5种景天属植物耐受重金属锌胁迫差异性研究

王 莹 徐宏波 王 洋 王梦茜 汪成忠 尹原森 孙 雪 周 辉 卓丽环

（1. 苏州农业职业技术学院，苏州 215000；2. 上海东海职业技术学院，上海 200000）

伴着锌矿的过度开采，随之而来的矿渣、废水、废气沉积到锌矿周围的土壤中，使土壤锌含量超标，生长在锌矿周边农田的农产品累积过量锌，通过食物链转移到人类体内，致使人类产生各种疾病、罹患癌症甚至死亡，危及人类健康［1］，所以矿区周围农田锌污染治理和修复亟待解决。植物修复技术因其对环境友好，成本低、容易操作，不易产生二次污染成为重金属土壤修复研究热点［2］。众所周知，重金属锌超富集植物东南景天、喜生于富含Zn、Pb 矿区的伴矿景天则为锌污染土壤修复的理想材料［3～5］。根据同一科属具有相同特性的原理［6］以及笔者前期研究基础，筛选出对锌具有较强抗性的5种景天，分别为长药景天（Sedum specta‐bile）、三七景天（S. aizoon）、德国景天（S. hybri‐dum）、松塔景天（S. lydium）、胭脂红景天（S. spuri‐um‘Coccineum’），关于5 种景天的生长响应重金属锌胁迫的差异鲜有报道，笔者结合我国部分矿区周围农田锌污染的情况，旨在为锌矿污染农田的修复提供良好植物材料。

植物生长发育状况（生物量、株高等）是衡量植物耐受重金属胁迫的重要指标［7］。丁继军以石竹为研究对象，对其生物量等指标进行研究，目的研究石竹幼苗对土壤重金属镉（Cd）的耐受性［8］，孙博文以白花蛇舌草为研究对象，通过对其生物量、株高等指标进行研究，探索中草药白花蛇舌草耐受Cd、Pb的能力［9］，王爱云为阐明铬胁迫对百花三叶草、高羊茅、紫花苜蓿3 种草本植物的毒害影响，则选择生物量、株高作为试验指标［10］。

我国是锌矿资源较为丰富的国家［11］，具有形成矿点多、资源分散的特点，由于近些年对重金属锌的需求量增大，部分地区的锌矿被过度开采，开采过后的废渣、废水、废气沉积到矿区周边农田中，致使锌污染较为严重，本论文列举了部分地区锌矿周边农田锌污染情况，旨在为修复锌污染农田提供理论依据。

本研究以长药景天、三七景天、德国景天、松塔景天、胭脂红景天作为研究对象，对其在不同浓度重金属锌胁迫下，5 种景天的生物量、株高变化进行研究，利用拟合回归方程分析5种景天耐受锌胁迫的能力以及差异，再结合我国部分地区锌矿周围农田锌污染情况，为今后锌矿周围农田修复提供理想植物材料打下良好基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

供试土壤：本试验采用盆栽方法，于2020 年4月在苏州农业职业技术学院相城校区试验大棚内进行。试验土壤来自相城校区内农田土，采集回来风干，磨碎、剔除其中粗杂质，过40目筛后备用，测定其基本理化性质和重金属本底值（见表1）。为了在取样时减少对植物根部的伤害，将沙和土壤按1∶3 混合作为培养基质，将其风干消毒，将消毒后的培养基质以1 kg 为单位装入直径20 cm、盆高25 cm的花盆中。

表1 盆栽土壤基本理化性质和重金属本底值Table 1 Physical，chemical and heavy metal characteristics of soil in pot experiment

5种景天处理：供试植物长药景天、三七景天、德国景天、松塔景天、胭脂红景天选用苏州农业职业技术学院温室内籽播1年生容器苗，分别选择健康、长势一致的植株移栽到试验大棚内进行盆栽试验，每种景天每盆种植3株，3次重复，7 d适应性培养后，进行不同浓度梯度重金属锌胁迫。

