遮阴对伴矿景天Cd、Pb、Zn累积特征的影响*

2022-03-11何永美湛方栋祖艳群陈建军

中国生态农业学报(中英文) 2022年3期

陈思,阎凯,何永美,湛方栋,祖艳群,李元,陈建军,李博

(云南农业大学资源与环境学院昆明 650201)

我国已成为全球最广泛、最严重的土壤污染国家之一,2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,有16.1%的耕地被无机污染物污染,其中镉(Cd)、铅(Pb)、锌(Zn)污染点位超标率分别为7.0%、1.5%和0.9%。云南兰坪金顶矿是我国目前已探明的最大铅锌矿床,Cd、Zn 金属储量共1547.61万t。矿产资源开采的同时也带来了严重的环境污染,兰坪铅锌矿区周边土壤Cd、Pb 和Zn 含量分别达76.4 mg·kg、4100.4 mg·kg和8367.2 mg·kg。

伴矿景天()是生长于我国浙江铅锌矿地区的一种景天科植物,具有超富集Cd、Zn 的特性,是一种多年生草本植物,无性繁殖为主,与其他修复植物相比具有生长速率快、生物量大的特点,通过不断收获伴矿景天地上部分,带走土壤中的重金属,可达到治理重金属污染土壤的目的,为我国重金属污染土壤植物修复提供了新的种质资源。关于伴矿景天的重金属耐性与积累性、农艺措施和外界环境因素对其生长和重金属吸收的调控作用及原理等方面已有相关研究。在重金属污染土壤中与伴矿景天间作可以降低植物的重金属含量,同时提高修复效率;70%的田间持水量、44 万株·hm的种植密度均可促进伴矿景天地上部生物量,促进Cd 的吸收,从而缩短Cd 的污染修复时限。

光照强度是影响植物结构和功能特性的重要环境因素,当植物受到光照变化影响时,会适当改变其植株形态特征和生理活动代谢来提高生存适应度。对伴矿景天原居地生境的调查发现,伴矿景天多生长于山坡阴湿处石缝中或者山崖沟渠荫凉湿润处,在夏季高温时生长缓慢或停止生长,所以通过间作或温室大棚并加以遮阴网来改善其光、热、水分和根际环境条件来提高修复效率。李娜等研究表明50%～100%的光照强度并不会影响伴矿景天的生长和对Cd、Zn 的吸收,但随着光照减弱,伴矿景天光合速率、蒸腾速率和水分利用率降低;且光照强度降至30%会使伴矿景天的干物质生物量和Cd、Zn 吸收量显著降低,修复效率大大降低。伴矿景天在云南兰坪铅锌矿区污染农田土壤修复实践中已有一些初步应用,但野外原位试验条件下遮阴对伴矿景天生长和Cd、Zn 等重金属超累积能力影响的研究结果相对较少。在云南兰坪紫外线较强的地区,遮阴是否会缓解紫外损伤,对植物生长有利、抑制或降低植物的重金属吸收性,尚鲜有相关报道。因此,本研究在云南怒江兰坪铅锌矿区矿渣土壤上野外原位种植伴矿景天,铺设遮阴网以降低光照强度,探讨遮阴对伴矿景天Cd、Pb、Zn累积、亚细胞分布和化学形态的影响,评估伴矿景天在云南高原的生态适应性,以期为兰坪矿区重金属污染土壤的植物修复提供理论基础数据和实践科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

云南兰坪地处云南省怒江傈僳族自治州的横断山脉纵谷地带,被称为中国的“绿色锌都”,属怒江傈僳族自治州兰坪白族普米族自治县,位于滇北、川西北和藏东三江(金沙江、澜沧江、怒江)成矿带中段,澜沧江流域的东侧。金顶铅锌矿储量居亚洲第一,世界第二,矿区属低纬山地季风气候。试验地点选择兰坪县铅锌矿区附近来龙村农田(99°28′33″E,26°27′23″N),海拔2815 m,土壤类型为石质土,污染主要来自矿区开发尾矿残留重金属进入农田。

