Cd、Zn、Pb、Cu复合污染对斑茅生长及吸收富集的影响

王天顺,陈 伟,蒋文艳,杨玉霞,段维兴,王海军,李晓妤,廖 洁,莫磊兴

(1.广西农业科学院 农产品质量安全与检测技术研究所，广西 南宁 530007； 2.广西甘蔗种质资源圃，广西 南宁 530007)

工农业及经济全球化的快速发展以及长期、大量、不合理施用农用化肥、工业废水，致使农田土壤重金属污染问题日益严重，给农业生产和人类健康带来了潜在的威胁[1]，因此有必要对重金属污染土壤进行修复，而植物提取修复土壤重金属污染是当今研究最多且最有发展前景的一种绿色技术。斑茅作为一种野生植物，具有抗寒、抗旱、抗盐、抗病虫等特性，逆境生存能力强。黄红英等[2]通过野外调查发现，斑茅对Cd、Zn、Pb、Cu 具有一定的富集转运能力。由于斑茅生长繁殖快、生物量大、根系发达，在同样的生长周期和空间内能够带走的重金属总量也大，斑茅作为修复植物的开发应用具有一定经济价值和现实意义。植物修复技术是生物修复技术中的一种，主要包括植物提取、植物挥发、植物稳定等方式，国内外学者在环境修复治理中对其应用均有研究[3-4]，有些已初步进入实际应用阶段[5]。杨肖娥等[6]发现Zn超积累植物东南景天，陈同斌等[7]发现As超积累植物蜈蚣草，苏德纯等[8]发现Cd超积累植物油菜，刘威等[9]发现Cd超积累植物宝山堇菜，张学洪等[10]发现Cr超积累植物李氏禾，薛生国等[11]发现Mn超积累植物商陆，LIU等[12]发现Mn超积累植物青葙。斑茅作为广泛的野生植物资源，在华南地区分布广泛，其对重金属的吸收富集研究大多集中在野外调查分析，在复合污染条件下其对重金属吸收富集转运研究还鲜见报道。因此，以此为切入点，在不同重金属复合污染条件下，研究斑茅的生长状况和对重金属的吸收富集转运特征，旨在阐明其对复合重金属污染的耐受能力、吸收富集能力及转运能力，以期为斑茅在重金属污染土壤中的提取修复应用提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为禾本科蔗茅属植物斑茅(SaccharumarundinaceumRetz.)，具有分蘖力强、高大丛生、抗旱性强等特性。斑茅采自广西甘蔗种质资源圃。

1.2 试验设计

试验在广西农业科学院科研试验核心区网室大棚中进行，采用桶栽模拟方式，土壤取自广西农科院试验田耕层，土壤的基本理化性质:pH值(水与土比为5∶1)为5.90，有机质含量为11.0 g/kg，土壤全Cd、全Zn、全Pb、全Cu含量分别为3.5、54.8、39.8、23.7 mg/kg。每桶装试验用土18 kg。施加不同梯度含量的重金属Cd、Zn、Pb、Cu于土壤中，采用直接移栽方式将斑茅种植于Cd、Zn、Pb、Cu复合污染的土壤中。污染土壤共设5个处理水平(T0、T1、T2、T3、T4)，其中，T0处理为对照，如表1所示。施加的重金属形态为分析纯的CdCl2·2.5H2O、ZnSO4·7H2O、Pb(NO3)2和CuSO4·5H2O，以固态形式加入土壤，充分拌匀后浇水浸泡，使添加的重金属与土壤进行充分平衡老化，1个月后移栽斑茅，每个处理设置3次重复，每桶1株，根据土壤水分实际情况不定期浇水确保土壤水分，种植5个月后进行收割处理，并测定斑茅中重金属Cd、Zn、Pb、Cu的含量。

表1 重金属复合污染试验不同处理Cd、Zn、Pb、Cu添加量Tab.1 Addition content of Cd，Zn，Pb and Cu in heavy metals combined pollution treatments mg/kg

1.3 测定项目与方法

1.3.1 斑茅全株鲜质量的测定 收割后除去土壤，整株取出斑茅，先用自来水把根部冲洗干净，并将根部放在20 mmol/L的Na2-EDTA溶液中浸泡3 h以除去表面吸附的重金属，再用去离子水反复冲洗干净，晾干水分后测量斑茅全株鲜质量。

