外源檸檬酸對3種觀賞植物修復鉛污染土壤的影響

郭 暉，莊靜靜

(新鄉學院生命科學技術學院，河南 新鄉 453003)

【研究意義】隨著人口增長、工業化和城鎮化進程中不合理的開發活動，土壤污染問題日趨嚴重，尤其是土壤重金屬污染問題已成為引發全球關注的世界性問題[1]。在被重金屬污染的農田土壤中，重金屬可以通過植物吸收進入食物鏈，從而來危害人體和動物的生命安全[2]。因此，尋求一種經濟、環保、高效的土壤重金屬污染治理方法已成為解決農業環境領域的迫切需求[3]。鉛(Pb)是土壤中主要的重金屬污染元素之一，其微量也可對植物產生毒害作用，重金屬被植物吸收后，將通過食物鏈進入人體，嚴重危害人體健康[4]。因此，治理Pb污染的土壤已成為目前亟需解決的重大課題。在大多數的土壤重金屬修復技術中，植物修復技術因其具有一定的經濟節約、環境友好的特點，而大眾所廣泛關注[5]?！厩叭搜芯窟M展】然而，植物對重金屬利用效率低下和某些重金屬離子向地上部分轉移受限制是植物富集提取重金屬的主要障礙[6]。外源螯合劑的添加可以直接通過酸化、沉淀、絡合、氧化還原等方式改變重金屬在土壤中的溶解性或者間接通過對土壤酶活性和微生物群落的作用來影響重金屬的活性[7]，來促進植物對重金屬的富集，因此，目前普遍應用于強化植物修復土壤污染。檸檬酸是較常見且能夠與重金屬發生螯合作用，在環境中也可降解，具有普遍較好的淋洗效果[6]，引起了人們的關注。有研究表明，螯合劑通過與土壤中重金屬發生螯合作用形成金屬螯合物，而將與土壤中固相結合的重金屬溶解進入土壤溶液進而增加土壤溶液中重金屬的濃度，利于植物吸收[8]。黎詩宏等[9]在螯合劑對鎘污染修復的研究中指出，5 mmol·kg-1的檸檬酸有利于龍葵對Cd的吸收。楊瑞麗等[10]在檸檬酸對黑麥草吸收鈾的研究中指出，檸檬酸含量為5 mmol·kg-1時，其對黑麥草吸收鈾的效果最佳。【本研究切入點】利用觀賞性花卉植物進行鉛污染土壤修復，不僅能降低土壤中鉛含量，同時還能達到美化環境的目的[11-12]。因此，本研究選取萱草(Hemerocallisfulva)、鳶尾(IristectorumMaxim.)和美人蕉(CannaindicaL.)為研究對象?！緮M解決的關鍵問題】研究在外源檸檬酸添加的情況下，3種觀賞植物對鉛污染土壤的修復作用，以期為今后進一步探討植物對重金屬耐性研究和鉛富集植物的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物選取長勢基本一致的鳶尾、萱草和美人蕉，均采購于新鄉市花卉市場。盆栽供試土壤采用新鄉學院校區內的裸露空地，取回土壤后將其風干、過篩，用作盆栽用土。試驗培養水取自新鄉學院自來水，重金屬添加以固體硝酸鉛顆粒[Pb(NO3)2]的形式加入，硝酸鉛顆粒為分析純試劑[12]。