试验地温度、湿度及光照强度采用温湿度计和紫外光谱分析仪测定,2020年6-10月每个月计算试验地的平均月高温、湿度、降雨和日最大光照强度,得平均月高温、湿度和降雨量分别为24 ℃、57.10%和114.18 mm,遮阴网表层上的光照强度为73 W·m,植物冠层的光照强度为54 W·m。

土壤基本性质:pH 7.54,CEC 为5.65 cmol·kg,有机质含量45.97 g·kg,全氮、全磷和全钾含量分别为0.57 g·kg、0.59 g·kg和20.11 g·kg,碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为119.21 mg·kg、22.38 mg·kg和228.76 mg·kg,土壤Cd、Pb 和Zn 含量分别为13.95 mg·kg、531.66 mg·kg和2062.81 mg·kg。依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB 15618-2018)》Cd、Pb 和Zn 风险筛选值分别为0.60 mg·kg、170 mg·kg和300 mg·kg,试验区土壤Cd、Pb 和Zn 含量分别超出风险筛选值22.25 倍、2.13 倍和5.88 倍。

1.2 试验设计

在兰坪白族普米族自治县来龙村矿山上进行大田试验。试验设置100%自然光照(无遮阴网,CK)和遮阴(75%光照,一层遮阴网;S)2 个处理,每个处理3 个重复。共设置6 个试验小区,每个小区面积为4 m,小区间隔30 cm,中间起田埂隔开,小区四周开沟,沟宽30 cm,深30 cm。遮阴在试验小区上方50 cm 高处铺设遮阴网,为减少早晚阳光斜射对试验结果的影响,遮阴网四周各超出试验小区10 cm。

1.3 样品采集与处理

种植前,用不锈钢土钻垂直向下取各试验小区中心0～10 cm 表层土壤,土样混合,将土样除杂、风干,分别过2 mm 和0.149 mm 尼龙筛用于测定土壤背景值;并测定苗源实验基地伴矿景天植株重金属背景值。

伴矿景天经遮阴处理生长,于2020年10月16日通过S 型采样法采集各小区伴矿景天植株10 株带回实验室用自来水和去离子水清洗干净后备用,放入105 ℃烘箱内杀青30 min,在75 ℃烘干至恒重,用研钵磨碎作为干样,过0.5 mm 尼龙筛,装袋保存、备用。

1.4 测定指标及方法

植物体内Cd、Pb、Zn 含量的测定:准确称取0.200 g 烘干样品置于聚四氟乙烯内罐中,加3 mL HNO浸泡过夜,再加1.8 mL HO,盖好内盖旋紧不锈钢外套,放入140 ℃恒温干燥箱中4 h 消解制成待测液,过滤后根、茎、叶中Cd、Pb、Zn 含量采用火焰原子吸收分光光度法(ThermoiCE 3300)测定。

叶绿素含量采用乙醇提取比色法测定。称取新鲜样品0.200 g 加入2～3 mL 95%乙醇研磨成匀浆,再加乙醇10 mL,继续研磨至组织变白,静置3～5 min后过滤定容。以95%乙醇为空白,在波长665 nm、649 nm 下测定吸光度。

亚细胞组分Cd、Pb、Zn 含量的提取测定采用差速离心法,化学形态Cd、Pb、Zn 含量采用化学试剂逐步提取法。各沉淀部分用浓硝酸和高氯酸消煮,过滤定容后火焰原子吸收分光光度法测定Cd、Pb、Zn 含量。以提取剂为本底对照进行测定。

植物Cd、Pb、Zn累积特征用富集系数(EC)、转移系数(TF)和生物转移因子(BTF)表示,计算公式为:

