不同铅浓度对车前和平车前生长及铅积累的影响

赵淑玲,何九军,王一峰,张蕊红,杨小录,胡文斌

(1.陇南师范高等专科学校 农林技术学院,甘肃 成县 742500；2.成县城关镇农业技术推广站,甘肃 成县 742500 )

随着社会经济的发展,城市化和工业化进程进一步加快,人们对物质需求急增导致环境污染加剧.我国土壤重金属污染主要是汞、铬、铜、铅、镍[1]等,其中重金属铅污染增长速度较快.据统计全世界每年铅排放量约为5×106t,我国有六分之一的耕地不同程度受到重金属污染[2].重金属可以通过食物链一级一级传递,在动植物体内富集,进一步对人类造成危害.2016年以来，国务院等部门先后发布《土壤污染防治行动计划》《中华人民共和国土壤污染防治法》,污染土壤修复成为关注点.

重金属污染土壤的修复技术主要包括生物修复、化学修复、物理修复和联合修复等[3],植物修复是利用植物对某些化学物质的富集、可耐受性吸收、转移、分解和转化污染物等去除污染物,由于植物修复具有成本低适应性广,对周边环境干扰少、原位修复以及有较多重金属超富集植物等特点,使植物修复成为21世纪以来研究和应用的热点[4].近年来关于修复植物的研究主要放在草本植物的超富集植物筛选上[5],陆引罡[6]、刘丽杰[7]、李婧[8]、张文博[9]等人研究中发现车前对重金属Ni、Se、Zn、Cu、Hg、Pb均有不同程度的富集作用.与其他修复植物相比,车前(PlantagoasiaticaL.)和平车前(PlantagodepressaWilld.)生长速度快,能有效阻止重金属铅进入食物链,降低铅危害的特点.

本研究通过移栽试验,研究车前和平车前在Pb2+污染土壤上的生长情况,探索车前和平车前对铅污染耐性及对铅污染土壤修复的应用潜力.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

车前种子采自成县小川,平车前种子采自成县梁山,2020年7月中旬至2020年9月上旬分别采集车前和平车前成熟果穗,在室内阴干,留取种子待用.

栽种基质槽(长×宽×高=72 cm×21 cm×22 cm ).

育苗基质(山东商道生物科技股份有限公司银川分公司).

发酵后的农家肥(陇南师专农林技术学院).

1.2 试验设计

用0.5%的KMnO4溶液将种子浸泡20 min,自来水冲洗干净,播种在装有育苗基质与农家肥(育苗基质∶农家肥=3∶1)的基质槽中进行催芽,催芽20 d左右,选取生长状况一致健康的幼苗进行移栽。

将育苗基质与农家肥按3∶1比例混匀,硝酸铅按不同浓度加到土壤中,铅污染土壤处理梯度(以Pb2+计)分别为:0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg、600 mg/kg、800 mg/kg.硝酸铅与土壤充分混匀后装入栽种基质槽.

将生长一致健康的幼苗分别移栽至装有不同铅浓度处理土壤的基质槽中，每槽栽种15株,所有栽种幼苗的基质槽放置在陇南师专智能温室中.试验期间保持土壤含水量在70%左右.

移栽种植90 d后,将植株和土壤带回实验室进行相应指标的测定.

1.3 指标测定及方法

主要测定株高、鲜重、干重、植物地上部分含铅量和植物地下部分含铅量(本试验中地上鲜重、地下鲜重、干重均指单株植物的生物量).

移栽90 d后将采收的车前和平车前先用自来水冲洗干净再用蒸馏水冲洗至无泥土杂质,用滤纸吸取水分,在鼓风烘干箱中105 ℃下20 min杀青,然后温度设置为70 ℃烘干至恒重.将恒重的植物样品研碎,过100目尼龙筛待用.土壤样品四分法取样,自然风干后过筛待用.植物叶和根用HClO4-HNO3消解,土壤用HF-HClO4-HNO3消解后用原子吸收分光光度法分别测定叶、根及土壤中的Pb含量.富集系数和铅转移系数计算方法见公式(1)和(2).原子吸收分光光度计为ZEEnit 700P,Pb测定波长为283.3 nm.