1.2 試驗方法

2019年6月，將供試土壤剔除雜物后自然風干，裝至50 cm×35 cm(直徑×高)的培養盆內，每盆裝土50 kg，厚度約10 cm。選擇長勢健壯和高度基本一致的幼苗移植盆內進行培養。試驗共設置7個處理，分別為未添加Pb(NO3)2(CK)、未添加檸檬酸低濃度鉛污染(100 mg·kg-1，Wz)、未添加檸檬酸中濃度鉛污染(500 mg·kg-1，Wm)和未添加檸檬酸高濃度鉛污染(1000 mg·kg-1，Wg)、添加檸檬酸低濃度鉛污染(100 mg·kg-1，Tz)、添加檸檬酸中濃度鉛污染(500 mg·kg-1，Tm)和添加檸檬酸高濃度鉛污染(1000 mg·kg-1，Tg)。在重金屬添加1周后，將檸檬酸(5 mmol·kg-1)以溶液形式一次性緩慢施入土壤。在植株生長期內觀察檸檬酸加入后3種植物的生長情況。2019年7月開始試驗，于2019年8月結束試驗，試驗歷經60 d。

1.3 測定指標

2019年8月，將植物整株取出，并用去離子水清洗干凈，用直尺測量和計算植物的高度和根系的平均長度。隨后將地上部、根系放入烘箱在120 ℃下干燥30 min，然后在75 ℃下烘干24 h，稱重，計算其生物量。土壤pH值用精準pH儀測定。土壤中的鉛含量采用四酸(鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸)消解樣品，植物中的鉛含量采用硝酸-高氯酸(4∶1)混合酸消解樣品。采用TAS-990火焰型原子吸收光譜儀(北京普析通用儀器有限責任公司，中國)對土壤和植物樣品進行測定。

1.4 數據處理

植物轉運系數(Translocation factor，TF)=植物地上部重金屬含量/根部該元素含量[8]

植物富集系數(Bioconcentration factor，BCF)=植物地上部(或根)重金屬含量/土壤中該元素含量[8]

1.5 數據統計分析

所有數據采用Excel 2013進行處理，使用SPSS 13.0統計分析軟件進行方差分析，各組間兩兩比較采用LSD法，圖形采用Origin 8.0進行繪制。

2 結果與分析

2.1 外源檸檬酸添加對土壤pH值的影響

由圖1可以看出，外源檸檬酸酸的添加對土壤pH值的影響作用并不一致，但總體表現為檸檬酸的添加降低了土壤的pH值。與對照組相比，添加檸檬酸酸的處理中，pH值最少降低了0.40，而未添加檸檬酸的處理則最高僅降低了0.84。通過對比3種觀賞植物的土壤pH值可知，在低濃度鉛污染中，3種植物的土壤pH值大小依次為鳶尾>萱草>美人蕉。添加檸檬酸處理的土壤pH值要低于未添加檸檬酸處理，其差值分別為0.03、0.03和0.05。在高濃度鉛污染中，3種植物的土壤pH值變化趨勢與低濃度鉛污染相反，但其土壤pH值仍要低于未添加檸檬酸處理。顯著性分析也表明，鉛污染濃度對土壤pH值的影響作用較小，而主要受外源檸檬酸添加的影響作用。

CK.對照組; Wz.未添加檸檬酸低濃度鉛污染; Wm.未添加檸檬酸中濃度鉛污染;Wg.未添加檸檬酸高濃度鉛污染; Tz.添加檸檬酸低濃度鉛污染; Tm.未添加檸檬酸中濃度鉛污染; Tg.添加檸檬酸高濃度鉛污染。圖中數據為平均值±標準差值。同列不同小寫字母表示差異達顯著水平(P<0.05)，下同圖1 不同處理條件下土壤pH值的變化特征Fig.1 The characteristics of soil pH in different treatment conditions