1.5 数据处理

Excel 表格用于数据处理,SPSS 21.0 进行差异性和相关性分析,OriginPro 9.0 进行绘图。

1.1 材料 ①一次性无纺布，规格120 cm×120 cm、60 cm×60 cm各60块;②双层棉布，规格120 cm×120 cm、60 cm×60 cm各60块(在包布一角订一块3 cm×3 cm的“补丁”，用于记录使用次数);③3M压力蒸汽灭菌化学指示卡及指示胶带。

2 结果与分析

2.1 遮阴对伴矿景天生物量和叶绿素含量的影响

由图1a 可知,遮阴情况下,伴矿景天根、茎、叶生物量均无显著差异。由图1b 可得,遮阴条件下,伴矿景天叶片中叶绿素a 和b 的含量均显著增加,分别增加100%(＜0.01)和50%(＜0.05);遮阴条件下伴矿景天叶片中的总叶绿素含量为0.24 mg·g,比对照极显著增加71%(＜0.01)。

图1 遮阴对伴矿景天生物量(a)和叶绿素含量(b)的影响Fig.1 Effects of shading on the biomass(a)and chlorophyll content(b)of Sedum plumbisincicola

2.2 遮阴对伴矿景天Cd、Pb、Zn 含量的影响

由图2 可知,遮阴条件下,伴矿景天植株茎、叶Cd含量分别显著减少14.5%(＜0.05)和27.8%(＜0.01),茎、叶Pb 含量分别极显著减少54.2%和21.8%(＜0.01),而根中Cd、Pb 含量无显著差异;同时,遮阴处理使伴矿景天植株根、茎、叶中的Zn 含量均极显著减少,降幅范围为32.4%～52.1%(＜0.01)。

图2 遮阴对伴矿景天Cd(a)、Pb(b)、Zn(c)含量的影响Fig.2 Effects of shading on the content of Cd(a),Pb(b)and Zn(c)in Sedum plumbisincicola

2.3 遮阴对伴矿景天Cd、Pb、Zn累积量的影响

由图3 可看出,伴矿景天Cd、Zn累积量均表现为叶＞茎＞根,Pb 累积量表现为根＞叶＞茎。遮阴处理导致伴矿景天植株茎、叶Cd 累积量显著减少37.6%和44.8%(＜0.05);遮阴处理下伴矿景天根、茎、叶Pb、Zn累积量均显著减少(＜0.05 或＜0.01),Pb 累积量分别减少23.7%、67.4%和40.0%,Zn累积量分别减少40.5%、56.2%和61.9%。

图3 遮阴对伴矿景天Cd(a)、Pb(b)、Zn(c)累积量的影响Fig.3 Effects of shading on the accumulation of Cd(a),Pb(b)and Zn(c)in Sedum plumbisincicola

2.4 遮阴对伴矿景天Cd、Pb、Zn 亚细胞含量分布的影响

遮阴条件下,Cd 在伴矿景天茎、叶细胞各组分中的分布均表现为可溶组分＞细胞壁＞细胞器(表1),可溶部分分配比例最高,占总量的47.8%～49.9%;其次为细胞壁组分,占31.3%～48.1%;细胞器膜组分占比最小,占16.9 %～24.2 %。且在遮阴条件下,伴矿景天叶细胞壁组分Cd 含量显著降低(＜0.05),茎中液泡为主的可溶部分Cd 含量显著增加(＜0.05)。

表1 遮阴对Cd、Pb 和Zn 在伴矿景天叶和茎中亚细胞分布的影响Table 1 Effects of shading on subcellular distrubition of Cd,Pb and Zn in leaves and stems of Sedum plumbisincicola

Pb 主要分布在伴矿景天茎、叶的细胞壁和细胞器膜组分,其中细胞壁组分的分配比例为38.0%～43.1%,细胞器膜组分的分配比例为35.8%～43.4%,而以液泡为主的可溶部分分配比例最小。且在遮阴条件下,伴矿景天叶细胞壁组分Pb 含量显著增加(＜0.05)(表1)。

