不同形态大气铅沉降对茄苗生长和铅积累特征影响

2023-05-29张大庚栗杰姚忠丽

农业资源与环境学报 2023年3期

张大庚，栗杰，姚忠丽

（沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 100866）

近年来，农业重金属污染引起的农产品安全问题引起人们的广泛关注[1−2]。土壤重金属积累被认为是农作物吸收重金属的主要来源，研究者针对重金属从土壤向农产品转移的途径、机制等开展了大量研究[3−5]。但随着大气污染多源化和污染物种类多样化，大气沉降已成为农业地区重金属的重要输入源[6−7]。据统计，2008—2018 年大气沉降对土壤As、Cd、Cr、Hg、Ni 和Pb 的输入贡献率为50%～93%[8]。作物不仅可以通过根系，也可以通过叶片吸收重金属[9]。在工业活动密集区域大气沉降往往成为作物Pb、Cd、As、Hg 的主要来源[6]。通过覆膜和露天对比试验发现大气沉降使大白菜地上部Cd 含量增加152.63%，Pb 含量增加129.52%[10]。王京文等[11]的研究证实了大气沉降对蔬菜地上部分Cd、Pb和Hg等重金属积累有直接作用。

Pb 是最常见的“五毒”重金属元素之一，由于其难降解性，在环境中可长期存在[12]，过量积累对人体健康造成危害[13]。汽车尾气、燃煤燃烧以及各类工业区建设等均可导致大气Pb 含量升高[14]，人类活动对区域性及全球性Pb循环的影响大于其他元素。1996—2015 年我国大气降尘中Pb 均值含量超过《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）一级标准值7.9 倍[15]，大气沉降Pb 对区域范围内作物生长的影响不容忽视。研究表明，作物对重金属的吸收与其化学形态密切相关，而Pb颗粒物的形态与排放源密切相关，如工业烟气中SO2含量高，则Pb 的排放形态主要是PbSO4和PbS[16]。但现有研究大多集中在大气和叶片重金属含量，对重金属在大气颗粒物中的形态关注较少[17]。因此，本研究以茄子为供试作物，以典型棕壤为供试土壤，通过室内盆栽试验研究了硫化铅（PbS）、二氧化铅（PbO2）、硫酸铅（PbSO4）3 种形态Pb 在叶面和土表沉降后对茄苗生长的影响及其在茄子植物体的积累迁移特征，旨在为进一步认识大气重金属污染的生态效应、保障农产品安全生产提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

土壤：2020 年春季施肥前采自沈阳农业大学后山试验基地（41°49′35″N，123°33′49″E）0～20 cm 耕层，为典型棕壤。土样去除砾石和植物残体等物质后自然风干，过2 mm筛备用。供试土壤基本性质如下：pH 4.93，碱解氮98.56 mg·kg−1，有效磷4.6 mg·kg−1，速效钾97.22 mg·kg−1，有机质15.4 g·kg−1，土壤本底Pb含量2.65 mg·kg−1。

作物：紫圆茄（Solanum melongenaL.），种子购自辽宁富友种业有限公司。

试剂：分析纯PbS（纳米级，水力学直径192 nm）、PbO2（纳米级，水力学直径630 nm）、PbSO4，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

图1 为供试PbS、PbO2和PbSO4的电镜扫描图，由图可见PbS 纳米微粒间较紧密，PbO2微粒间较分散，PbSO4可溶于水。

图1 不同形态Pb化合物的扫描电镜图（×10 000倍）Figure 1 SEM images of different Pb compounds（×10 000 times）

1.2 试验方法与设计

本试验采用盆栽种植方法，在人工气候室中模拟Pb 沉降处理，试验设计考虑了大气Pb 沉降叶面和土表两种情况。模拟大气沉降Pb量参考了现有大气重金属沉降的研究结果[18]。

1.2.1 茄子育苗

将紫圆茄种子用清水搓洗，75 ℃热水浸泡30 min，室温浸泡过夜后在育苗盘中播种，待小苗长到3个叶片后移栽至10 cm×10 cm 培养钵，每个培养钵装土500 g，种植1株茄苗。