1.3.2 斑茅根、茎、叶中Cd、Zn、Pb、Cu含量的测定 将斑茅分为根、茎、叶三部分，105 ℃杀青30 min后，70 ℃烘箱中烘干至恒质量，研磨样品过0.5 mm筛后分别准确称取磨碎的根、茎、叶各0.200 0 g至微波消解罐中，加入3 mL H2O2和6 mL浓HNO3，盖紧进行微波消解，消解液转移至100 mL容量瓶，定容后再稀释10～100倍，采用火焰-石墨炉原子吸收光谱仪(PE900T)测定溶液中Cd、Zn、Pb、Cu含量。

1.4 富集系数和转移系数计算

富集系数(Concentration factor,BCF)=植株组织重金属含量/土壤重金属含量。

转移系数(Translocation factor,TF)=植株地上部组织重金属含量/植株根部重金属含量。

1.5 数据处理及分析

采用 SPSS 18.1 软件对数据进行差异性分析，采用Excel 2018软件进行统计处理。

2 结果与分析

2.1 不同重金属复合污染处理对斑茅鲜质量的影响

不同处理斑茅地上部鲜质量如图1所示。斑茅地上部生物量随着重金属Cd、Zn、Pb、Cu复合污染物含量的增加呈逐渐减小趋势。与T0处理相比，只有T1处理斑茅地上部鲜质量略有下降；T2、T3、T4处理受复合重金属含量影响，斑茅地上部鲜质量下降明显，分别降低20.60%、25.11%、26.71%。结果表明，高含量的复合重金属处理使斑茅的生长受到一定程度的抑制，但各处理下斑茅叶片、根系均未发现毒害现象，据此可推测在复合重金属含量大于T4处理的一定幅度范围内，斑茅依然可以存活。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)Different lowercase letters mean significant difference among different treatments(P<0.05)图1 Cd、Zn、Pb、Cu复合污染试验不同处理下斑茅地上部鲜质量Fig.1 The fresh weights of Saccharum arundinaceum Retz.under different treatments of heavy metals Cd,Zn,Pb,Cu combined pollution

2.2 不同重金属复合污染处理下斑茅根、茎、叶中的Cd、Zn、Pb、Cu含量

不同重金属复合污染处理下斑茅根、茎、叶中的Cd、Zn、Pb、Cu含量见表2。

在不同Cd、Zn、Pb、Cu复合污染处理下，随着重金属含量的增加，斑茅根、茎、叶组织中Cd、Zn、Pb、Cu含量逐渐增大。T4处理根茎叶的Cd、Zn、Pb和Cu含量均达到最大，根部Cd、Zn、Pb、Cu的最大含量分别为104.4、2 486.0、379.7、1 457.3 mg/kg，分别是对照T0的11.2、20.3、3.6、24.1 倍；茎部Cd、Zn、Pb、Cu的最大含量分别为32.3、1 461.7、77.6、25.3 mg/kg，分别是对照T0的17.0、108.3、1.2、2.4倍；叶部Cd、Zn、Pb、Cu的最大含量分别为13.6、488.5、21.7 g、43.5 mg/kg，分别是对照T0的68.0、45.2、14.5、10.6 倍。从各处理斑茅根茎叶中Cd、Zn、Pb、Cu含量来看，对于Cd和Pb，均是根中含量最大，茎中含量次之，叶中含量最小；但对于Zn，T1—T3处理呈现茎>根>叶的分布规律，T4处理相较于T1—T3处理，Zn含量大小分布为根>茎>叶;但对于Cu，T0—T2处理呈现根>茎>叶的分布规律，T3—T4处理相较于T0—T2处理，Cu含量分布为根>叶>茎。由此可见，在Cd、Zn、Pb、Cu复合污染土壤中种植斑茅，Cd、Pb、Cu主要富集在斑茅的根部，Zn主要富集在斑茅的根部及茎部。