重金属锌浓度梯度设置：用ZnSO4·7H2O 对景天进行胁迫处理，同时设置空白对照（0）。根据GB15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》以及前期预实验5 种景天的生长状况，设定了重金属锌浓度梯度，锌以水溶液形式施于供试土壤中，该供试土壤全锌含量低于农用地土壤污染风险筛选值，锌溶液浓度分别达到80、160、320、800、1 600和2 000 mg·kg-1时均匀倒入土壤中，每个处理设3个重复，每隔7 d用不含重金属的去离子水喷洒植株1次，喷洒时水不能从盆底流出，以减少实验误差，胁迫处理60 d后取样。

1.2 样品采集处理与测定

5 种景天分别取9 个供试植株，先后用自来水和去离子水冲洗根系土壤和植株表面，然后用吸水纸分别吸取5 种景天表面水分，然后将供试5 种景天分割成地上和地下两部分。每种景天每个处理的3 株植株利用游标卡尺分别测定地上部分株高和根长，取平均值，3次重复，景天株高则为地上部分株高与根长之和；然后将供试景天在105℃杀青0.5 h，65℃烘干至恒重。用不锈钢粉碎机把景天地上部分和地下部分分别粉碎，分别放入自封袋中，用电子天平分别测定每种景天每个处理的3株植株地上部分和地下部分的生物量，取平均值，3次重复，植株生物量为地上部分与地下部分之和。

1.3 数据处理方法

利用SPSS 20.0软件进行统计分析，利用ANOVA 进行方差分析，利用LSD 法进行多重比较；利用Microsoft Excel 2019软件进行数据处理、多项式拟合分析、线性分析及作图。图中数据均为各处理数据的平均值，表中数据均为各处理数据的平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 5种景天响应锌胁迫的差异分析

2.1.1 5种景天生长对锌胁迫的响应

如表2 所示，5 种景天生物量随重金属锌浓度增加均呈先上升后下降的趋势，低浓度锌对植物生长起到促进作用，但随着重金属锌浓度不断增加，5 种景天生物量均有所下降，当重金属锌胁迫浓度为2 000 mg·kg-1时，5 种景天生物量均低于对照，降幅分别为长药景天3.70%、三七景天56.27%、德国景天14.76%、松塔景天56.39%、胭脂红景天30.99%，说明5 种景天在高浓度重金属锌胁迫下，遭受毒害；其中三七景天、松塔景天生物量在重金属锌浓度为2 000 mg·kg-1时相对于对照降幅呈显著性差异，说明这2种景天毒害较严重。

如表3 所示，5 种景天株高随重金属锌浓度增加均呈先上升后下降的趋势，低浓度锌对植物生长起到促进作用，但随着重金属锌浓度不断增加，5种景天株高均有所下降，当重金属锌胁迫浓度为2 000 mg·kg-1时，5 种景天株高均低于对照，降幅分别为长药景天7.14%、三七景天39.42%、德国景天20.34%、松塔景天23.97%、胭脂红景天4.38%，5种景天在高浓度重金属锌胁迫下，遭受毒害；其中三七景天、德国景天、松塔景天株高在重金属锌浓度为2 000 mg·kg-1时相对于对照呈显著性差异，说明这3种景天毒害较严重。

2.1.2 5种景天生长与锌胁迫多项式拟合分析

如图1 所示，5 种景天生物量增幅与锌浓度多项式拟合方程R2值分别为长药景天0.35、三七景天0.98、德国景天0.60、松塔景天0.90、胭脂红景天0.73，数值较好，拟合效果好，能充分说明5 种景天生物量增幅与锌浓度之间的关系；5种景天生物量增幅最大值出现在不同锌浓度胁迫下，松塔景天、胭脂红景天生物量增幅最大值出现在80 mg·kg-1时，长药景天、三七景天增幅最大值出现在160 mg·kg-1时，德国景天生物量增幅最大出现在320 mg·kg-1时；5 种景天生物量相对于对照降低的浓度也有所不同，长药景天、德国景天在重金属锌浓度为2 000 mg·kg-1时生长受阻，三七景天、松塔景天、胭脂红景天生长受到抑制出现在锌浓度为320 mg·kg-1。