计算公式如下

铅富集系数=植物地上部分铅含量/土壤中铅含量，

(1)

铅转移系数=植物地上部分铅含量/植物根部铅含量[10].

(2)

1.4 数据处理

用Origin 2018软件作图,数据用IBM SPSS Statistics 23软件,比较平均值单因素Anova检验邓肯法进行方差分析(0.05水平),二因素分析用一般线性模型中单因素法分析统计,数据用平均值表示(Means)±标准差(SD).

2 试验结果与分析

2.1 不同铅浓度对车前和平车前生物量的影响.

表1 不同浓度铅处理对车前和平车前幼苗生物量的影响

由表1可以看出,车前的株高在Pb2+浓度为200 mg/kg时,株高最高为25.74 cm,随后株高与CK相比均下降,在Pb2+浓度为800 mg/kg时,株高最低为22.68 cm,车前的根长随Pb2+浓度的增加整体呈下降趋势,平车前在Pb2+浓度为600 mg/kg时,株高最高为17.98 cm,在Pb2+浓度为800 mg/kg时,株高最低为14.64 cm,平车前的根长在Pb2+浓度为600 mg/kg时根长最长,为12.60 cm.车前和平车前的株高与根长与对照组相比,整体无差异(P>0.05),表明车前和平车前植株在本试验范围内铅胁迫下没有明显的生长不良状况.

表1显示车前在Pb2+浓度为200 mg/kg～400 mg/kg时,其地上部分和地下部分的鲜重均高于CK,地下部分鲜重与CK相比差异显著(P<0.01),车前干重整体呈增加趋势,在Pb2+浓度为200 mg/kg～400 mg/kg时与CK相比差异显著(P<0.01),平车前地下干重随Pb2+浓度的增加呈上升趋势,平车前根系生长随Pb2+浓度的增加而增加,与文珂[11]研究结果相同.车前和平车前在相同铅浓度处理下地上鲜重、地下鲜重、地下干重有差异(P<0.05),地上干重在Pb2+浓度为400 mg/kg、600 mg/kg、800 mg/kg时两品种间差异极显著(P<0.01).

铅不同浓度对车前和平车前生长指标影响相关系数见表2.

表2 铅处理对车前和平车前生长指标相关性分析

2.2 车前和平车前地上和地下部分对铅的积累

图1 不同浓度铅处理对车前和平车前地上及地下部分铅含量的影响图

由图1可以看出,随土壤中铅浓度的增加,车前和平车前地上部分和地下部分的含铅量增加,地上与地下部分的含铅量均在铅浓度为800 mg/kg时达到最高值.车前地上与地下部分的含铅量为56.96 mg/kg和344.36 mg/kg,分别是CK的44.50倍和117.93倍,平车前地上与地下部分含铅量为50.28 mg/kg和332.47 mg/kg,分别是CK的43.34倍和130.90倍.车前和平车前地上部分与地下部分含铅量处理组与CK相比,差异极显著(P<0.01).图1显示,在相同铅浓度土壤栽培条件下,车前和平车前地下部分含铅量远远高于地上部分.植物的根部有吸收作用,根部固定的铅随土壤铅浓度的增加而增加,铅通过根部吸收运输,转运至植物的地上部分[12].刘丽杰[7]在研究车前对Cu和Ni的富集时发现车前的根部能积累较多的重金属,而叶片中积累的较少.在相同铅浓度处理下,车前的地上部分和地下部分的含铅量均高于平车前,推测在本试验铅浓度范围内,车前比平车前对铅的固定能力更强.