Zn 在伴矿景天茎、叶中的含量和分配比例为细胞壁＞可溶部分＞细胞器,其中细胞壁和可溶部分总的分配比例为74.5%～92.3%。且遮阴条件下,伴矿景天茎、叶中细胞器和以液泡为主的可溶部分Zn 含量显著降低(＜0.05),茎、叶细胞器组分的降幅为52.2%和57.3%,可溶部分的降幅为11.8%和14.4%(表1)。

2.5 遮阴对伴矿景天Cd、Pb、Zn 化学形态含量的影响

图4所示,Cd 在伴矿景天茎、叶中均以氯化钠提取态(F)为主要存在形态,占Cd 提取总量的80.0%～95.3%。遮阴条件下,伴矿景天叶中的乙醇提取态(F)含量显著减少(＜0.05),水溶态(F)含量极显著减少(＜0.01),醋酸提取态(F)和盐酸提取态(F)含量极显著增加(＜0.01);且遮阴处理导致伴矿景天茎中F、F和F含量显著增加88.9%、16.4%和345.5%。

图4 遮阴对伴矿景天叶、茎中Cd(a,b)、Pb(c,d)、Zn(e,f)化学形态含量的影响Fig.4 Effects of shading on the contents of Cd(a,b),Pb(c,d)and Zn(e,f)chemical forms in leaves,stems of Sedum plumbisincicola

Pb 在伴矿景天茎、叶中均以氯化钠提取态(F)为主要存在形态,占Pb 提取总量的78.2%～73.0%;其次为醋酸提取态(F),占Pb 提取总量的9.5%～10.5%,而乙醇提取态(F)含量最少;且遮阴条件下伴矿景天茎、叶中F-Pb 含量显著增加(＜0.05),且茎中F-Pb 含量极显著增加(＜0.01)。

遮阴处理对伴矿景天植株体内Zn 各提取态的含量均有显著影响。Zn 在伴矿景天茎、叶中醋酸提取态(F)含量和盐酸提取态(F)含量分配比例最高。遮阴条件下,伴矿景天叶中Zn 的F、F、F和F含量均极显著降低(＜0.01),降幅范围为30.3%～58.6%;茎中Zn 的F、F、F、F以及F含量均极显著降低(＜0.01),降幅范围为30.2%～58.6%。

2.6 遮阴对伴矿景天Cd、Pb、Zn累积特征的影响

伴矿景天对Cd、Pb、Zn 的累积特征如表2。伴矿景天对Cd、Zn 均具有较强的富集能力和转移能力,其对Cd 的富集系数及Cd、Zn 的转移系数均大于1。与对照相比,遮阴处理导致伴矿景天对Cd、Zn 的富集系数和转移系数均显著降低(＜0.05),降幅范围为19.0%～62.1%;对Pb 的转运系数和生物转移因子显著降低(＜0.05)。且未遮阴条件下Cd 的富集系数和转移系数高达5.55 和4.20,Zn 的富集系数和转移系数为1.61 和4.39。

表2 遮阴对伴矿景天的Cd、Pb、Zn累积特征Table 2 Effects of shading on accumulation characteristics of Cd,Pb and Zn in Sedum plumbisincicola