人工气候室温度：白天25 ℃，夜间20 ℃；湿度：70%；光照时间：12 h（8：00—20：00）。

1.2.2 叶面沉降Pb试验

试验共设置叶面滴加去离子水（CK）、PbS、PbO2和PbSO44 个处理，每个处理20 次重复。进行叶面滴加前将PbS、PbO2、PbSO4溶液水浴超声均匀，超声30 min，功率设置为50 Hz。叶面施加Pb 试验：每天用200 µL 移液枪向茄子叶面滴加25 mg·L−1Pb 溶液1.6 mL，连续滴加5 d，滴加时注意均匀分散到整个叶面，试验共21 d。培养钵表面用封口膜覆盖以防止溶液意外滴落。分别在试验的第2、6、11、15、21天收获整株茄苗（破坏性取样），每个处理每次收获3 株。

将采集的整株茄苗用自来水和去离子水洗去附着的灰尘和污染物质，将样品按照根、茎、叶分成3 部分，将收获的植株进行杀青（105 ℃杀青30 min）、烘干（75 ℃烘干72 h）至恒质量，测定干质量；将烘干称量后的样品研磨、装袋冷藏保存。

1.2.3 土表沉降Pb试验

试验设置与叶面沉降相同，共设CK、PbS、PbO2和PbSO44 个处理，每个处理20 次重复。茄苗移栽3 d后在土壤表面滴加Pb，每天用200µL 移液枪向土面滴加25 mg·L−1Pb溶液1.6 mL，连续施加10 d，保证均匀分布在整个土面。考虑到土表Pb 沉降量较高，滴加Pb 量设为叶面沉降处理的2 倍。分别在试验第10、15、20、25、30 天时收获整株茄苗。样品处理方法同上。

1.2.4 土柱淋溶试验

称取土壤样品（过2 mm 筛）763 g，按容重1.25 g·cm−3装入有机玻璃淋溶柱（内径6 cm、高25 cm），土柱高约20 cm。土柱底部铺一层惰性石英砂，下端用50 目滤网封口。淋溶前用0.01 mol·L−1CaCl2从底部对土壤柱进行预润湿，排出土壤孔隙中空气，并排出重力水。

试验设置同上，共设土表滴加CK、PbS、PbO2和PbSO44 个处理，每个处理9 次重复。每天用200 µL移液枪向土面滴加25 mg·L−1Pb 溶液1.6 mL，连续滴加10 d，保持与盆栽试验沉降Pb 量相同。每个土柱每次加水100 mL，每3 d加水1次，试验结束累积加水量为800 mL。在第10、20、30 天时采集土样，分别采集0～5、5～10、10～15、15～20 cm 土层土样，风干，过2 mm筛，测定不同土层全量Pb。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 茄苗和土壤Pb含量的测定

茄苗植株Pb含量采用混酸（HNO3−HClO4）消解，待测液用PTFE过滤器过滤，电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP−OES，Vista−MPX 美国安捷伦）测定。土壤总Pb含量采用HCl−HNO3−HClO4消解，ICP−OES测定。

1.3.2 茄苗光合指标的测定

茄苗叶片叶绿素含量采用手持便携式美国CCM−200 plus 叶绿素含量测定仪测定。茄苗叶片光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）采用便携式光合测定仪（LI−co 6400XTR，美国）测定。茄苗光合指标测定均在上午10时进行，选取茄苗主茎倒3完全展开叶，每个处理测定3株茄苗，每株重复测定3次。

1.3.3 茄苗生长不同时期Pb迁移率的计算

迁移率是评判大气沉降Pb 在茄子植株、不同土层及土壤−植株间运移能力的重要指标。

（1）叶面沉降Pb迁移率：

叶面−植株Pb 总迁移率=根茎叶中Pb 量（mg·株−1）/沉降Pb总量（mg·株−1）×100%

叶−茎Pb 迁移率=根茎中Pb 量（mg·株−1）/根茎叶Pb总量（mg·株−1）×100%

茎−根Pb迁移率=根中Pb量（mg·株−1）/茎根Pb总量（mg·株−1）×100%

（2）地表沉降Pb迁移率：

土壤−植株Pb迁移率=植株Pb量（mg·株−1）/[沉降Pb量（mg·株−1）+土壤Pb总量（mg·株−1）]×100%

根−茎叶Pb迁移率=茎叶Pb量（mg·株−1）/植株Pb总量（mg·株−1）×100%

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013 和SPSS 23.0 软件进行数据统计分析和绘图，采用LSD法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 叶面沉降铅对茄苗生长和Pb积累迁移的影响

