濱海鹽漬土壤中不同類型鹽生植物富集鎘的效應

弋良朋,王祖偉

天津師范大學城市與環境科學學院,天津 300387

濱海鹽漬土壤中不同類型鹽生植物富集鎘的效應

弋良朋*,王祖偉

天津師范大學城市與環境科學學院,天津 300387

為了利用被鎘污染的濱海鹽漬土壤,通過實驗對比分析3種不同類型鹽生植物對鹽漬土中鎘的富集效應,以期初步探明不同類型鹽生植物在鎘污染鹽漬土壤修復中的效果。選擇的3種鹽生植物類型是：聚鹽鹽生植物,泌鹽鹽生植物和避鹽鹽生植物。通過溫室盆栽實驗,將植物在不同鎘含量的鹽漬土壤中種植培養60 d,測定和分析不同類型鹽生植物對鎘的生物濃縮因子、轉移系數以及植株內地上部分和根部生物量和鎘含量的變化。結果表明,不同鎘含量的土壤對堿蓬和蘆葦的生長影響較小,對二色補血草的生長影響較大。不同鎘含量的土壤中,蘆葦地上部分鎘的生物濃縮因子變化差異不顯著,并且其地上部分吸收鎘的百分率較高。堿蓬和蘆葦的轉移系數大于二色補血草的轉移系數,并且堿蓬的轉移系數在不同鎘含量的土壤中變化不顯著；二色補血草的轉移系數隨著土壤中鎘含量的增加而顯著增大。3種鹽生植物中,堿蓬最具修復鎘污染鹽漬土壤的潛力,這可能和它是聚鹽鹽生植物的生理類型有關。蘆葦整個植株的地上部分富集鎘的總量在3種植物中是最高的,因此,蘆葦在鎘含量較低時也可以做為鎘污染鹽漬土壤的修復材料。

濱海鹽漬土壤；鹽生植物；鎘；富集

隨著人類對含鎘礦石的大規模開采和加工,鎘產品和鎘材料在工農業生產和人們生活中的廣泛應用,產生了大量堆積的含鎘廢石和尾礦等固體廢棄物,其被不合理堆放并淋濾溶解,造成鎘元素的遷移和擴散,導致一些地方的土壤受到鎘污染,對環境中的生物和人體健康造成了潛在的威脅[1-2]。另外,由于污灌、違法排放工業廢水和違法使用污泥等原因,我國已有大量鎘污染的土地,面積達1.4×104hm2,其中就有一些是濱海的鹽土和鹽化土土地[3],這些土地中很多是現在正在開發利用和將來可能開發利用的土地資源,如天津濱海新區,山東東營等地[4]。重金屬鎘污染土壤的徹底治理修復是當今土壤修復領域的重點和難點,而利用植物修復是可被選擇的有效方法之一,目前利用植物修復鎘污染土壤的研究和應用也較多,也發現了一些鎘超級累植物[5-6],但既能在濱海鹽漬土壤上良好生長又能高效修復鎘污染土壤的植物研究很少。對于受鎘污染的鹽漬土壤,非鹽生植物生長不良,而鹽生植物由于對鹽漬土壤環境有良好的適應性,通過鹽生植物萃取土壤中的重金屬鎘,從而達到修復受鎘污染的鹽漬土壤是非常有效并具有廣闊應用前景的植物修復技術,并已有人進行了相關的初步研究[3,7-8]。