2.3 不同重金属复合污染处理下斑茅茎叶中Cd、Zn、Pb、Cu的富集及转运特点

在不同重金属复合污染处理下，斑茅对Cd、Zn、Pb、Cu的富集和转运系数见表3。

在不同Cd、Zn、Pb、Cu复合污染处理下，斑茅根中Cd、Zn、Pb、Cu的富集系数分别为2.64～4.44、1.42～2.91、0.66～2.62、1.34～3.44。除T0处理外，斑茅根中Cd、Zn、Cu的富集系数随着复合污染土壤中Cd、Zn、Cu含量的增大而增大，但斑茅根中Pb的富集系数随着复合污染土壤中Pb含量的增大呈现先减小后增大的趋势。

表2 Cd、Zn、Pb、Cu复合污染试验不同处理下斑茅根、茎、叶中Cd、Zn、Pb、Cu的含量

注：同列后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同。

Note： Different lowercases in the same column mean significant differences between different treatments(P<0.05),the same below.

表3 Cd、Zn、Pb、Cu复合污染试验不同处理下斑茅茎、叶中Cd、Zn、Pb、Cu的富集和转运系数Tab.3 Concentration factors and translocation factors of Cd，Zn，Pb，Cu in stem and leaf of Saccharum arundinaceum Retz.under different treatments of heavy metals combined pollution

在不同Cd、Zn、Pb、Cu复合污染处理下，斑茅茎中Cd、Zn、Pb、Cu的富集系数分别为0.54～1.62、0.25～2.44、0.18～1.60、0.06～0.45；转移系数分别为0.20～0.58、0.11～1.43、0.20～0.61、0.02～0.18。其中，T2处理斑茅茎中Cd的富集系数最大，达到1.62,T1处理斑茅茎中Cd的转移系数最大，达到0.58；T3处理斑茅茎中Zn的富集系数最大，达到2.44,T1处理斑茅茎中Zn的转移系数最大，达到1.43；T4处理斑茅茎中Pb的富集系数、转移系数均最小，分别为0.18、0.20，由此可见，Pb含量越高越不利于斑茅茎部对Pb的富集和转移；在T0—T4处理中，斑茅茎中Cu的富集系数、转移系数均随土壤中Cu含量的增加呈逐渐减小趋势，最小富集系数和转移系数分别为0.06、0.02。

在不同Cd、Zn、Pb、Cu复合污染处理下，斑茅叶中Cd、Zn、Pb、Cu的富集系数分别为0.06～0.58、0.13～0.57、0.02～0.07、0.06～0.17；转移系数分别为0.02～0.13、0.09～0.20、0.01～0.09、0.03～0.08。在T1—T4处理中，斑茅叶中Cd、Zn的富集系数、转移系数均随着Cd、Zn含量的增加而升高；而斑茅叶中Pb的富集系数、转移系数均随着Pb含量的增加呈现先增大后减小的趋势；T0处理斑茅叶中Cu的富集系数最大，达到0.17，此时Cu的转移系数为0.07。

3 结论与讨论

随着复合污染土壤中Cd、Zn、Pb、Cu含量的增加，本研究重金属含量范围内斑茅根茎叶各部均没有毒害特征出现，表现出一定的耐性，证明斑茅在一定含量重金属复合污染环境中可以正常生长。胡鹏杰等[13]发现，在Cd 质量浓度≤20 mg/L时，长柔毛委陵菜能够正常生长。熊愈辉等[14]的研究也表明，在临界浓度分别为500 μmol/L和1 000 μmol/L以下时，Cd和Pb对东南景天的生长基本无抑制作用。本研究表明，低Cd、Zn、Pb、Cu含量处理对斑茅生物量基本没有影响，但伴随重金属含量升高斑茅生物量逐渐减小，这与许多试验植物对重金属的生理响应结果类似。如杨俊等[15]研究发现，随着Cu、Pb 和As复合污染物含量增加，蓖麻、蜈蚣草、印度芥菜和向日葵的生物量均显著下降。孙健等[16]在Cd、Pb、Cu、Zn和As 5种重金属复合胁迫下种植灯心草，其地上部生长受到一定程度的抑制，其研究发现，在土壤环境质量二级标准上限值条件下种植灯心草，地上部生物量减9.15%。廖琴等[17]研究表明，伴随土壤中Cd、Pb、Zn、Ni 复合污染水平的提高，芹菜地上部生物量明显下降。以上研究表明，当土壤重金属复合含量超过一定限度时，植物各组织的生理生长代谢和营养吸收均会受到不同程度的影响，其生长发育也会表现不同程度的抑制。

