石榴對鎘、鉛、鋅復合污染土壤的修復效果

王碩 李德生 朱秀錦

摘要：以石榴為供試材料，通過盆栽試驗研究石榴在不同濃度梯度的鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）復合污染土壤下對重金屬的吸收、富集、轉運規律。結果表明：低濃度的復合重金屬污染（Cd2+濃度≤5 mg/L，Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）對石榴生長有明顯的促進作用，大致表現為鉛+鋅>鎘+鋅，鎘+鉛>鎘+鉛+鋅;石榴對鎘的吸收能力較好，對鉛和鋅的吸收能力相對較弱;石榴在重金屬復合污染下，其各個部位對重金屬的富集受到抑制作用，在高濃度梯度下（Cd2+濃度為50 mg/L，Pb2+濃度為1 500 mg/L，Zn2+濃度為1 500 mg/L）抑制作用更為明顯，具體表現為鎘>鉛>鋅;重金屬污染對石榴從葉轉運重金屬到莖再到根有一定的促進作用。石榴在低濃度重金屬污染（Cd2+濃度≤5 mg/L，Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）中生長旺盛，對鎘、鉛、鋅吸收、富集及轉運能力較好，可作為鎘、鉛和鋅復合污染重金屬土壤的修復植物。

關鍵詞：石榴;重金屬復合污染;吸收能力;富集系數;轉運系數

中圖分類號： X53 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）02-0250-04

我國土壤受鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬污染的影響越來越明顯，重金屬通過食物鏈富集在人體內，危害人類健康[1]。自20世紀90年代至今，植物修復作為一種生物修復方法，因其成本低、對土壤環境擾動小，越來越受到國內外學者的關注[2-5]。植物修復的核心工作是尋找生物量大的超積累植物，目前國內發現鎘超積累植物寶山堇菜、鋅超積累植物東南景天，國外發現芥菜對鎘、鉛、鋅等多種重金屬的吸收和富集效果很好。但是目前的研究大多是針對單一重金屬污染土壤的植物修復，而事實上重金屬污染土壤幾乎都是復合型污染，重金屬復合污染土壤對植物修復的要求更高，情況也更復雜。已經研究的重金屬復合污染修復以草本為主，如菠菜[6]、蜈蚣草[7]、水芹[8]、甘蔗[9]、彎囊苔草[10]等，木本植物的研究較少?？梢娭参镄迯椭亟饘傥廴就寥廊匀沃氐肋h。

石榴在我國南北方均可栽培，其適應性強，含有豐富的維生素C并且其葉、皮、花、根均可入藥，兼具觀賞和食用雙重價值，是園林常用品種之一。近年來的研究表明，石榴皮可作為一種吸附劑或者低成本的活性炭富集水中鎘、鋅、鉛等重金屬，并且發現石榴皮與鉛的結合能力最強[11-12]，而國內外缺少石榴修復污染土壤的相關研究。故本研究以石榴為試驗材料，探討石榴對土壤中鎘、鉛、鋅的積累、富集、轉運效果及其生物量變化，深入分析石榴對重金屬復合污染土壤的修復效果，為重金屬復合污染土壤的修復開拓更多方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為石榴嫩枝，供試土壤取樣于天津理工大學校園內，并加入營養土（草木灰）按m校園土 ∶ m營養土=10 ∶ 1比例混合。利用盆栽技術，2016年4月進行石榴枝扦插，在天津理工大學環安學院3樓露臺開始栽培。測得土壤基本理化性質如下：有機質含量16.01 mg/kg，pH值6.79，含水率12%。土壤所含鎘、鉛、鋅含量分別為4.18、40.26、142.69 mg/kg。

1.2 試驗方法

試驗設置4種不同類型的鎘、鉛和鋅復合污染，各類型梯度濃度如表1所示。將CdCl2、Pb（NO3）2、ZnSO4分別按濃度梯度配成溶液，均勻混入土中。總計107個內徑為26.5 cm的塑料盆，每盆土質量5.5 kg。試驗每個處理設置3個重復。本研究以Cd+Zn-1、Cd+Zn-2、Cd+Zn-3、Cd+Zn-4分別代表鎘+鋅復合濃度1 mg/L+100 mg/L、5 mg/L+500 mg/L、20 mg/L+1 000 mg/L、50 mg/L+1 500 mg/L;以Pb+Zn-1、Pb+Zn-2、Pb+Zn-3、Pb+Zn-4分別代表鋅+鉛復合濃度100 mg/L+100 mg/L、500 mg/L+500 mg/L、1 000 mg/L+1 000 mg/L、1 500 mg/L+1 500 mg/L;以Cd+Pb-1、Cd+Pb-2、Cd+Pb-3、Cd+Pb-4分別代表鉛+鎘復合濃度1 mg/L+100 mg/L、5 mg/L+500 mg/L、20 mg/L+1 000 mg/L、50 mg/L+1 500 mg/L;以Cd+Pb+Zn-1、Cd+Pb+Zn-2、Cd+Pb+Zn-3、Cd+Pb+Zn-4分別代表鎘+鉛+鋅復合濃度1 mg/L+100 mg/L+100 mg/L、5 mg/L+500 mg/L+500 mg/L、20 mg/L+1 000 mg/L+1 000 mg/L、50 mg/L+1 500 mg/L+1 500 mg/L。

