萱草對(duì)土壤中鎘、鉛、鋅單一污染的修復(fù)效果

王碩 李德生 王靜 晁卓錫 張才

摘要：利用盆栽試驗(yàn)，研究不同重金屬濃度下萱草（Hemerocallis fulva）對(duì)土壤中鎘、鉛、鋅的修復(fù)效果。結(jié)果表明，一定范圍內(nèi)，土壤重金屬含量促進(jìn)了萱草的地上生物量；低濃度重金屬脅迫（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進(jìn)了萱草葉片對(duì)鎘、鉛、鋅的富集，具體表現(xiàn)為鎘>鋅>鉛；鎘、鉛、鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨土壤重金屬濃度的增加而逐漸減小，具體表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅；低濃度重金屬脅迫（Cd≤5 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）提高了萱草對(duì)土壤中鎘、鉛、鋅的修復(fù)效率，表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅。表明萱草對(duì)低濃度鎘、鉛、鋅單一污染土壤的修復(fù)效果較好。

關(guān)鍵詞：萱草（Hemerocallis fulva）；重金屬污染；富集系數(shù)；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；修復(fù)效果

中圖分類(lèi)號(hào)：Q948.116 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2018）06-0035-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.06.008

Abstract： Using pot experiment，the repairing effect of Hemerocallis fulva on Cd，Pb，Zn in soil under different concentrations of heavy metals. The results showed that aboveground biomass of H. fulva was increased within a certain heavy metal content range in soil； The low concentration of heavy metals（Cd≤20 mg/kg，Pb≤1 000 mg/kg， Zn≤1 000 mg/kg） promoted the enrichment of Cd，Pb，Zn in H. fulva leaves，and the specific performance showed Cd>Zn>Pb； With heavy metal concentration increasing，the transfer coefficient of Cd，Pb，Zn decreased，and the specific performance showed Pb>Cd>Zn； The low concentration of heavy metal （Cd≤5 mg/kg，Pb≤1 000 mg/kg，Zn≤1 000 mg/kg） improved the repair efficiency of H. fulva on Cd，Pb，Zn in soil，and the specific performance showed Pb>Cd>Zn. It suggested that H. fulva was good for low concentrations of Cd，Pb，Zn in soil.

Key words： Hemerocallis fulva； heavy metal pollution； enrichment coefficients； transfer coefficients； repairing effect

鎘、鉛、鋅在大氣、水體和土壤中都有著嚴(yán)重的污染影響[1]。2014年全國(guó)土壤污染調(diào)查中，鎘、鉛、鋅對(duì)土壤的污染名列前茅，污染程度表現(xiàn)為鎘>鉛>鋅[2]。Cd、Pb是主要引起蔬菜復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)的因素，對(duì)于人體存在明顯的健康風(fēng)險(xiǎn)[3]。研究鎘、鉛、鋅污染土壤的修復(fù)工作成為領(lǐng)域一大熱點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于鎘、鉛和鋅污染土壤的植物修復(fù)多數(shù)為草本[4，5]。對(duì)于物理化學(xué)的修復(fù)手段來(lái)說(shuō)，植物修復(fù)沒(méi)有二次污染、成本較低、工藝簡(jiǎn)便，是理想的土壤修復(fù)手段[5]。

植物修復(fù)的最主要問(wèn)題是植株矮小、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差、對(duì)重金屬吸收富集能力較差[6]。與灌木和喬木相比，草本具有較高的生長(zhǎng)率，較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，較高的生物生長(zhǎng)量[7]。萱草（Hemerocallis fulva）對(duì)土壤環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在中性、偏堿性的嚴(yán)苛環(huán)境土壤中均能生長(zhǎng)良好，其根耐寒能力較強(qiáng)，地下根莖能耐受-20 ℃的低溫。萱草具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、藥用價(jià)值以及觀賞價(jià)值[8-10]。國(guó)內(nèi)已有一些關(guān)于萱草修復(fù)污染土壤的研究，效果都較為顯著，但主要針對(duì)鎘、銅、鉛重金屬及石油污染，研究也多為生理影響和積累富集效果[11-16]。

以萱草為試驗(yàn)對(duì)象，研究其在落葉前（9月）和落葉后（12月）對(duì)土壤中鎘、鉛、鋅的積累、富集、轉(zhuǎn)運(yùn)效果以及修復(fù)效率，深入分析萱草對(duì)單一鎘、鉛、鋅污染土壤的修復(fù)效果。為萱草修復(fù)重金屬污染土壤的實(shí)際運(yùn)用和推廣提供更深入的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

2016年4月開(kāi)始萱草栽培工作。選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的萱草，土壤選取天津理工大學(xué)校園內(nèi)土壤，校園土∶營(yíng)養(yǎng)土=10∶1，混合后放入口徑為19.1 cm的花盆中，土重2.7 kg/盆。試驗(yàn)土壤有機(jī)質(zhì)16.01 g/kg，pH 6.79，含水率12%，土壤所含鎘、鉛和鋅含量分別為11.17、43.83、179.33 mg/kg。