根據鹽生植物對鹽漬土壤生理適應機制的不同,一般將鹽生植物分成3種類型：聚鹽鹽生植物、泌鹽鹽生植物和避鹽鹽生植物[9]。這3種類型的鹽生植物對不同含量鎘污染土壤的適應性以及它們對鎘的富集效果有什么差異,目前尚未見報道。本研究通過人工栽培實驗分析3種不同類型鹽生植物在鎘污染鹽漬土壤條件下的適應情況,以期初步認識不同類型鹽生植物對濱海地區鎘污染鹽漬土壤的修復效果,為修復利用和開發這些濱海鹽漬土壤提供理論基礎,也為將來相關的研究提供支撐數據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗采用人工控制盆栽植物的方法獲得植物樣品,盆栽所用土壤為天津大港地區未受鎘污染的鹽漬土壤,采集表土層(0—30 cm)的混合土壤,土壤類型為濱海鹽土,主要鹽類是氯化鈉,土壤質地為粘壤,土壤的主要化學性質見表1。將采集回來供栽培植物用的土壤先除去植物根莖及雜質,然后晾干,混合均勻并研碎備用。實驗采用的3種植物分別屬于3種類型鹽生植物的典型種類,其中,堿蓬(Suaedaglauca)是典型的聚鹽鹽生植物,二色補血草(Limoniumbicolor)是典型的泌鹽鹽生植物,蘆葦(Phragmitesaustralis)是典型的避鹽鹽生植物。在實驗的前1年,在天津濱海鹽漬土壤區各地采集實驗用植物種子備用。

表1 所用鹽漬土壤的主要化學性質

1.2 實驗方法

將制備好的土壤裝入栽培植物用的花盆,在每個花盆內裝入風干的土壤4 kg,然后進行土壤的鎘含量處理,栽培每一種植物的鹽漬土壤設置5個鎘含量水平,即分別在土壤中加入不同量的鎘,添加方法是以溶液形式一次性加入不同量的Cd(NO3)2,使土壤含鎘量(以純鎘計算)分別達到：0,3,6,10,15 mg/kg,每個處理設4個重復。已有相關研究表明,當外源鎘進入土壤后,由于土壤中各種理化過程,外源鎘在土壤中會發生遷移和各種形態轉化,外源鎘進入土壤后約30 d,土壤中鎘的各種形態基本達到相對穩定[10-11]。因此,將一定量Cd(NO3)2溶液加入土壤后,在室溫下穩定30 d,期間加純凈水4次,使土壤保持濕潤。

土壤穩定處理30 d后開始播種3種鹽生植物的種子,植物種子經消毒和浸種后播入土壤中。出苗后7 d進行間苗,使每個花盆中只保留10株大小一致的幼苗。每5 d澆水1次,每個花盆中加入等量的純凈水,并且使水不從花盆底部漏出,在溫室內自然光照下生長,間苗60 d后分別取樣處理和測定[3]。測定項目包括：每個處理中所有植株地上部分和地下部分(根部)的干重；植株地上部分鎘含量和地下部分(根部)鎘含量。

采樣和處理分析樣品的過程如下：從每個花盆的土壤中仔細取出整個植株,分開地上部分和地下部分的根部,迅速用水洗凈根部,然后在電熱干燥箱中烘干植株,分別稱量每個處理中植物體地上部分和根部的干重。使用電感耦合高頻等離子體發射光譜法(ICP-AES)測定樣品中鎘的含量,測定儀器為島津ICPS7510。

1.3 數據處理方法

數據經過處理后,按下列公式計算鎘的生物濃縮因子和轉移系數[12-14]：

生物濃縮因子(Bioconcentration factor, BCF)=植物體中的鎘含量(mg/kg) / 土壤中的鎘含量(mg/kg)

轉移系數=植物體地上部的鎘含量(mg/kg) / 植物體地下部(根部)的鎘含量(mg/kg)

實驗數據采用SPSS 18.0統計軟件對進行方差分析；利用新復極差法(SSR法)對結果進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 土壤中不同含量的鎘對3種植物生長的影響