3 讨论

3.1 遮阴对伴矿景天Cd、Pb、Zn累积特征的影响

伴矿景天对Cd、Zn 具有极强的富集能力和转运能力,在重金属污染土壤植物修复方面有巨大的潜力,其新叶中Cd 和Zn 含量可高达15 057 mg·kg和43 107 mg·kg,茎叶中Cd、Zn 含量分别比根中的重金属含量高出7 倍和5 倍,这与本结果基本一致。本研究发现,伴矿景天茎叶中的Cd、Zn 含量和累积量均显著高于根部,而Pb 含量和累积量则主要在根部。说明对于Cd、Zn 超富集植物伴矿景天来说,主要将重金属转移富集于植株地上部分,特别是叶片中来提高植株对重金属的耐性和累积,且相对于进行光合作用的叶肉细胞,伴矿景天更趋向于将Cd、Zn累积在叶片中生理活性较低的表皮细胞中。在遮阴条件下,伴矿景天根茎叶中的重金属含量均显著减少,且伴矿景天对Cd、Zn 的富集系数和转运系数均显著降低,可能是因为光照强度的变化改变了伴矿景天叶片面积、厚度、冠幅等,同时,降低植株的气体交换、光合作用、养分可用性等生理活动。遮阴会引起植物的生化变化,与高强度光照相比,低光照强度会导致叶片碳同化效率降低,并导致萜类、酚类和生物碱化合物等抗氧化次生代谢物的合成含量减少,影响物质和能量的代谢,随着生理活动的降低,最终也可能影响重金属的吸收。且遮阴对植物到遮阴网之间的微气候条件有较大影响,例如降低植物冠层温度、光值、光量、紫外辐射强度以及土壤温度等,冠层湿度、土壤湿度及孔隙度增加,这会降低植物次生代谢产物含量和抗氧化能力,也会增加植株的光合活性和同化作用,因为植株体内叶绿素是主要的光能吸收物质,直接反映植物光合过程中光能的利用,且叶绿体色素含量与其光合能力有较好的相关性,而光照强度的改变会影响植物体内叶绿素含量,改变其光合速率。本研究结果显示遮阴条件下伴矿景天叶片中的叶绿素含量显著增加,植株重金属含量减少。说明遮阴处理伴矿景天在光合作用增强的情况下,植株通过减少重金属的累积和转运以保证正常的光合生理活动,这可能是植物防止过度吸收的光化学保护适应机制,因为定位于伴矿景天叶片叶绿体被膜上的重金属转运蛋白基因能防止叶绿体发生Cd 积累而保护光合作用的正常进行。

但有研究表明,适当的遮阴既可增加植株茎叶生物量,也有利于植株对重金属、矿质元素的吸收。而本试验结果相反,可能是由于试验地及试验条件的不同造成,植物在遭受环境胁迫时会改变相应生理活动机制来适应生长环境条件的改变,而且植物生长环境条件,如土壤pH、养分、质地等土壤理化性质以及温度、降水均可影响伴矿景天的生长和重金属吸收量。本试验是在兰坪矿渣土壤上野外原位种植伴矿景天,该地区海拔较高,紫外辐射强,且其生长土壤类型为石质土,包含较多的矿渣和石子,不同于盆栽试验土壤肥力好,导致该试验伴矿景天根系生长的体积有限,植株生长不良且生物量较低,加之气候条件差异,从而影响伴矿景天的生理代谢活动来适应外界环境变化,进而影响植株对Cd、Zn的累积和转运。此外,在矿区周围由于飞灰等大气沉降的影响,遮阴网的阻挡作用可以减少植株地上部和土壤重金属的输入,也可能使植株的重金属含量降低。