1.2 方法

2016年5月向土壤中投加重金屬溶液，鎘以 CdCl2·2.5H2O的形式加入，鋅以ZnSO4·7H2O的形式加入，鉛以Pb（NO3）2的形式加入，Cd濃度梯度為0、1、5、20、50 mg/kg，分別記為CK-Cd、Cd-1、Cd-2、Cd-3、Cd-4；Pb濃度梯度為0、100、500、1 000、1 500 mg/kg，分別記為CK-Pb、Pb-1、Pb-2、Pb-3、Pb-4；Zn濃度梯度為0、100、500、1 000、1 500 mg/kg，分別記為CK-Zn、Zn-1、Zn-2、Zn-3、Zn-4。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

萱草的葉片分別在9月初和12月末進(jìn)行重金屬含量的測(cè)量，萱草的根及萱草生物量的測(cè)量在12月末進(jìn)行。收割的植物樣本分別用自來(lái)水洗凈，再用去離子水清洗一遍，自然晾干表層水分，稱重并裝入紙袋中，置于100 ℃烘箱中至恒重，用電子天平稱量干重。烘干的樣品用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)80目尼龍篩，消解植物樣品使用9 mL硝酸，消解土壤樣品使用硝酸-高氯酸法（9∶1）。使用ICP-OES儀器測(cè)定萱草葉與根內(nèi)的鎘、鉛和鋅含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的制圖采用Excel軟件，各處理組與對(duì)照差異顯著性的數(shù)據(jù)分析利用SPSS軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鎘、鉛、鋅對(duì)萱草生長(zhǎng)的影響

植物生物量影響對(duì)重金屬的富集能力，也直接影響植物修復(fù)重金屬污染土壤的效果[16，17]。由表1可見(jiàn)，萱草在不同濃度的鎘、鉛、鋅處理下全部存活，說(shuō)明萱草對(duì)鎘、鉛、鋅污染土壤具有很好的耐性。由表2可見(jiàn)，萱草地上生物量隨鎘、鉛、鋅污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢(shì)。重金屬脅迫下，萱草地上生物量均大于對(duì)照，分別在鎘5 mg/kg、鉛500 mg/kg、鋅1 000 mg/kg時(shí)獲得最大值，比對(duì)照分別高出3.69、1.70、3.62倍。處理組間顯著性水平也隨著重金屬污染濃度的增加而愈加顯著。表明土壤中鎘、鉛、鋅脅迫明顯促進(jìn)了萱草的生長(zhǎng)，隨重金屬濃度的增加生長(zhǎng)的差異越明顯。

2.2 鎘、鉛、鋅在萱草葉和根部的積累

圖1、圖2、圖3顯示不同濃度的單一鎘、鉛、鋅污染土壤下的萱草葉和根內(nèi)鎘、鉛、鋅含量。落葉前，萱草葉內(nèi)鎘、鉛、鋅含量隨土壤重金屬污染濃度的增高而呈逐漸增加趨勢(shì)，且均小于對(duì)照；落葉后，萱草內(nèi)鉛、鋅含量隨土壤重金屬污染濃度的增高而先增后減，鎘含量則逐漸減小，且鎘、鉛含量整體上大于對(duì)照，鋅含量整體上小于對(duì)照。表明萱草開(kāi)始枯黃時(shí)，低濃度重金屬污染（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）對(duì)鎘、鉛、鋅的吸收有促進(jìn)作用，高濃度重金屬污染（Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）則產(chǎn)生明顯抑制作用。可能是由于葉片枯黃，植物機(jī)能開(kāi)始衰弱，對(duì)高濃度重金屬的抗性有所降低。

落葉后，萱草根內(nèi)鉛、鋅含量隨土壤重金屬污染濃度的增高而呈先增后減趨勢(shì)，這與落葉后萱草葉內(nèi)鉛、鋅含量趨勢(shì)一致，且整體上大于對(duì)照；鎘含量則呈先減后增的趨勢(shì)，且大于對(duì)照。表明重金屬脅迫促進(jìn)了萱草根部吸收重金屬。Cd污染濃度為50 mg/kg時(shí)，落葉后萱草葉內(nèi)鎘含量明顯降低，而根內(nèi)有所增加，表明高濃度鎘（Cd=50 mg/kg）污染下，萱草對(duì)鎘從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到葉片受到明顯的抑制作用。

2.3 萱草鎘、鉛、鋅富集系數(shù)