植物的生物量能在一定程度上反映出其對環境的適應性,同時,較高的生物量也是超級累植物的特征之一。從表2可知,不同含量鎘的土壤中3種植物生長產生的生物量是有差異的。對于堿蓬,不管是地上部分還是地下的根部,在不同鎘含量的土壤中生長出的生物量差異都不顯著,說明土壤中的鎘濃度對堿蓬的生長影響很小,其對土壤中的鎘耐受性較強。對于二色補血草,隨著土壤中鎘含量的增加,地上部分和地下部分的生物量都顯著減小,說明土壤中的鎘含量對其生長影響很大,并且在較低鎘含量時就有顯著的影響,說明其對土壤中的鎘耐受性較差。對于蘆葦,在土壤中鎘含量較低時,對其影響不大,但當鎘含量較高時,對其地上和地下部分的生長都有抑制作用,說明其對土壤中的鎘具有一定的耐受性。實驗的每種植物地上部分和根部對土壤中不同含量的鎘反映在生物量上的表現趨勢是基本一致的,但土壤中較高含量的鎘對3種植物的生物量影響程度不同。

表2 土壤中鎘含量對3種鹽生植物地上部分和根部生物量的影響

不同小寫字母表示在P<0.05的水平上差異顯著

2.2 不同類型鹽生植物對土壤中鎘吸收量的比較

從表3可以看出,在土壤中鎘含量較低時,堿蓬地上部分的鎘含量顯著增加,但土壤中鎘含量較高時,植株地上部分鎘含量增加不顯著,而隨著土壤中鎘含量的增加,堿蓬根部鎘含量是持續增加的。二色補血草地上部分和根部的鎘含量隨著土壤中鎘含量的增加都顯著增加。對于蘆葦,隨著土壤中鎘含量的增加,植株地上部分和根部的鎘含量也都顯著增加,但蘆葦地上和地下部分的鎘含量比堿蓬和二色補血草都明顯低。3種植物的地上和地下部分相對于土壤中的鎘含量都有顯著增加,說明這3種植物對土壤中的鎘都有富集作用,蘆葦對鎘的富集作用相對較小。在不同鎘含量的土壤中,不同類型鹽生植物體內鎘含量差別很大。地上部分和根部鎘含量從大到小的順序是：堿蓬>二色補血草>蘆葦,這與3種植物對鹽分的生理適應表現相似[9],可能與它們對鹽離子的代謝機理有關。

表3 不同類型鹽生植物地上部分和根部鎘含量的比較

植物體內鎘的總量不僅和其體內的鎘含量有關,還與其生物量有關。通過表4可知,3種植物中,在不同鎘含量的土壤中生長的堿蓬整個植株和地上部分含鎘的總量幾乎都大于二色補血草和蘆葦,在土壤鎘含量很高時表現地更加明顯。堿蓬和蘆葦植物體地上部分、根部和整個植株含鎘總量隨著土壤中鎘含量的增加而增大,但二色補血草的表現卻與堿蓬和蘆葦相反。從植物體地上部分鎘總量占整個植株中鎘總量的比例來看,堿蓬地上部分鎘的總量占植物體內所有鎘的46%—49%,并且不同鎘含量的土壤差別不大；二色補血草地上部分鎘的總量占植物體內所有鎘的50%左右；蘆葦地上部分鎘的總量占植物體內所有鎘的55%—66%。從以上數據分析可知,堿蓬在3種鹽生植物中從鹽漬土壤中吸收鎘的能力是最強的,蘆葦地上部分獲得鎘的能力相對較強。3種植物地上部分鎘的量占整個植物體含鎘量在40%—65%之間,表明3種鹽生植物從土壤中吸收的鎘大約有1/2被輸送到了地上部分,同時根部富集鎘的量也比較多。