2.1.1 茄苗生物量

不同形态沉降Pb 对茄苗根茎叶干质量的影响规律相似，在茄苗移栽第2～15 天各形态沉降Pb 对茄苗生长表现为抑制作用（表1），茄苗根茎叶干质量及植株总质量均低于CK。在移栽第2 天，茄苗根茎叶干质量在PbO2处理下达最小值，第15 天时PbO2沉降影响仍较大。随着茄苗生长，各形态沉降Pb 对其生长的影响产生了一定差异。在移栽第21 天，PbO2处理对茄苗生长抑制作用仍较大，与CK 相比茄苗总质量降低了19.2%；PbSO4处理的抑制作用相对较小，茄苗叶根干质量略低于CK；PbS 处理对茄苗生长表现为促进作用，与对照相比茄苗叶、茎干质量分别增加了0.13 g 和0.04 g，但各处理间的差异不显著。因此，从整个生长过程来看，叶面滴加PbO2显著抑制了茄苗生长，PbSO4和PbS对茄苗生长的影响不显著。

表1 叶面沉降Pb对茄子根茎叶干质量的影响（g）Table 1 Effects of deposited Pb on dry weight of eggplant（g）

2.1.2 茄苗光合特征

在茄苗的生长过程中，净光合速率（Pn）呈先升后降的规律（图2）。在整个培养过程中，各处理间茄子Pn的差异均不显著。移栽第20天PbS、PbO2和PbSO4处理Pn 较CK 分别降低6.89%、9.07%和5.30%。随幼苗生长，CK 和PbS 处理下茄苗蒸腾速率（Tr）呈持续下降趋势，PbO2和PbSO4则均呈先降低后升高规律，其中PbO2在移栽第5、10 天叶片Tr 较CK 显著降低。移栽第20 天，叶面沉降Pb 各处理Tr 均高于CK。各处理叶片气孔导度（Gs）随茄苗生长呈逐渐降低的趋势。在整个培养过程中PbO2处理Gs 均较低，移栽第5 天时与其他处理间差异显著。移栽第20天时各处理Gs差异均不显著。叶片水分利用效率（WUE）反映了植物耗水与其干物质生产之间的关系，为净光合速率与蒸腾速率的比值。在移栽的第5、10 天，滴加PbO2显著增加了茄苗WUE 值，滴加PbS和PbSO4则无显著影响。但在第20 天，3 种形态沉降Pb 处理WUE 值均显著降低，表明Pb 对水分利用效率具有抑制作用。根据茄苗光合特征指标的变化趋势，3 种形态叶面沉降Pb 对茄苗生长均产生了一定影响，其中PbO2的抑制作用相对较大。

图2 叶面沉降Pb对茄苗叶片光合特征的影响Figure 2 Effects of deposited Pb on photosynthetic characteristics of eggplant seedling leaves

2.1.3 茄苗不同器官Pb积累

图3表明，Pb在叶的积累量随幼苗生长呈先快速上升后降低的趋势。在移栽第11 天，3 种形态Pb 处理叶中Pb 积累量达峰值，随茄苗生长，叶中Pb 积累量逐渐减少，在整个生长过程中，叶面滴加PbS 处理叶中Pb 积累量均显著高于PbO2和PbSO4处理。茎中Pb积累量随茄苗生长变化不同，其中滴加PbS处理变化幅度最大，呈先增加后降低的变化趋势，在移栽11 d 后茎中Pb 积累量与其他处理之间的差异达到显著水平，其他处理则随茄苗生长呈缓慢增加趋势，且变化幅度较小。但茄苗茎中Pb 的积累量较少，最高仅为0.60 µg。茄苗根中Pb 积累量随其生长呈逐渐增加的趋势，在茄苗移栽第2～11天呈缓慢增加趋势，且各沉降Pb处理之间的差异均不显著。移栽11 d后根中Pb 积累量呈相对快速增加的趋势，各处理间差异均达到了显著水平，积累量表现为PbS>PbSO4>PbO2>CK。与茄苗叶中Pb积累量相比，根中Pb积累量也相对较低，最高仅为1.37µg·株−1。