富集系數(shù)是指植物地上部金屬含量與土壤中該金屬含量的比值，在一定程度上反映了沉積物或土壤中重金屬向植物體內(nèi)遷移的難易程度[17]。由表3可知，落葉前及落葉后，萱草對(duì)鎘的富集系數(shù)隨污染濃度的增加而呈減小趨勢(shì)；落葉前及落葉后，萱草對(duì)鉛、鋅的富集系數(shù)隨污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢(shì)。整體上，萱草富集系數(shù)表現(xiàn)為鎘>鋅>鉛，均小于1，落葉后的富集系數(shù)大于落葉前。低濃度重金屬脅迫下的鎘、鉛、鋅富集系數(shù)都大于對(duì)照。表明低濃度重金屬脅迫（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進(jìn)了萱草葉片對(duì)鎘、鉛、鋅的富集，但高濃度重金屬污染（Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）則表現(xiàn)出抑制作用，在萱草葉片開(kāi)始枯黃后尤為明顯。

2.4 萱草鎘、鉛、鋅轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是指植物地上部金屬含量與植物地下部該金屬含量的比值，反映了金屬由植物根部向地上部轉(zhuǎn)移的難易程度，也衡量了植物在污染土壤中對(duì)金屬的修復(fù)效果[17]。由表4可知，從整體來(lái)看，萱草對(duì)鎘、鉛、鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨土壤重金屬污染濃度的增加而呈減小的趨勢(shì)，大于對(duì)照。整體上，萱草轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅，小于1。表明重金屬脅迫促進(jìn)了萱草對(duì)鎘、鉛、鋅由根部到葉片的轉(zhuǎn)運(yùn)，但隨重金屬脅迫濃度的增加促進(jìn)作用逐漸降低。

2.5 萱草對(duì)鎘、鉛、鋅的修復(fù)效率

修復(fù)效率是指修復(fù)前后土壤中某金屬含量差值與修復(fù)前土壤中該金屬含量的比值，可直觀反映植物對(duì)土壤中某金屬的去除效果，從而分析植物的修復(fù)效果。由表5可知，萱草對(duì)鎘、鉛、鋅的修復(fù)效率在落葉前后均隨污染濃度的增加而呈減小趨勢(shì)。整體上，萱草修復(fù)效率表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅。落葉后修復(fù)效率大于落葉前。表明低濃度重金屬脅迫（Cd≤5 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進(jìn)了萱草去除土壤中鎘、鉛、鋅的能力，而高濃度重金屬脅迫（Cd=20 mg/kg、Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）則表現(xiàn)為抑制作用，在萱草葉片枯黃后尤為突出。

3 小結(jié)

萱草對(duì)土壤中鎘、鉛、鋅單一污染的修復(fù)效果從萱草地上生物量、體內(nèi)重金屬含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和修復(fù)效率5個(gè)方面來(lái)分析。第一，萱草對(duì)土壤中鎘、鉛、鋅單一污染有明顯的耐性，一定范圍內(nèi)促進(jìn)萱草地上的生長(zhǎng)，在鎘5 mg/kg、鉛500 mg/kg、鋅1 000 mg/kg時(shí)促進(jìn)作用最明顯；第二，高濃度重金屬脅迫（Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）對(duì)萱草葉片和根吸收鉛、鋅有一定的抑制作用；第三，低濃度重金屬脅迫（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進(jìn)了萱草葉片對(duì)鎘、鉛、鋅的富集，但高濃度重金屬污染（Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）則表現(xiàn)出抑制作用，在萱草葉片開(kāi)始枯黃后尤為顯著，富集系數(shù)表現(xiàn)為鎘>鋅>鉛，小于1；第四，重金屬脅迫促進(jìn)了萱草對(duì)鎘、鉛、鋅由根部到葉片的轉(zhuǎn)運(yùn)，但隨重金屬脅迫濃度的增加促進(jìn)作用逐漸降低，表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅，小于1；第五，低濃度重金屬脅迫（Cd≤5 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）促進(jìn)了萱草去除土壤中鎘、鉛、鋅的能力，而高濃度重金屬脅迫（Cd=20 mg/kg、Cd=50 mg/kg、Pb=1 500 mg/kg、Zn=1 500 mg/kg）則表現(xiàn)為抑制作用，在萱草葉片枯黃后尤為突出，表現(xiàn)為鉛>鎘>鋅。

修復(fù)效果取決于植物的耐性和富集系數(shù)[18]。萱草可用于土壤中低濃度單一鎘、鉛、鋅（Cd≤20 mg/kg、Pb≤1 000 mg/kg、Zn≤1 000 mg/kg）的污染修復(fù)，對(duì)鎘的修復(fù)效果相對(duì)更佳。因萱草為觀賞性與藥用性并存的多年生草本植物，可多年栽培修復(fù)土壤，在實(shí)際應(yīng)用中從整體上提高植物修復(fù)污染土壤的綜合效果和景觀效果[19]。修復(fù)后的萱草若達(dá)到國(guó)家蔬菜可食用標(biāo)準(zhǔn)或可再利用，為植物修復(fù)后續(xù)處理開(kāi)辟新道路[20]。因此，萱草對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)具有廣闊的前景。

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