如图2 所示，5 种景天株高增幅与锌浓度多项式拟合方程R2值分别为长药景天0.47、三七景天0.97、德国景天0.33、松塔景天0.92、胭脂红景天0.47，数值较好，拟合效果好，能充分说明5 种景天株高增幅与锌浓度之间的关系；5 种景天株高增幅最大值出现在不同锌浓度胁迫下，松塔景天、胭脂红景天株高增幅最大值出现在锌浓度为80 mg·kg-1时，长药景天、三七景天株高增幅最大值出现在锌浓度为160 mg·kg-1时，德国景天增幅最大值出现在锌浓度为320 mg·kg-1时；5种景天株高低于对照的浓度也有所不同，三七景天、松塔景天、胭脂红景天在重金属锌浓度为320 mg·kg-1时株高低于对照，德国景天株高在锌浓度为1 600 mg·kg-1时株高低于对照，长药景天株高则在锌浓度为2 000 mg·kg-1时低于对照。

2.1.3 5种景天生长与锌胁迫线性分析

5种景天生物量以增幅最大值作为分界点，分界点前的线性分析代表对景天生长的促进过程，分界点后的线性分析则为景天生长的抑制过程，如图3 所示，5 种景天生物量促进、抑制线性分析R2值分别为长药景天1、0.75，三七景天1、0.71，德国景天0.96、0.97，松塔景天1、0.87，胭脂红景天1、0.80，数值好，说明拟合效果好，能够利用5 种景天生长促进、抑制回归方程得到5 种景天生长促进、抑制速率；促进长药景天生物量增加的速率为0.32，抑制速率为-0.02；促进三七景天生物量增加的速率为0.11，抑制速率为-0.03；促进德国景天生物量增加的速率为0.27，抑制速率为-0.06；促进松塔景天生物量增加的速率为0.33，抑制速率为-0.04；促进胭脂红景天生物量增加的速率为0.45，抑制速率为-0.03。

5种景天株高以增幅最大值作为分界点，分界点前的线性分析代表对景天生长的促进过程，分界点后的线性分析则为景天生长的抑制过程，如图4 所示，5 种景天株高促进、抑制线性分析值R2分别为长药景天0.98、0.86，三七景天0.92、0.94，德国景天0.98、0.53，松塔景天1、0.90，胭脂红景天1、0.50，数字较好，拟合效果好，说明5 种景天生长促进、抑制回归方程可以得到5 种景天生长促进、抑制速率；促进长药景天株高增加的速率为0.23，抑制速率为-0.02；促进三七景天株高增加的是0.01，抑制速率为-0.02；促进德国景天株高增加的速率为0.03，抑制速率为-0.01；促进松塔景天株高增加的速率为0.1，抑制速率为-0.02；促进胭脂红景天株高增加的速率为0.18，抑制速率为-0.01。

2.2 我国锌污染情况

2018 年生态环境部发布的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018）中明确提出锌为农用地污染物之一，当锌含量超过农用地土壤污染风险筛选值时，对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险，应当加强土壤环境监测和农产品协同监测，原则上应当采取安全利用措施，如表4 所示，我国部分锌矿周边的农田锌浓度均高于筛选值，锌污染农田亟待修复。

表4 我国部分地区锌矿周围农田锌污染情况表Table 4 Situation table of zinc pollution in farmland around zinc mines in some areas of China