图3 叶面沉降Pb在茄苗叶、茎、根的积累量Figure 3 Accumulations of deposited Pb in eggplant leaves，stems and roots

2.1.4 茄苗不同器官间Pb迁移

由于茄苗茎和根中Pb 积累量较少，因此在计算茄苗不同器官间Pb的迁移率过程中忽略了由根进入土中的Pb 量。本研究对不同迁移路径Pb 最大迁移率进行了比较（图4），由图可知PbS 由叶面进入茄苗植株的迁移率相对较高，最高达到87.01%，与PbO2和PbSO4之间的差异达到了显著水平。PbO2和PbSO4叶面−植株迁移率分别为50.44%和50.78%，两者差异不显著。

图4 叶面沉降Pb在叶面−植株间的最大迁移率Figure 4 Maximum mobilities of leaf Pb deposition between leaf surface and plants

PbS、PbO2和PbSO43 种形态Pb 由茄苗叶向茎的迁移率仅为1.27%、1.39%和1.87%。Pb 由茎向根的迁移率均相对较高，PbS、PbO2和PbSO4处理分别为75.69%、78.90%和82.03%。各处理Pb 叶−茎和茎−根迁移率的差异均不显著，其中PbSO4迁移率均相对较高。因此，由叶面进入茄苗的Pb主要积累在叶中，由叶向茎迁移的量极少。虽然PbS最易由沉降的叶面进入茄苗植株，但PbSO4向下迁移的能力相对更强。

2.2 土表沉降Pb对茄苗生长和铅积累迁移的影响

2.2.1 茄苗生物量

土表沉降各形态Pb 对茄苗生长的抑制作用较小，随移栽时间的增加，影响逐渐增强（图5）。移栽第10～20天，添加3种形态Pb对茄苗地上部和根部干质量的影响差异均不显著。在移栽20 d 后茄苗生长加快，土表沉降Pb 对茄苗生长表现出一定的抑制作用。移栽第25 天和第30 天各形态Pb 均降低了茄苗地上部干质量，但差异仍不显著。3种形态Pb对茄苗根部干质量的影响大于地上部。在移栽第25 天，各形态Pb 处理茄苗根部干质量均略低于对照，但差异不显著。在移栽第30 天各形态Pb 处理对茄苗根生长的影响程度增强，其中PbS 和PbO2处理对茄苗根部干质量的影响差异达到了显著水平，表现为CK>PbSO4>PbO2>PbS。

图5 土表沉降Pb对茄苗地上部、根部干质量的影响Figure 5 Effects of soil Pb deposition on dry mass of eggplant

图6 土表沉降Pb在茄苗地上部和根部的积累量Figure 6 Accumulations of soil Pb deposition in eggplant

2.2.2 茄苗不同器官Pb积累

PbS、PbO2和PbSO43种形态沉降Pb进入土壤后，随茄苗生长，Pb 在茄苗地上部和根部逐渐积累（图6）。添加外源沉降Pb 各处理茄苗地上部Pb 积累量均高于CK，其中PbS处理茄苗地上部Pb积累量最高，在移栽第30 天，增幅约为121.4%。PbO2和PbSO4处理的变化趋势与PbS 相似，但Pb 积累量显著低于PbS处理。在移栽第30天，PbS、PbO2和PbSO4处理茄苗地上部Pb积累量分别是CK的2.1、1.7倍和1.6倍。

PbS 处理茄苗根Pb 积累量随茄苗的生长也呈逐渐增加的趋势，在移栽第30 天，茄苗根中Pb 积累量达到2.26µg·株−1，是CK处理的3.53倍。添加PbO2和PbSO4处理茄苗根中Pb 积累量在移栽第10～25 天呈增加的趋势，但在第25～30 天则略有降低。各处理土表沉降Pb 在茄苗根部的积累量表现为PbS>PbO2>PbSO4>CK。

