重金属复合污染下不同种植密度香根草的生长及富集特征

王学文，刘鸿雁，何 进

（贵州大学农学院, 贵州 贵阳 550025）

重金属污染已成为全球关注的问题。生态保护部和自然资源部最新发布的《全国土壤污染状况调查公报》[1]显示，全国土壤总的点位超标率16.1%，耕地点位超标率为19.4%，在调查的81 块工业废弃地的775 个土壤点位中，超标点位占34.9%，其中无机污染汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)的点位超标率分别为1.6%、2.7%和1.5%。矿山开采后，长期的风蚀和雨水淋溶导致尾矿中重金属进入当地农田土壤，增加矿区周边土壤重金属含量，植物虽能直接吸收土壤中的部分水溶态重金属，但剩余重金属会淋溶至深层土壤，增加土壤治理难度[2-3]。土壤重金属污染不仅会造成区域生态环境恶化，还会通过食物链进行富集从而对人类健康产生危害[4]，其中，As、Hg、镉(Cd)、铬(Cr)、Pb、铜(Cu)等毒性较强的重金属即使浓度较低，也会对人体的组织和器官造成严重损害[5]。

目前，常见的土壤重金属修复方法有物理、化学、生态修复法。较之前两种，利用植物对矿区土壤进行生态修复的方法既经济实用，又不易产生二次污染[6]。用于土壤重金属修复的植物有桉树(Eucalyptus robusta)[7]、香根草(Chrysopogon zizanioides)[8-9]、白喜草(Paspalum notatum)[10]、高丹草(Sorghum hybrid)[11]、铁芒萁(Dicranopteris linearis)[12]等。

香根草是一种多年生草本植物，生长迅速，根系发达，具有极强的生态适应力和耐受能力[13-14]。研究表明，香根草与部分植物混种，如白三叶草(Trifolium repens)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、构树(Broussonetia papyrifera)等，不仅可以调节土壤酸碱度，还可以改善矿区土壤养分，在植被恢复过程中加快矿山的生态演替速度[15-16]。许钟丹等[17]研究表明，香根草对Cu、锌(Zn)、Cd、As 有吸附效应，且随种植时间的增加而增加。李甜田等[18]利用香根草对离子型稀土矿山进行修复，结果表明香根草根部和茎、叶部对硒(Se)、Pb、锑(Sb)等稀土元素有富集作用，且随香根草生物量和种植时间的增加，根部的富集能力显著大于茎、叶部。杨兵等[19]利用香根草对铅锌尾矿进行改良，结果表明香根草对于尾矿的植被重建有较高价值。然而，目前对香根草的吸附研究，大都局限于一种重金属或用其他植物比较重金属富集能力差异[20-23]，而大多数矿区的污染涉及多种重金属，即复合污染。因此，研究香根草在复合污染矿区生长及其对重金属的吸收效应对运用植物在复合污染矿区开展生物修复显得尤为重要。本研究以香根草为试验材料，设置4 个种植密度，通过测定不同密度和种植时间对香根草地上部和地下部重金属富集和累积特征、香根草生长和根系特征、土壤中4 种重金属含量(Hg、As、Sb 和Pb)的变化，旨在阐明香根草复合污染区4 个土壤重金属的富集特征及其对土壤重金属含量的影响，为利用香根草在复合污染矿区修复提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于贵州省兴仁市(滥木厂)灶矾山矿区(104°50′67″ E，25°52′78″ N，海拔1 425 m)。该矿区是复合型矿区，内含Hg、As、Sb、Pb 等重金属，矿山开采已有300 多年的历史，现已停止开采。开采后遗留了成堆的尾矿、废渣、废石。矿区植被覆盖率很低，只有少数几种植物，如芭茅(Miscanthus floridulus)、芒萁(Dicranopteris pedata)等多年生草本植物生长。矿区属于低纬度高原性亚热带温和湿润季风气候，年均降水量1 315.3 mm，年均气温15.2 ℃，年均无霜期280 d，年均日照1 564 h (1990－2019 年平均数据)。在此气候条件下，适宜大多数草类植物生长。样地位置在矿区下方100～150 m，耕作区上方5 m。