表4 不同類型鹽生植物地上部分和根部吸收鎘的總量比較

2.3 土壤中不同類型鹽生植物對鎘吸收效率的比較

生物濃縮因子是用來顯示某種物質在生物體內累積趨勢的重要指標,也是衡量植物富集重金屬及其它物質能力的重要指標之一[15],其值越大,表明植物對重金屬的吸收累積能力越強[16]。轉移系數是指植物地上部某種元素含量與地下部分(根部)該種元素含量的比值,反映植物將重金屬從地下部轉移到地上部的能力,轉移系數越大,植物向地上部轉移重金屬的能力就越強[17-18]。從表5可以看出,在土壤中鎘含量較低時,堿蓬和二色補血草地上和地下部分生物濃縮因子都較大,隨著土壤中鎘含量的增加,鎘的生物濃縮因子逐漸減小,并且都差異顯著,說明堿蓬和二色補血草在鎘含量較低時,對鎘富集能力最強。堿蓬和二色補血草對鎘的生物濃縮因子在根部的表現與地上部分相同,但根部的生物濃縮因子明顯大于地上部分,說明地下部分富集鎘的能力比地上部分強。隨著土壤中鎘含量的增加,蘆葦地上部分生物濃縮因子在土壤中鎘含量低時,相對堿蓬和二色補血草都小,另外,蘆葦地上部分生物濃縮因子的變化差異不顯著,說明其地上部分對土壤中鎘含量的變化不敏感；蘆葦根部的生物濃縮因子只有在土壤中鎘含量很高時有所下降,說明其對鎘的富集能力只有在土壤中鎘含量很高時才會下降。從表5中的轉移系數分析結果可以看出,堿蓬和蘆葦的轉移系數都在0.50—0.60之間,幾個處理大多大于二色補血草的轉移系數。在不同鎘含量的土壤中,堿蓬轉移系數變化不顯著,說明鎘在堿蓬體內的分配不受土壤中鎘含量的影響。二色補血草的轉移系數隨著土壤中鎘含量的增加而增大,在高濃度鎘含量的土壤中,其轉移系數增加較大；蘆葦在不同鎘含量土壤中的轉移系數也有增加的趨勢,說明土壤中的鎘含量能夠影響二色補血草和蘆葦體內鎘的分配。

表5 不同類型鹽生植物對鎘的生物濃縮因子和轉移系數

3 討論

鎘是植物的非必需元素,在植物體內累積到一定程度,就會影響植物的正常生長和發育,最終表現為生物量下降,甚至死亡[18]。植物能富集或超富集重金屬來修復被重金屬污染的土壤是基于其對重金屬的抗性,超積累植物對重金屬有很強的耐性,表現在植物能夠在較高的重金屬濃度土壤上正常生長,不出現明顯的受毒害癥狀[19]。植物對鎘的耐受性因土壤鎘污染濃度和植物種類不同而有所差異,有研究表明,低濃度的鎘對某些植物的生長有一定的促進作用,較高濃度的鎘會降低植物的光合生產力,干擾體內營養物質的遷移和再分配,影響植物生長[7,18]。本實驗中,土壤中鎘含量均顯著影響二色補血草地上部分和根部的生物量,而對堿蓬和蘆葦影響不大,說明3種植物中泌鹽鹽生植物二色補血草的對鎘的耐受性低于其它兩種植物,土壤中不同鎘的含量對聚鹽鹽生植物堿蓬的生長均無影響,可能是因為堿蓬是典型的聚鹽鹽生植物和喜鈣植物,能大量吸收鹽分到植物體內聚集,同時對含鈣量高的土壤也有較好的適應性,而鎘和鈣在某些化學性質上相似,在植物體內的代謝過程也有相似的地方[20-22],聚鹽鹽生植物堿蓬對鎘的難受性可能與其對鈣的耐受性有關,但還需對相關機理進行更深入的研究,相關的研究不但可以促進和發展植物生理學的有關理論,還有助于為優化與改良鎘污染土壤植物修復方法提供理論指導。

