是由于叶片枯黄，植物机能开始衰弱，对高浓度重金属的抗性有所降低。

落叶后，萱草根内铅、锌含量随土壤重金属污染浓度的增高而呈先增后减趋势，这与落叶后萱草叶内铅、锌含量趋势一致，且整体上大于对照；镉含量则呈先减后增的趋势，且大于对照。表明重金属胁迫促进了萱草根部吸收重金属。Cd污染浓度为50 mg/kg时，落叶后萱草叶内镉含量明显降低，而根内有所增加，表明高浓度镉（Cd=50 mg/kg）污染下，萱草对镉从根部转运到叶片受到明显的抑制作用。

2.3 萱草镉、铅、锌富集系数

富集系数是指植物地上部金属含量与土壤中该金属含量的比值，在一定程度上反映了沉积物或土壤中重金属向植物体内迁移的难易程度[17]。由表3可知，落叶前及落叶后，萱草对镉的富集系数随污染浓度的增加而呈减小趋势；落叶前及落叶后，萱草对铅、锌的富集系数随污染浓度的增加而呈先增后减的趋势。整体上，萱草富集系数表现为镉>锌>铅，均小于1，落叶后的富集系数大于落叶前。低浓度重金属胁迫下的镉、铅、锌富集系数都大于对照。表明低浓度重金属胁迫（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促进了萱草叶片对镉、铅、锌的富集，但高浓度重金属污染（Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）则表现出抑制作用，在萱草叶片开始枯黄后尤为明显。

2.4 萱草镉、铅、锌转运系数

转运系数是指植物地上部金属含量与植物地下部该金属含量的比值，反映了金属由植物根部向地上部转移的难易程度，也衡量了植物在污染土壤中对金属的修复效果[17]。由表4可知，从整体来看，萱草对镉、铅、锌的转运系数随土壤重金属污染浓度的增加而呈减小的趋势，大于对照。整体上，萱草转运系数表现为铅>镉>锌，小于1。表明重金属胁迫促进了萱草对镉、铅、锌由根部到叶片的转运，但随重金属胁迫浓度的增加促进作用逐渐降低。

2.5 萱草对镉、铅、锌的修复效率

修复效率是指修复前后土壤中某金属含量差值与修复前土壤中该金属含量的比值，可直观反映植物对土壤中某金属的去除效果，从而分析植物的修复效果。由表5可知，萱草对镉、铅、锌的修复效率在落叶前后均随污染浓度的增加而呈减小趋势。整体上，萱草修复效率表现为铅>镉>锌。落叶后修复效率大于落叶前。表明低浓度重金属胁迫（Cd≤5 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促进了萱草去除土壤中镉、铅、锌的能力，而高浓度重金属胁迫（Cd=20 mg/kg、Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）则表现为抑制作用，在萱草叶片枯黄后尤为突出。

3 小结

萱草对土壤中镉、铅、锌单一污染的修复效果从萱草地上生物量、体内重金属含量、富集系数、转运系数和修复效率5个方面来分析。第一，萱草对土壤中镉、铅、锌单一污染有明显的耐性，一定范围内促进萱草地上的生长，在镉5 mg/kg、铅500 mg/kg、锌1 000 mg/kg时促进作用最明显；第二，高浓度重金属胁迫（Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）对萱草叶片和根吸收铅、锌有一定的抑制作用；第三，低浓度重金属胁迫（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促进了萱草叶片对镉、铅、锌的富集，但高浓度重金属污染（Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）则表现出抑制作用，在萱草叶片开始枯黄后尤为显著，富集系数表现为镉>锌>铅，小于1；第四，重金属胁迫促进了萱草对镉、铅、锌由根部到叶片的转运，但随重金属胁迫浓度的增加促进作用逐渐降低，表现为铅>镉>锌，小于1；第五，低浓度重金属胁迫（Cd≤5 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進了萱草去除土壤中镉、铅、锌的能力，而高浓度重金属胁迫（Cd=20 mg/kg、Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）则表现为抑制作用，在萱草叶片枯黄后尤为突出，表现为铅>镉>锌。

修复效果取决于植物的耐性和富集系数[18]。萱草可用于土壤中低浓度单一镉、铅、锌（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）的污染修复，对镉的修复效果相对更佳。因萱草为观赏性与药用性并存的多年生草本植物，可多年栽培修复土壤，在实际应用中从整体上提高植物修复污染土壤的综合效果和景观效果[19]。修复后的萱草若达到国家蔬菜可食用标准或可再利用，为植物修复后续处理开辟新道路[20]。因此，萱草对土壤重金属污染的修复具有广阔的前景。

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