1.2 试验材料与设计

香根草来源于贵州大学草业科学实验室，该品种为印度野生种，移栽时间在2020 年6 月20 日。试验设4 个处理：密度1 (D1)，5 000 株·hm-2；密度2(D2)，8 000 株·hm-2；密度3 (D3)，12 000 株·hm-2；密度4 (D4)，20 000 株·hm-2。每个小区面积为10 m ×5 m，3 个重复，在小区右边选取2 m × 5 m 空白土块作为对照。土壤pH 为4.98，显酸性；土壤有机碳含量为34.9 g·kg-1，As、Sb、Hg 和Pb 浓度分别为299、10.2、89 和65 mg·kg-1。

1.3 试验方法与分析

2019 年6 月17 日翻耕后移栽香根草，每隔90 d取一次土样，土样采用五点取样(深度20 cm)，每个密度重复4 次，去除杂质后，装袋并编号。带回实验室后将土壤样品风干，均质和筛选(粉碎并研磨过0.15 mm 尼龙筛备用)。

土壤样品分析方法参照鲍士旦[24]，其中pH 采用pH 计法(水土比为2.5 ： 1)测定；有机质采用K2Cr2O7容量法测定。

不同密度种植群落采用“S”形布点法选取5 个样区，每隔180 d 取1 次植物样，每个样区等距离采集植株样品5 株，分别取其地上部和地下部样品。根(深度20 cm)用铁铲在土壤中挖掘，挖出根后仔细清洗根以去除附着根的土壤，将香根草用镊子除去大颗粒物质，再用自来水清洗附着在样品上的污物和泥土，最后用去离子水冲洗3～5 次。用吸水纸吸干后分成根系和茎叶两部分。根系用Epson V850扫描。扫描后的图片用WinRHIZO 2019 Pro 分析并计算出根长、根表面积。扫描后收集根，先在105 ℃烘箱中杀青30 min，后在75 ℃烘箱烘48 h 至恒重并称其干重，地上部和根系在研钵中研细混匀，过0.15 mm 筛后备用。

植物重金属的测定：称取0.6 g 植物样品，加入6 mL 硝酸、3 mL 盐酸和3 mL 氢氟酸，于消解罐中消解，消解方法参照(HJ700-2014)[25]，植物各部位重金属(Hg、Pb、Sb、As)采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定。土壤中重金属使用便携式X 荧光重金属分析仪(F-Max)测定，用GBW7405 (GSS-5)进行校正，回收率89%～94% (表1)。

表1 4 种重金属元素测定标准物质值及回收率(n= 4)Table 1 Measurements of the standard material values and recycling rates of four heavy metals (n= 4)

1.4 植物富集

植物富集系数(bioconcentration factors, BCF)[26]反映植物从土壤中吸收重金属的能力。富集系数越大对重金属的富集能力越强。

式中：C植物表示植物各器官的重金属含量(mg·kg-1)；C土壤表示土壤中重金属的含量(mg·kg-1)。

1.5 数据分析方法

采用SPSS 22.0 进行数据统计分析，采用单因数方差分析(ANOVA)分析密度和种植时间对测定参数的影响，通过Duncan 多重比较以检验测定参数在不同密度之间的差异(P< 0.05)，图表中数据以平均值 ± 标准误差表示，采用Origin 2019 软件作图。

2 结果与分析

2.1 根系特征与生物量

随着种植密度的增加，香根草的株高、分枝数、根长和根表面积明显增加，且4 个指标在D4时达到最大；此外，在不同采样时间，均出现随着种植密度的增加，4 个指标均明显增加(表2)。伴随密度的增加，根系和地上部干重显著增加，在D4时达到最大值(图1)，种植360 d 的地上部和根系生物量均高于180 d 的地上部和根系生物量。香根草前期的根冠比大于生长后期的根冠比，且低密度的根冠比显著高于高密度根冠比(图2)，在0～180 d时，D1、D2显著大于D3、D4；在360 d 时，D1显著大于D2、D3和D4。

图1 不同密度对香根草单位面积生物量的影响Figure 1 Effect of different planting densities on the biomass of vetiver grass per unit area

图2 不同密度对香根草根冠比的影响Figure 2 Effect of planting density on the root-shoot ratio of vetiver grass

表2 4 个种植密度下香根草的株高、分枝数和根系特征Table 2 Plant height, number of branches, and root system length and surface area of vetiver grass