超級累植物一般有3個主要特征：(1)體內某一物質濃度大于一定的臨界值；(2)植物吸收的某種物質大部分轉移分布到了地上部分,即有較高的地上部/根濃度比率；(3)在某種物質污染的土壤上這些植物能夠良好生長,不會發生這種物質嚴重毒害植物體的情況[23]。在相同時間內植物吸收鎘的總量也是利用植物進行鎘污染土壤修復的一個重要指標,從實驗結果來看,相比其它兩種鹽生植物,在相同種植時間內,聚鹽鹽生植物堿蓬地上部分和整個植物體鎘的總量都是最大的,從地上部吸鎘百分率和轉移系數來看,堿蓬地上部和根部的生物濃縮因子也都較大,堿蓬的耐旱性很好,在濱海地區資源很豐富,人工栽培也較容易[24],因此,在3種鹽生植物中,聚鹽鹽生植物堿蓬最具修復鎘污染土壤的潛力,堿蓬作為鎘污染鹽漬土壤的修復具有很好的應用價值和便利條件。避鹽鹽生植物蘆葦在鎘含量較低時,植株富集鎘的能力也是較強的,并且鎘對其生物量的影響較小,同時,蘆葦整個植株的地上部分富集鎘的總量占整個植物體的比例在3種植物中是最高的,超過了50%,說明其植物體向地上部轉移重金屬鎘的能力較強,因此,避鹽鹽生植物蘆葦在鎘含量較低時也可以做為鎘污染鹽漬土壤的修復材料。3種植物根部鎘的總量大約占了整個植物體的1/2,所以,利用鹽生植物來修復鎘污染的鹽漬土壤時,如果在使用過程中,連同根部一起去除,那么受鎘污染鹽漬土壤中通過植物富集去除鎘的效率會更高。

本實驗只利用了盆栽方法對3種類型的鹽生植物富集鎘的效應進行了研究,在將來的研究中還會對更多種不同類型的濱海鹽生植物和各種鹽含量的鹽漬土壤進行相關的實驗對比研究,有望進一步探明這3種類型鹽生植物富集鎘的效應,得出更普遍的實驗結果。通過對更多種鹽生植物的相關研究,以期找到生物量更大,對鎘富集效率更高的鹽生植物用于修復鎘污染的鹽漬土壤,并且進一步會在自然條件下進行有關實驗驗證工作。從本研究的實驗結果來看,聚鹽鹽生植物,泌鹽鹽生植物和避鹽鹽生植物對土壤中的鎘表現出了不同的反應,其中藜科聚鹽鹽生植物堿蓬對鎘污染鹽漬土壤有很好的抗性,聚鹽鹽生植物在濱海鹽漬土壤地區還有很多種類,對這一類植物的不斷研究和實驗,有望選擇富集鎘效率更高,對鎘污染土壤修復效果更好的植物種類,并且聚鹽鹽生植物的植物體還能夠大量吸收土壤中的鹽分[25],在去除富集了鎘的植物體的同時,也能去除土壤中的鹽分,減輕土壤的鹽漬化,具有一舉兩得的效果。

植物修復鎘污染鹽漬土壤的技術更接近自然生態恢復,具有投資少、修復周期短并且無二次污染等優點,同時可以凈化與美化生態環境、增加土壤有機質含量和肥力,適用于大面積修復利用[26-28],但很多研究表明,安全并廉價的植物尚無法在鹽漬土壤地區得到推廣,因為這些鎘超級累植物多不耐鹽堿,而且不耐干旱,只適合在非鹽漬的濕潤土壤上生長,尤其在我國北方濱海地區,氣候較干旱,許多鎘含量較高的土壤都存在鹽堿化的問題,使治理的難度進一步增大。因此,選擇鹽生植物應用于土壤鎘污染修復是很有必要的。本研究的實驗結果可對將來篩選這類植物提供參考和有關啟發。另外,在植物修復為主的土壤修復技術基礎上,輔以微生物、化學或農業生態修復技術提高植物修復的綜合效率,也是未來植物修復的研究和發展方向之一,開發微生物-植物聯合修復技術、化學-植物聯合修復技術也是未來的發展方向。鹽生植物修復濱海地區鎘污染鹽漬土壤還需進一步研究現有治理技術修復過程中的作用機理和影響因素等,以實現濱海鹽漬土壤鎘污染修復的穩定性、徹底性和長期性。