2.3 不同铅处理对车前和平车前转移系数的影响

由图2可以看出,车前和平车前对铅的转移系数随铅浓度含量的增加呈下降趋势,植物将重金属由植物地下部分转移到植物地上部分的能力可以用转移系数进行评价.在本试验中,车前和平车前的转移系数均低于0.5,同时CK的转移系数与处理组相比均高于处理组(P<0.01),因此在较低铅浓度污染土壤条件下,车前和平车前有较强的铅转运能力.方差分析结果表明(表3),车前和平车前两个品种间转移系数无差异(P>0.05),但不同铅处理浓度对车前和平车前的影响差异显著(P<0.01).

表3 不同浓度铅处理下车前和平车前转移系数的方差分析

2.4 不同铅处理对车前和平车前富集系数的影响

植物对重金属的积累可以用富集系数进行评价.由图3可知随土壤铅浓度的增加，车前和平车前的富集系数呈下降趋势,在土壤含铅量为200 mg/kg时,富集系数急剧下降,在土壤含铅量为800 mg/kg时,车前和平车前的富集系数达到最低值.车前和平车前随土壤含铅量的增加其富集系数与CK相比均差异显著(P<0.01),富集系数的方差分析(表4)也表明品种、铅浓度以及品种×浓度对富集系数的影响差异显著(P<0.01).

图2 不同浓度铅处理下车前和平车前的转移系数图3 不同浓度铅处理下车前和平车前的富集系数

表4 不同浓度铅处理下车前和平车前富集系数的方差分析

3 讨论

正常情况下,植物体内铅的含量小于10 mg/kg[13]，过量的铅对植物毒害作用较大,不同的植物对铅的敏感度不同[14],植物的根系吸收铅的含量大大高于叶的含铅量.车前细胞壁限制铅进入细胞内,细胞器对铅有较强的结合能力[8].植物对重金属胁迫的应答机制十分复杂,王怡仁[15]在研究铅对小麦根系胁迫时发现,铅胁迫组与对照组之间有3万多个差异表达基因.文珂[11]等人研究重金属污染土壤与非污染区土壤上平车前生长时发现平车前在重金属污染土壤上能生长、开花、结实,但污染土壤上生长的平车前与非污染土壤相比,污染土壤上生长的平车前根系比例较非污染区土壤上生长的平车前高.

试验中,车前的株高在Pb2+浓度为200 mg/kg时，株高最高,随后株高与CK相比均下降,车前的根长随Pb2+浓度的增加整体呈下降趋势,平车前在Pb2+浓度为600 mg/kg时,株高、根长达到最高,车前和平车前的株高与根长与对照组相比,整体无差异(P>0.05),表明在试验范围内，铅对车前和平车前植株的生长没有明显的不良影响.但地上部分和地下部分的鲜重和干重均受到影响.车前在土壤铅浓度为200 mg/kg时,植株鲜重有最高值,车前干重总体呈上升趋势.平车前鲜重在土壤铅浓度为400 mg/kg时,植株鲜重值最高.车前和平车前的地下干重随土壤铅浓度的增加总体上升,推测在铅胁迫下植物细胞生长过程中体积增加缓慢,又因为积累一定的铅,植株含水量与CK相比要低.车前和平车前对重金属Pb的积累随土壤含铅量的增加而增加,在土壤铅浓度为800 mg/kg时,车前和平车前整株含铅量达到最高值,车前和平车前地下部分的含铅量高于地上部分,这与赵毅辉[16]和毛雪飞[17]研究结果相同.对重金属较敏感的植物根部对重金属的累积量高,车前和平车前的富集系数和转移系数随土壤铅浓度的增加总体呈下降趋势.

4 结论

综上所述,在本试验范围铅胁迫(200 mg/kg、400 mg/kg、600 mg/kg、800 mg/kg)下,车前和平车前地上和地下部分含铅量随土壤铅浓度的增加而增加,地下部分含铅量整体高于地上部分,车前和平车前的富集系数和转移系数随土壤铅浓度的增加总体呈下降趋势.在本试验中车前和平车前植株没有明显的生长不良状况,表明车前和平车前在铅污染土壤上有一定的抗性和应用潜力.