2.2 不同种植密度香根草中重金属的含量变化

2.2.1 地上部和根系重金属含量的变化

在两个采样时间段内，香根草地上部Hg 浓度在D1、D4两个密度中较高，且显著高于D2、D3(P<0.05) (图3)。随种植密度的增加，地上部As 浓度显著降低，但地上部Pb 浓度显著升高。随种植密度的增加，地上部Sb 浓度增加，表现为D4、D3、D2显著大于D1，但D4、D3、D2差异不显著。在4 个密度下，地上部4 种重金属浓度均随种植时间的增加而增加。在两个采样时间段内，除重金属Pb 外，香根草根中Hg、Sb 和As 的浓度均随着种植密度的增加而显著降低，且表现为D1> D2> D3> D4；Pb 浓度表现出随种植密度的增加而增加，表现为D1

图3 香根草地上部和根中重金属浓度Figure 3 Concentrations of heavy metals in the shoots and roots of vetiver grass

2.2.2 根系对重金属的富集变化

由图4 可知，不同种植密度下香根草根系重金属的富集系数变化，种植180 d 后，香根草4 个密度地下部As、Sb、Hg、Pb 的富集系数的范围为0.04～0.07、0.06～0.25、0.12～0.27、0.07～0.22；种植360 d后，重金属的范围为0.06～0.10、0.10～0.37、0.07～0.33、0.12～0.27。4 种重金属在同一种植密度下，随种植时间的增加，其相应的富集系数也增加；As 在种植180 d，随种植密度的增加，富集系数先减少后增加再减少；Sb、Hg 表现出随种植密度的增加，富集系数显著减少，Pb 则与之相反，As 的富集系数最小且其变化幅度较小，Hg、Pb 和Sb 的富集系数变异大且显著受种植密度的影响。

图4 香根草根系重金属的富集系数Figure 4 Enrichment coefficients of heavy metals in the roots of vetiver grass

2.2.3 香根草重金属积累量与根系特征的相关性

在香根草的4 个密度中，香根草根中每平方米重金属Hg、Pb、Sb、As 的积累量都随种植时间段增加而增加(图5)，种植180 d，每平米香根草对As、Sb、Hg、Pb 的最大吸收量分别为7.24、1.04、9.24、13.9 mg，种植360 d 的重金属吸收量分别比180 d 提高44% (As)、42% (Sb)、25% (Hg)和44% (Pb)。在两个采样时间段内，Hg 表现为在180 d 时，除D1外，随种植密度的增加而增加，在360 d 时，表现出除D3外，各密度间无显著差异。As 积累量总体表现出随种植密度的增加而减少。Pb 和Sb 在两个时间段内都表现出随种植密度的增加而增加。不同重金属积累量与根系特征的Pearson 相关性分析表明，地上和根部干重与Sb、Hg、As 显著相关(P< 0.05) (表3)；根长和根表面积与Sb、Hg、As 显著相关；地上部干重、根部干重、根长、根表面积与Pb 无显著相关性，表明在香根草富集重金属的过程中，Sb、Hg、As 存在着协同作用，重金属Sb、Hg、As 的累积量随香根草地上部和根部干重增加而增加。

图5 每平方米香根草重金属积累量Figure 5 Accumulation of heavy metals per square meter of vetiver grass

表3 香根草重金属积累量及其根系特征和物质积累的相关系数Table 3 Correlation analysis of heavy metal accumulation in vetiver grass and its root characteristics and material accumulation

2.3 不同密度和生长时期土壤重金属含量变化

采样90 d，随着种植密度的增加，土壤As、Sb、Pb 浓度总体呈下降趋势，Hg 无显著变化，在4 个采样时期，土壤As 含量变化最大，其次是Pb 和Sb，Hg 变化幅度不大(表4)。随着采样时间的延长，土壤As、Sb 和Pb 含量显著下降(P< 0.05)。在不同采样时间均发现，随着种植密度增大，土壤As 含量显著降低；90～360 d 内，D4比D1土壤砷含量下降范围 为68.64～101.50 mg·kg-1。土 壤Sb 和Pb 含 量 的变化幅度较小，土壤Hg 含量无显著变化(表4)。

表4 土壤中的重金属浓度在不同密度和不同时间的变化Table 4 Changes in soil heavy metal concentration at different densities and harvest times