3 讨论

5种景天生物量、株高随着重金属锌浓度增加均呈现先上升后下降的趋势，5 种景天生物量、株高在重金属锌浓度为2 000 mg·kg-1时低于对照，说明5 种景天生长受到抑制，这与朱娜、李富荣研究结果相一致［23］。锌是动植物生长发育必需的微量元素，低浓度的锌对植物的生长发育起到促进作用，但土壤中锌含量一旦过高，植物的生长发育受到抑制，所以5 种景天的生物量、株高随着重金属锌浓度增加，呈现先上升后下降的现象；三七景天、松塔景天生物量相对于对照呈显著性差异下降，三七景天、德国景天、松塔景天株高相对于对照呈显著性差异降低，说明三七景天、松塔景天遭受锌毒害较严重。

5种景天在重金属锌胁迫浓度达到2 000 mg·kg-1时仍能生长，说明5种景天对重金属锌具有很强的耐受性，究其原因主要有5 点：①5 种景天根系代谢能力强，能分泌出柠檬酸、苹果酸等羧酸类有机物，这些有机物均能有效络合重金属离子，降低其对植物的毒性及其在土壤中的移动性，从而缓解根际重金属对于景天的毒害胁迫，这与Hall 的研究结果相一致［24］；②5种景天根系具有较强的抗氧化能力，植物正常启动抗氧化防御机制，提高其抗氧化能力，是减缓重金属胁迫伤害和提高植物自身重金属耐性的重要措施，与Zhang、毛石花、高艳的研究结果相类似［25～27］；③转移到景天根系的重金属离子被区室化，区隔到液泡中，降低了锌离子对根系的毒害作用，与段德超的研究结果相似［28］；④5种景天根际存在多种有益微生物，多种根际有益微生物与景天互利共生，有益微生物协助景天吸收养分，并分泌有机酸钝化根际重金属或促进植物根系对重金属无毒化吸收，进而提高景天对重金属锌的耐受性，这与吴道铭的研究结果相一致［29］。

5种景天生物量、株高增幅最大值出现在不同锌浓度胁迫下，长药景天、胭脂红景天生物量、株高在锌浓度为80 mg·kg-1时增幅最大，长药景天、三七景天生物量、株高在锌浓度为160 mg·kg-1时增幅最大，德国景天生物量、株高在锌浓度为320 mg·kg-1时增幅最大；5 种景天生物量、株高随着重金属浓度不断增加，增幅降低，直至变为负值，三七景天、松塔景天、胭脂红景天生物量、株高在重金属锌浓度为320 mg·kg-1时增幅变为负值，长药景天生物量、株高在重金属锌浓度为2 000 mg·kg-1时增幅变为负值，德国景天生物量增幅在锌浓度为2 000 mg·kg-1变为负值，而株高增幅在锌浓度为1 600 mg·kg-1变为负值。

5种景天生物量、株高在某一锌浓度胁迫下增幅最大，但随着锌浓度继续增加，增幅逐渐降低直至负值；生物量、株高增幅达到最大值所对应的重金属锌浓度则为分界点，分界点前则为促进植物生长的锌浓度，分界点后则为抑制植物生长的锌浓度；利用线性曲线分析促进速率和抑制速率，从R2值来看，除抑制松塔景天、胭脂红景天株高R2值外，其余景天生物量、株高R2值都高于0.7，说明景天生长与锌胁迫线性分析可以说明促进或抑制情况，线性回归方程中的系数则为促生或抑制速率；就生物量而言，胭脂红促生速率最大，德国景天抑制速率最大；就株高而言，长药景天促生速率最大，长药景天抑制速率最大。

我国是锌矿较为丰富的国家，但由于过度的开采致使周围的农田锌污染较为严重，从本论文列举的不同地区的锌污染情况表可以看出，各地区锌污染情况有所不同，但都高于土壤污染风险筛选值，亟待修复。结合本论文5种景天耐受重金属锌胁迫的差异性，筛选合适的景天修复重金属锌污染农田。