2.2 外源檸檬酸添加對3種觀賞植物生長狀況及生物量的影響

從表1可知，萱草在不同濃度鉛污染下，其植株的增長值隨著鉛污染濃度的增加而下降。但在有檸檬酸添加后，中濃度鉛污染的萱草增長值要高于低濃度和高濃度鉛污染。差異性分析也表明，檸檬酸的添加使中濃度鉛污染的萱草增長值與對照和未添加檸檬酸之間差異性顯著(P<0.05)。鳶尾由于自身的生長特性，使其植株的增長值要明顯高于萱草。通過對比不同濃度鉛污染下鳶尾的增長值可知(表1)，與對照組相比，有鉛污染存在時，鳶尾的增長值要低于對照組，這說明鉛污染對鳶尾的生長有一定的抑制作用。在相同濃度的鉛污染處理下，檸檬酸的添加可減少鉛污染對植物的損傷作用，使其增長值高于未添加檸檬酸。美人蕉對不同濃度鉛污染處理下的影響結果與萱草和鳶尾不相同，由表1可知，與對照相比，在鉛污染處理下美人蕉的植株增長值要高于對照。這可能與美人蕉的塊狀莖有關，使鉛污染促進了植株的生長。差異性分析也表明，檸檬酸的添加使植株的增長值與對照組和未添加檸檬酸之間差異性顯著(P<0.05)。通過對比外源檸檬酸添加對3種觀賞植物根系生長的影響可知，外源檸檬酸的添加可使3種觀賞植物的根長要高于相同濃度下未添加檸檬酸的處理。

表1 不同處理條件下植物的生長狀況Table 1 The growth status of plants in different treatment conditions

生物量是表征植物生長情況的重要指標(表2)，與對照相比，萱草在鉛污染處理下，其地上部分的生物量發生了增加，且在檸檬酸的添加后，其地上部分的生物量增長值分別為0.30、0.18和0.31。差異性分析表明，對照組萱草的地上部分生物量與未添加檸檬酸鉛污染的低濃度和高濃度鉛污染之間差異不顯著(P>0.05)，而與添加檸檬酸的鉛污染之間差異性顯著(P<0.05)。鳶尾的地上部分生物量在中濃度鉛污染處理下要高于對照、低濃度和高濃度，其差值分別為0.68、1.36和0.36。在添加檸檬酸后，其低濃度和高濃度鉛污染的地上部分和地下部分生物量要高于中濃度鉛污染，差異性分析也表明，檸檬酸的添加使地下部分生物量之間的差異性顯著(P<0.05)。在未添加檸檬處理的美人蕉地上部分和地下部分生物量的變化特征與添加檸檬酸的相一致，均呈現在中濃度鉛污染時，地上部分和地下部分的生物量高于低濃度和高濃度鉛污染。通過對比3種觀賞植物在不同處理下的根冠比可知(表2)，檸檬酸的添加使不同處理的萱草和美人蕉的根冠比之間差異明顯，而鳶尾各處理間的差異不明顯。

表2 不同處理條件下植物的生物量和根冠比Table 2 The biomass and root shoot ratio of plants in different treatment conditions

2.3 外源檸檬酸添加對3種觀賞植物體內鉛積累的影響

從圖2可以看出，3種植物體內的總鉛含量都表現出隨著鉛污染濃度的增加，植物地上部分和地下部分的鉛含量不斷增加。通過對比3種觀賞植物的地上部分和地下部分鉛含量可知，萱草地下部重金屬含量均高于地上部，說明萱草吸收的重金屬相當部分累積在根部。添加檸檬酸的鳶尾和美人蕉地上部重金屬含量均高于地下部，而未添加檸檬酸的鳶尾和美人蕉則表現為地下部重金屬含量均高于地上部，這說明檸檬酸的添加有利于植物對重金屬的吸收。差異性分析表明，萱草和鳶尾在有外源檸檬酸添加時，在高濃度鉛污染下，其與低濃度、中濃度鉛污染差異性顯著(P<0.05)。在低濃度和中濃度鉛污染中，有無檸檬酸的添加其差異性不顯著(P>0.05)。植物地上部吸收鉛的量越大，對于重金屬污染修復來說，也變得更有意義。檸檬酸的添加有利于鳶尾和美人蕉對重金屬的吸收，而且與對照相比達到了顯著性差異(P<0.05)。這更進一步說明，檸檬酸添加可以提高植物對鉛的吸收，且吸收量的增加主要表現為植物地上部分對鉛的積累，而這應該歸咎于檸檬酸提高了植株對鉛的轉運能力[3]。