随着复合污染土壤中Cd、Zn、Pb、Cu含量的增加，斑茅根、茎、叶组织中的Cd、Zn、Pb、Cu含量也逐渐增加，研究发现，Cd、Pb、Cu在斑茅组织中的含量顺序为根>茎>叶，这与大多数植物在重金属环境中的组织积累结果一致。许中坚等[18]研究表明，与对照相比，在Pb、Zn、Cd复合污染条件下，芥菜和油菜体内重金属含量显著提高，且其地下部重金属含量高于地上部含量。茹淑华等[19]发现，随着土壤Cu、Zn、Pb、Cd含量的增加，番茄根中Cu、Zn、Pb、Cd的含量明显增大，茎叶中Zn、Cd含量也呈明显的上升趋势，番茄对同一重金属元素的富集能力顺序为根>茎叶>果实。林诗悦等[20]研究表明，在Cd、Zn、Pb复合污染土壤中，龙葵和印度芥菜对重金属Cd、Zn 具有较强的富集与忍耐能力，且其吸收富集量随土壤中重金属含量的增加而增加，龙葵和印度芥菜地下部对重金属Pb的吸收富集能力大于地上部。以上研究表明，植物各组织中重金属含量与复合污染土壤中各种金属的含量密切相关，总的来讲，植株各组织部位重金属含量随着土壤重金属含量的增大而增大。

本研究表明,土壤中Cd、Zn、Pb、Cu 4 种重金属元素在斑茅不同部位的富集系数存在较大差别。总体上看,斑茅对Cd、Zn的富集能力较强,其次是Pb、Cu。除T0处理外，同一处理水平时4种重金属在斑茅中的富集系数受重金属含量的影响表现为茎部Zn>Cd>Pb>Cu，叶部Cd>Zn>Cu>Pb。这或许与重金属元素在植物体内的生物化学过程及植物对其吸收和运输的机制密切相关[21]。本研究表明，斑茅不同部位对重金属的富集系数也存在一定差别,除T3、T4处理重金属Cu富集系数为叶>茎外，其他处理表现为茎>叶。许中坚等[22]研究证实，复合污染土壤中Cu、Zn、Cd、Pb 4种重金属元素在莴苣不同部位的富集系数也存在一定差别,表现为根>叶>茎。廖琴等[17]发现，Cd、Pb、Zn、Ni 4种重金属在芹菜根部的富集系数大于地上部的富集系数，证实芹菜根部对Cd、Pb、Zn、Ni吸收累积能力大于地上部。

转移系数是植株地上部组织重金属含量/植株根部重金属含量[23]，可以表征植物根部向地上组织运输重金属的能力。本研究表明，在复合污染条件下斑茅茎部对Cd、Pb、Cu 3种重金属的转移系数均小于1，且同一重金属元素在不同处理之间的转移系数不同。除T0处理外随着不同处理重金属含量的增加，斑茅茎部Cd、Zn、Pb、Cu的转移系数逐渐减小，而叶部Cd、Zn的转移系数逐渐增大，叶部Pb、Cu的转移系数先增大后减小。廖琴等[17]研究发现，在复合污染条件下，芹菜对Cd、Pb、Zn、Ni的转移能力和规律与本研究有类似之处。林诗悦等[20]研究发现，随着土壤中复合重金属含量的增加，芥菜和油菜对Pb、Zn的转运能力总体上呈减小趋势，证明芥菜和油菜对Pb、Zn的吸收更多集中在根部。

综上，低含量的重金属复合污染土壤，对斑茅地上部鲜质量影响不大，但高含量则对斑茅地上部鲜质量有抑制作用。斑茅地上部茎、叶对Cd、Zn表现出较强的耐性和富集能力，茎、叶中Cd含量最大分别为32.3、13.6 mg/kg，Zn的含量最大分别为1 461.7、488.5 mg/kg，并具有一定的转移能力，斑茅可作为Cd、Zn污染土壤的修复植物。