1.3 樣品處理與測量方法

2016年9月在天津理工大學環安學院3樓露臺收集石榴葉、莖，測量生物量并測量土壤及植物各部位鎘、鉛、鋅含量;2016年11月在天津理工大學環安學院3樓露臺收集石榴根，測量根周圍土壤及根部鎘、鉛、鋅含量。將植物樣品用蒸餾水洗凈、晾干，放入100 ℃烘箱內烘至恒質量，用千分之一電子天平稱干質量。烘干的樣品粉碎后過80目尼龍篩呈粉末狀，植物樣品倒入試管中加9 mL硝酸，土壤樣品倒入試管中加9 mL硝酸和1 mL氫氟酸，使用石墨消解儀（型號：SH230，購自濟南海能儀器股份有限公司）進行消解。最后用ICP-OES（即電感耦合等離子發射光譜儀，型號：VistaISTA-MPX型，購自美國Varian公司）檢測重金屬含量。

1.4 數據處理

用SPSS 17.0進行統計分析，用Excel 2007進行圖表處理。

2 結果與分析

2.1 重金屬復合污染物對石榴地上生物量的影響

生物量可以反映植物對重金屬污染的修復能力[13]。表2統計了不同濃度梯度下重金屬復合污染對石榴地上生物量的影響。可以看出，石榴的地上生物量隨復合污染物濃度的增加整體呈先增后減的趨勢，具體表現為鉛+鋅>鎘+鋅，鎘+鉛>鎘+鉛+鋅。在Zn+Cd-1、Zn+Pb-1、Pb+Cd-2、Cd+Pb+Zn-2處理下分別高于對照組77.57%、307.35%、206.99%、166.91%。隨著污染濃度的增加，石榴地上生物量沒有明顯的增加，在Zn+Cd-3、Zn+Pb-4、Pb+Cd-3、Cd+Pb+Zn-3處理下有明顯的下降。說明低濃度的復合重金屬污染（Cd2+≤5 mg/L，Pb2+≤500 mg/L，Zn2+≤500 mg/L）對石榴生長有明顯的促進作用。重金屬復合污染不同梯度之間的石榴地上生物量差異顯著。

2.2 石榴對土壤重金屬復合污染物的積累

圖1、圖2、圖3分別是石榴在不同復合重金屬污染下根、莖、葉內鎘、鉛、鋅含量的統計結果。植物體內天然存在一些重金屬，如鎘含量<3 mg/kg，鉛含量≤70 mg/kg，鋅含量在 1～160 mg/kg 之間[14]。結果顯示，石榴對鎘的吸收能力較好，對鉛和鋅的吸收能力相對較弱。

由圖1、圖2、圖3可以看出，不同重金屬復合污染下石榴葉片、莖內和根部的鎘、鉛、鋅含量整體上隨污染濃度升高呈先增后減的趨勢。

在鎘+鉛+鋅濃度為20 mg/L+1 000 mg/L+1 000 mg/L時，葉片、莖內鎘含量出現最大值，分別是對照的5.73、2.05倍;在鎘+鉛濃度為20 mg/L+1 000 mg/L時，葉片鉛含量出現最大值，是對照的4.38倍;在鉛+鋅濃度為1 000 mg/L+1 000 mg/L 時，葉內鋅含量出現最大值，是對照的2.49倍。說明石榴在重金屬復合污染濃度增加到一定值時（Cd2+濃度為 20 mg/L，Pb2+濃度為1 000 mg/L，Zn2+濃度為1 000 mg/L），葉片對鎘、鉛、鋅吸收量最大，促進了葉片對重金屬的積累。

在鉛+鋅濃度為1 000 mg/L+1 000 mg/L時莖內鉛含量出現最大值，是對照的8.70倍;在鎘+鉛+鋅濃度為 50 mg/L+1 500 mg/L+1 500 mg/L時莖內鋅含量出現最大值，是對照的2.43倍。以上結果與石榴葉片吸收重金屬的情況相似。說明石榴在重金屬復合污染濃度增加到一定值時（Cd2+濃度為 50 mg/L，Pb2+濃度為1 000 mg/L，Zn2+濃度為1 000 mg/L），莖內對鎘、鉛、鋅吸收含量較大，促進了莖對重金屬的積累。