圖2 不同處理條件下植物體內的鉛含量Fig.2 Lead content of plants in different treatment conditions

2.4 外源檸檬酸添加對3種觀賞植物鉛轉運的影響

續表3 Continued table 3

轉運系數是指地上部某元素質量分數與根系某元素質量分數之比，用來評價植物將重金屬從地下部向地上部運輸和富集的能力[13]。由表3可知，與對照相比，鉛污染處理下的萱草鉛轉運能力要高于對照，其值都大于1。差異性分析也表明，檸檬酸的添加使萱草的運轉系數與未添加和對照組之間差異性顯著(P<0.05)。在添加檸檬酸的處理下，鳶尾的轉運系數較對照大，且差異性分析也表明添加檸檬酸處理與未添加和對照之間差異性顯著(P<0.05)，說明檸檬酸能有效提高鉛從根向莖葉中的轉移。在進行植物修復評價時，富集系數常常被用于判斷植物對重金屬富集能力和富集程度的大小，一般來說，富集系數越大也就反映了植物對重金屬的富集能力越大[14-15]。從表3中可以明顯看出，相比與對照組，添加檸檬酸的鳶尾和美人蕉的土壤可以增加鉛的富集系數，且其富集系數都大于1，達到了超積累植物的要求，而萱草土壤的鉛富集效果還不夠理想，地下部分的鉛富集要高于地上部分，造成這種現象的主要原因是萱草根系生物量較小，鉛富集量基數較大，而且也不易向上層轉移。與未添加檸檬酸的土壤相比，添加檸檬酸處理的3種植物地上部分和地下部分鉛富集系數和轉運系數都較高，使重金屬鉛由根部向地上部分進行轉移，從而增加地上部鉛富集能力。差異性分析表明，3種植物在不同處理下，地下部分鉛富集系數無顯著性差異(P>0.05)，而地上部分鉛富集系數則表現出差異性顯著(P<0.05)。

表3 不同處理條件下植物的轉運系數和富集系數Table 3 The translocation factor and bioconcentration factor of plants in different treatment conditions

3 討 論

3.1 土壤鉛污染對3種觀賞植物生長的影響

大多數研究表明，當土壤重金屬含量低于影響植物生長臨界值時，其不會對植物的生長造成影響，但當土壤重金屬含量達到植物生長的臨界值時，就會對植物生長造成嚴重影響。土壤重金屬含量過高時，對植物產生影響的最明顯表征是株高和根長的變化，而這些變化也終將會影響植物地上部生物量的變化[15-16]。本研究結果表明，在不同濃度鉛污染處理下，植物的株高會隨著鉛污染濃度的增加，株高會呈現出先上升后下降的趨勢，這表明，當土壤鉛污染濃度適宜時(500 mg·kg-1)，有利于3種觀賞植物的株高和根系的生長，使其高度要高于對照組。當土壤鉛污染達到1000 mg·kg-1時，3種觀賞植物受害嚴重，表現為植株變矮、根系變短。當外界環境生長變化時，植物可通過調整自身的生長來適應外界的變化[16]，在本研究中，3種觀賞植物的地上部分和地下部分生物量隨土壤鉛濃度的增加呈現出與株高增長相一致的趨勢，先上升后下降。500 mg·kg-1鉛污染會增加植物根的生物量，1000 mg·kg-1鉛污染則會降低植物根系的生物量。這也更加說明了中、低濃度鉛污染對3種觀賞植物地上部分的生長并無顯著影響，并且會促進植物根系的生長，當土壤鉛污染濃度大于1000 mg·kg-1時，鉛對3種觀賞植物的生長有顯著的抑制作用。