2.2.3 茄苗不同器官Pb迁移

Pb 沉降在土表后，与土壤发生相互作用，并产生迁移和转化。随着茄苗生长，其会吸收一定数量土壤Pb，但Pb 在土壤−植株间的迁移率很低（图7）。随移栽时间增加，Pb 在土壤−植株间的迁移率略有增加。在移栽第30 天，添加PbS、PbO2和PbSO4处理Pb 在土壤−植株间的迁移率分别为0.83%、0.61%和0.43%，处理间无显著差异。

图7 土表沉降Pb在土壤和茄苗植株间的迁移率Figure 7 Migration of soil Pb deposition between soil and eggplants

茄苗根部从土壤中吸收3 种形态Pb 后，部分Pb从根部迁移至茎叶。在移栽第30天，滴加PbSO4处理茄苗根−茎叶的迁移最高，达到45.9%，PbO2和PbS 处理分别为34.6%和34.7%。各形态Pb在茄苗根−茎叶的迁移率均未超过50%，表明茄子吸收的Pb 主要积累在根部。

2.2.4 不同土层间Pb迁移

图8 表明，大气Pb 沉降在土表后，随淋洗时间的增加，各土层迁移率均呈增加趋势，不同处理间的差异则逐渐减小。在淋洗第10 天和第20 天，PbSO4由0～5 cm 向5～10 cm 土层和5～10 cm 向10～15 cm 土层的迁移率最高，且与PbS和PbO2处理的差异均达到了显著水平。在淋洗第30天，Pb的迁移率增加，但差异均不显著，其中由0～5 cm向5～10 cm土层的迁移率相对较高，均在40%左右；5～10 cm 向10～15 cm 土层的迁移率则显著降低，在16.67%～10.12%之间；10～15 cm 向15～20 cm 土层的迁移率则更低，在9.59%～5.21%之间。因此，外源Pb 主要积累在0～10 cm 土层。比较3 种沉降Pb 迁移特性可知，离子态的PbSO4更易由土表向下层迁移，小颗粒的PbS则更易在土壤中积累。

3 讨论

3.1 叶面沉降Pb对茄苗生长的影响与积累迁移

本研究通过开展3 种不同形态Pb 叶面沉降对茄苗生长的影响试验发现，PbO2对茄苗生长表现出显著的抑制作用，PbS 和PbSO4影响不显著。结合茄苗叶片光合特征分析可知，在相同条件下，Tr 越大累积的光合产物越多[19]，叶面沉降Pb 一定程度上降低了茄苗对光合产物的积累，PbO2处理影响最大。气孔作为CO2和水分进出叶片的共同通道，Gs调节着碳固定和水分散失的平衡关系，二者的不同步影响WUE，WUE 随Gs 的下降反而升高。叶面沉降大颗粒态PbO2在茄苗移栽过程中降低了叶片的Gs和Pn。因此叶面沉降PbO2在一定程度上影响了茄苗叶对光合作用所需的CO2和水分的运输，进而影响了光合产物的合成。

Gaibhive 等[20]利用扫描电镜（SEM−EDX）观测发现细颗粒物（1～2µm）直接覆盖在气孔和保卫细胞上，因此沉降颗粒的大小直接影响叶片对重金属的吸收。Birbaum 等[21]的研究也表明细微颗粒可以直接渗透到叶片内部，而大颗粒则被黏附在表面蜡质层上。在3 种形态沉降Pb 中，PbO2颗粒最大，直径为630 nm，颗粒间较分散，覆盖在叶片气孔上会降低茄苗叶片Gs，对茄苗叶光合特征产生一定的影响，进而抑制茄苗生长。PbS 的直径仅为192 nm，PbSO4可溶于水，均可直接进入叶片，对光合特征未产生显著影响，因此对茄苗的生长影响相对较小。