3.2 遮阴对伴矿景天Cd、Pb、Zn 亚细胞分布和化学形态的影响

植物体内重金属亚细胞分布模式是决定金属毒性程度和植物耐受机制的关键因素。植物细胞壁是重金属离子进入细胞质的第一道屏障,是植株体内重金属解毒的主要场所,能保护原生质体免受重金属毒害,其主要由多糖(包括纤维素、半纤维素和果胶)和蛋白质组成,其中许多官能团(羧基、羟基、氨基和醛基等)充当负电荷位点与金属离子结合,从而调节重金属的跨膜运输。细胞可溶性部分主要包括细胞质和液泡,且液泡是重金属累积的另一大器官,因为其内部有机酸和富硫肽可以与重金属离子结合以降低重金属的迁移率和生物毒性,以固定和积累大量重金属离子。在拟南芥()、东南景天()和龙葵()等超富集植物中,Cd 主要累积在细胞壁中,黄瓜()、甘蔗()、小麦()等植物的可溶性部分也占有较大比例,这些研究表明在自然条件下,大多数重金属积累在细胞壁和可溶性部分中。本研究中,Cd、Zn 主要分布在伴矿景天茎叶的细胞壁和可溶性部分,这与前人研究结果一致。且遮阴条件下伴矿景天植株细胞壁和细胞液中的Cd、Zn 含量显著降低,可能是因为遮阴处理导致植物细胞壁中与金属离子结合的官能团含量减少,降低了重金属离子向体内的跨膜运输,其植株细胞可溶性部分的重金属含量也随之减少。在遮光环境下植株体内黄酮类和木质素等酚类化合物含量减少,进而降低叶片表皮厚度、皮层厚度、栅栏组织厚度以及整个叶片的厚度,增加光的透射率,从而提高光的利用率,降低养分消耗,且受环境胁迫时自由基水平增加最终会导致功能性叶片叶肉细胞超微结构受损;而且在全光照条件下,耐阴植物的细胞壁厚度会显著增加,进而影响重金属在植株亚细胞组分中的含量与分配,这可能也是植株组织对重金属累积量降低的原因之一。同时,植物吸收的过量重金属会渗入细胞壁而没有被充分吸附,然后被液泡隔离和分区,且植物的地上部分,如叶子、果实和花朵,可以从大气沉积中吸收重金属,这些重金属可以进一步转移到其他部分,进而影响重金属在植物亚细胞组分中的分布和含量,所以使遮阴条件下伴矿景天植株重金属含量降低。

植物体内重金属的化学形态与其生物学功能密切相关,用不同提取溶液提取的不同重金属化学形态具有不同的毒性、活性和迁移能力。与不溶的磷酸盐类(F)和草酸盐类(F)相比,无机(F)和有机水溶性(F)重金属形态活性更强,迁移能力更强,且对植物细胞的危害更大;乙醇和去离子水提取剂提取的重金属形态主要与硝酸根离子、氯化物、有机酸和磷酸二氢钠络合作用,容易渗入共质体,并贮存于细胞器和液泡可溶性部分中;而NaCl 提取的重金属(F)在植物中比例较大,重金属与有机配体的络合作用可使自由离子活性降低,从而降低重金属毒性,在植物适应重金属胁迫中起重要作用。东南景天和龙葵等植物F-Cd 的分配比例最大,而Zn 在皖景天()茎和叶内以多种化学形态存在,这与本研究结果一致。本研究中,伴矿景天茎叶Cd、Pb 的主要赋存化学形态为F,而Zn 则以F和F(惰性态Zn)为主,且遮阴处理下,伴矿景天茎叶中F-Cd 含量显著减少,而F-Cd 含量极显著增加;同时伴矿景天茎叶中的F-Zn、F-Zn、F-Zn 含量极显著减少。这可能是因为遮阴条件下,重金属对蛋白质或其他有机化合物中的巯基和蛋白质的侧链有很强的亲合力,所以导致更多的重金属离子与果胶酸和蛋白质等配位基团络合,滞留在植物的细胞壁和液泡中,从而降低细胞内游离态Cd、Zn 和活性较强的结合态Cd、Zn 含量;而且外界环境因子会改变植物次生代谢产物含量,影响植株体内与重金属结合的相关物质作用,进而减少植物对Cd、Zn 的吸收累积和转运。

因此,在今后的伴矿景天矿区污染修复研究过程中应考虑气候、地区等综合环境因素的影响,进一步探讨种植环境和修复方式与重金属累积特征之间的关系。同时,结合本研究对伴矿景天高原适应性的研究结果可得,伴矿景天在云南高原兰坪矿区原位修复效果和生态适应性良好,而且可通过超富集植物与当地经济作物联合种植、施加有机肥以增加土壤肥力等措施提高伴矿景天生态修复的价值。