3.2 3種觀賞植物對鉛的吸收累積特性

植物體內重金屬濃度的高低可反映植物對重金屬的吸收富集能力，其是評價植物修復重金屬污染效率的重要指標[16-17]。在本研究中，3種觀賞植物在不同濃度鉛污染下，其地上部分和地下部分的鉛富集含量表現出地下部分>地上部分。這是由于根系是重金屬進行植物的重要通道，為了避免植物地上部分尤其是葉片遭受重金屬的毒害作用，使根系的重金屬含量大于地上部分[15,18]。3種觀賞植物的地上部分和地下部分鉛含量隨處理濃度的增加呈現逐漸上升的趨勢，這說明3種觀賞植物對鉛的吸收富集能力較強，但過高濃度的鉛污染會仍極大降低根系的吸收能力，從而導致植株體內鉛吸收含量較低濃度降低，這與張思悅[16]對黃葛樹對土壤Pb、Cd污染的修復潛力研究中，由于根系分泌物或根表鐵膜的作用，使植物根系減少對土壤鉛的吸收，而降低鉛污染對植物毒害機制相一致。在植物修復中，絕大部分植物都是通過降低重金屬在土壤中的移動性，來降低重金屬對環境的污染作用[14,16]。鳶尾和美人蕉對鉛的轉移系數均小于1，轉移系數隨鉛濃度的增加而增加，最高時可達1.17，這表明這3種觀賞植物植物對鉛的吸收作用較強。本研究中，由于鳶尾和美人蕉對土壤鉛的轉移系數均小于1，它們都不能用作植物提取來修復土壤鉛污染。因此，土壤重金屬在植物根系的固定和積累量是評價鳶尾和美人蕉對鉛修復效率的主要依據。

3.3 檸檬酸對土壤鉛脅迫下3種觀賞植物修復效率的影響

外源檸檬酸通過影響3種觀賞植物對土壤鉛的生理耐性與吸收累積特性對萱草、鳶尾和美人蕉的修復效率造成影響。通過不同濃度鉛污染處理下，3種觀賞植物的生長、根冠比與植株體內重金屬含量分析可知，檸檬酸的添加能使3種濃度鉛污染土壤中植物的株高、凈生長量、根長、生物量增加、緩解鉛對植株的毒害作用，使地上部分和地下部分鉛積累量均達到最大值。與未添加檸檬酸處理組相比，檸檬酸的添加不僅降低了土壤的pH值，還使3種觀賞植物的株高、根系和生物量要高于相同濃度下未添加檸檬酸的處理。地上部分和地下部分鉛含量分析也表明，外源檸檬酸的添加使3種觀賞植物的地上部分鉛含量增加，地下部分鉛含量降低，這是由于當土壤鉛污染濃度較高時，檸檬酸會與土壤中的鉛離子形成穩定的金屬配合物，改變重金屬在土壤中的移動性，并阻止金屬離子在根部累積，與此同時檸檬酸還會與進入植物體的鉛離子進行螯合，緩解毒害效應、增加生物量和鉛在植物體內的流動性，促進鉛從根系向地上部轉移，從而使地上部分的鉛積累量大于未添加檸檬酸處理[15-16,19]。這與3種觀賞植物的鉛運轉研究結果相一致，本研究發現，添加檸檬酸處理時，3種觀賞植物的轉移系數要高于未添加檸檬酸處理，且值都大于1。

4 結 論

(1)本研究中，在低濃度(500 mg·kg-1)鉛污染處理下，鉛污染會促進植物的生長，增加其生物量。在高濃度(1000 mg·kg-1)鉛污染處理下，鉛污染則會影響植物的生長，降低植物的生物量。

(2)3種觀賞植物的地上部分和地下部分鉛含量隨著鉛污染處理濃度的增加呈現逐漸上升的趨勢，且其地上部分和地下部分的鉛富集含量表現出地下部分>地上部分。

(3)檸檬酸的添加增加了3種觀賞植物的株高、凈生長量、根長和生物量。且使3種觀賞植物的地上部分鉛含量增加，地下部分鉛含量降低，轉移系數也高于未添加檸檬酸處理。