Eichert 等[22]的研究表明较小的Cu 颗粒（43 nm）可以通过气孔渗透进入蚕豆叶片，而较大Cu 颗粒（1.1 µm）则不能。本研究结果表明，沉降Pb 的颗粒大小影响了叶面沉降Pb在茄苗植株的积累量。随着叶面Pb 的沉降，颗粒较小的PbS 处理茄苗叶中Pb 积累量和迁移率相对较高，表现为PbS（小颗粒）>PbSO4（离子态）>PbO2（大颗粒）。结合上述分析可知，PbS在茄苗叶中的积累量相对较高，但对茄苗生长未产生显著影响。外源Pb进入叶片后，可激活其适应机制，植物为增强对重金属的抗性，进入植物体的Pb 等重金属将大量沉积在细胞壁上，当细胞壁结合的重金属离子饱和后，进入细胞内的大部分重金属离子被转运到液泡内储存起来[23−24]。因此，虽然叶面沉降PbS 在茄苗叶中积累量较高，但影响较小。叶面沉降PbO2在茄苗叶中积累量最低，但对茄苗的生长影响最大，这也进一步证明了PbO2通过影响光合特征进而影响茄苗的生长。Larue 等[25]的研究认为叶片对重金属的吸收分为脂溶性通道和水溶性通道两种途径，亲水性物质可以通过表皮的气孔和水孔进入表皮，而亲脂物质则吸附在蜡质层上通过角质层扩散进入表皮。Pb⁃SO4具有水溶性，属于亲水性物质，因此也较易通过气孔进入叶片。

由叶面迁移进入植株的Pb 主要积累在叶中，向茎、根迁移的量较少，迁移率仅为1.27%～1.87%。Sheng 等[26]发现Pb 在表皮细胞中的含量远高于周围细胞和叶肉细胞，说明Pb 向叶肉细胞的转运是有限的。Dollard 等[27]研究发现，Pb 会以磷酸盐的形式沉淀，因此叶片吸收的Pb极少转运到其他器官，这与本研究结果基本一致。由茎向根迁移过程中离子态Pb⁃SO4的迁移率相对较高，表明离子形态Pb较易在植物体内迁移。

3.2 土表沉降Pb对茄苗生长的影响与积累迁移

土壤Pb 污染和根系吸收被认为是作物Pb 的主要来源，针对土壤Pb 污染对作物生长和Pb 吸收影响的研究已大量开展[28−29]。本试验中，土表沉降3 种形态Pb在移栽30 d后显著降低了茄苗根干质量。随移栽时间的增加，茄苗中Pb积累量呈增加的趋势，但外源Pb 在茄苗中的积累量较低。分析可知，沉降在土表的不同形态Pb在土层间的迁移特性不同，其中PbS更易在土层中积累，导致茄苗对Pb 的吸收量相对较高，而离子态PbSO4则易在土层中向下迁移，被吸收的量相对较低。

本试验中，三种形态Pb 从土壤到茄苗的迁移率均低于1%。有研究表明，进入土壤的Pb 绝大部分会被固定在土壤中或植物根表，只有极少部分Pb 能够被吸收进入植物体[30]，这与本试验的研究结果相一致，即进入茄苗的Pb 由根系向地上部迁移率均低于50%，主要积累在茄苗根部。研究也表明，土壤中的重金属只有极少数能运输到叶片，植物叶片内重金属主要来源于叶片吸收[31]。本研究中，PbSO4处理由根部向地上部的迁移率最高，说明离子态Pb 更易在植株体内迁移。

在本试验中，颗粒较小的PbS 叶面直接沉降和土表间接沉降处理茄苗根部和地上部Pb 积累量均高于PbO2和PbSO4。叶面直接沉降PbO2在根中积累量低于PbSO4，地表间接沉降PbSO4处理根部的积累量低于PbO2，地上部积累量则差异较小。比较茄苗移栽第20 天时Pb 积累量可知，叶面沉降PbS、PbO2和PbSO4处理茄苗地上部Pb 积累量是土表沉降的163.2、99.1 倍和129.1 倍。因此，茄苗叶片中重金属积累主要来源于叶面Pb 沉降，其中颗粒较大的PbO2叶面沉降对Pb积累的影响相对较小。已有的研究也表明，大气源对农产品Pb 贡献率为32%～91%，大气沉降对农作物重金属积累有重要的贡献[13]，说明根系对土壤中重金属的吸收不是农产品重金属积累的唯一来源，甚至不是主要的来源，但是在土壤污染较重的情况下其对农作物重金属积累的影响也不可忽视。