4 結論

3種典型鹽生植物富集鎘的對比實驗研究顯示,不同鎘含量的土壤對聚鹽鹽生植物堿蓬和避鹽鹽生植物蘆葦的生長影響較小,但對泌鹽鹽生植物二色補血草的生長影響較大。3種植物地上部分鎘的量占整個植物體含鎘總量在40%—66%之間,避鹽鹽生植物蘆葦在3種鹽生植物中地上部分吸收鎘的能力是最強的,而聚鹽鹽生植物堿蓬和泌鹽鹽生植物二色補血草根部富集鎘的能力比地上部分強,并且堿蓬和二色補血草在鎘含量較低時,整個植株對鎘富集能力最強。避鹽鹽生植物蘆葦地上部分對鎘的生物濃縮因子在土壤中鎘含量低時較小,并且其地上部分鎘的生物濃縮因子變化差異不顯著,說明其地上部分對土壤中鎘含量的變化不敏感,對鎘的富集能力只有在土壤中鎘含量很高時才有所下降。聚鹽鹽生植物堿蓬和避鹽鹽生植物蘆葦的轉移系數大于泌鹽鹽生植物二色補血草的轉移系數,其中堿蓬的轉移系數在不同鎘含量的土壤中變化不顯著；泌鹽鹽生植物二色補血草轉移系數隨著土壤中鎘含量的增加而增大。

3種鹽生植物中,聚鹽鹽生植物堿蓬作為鎘污染鹽漬土壤的修復具有較好的利用價值。避鹽鹽生植物蘆葦在鎘含量較低時也可以做為鎘污染鹽漬土壤的修復材料。

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Effects of different types of halophytes on the concentration of cadmium in coastal saline soil

YI Liangpeng*, WANG Zuwei

CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,TianjinNormalUniversity,Tianjin300387,China

In order to utilize saline soil polluted with Cd in the coastal region, the experiment was conducted to analyze the differences in accumulation of Cd by three types of halophytes and to determine the effectiveness of the different halophytes in the remediation of saline soils polluted with Cd. The study was conducted using pot experiments in a greenhouse, and salt accumulating, salt secreting, and salt avoiding plants were used as the study subjects. The halophytes were planted with supplies of salt and Cd, and the bioconcentration factor, translocation factor, biomass, and Cd content of the above ground parts and the root were investigated after 60 days of culture. The results indicated that different Cd contents in the soil had little effect on the growth ofSuaedaglaucaandPhragmitesaustralis, but had a greater influence on the growth ofLimoniumbicolor. The variation of the Cd concentration factor in the aboveground parts ofPhragmitesaustraliswas not significant, and the percentage of Cd uptake in the aboveground part was higher. The translocation factor inS.glaucaandP.australiswas greater than that inL.bicolor; the translocation factor inS.glaucadid not change significantly with the change in Cd contents in the soil, but it increased greatly inL.bicolor. Among the three types of halophytes,S.glaucahad the highest potential to remediate coastal saline soil polluted with Cd, which may be related to the physiological type of this halophyte as salt accumulating plant. Among the three types of halophytes,P.australisaccumulated the highest total amount of Cd in the aboveground parts. Therefore,P.australiscan be used to remediate soils that have lower Cd levels.

coastal saline soil; halophytes; cadmium; concentration

國家自然科學基金項目(40940010,40973078)

2016- 04- 05; 網絡出版日期:2017- 03- 02

10.5846/stxb201604050618

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yiliangpeng@126.com

弋良朋,王祖偉.濱海鹽漬土壤中不同類型鹽生植物富集鎘的效應.生態學報,2017,37(14):4656- 4662.

Yi L P, Wang Z W.Effects of different types of halophytes on the concentration of cadmium in coastal saline soil.Acta Ecologica Sinica,2017,37(14):4656- 4662.