3 讨论

3.1 香根草对复合污染区土壤重金属的富集作用

植物对重金属具有富集作用[27-30]且对不同的重金属具有一定的耐受能力[30]，但仅研究了植物对单一重金属的富集作用。本研究发现：香根草能够同时富集复合污染矿区土壤中的Hg、As、Sb 和Pb，表明香根草对多种重金属都具有富集能力[31]。香根草能富集多种重金属可能与物质分配[32-33]和有机酸的分泌有关[34-36]。香根草前期以根系生长占主导，生长后期是地上部分生长占优势，地上生物量的增加会降低重金属浓度以缓解重金属带来的影响[30]。香根草根系能够分泌有机酸，有机酸与重金属离子发生络合或螯合，极大地提高了植物对重金属耐受性和解毒能力[32-36]。如罗庆等[37]研究发现东南景天(Sedum alfredii)可通过调节分泌物来耐受或超富集Cd，同时它的18 种分泌物(乙酸、草酸、苯甲酸等)在不同Cd 浓度之间存在显著差异。香根草对重金属的累积量随种植密度和种植时间的增加而增加；首先，这与地上部和地下部生物量随密度和种质时间的增加而增加有关；其次，根系干重、根系长度和根系表面积的增加能够增加土壤根系于土壤重金属的接触和吸收，提高了对重金属的拦截和吸收面积以提高对重金属的吸收。香根草对重金属的累积量随种植时间的增加而增加，说明香根草可以随着干物质量的累积而对多种重金属达到持续吸收的效果。本研究进一步发现：香根草对重金属的累积量存在显著差异(Pb 的累积量最大，As 和Hg 次之，Sb 最少)，这反映出香根草对不同重金属的耐受能力可能不同[34-36]。

程英等[28]研究表明，根中积累的Hg 占植株吸收Hg 总量的75%～90%，说明Hg 主要在滞留在根系中。本研究结果表明：香根草地下部重金属浓度显著大于地上部重金属浓度，表明4 种重金属主要滞留在根部，说明其根部存在运输拦截机制，重金属向地上部转移比率较低，降低重金属对植物的毒害作用。上述现象与根系对重金属的区隔化有关[38]。伴随密度的增加，根系Hg 和Sb的富集系数逐渐下降但根系Pb 的富集系数逐渐增加，说明香根草根系重金属富集系数与密度有关。根系Hg 和Sb 的富集系数随密度增加而下降可能与根系干重的逐渐增加有关。根系Pb 富集系数随密度增加说明根系干重的增加能够进一步促进香根草对Pb 的吸收。与超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata)相比，蜈蚣草对As 的富集系数为香根草的2～3 倍[39]，但香根草单位面积的生物量是蜈蚣草的约6 000 倍，香根草单位面积重金属累积量上大于蜈蚣草。此外香根草的治理成本显著低于蜈蚣草。故在综合考虑重金属污染面积，污染环境，及治理成本，可以选择富集系数适中，且生物量大的香根草。

3.2 复合污染区土壤重金属含量对香根草种植的响应

种植香根草后，土壤重金属As、Hg 和Sb 含量显著下降，土壤重金属含量的下降伴随种植密度和时间的增加而逐渐增加，说明香根草对土壤中重金属含量的影响呈现出明显的密度和时间依赖性。土壤重金属含量的下降与植物对重金属的富集有关。本研究同时发现：土壤As 含量的下降幅度最大，土壤Pb 下降次之，土壤Sb 含量下降最少；说明香根草对土壤重金属的含量影响存在一定的差异。在种植香根草的土壤环境中，根际微生物与根系分泌物共同作用，可增强重金属生物有效性[40]，从而促进根系对土壤重金属的吸收而降低土壤重金属含量，因此需明确不同密度和种植时间对香根草根际微生物群落组成的变化及其在重金属富集中的作用。

4 结论

不同种植密度香根草有效降低复合污染土壤中的重金属含量，且含量的降低与密度有关，20 000株·hm-2的效果最好。2)香根草对不同重金属的吸收量表现为Sb > Hg > Pb > As，香根草As、Sb、Hg的积累量与根长、根表面积呈极显著正相关关系。长时间种植香根草后根部重金属富集显著高于短时间种植草根草根部重金属富集，香根草对重金属的吸收主要在根部。香根草的总生物量随种植密度的增加而增加，生物量的增加促进了Hg、Pb、Sb 在地上部的积累。