在鎘+鉛濃度為1 mg/L+100 mg/L時根部鎘含量出現最大值，是對照的8.64倍;在鉛+鋅濃度為100 mg/L+100 mg/L 時根部鉛含量和鋅含量出現最大值，分別是對照的6.62、6.69倍。在復合重金屬污染下，石榴根部的重金屬含量明顯高于對照，說明復合重金屬污染促進了石榴根部對重金屬的積累。石榴葉、莖、根對鋅的吸收在鎘、鋅復合污染不同濃度梯度下的變化規律與鎘、鉛、鋅三者復合污染梯度下的變化相似，說明鉛的加入對石榴各部位吸收鋅的影響不大。

與鎘、鉛、鋅兩兩復合污染相比，在3種重金屬復合污染下石榴對鎘、鉛、鋅的吸收量并沒有明顯減少，說明石榴對多種重金屬復合污染有一定的抗性。整體來看，石榴對鎘的吸收表現為葉>莖>根;石榴對鉛的吸收表現為莖>葉>根;石榴對鋅的吸收表現為莖>葉>根。

2.3 石榴對鎘、鉛、鋅的富集能力

富集系數是指植物體中某元素含量與土壤中相應元素含量之比[13]。表3結果顯示，石榴葉片對鎘的富集系數整體上隨復合污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢，莖部和根部鎘富集系數基本上隨復合污染濃度的增加而呈先增后減、先減后增再減或下降的趨勢;石榴葉片、莖部和根部對鉛的富集系數多數表現為隨復合污染濃度的增加而呈先減后增再減的趨勢（其他表現為先減后增、先增后減等趨勢）;石榴葉片、莖部對鋅的富集系數隨鋅隔復合污染濃度的增加而呈下降的趨勢，葉片、莖部對鋅的富集系數隨鋅鉛復合污染和鎘鉛鋅復合污染濃度的增加而呈先減后增再減、先減后增或先增后減的趨勢，根部富集系數隨復合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢（除鋅鎘處理）。石榴根部對鎘、鉛、鋅的富集與葉片和莖部相比較差。整體上，石榴富集重金屬的能力表現為鎘>鉛>鋅。在重金屬復合污染下，石榴各部位對重金屬的富集略低于對照。說明石榴在重金屬復合污染下，其各個部位對重金屬的富集受到抑制，高濃度梯度下（Cd2+濃度為50 mg/L，Pb2+濃度為1 500 mg/L，Zn2+濃度為 1 500 mg/L）抑制作用更為明顯。

2.4 石榴對鎘、鉛、鋅的轉運能力

轉運系數是地上部分重金屬含量與地下部分重金屬含量之比[15]。由表4可知，石榴莖-葉鎘轉運系數隨重金屬復合污染濃度的增加而呈先增后減再增或先減后增的趨勢，根-莖鎘轉運系數隨重金屬復合污染濃度的增加而呈先減后增或先減后增再減的趨勢;石榴莖-葉鉛轉運系數隨鋅鉛復合污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢，隨鉛鎘復合污染和鎘鉛鋅復合污染濃度的增加而呈上升的趨勢，根-莖鉛轉運系數隨鋅鉛復合污染和鎘鉛鋅復合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢，隨鉛鎘復合污染濃度的增加而呈先增后減再增的趨勢;石榴莖-葉鋅轉運系數隨重金屬復合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢，根-莖鋅轉運系數隨鋅鎘復合污染濃度的增加而呈先增后減再增的趨勢，根-莖鋅轉運系數隨鋅鉛復合污染濃度的增加而呈先減后增的趨勢，隨鎘鉛鋅復合污染濃度的增加而呈先增后減的趨勢。在重金屬復合污染下，石榴對重金屬的轉運能力高于對照，說明重金屬污染對石榴從葉轉運重金屬到莖再到根有一定的促進作用。

3 討論與結論

低濃度的復合重金屬污染（Cd2+濃度≤5 mg/L，Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）對石榴生長有明顯的促進作用，具體表現為鉛+鋅>鎘+鋅，鎘+鉛>鎘+鉛+鋅。李錚錚發現，魚腥草在低濃度鋅、鉛復合污染下（Pb2+濃度≤500 mg/L，Zn2+濃度≤500 mg/L）生長良好[16];孟桂元等發現，苧麻在低濃度鎘、銻、鉛復合污染下（Cd2+濃度≤100 mg/L，Pb2+濃度≤800 mg/L，Sb3+濃度≤100 mg/L）有很強的耐受性[13];趙轉軍等發現，在低濃度鎘、鋅與低濃度的鎘、鋅、鎳復合污染下胡蘿卜生物量有所增長[17]。這是由于低濃度重金屬對植物生長的刺激作用促進了植物的生長。