石榴对镉、铅、锌复合污染土壤的修复效果

王硕 李德生 朱秀锦

摘要：以石榴为供试材料，通过盆栽试验研究石榴在不同浓度梯度的镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）复合污染土壤下对重金属的吸收、富集、转运规律。结果表明：低浓度的复合重金属污染（Cd2+浓度≤5 mg/L，Pb2+浓度≤500 mg/L，Zn2+浓度≤500 mg/L）对石榴生长有明显的促进作用，大致表现为铅+锌>镉+锌，镉+铅>镉+铅+锌;石榴对镉的吸收能力较好，对铅和锌的吸收能力相对较弱;石榴在重金属复合污染下，其各个部位对重金属的富集受到抑制作用，在高浓度梯度下（Cd2+浓度为50 mg/L，Pb2+浓度为1 500 mg/L，Zn2+浓度为1 500 mg/L）抑制作用更为明显，具体表现为镉>铅>锌;重金属污染对石榴从叶转运重金属到茎再到根有一定的促进作用。石榴在低浓度重金属污染（Cd2+浓度≤5 mg/L，Pb2+浓度≤500 mg/L，Zn2+浓度≤500 mg/L）中生长旺盛，对镉、铅、锌吸收、富集及转运能力较好，可作为镉、铅和锌复合污染重金属土壤的修复植物。

关键词：石榴;重金属复合污染;吸收能力;富集系数;转运系数

中图分类号： X53  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）02-0250-04

我国土壤受镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）等重金属污染的影响越来越明显，重金属通过食物链富集在人体内，危害人类健康[1]。自20世纪90年代至今，植物修复作为一种生物修复方法，因其成本低、对土壤环境扰动小，越来越受到国内外学者的关注[2-5]。植物修复的核心工作是寻找生物量大的超积累植物，目前国内发现镉超积累植物宝山堇菜、锌超积累植物东南景天，国外发现芥菜对镉、铅、锌等多种重金属的吸收和富集效果很好。但是目前的研究大多是针对单一重金属污染土壤的植物修复，而事实上重金属污染土壤几乎都是复合型污染，重金属复合污染土壤对植物修复的要求更高，情况也更复杂。已经研究的重金属复合污染修复以草本为主，如菠菜[6]、蜈蚣草[7]、水芹[8]、甘蔗[9]、弯囊苔草[10]等，木本植物的研究较少。可见植物修复重金属污染土壤仍任重道远。

石榴在我国南北方均可栽培，其适应性强，含有丰富的维生素C并且其叶、皮、花、根均可入药，兼具观赏和食用双重价值，是园林常用品种之一。近年来的研究表明，石榴皮可作为一种吸附剂或者低成本的活性炭富集水中镉、锌、铅等重金属，并且发现石榴皮與铅的结合能力最强[11-12]，而国内外缺少石榴修复污染土壤的相关研究。故本研究以石榴为试验材料，探讨石榴对土壤中镉、铅、锌的积累、富集、转运效果及其生物量变化，深入分析石榴对重金属复合污染土壤的修复效果，为重金属复合污染土壤的修复开拓更多方法。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物为石榴嫩枝，供试土壤取样于天津理工大学校园内，并加入营养土（草木灰）按m校园土 ∶ m营养土=10 ∶ 1比例混合。利用盆栽技术，2016年4月进行石榴枝扦插，在天津理工大学环安学院3楼露台开始栽培。测得土壤基本理化性质如下：有机质含量16.01 mg/kg，pH值6.79，含水率12%。土壤所含镉、铅、锌含量分别为4.18、40.26、142.69 mg/kg。

1.2 试验方法

试验设置4种不同类型的镉、铅和锌复合污染，各类型梯度浓度如表1所示。将CdCl2、Pb（NO3）2、ZnSO4分别按浓度梯度配成溶液，均匀混入土中。总计107个内径为26.5 cm的塑料盆，每盆土质量5.5 kg。试验每个处理设置3个重复。本研究以Cd+Zn-1、Cd+Zn-2、Cd+Zn-3、Cd+Zn-4分别代表镉+锌复合浓度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分别代表锌+铅复合浓度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分别代表铅+镉复合浓度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分别代表镉+铅+锌复合浓度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 样品处理与测量方法

2016年9月在天津理工大学环安学院3楼露台收集石榴叶、茎，测量生物量并测量土壤及植物各部位镉、铅、锌含量;2016年11月在天津理工大学环安学院3楼露台收集石榴根，测量根周围土壤及根部镉、铅、锌含量。将植物样品用蒸馏水洗净、晾干，放入100 ℃烘箱内烘至恒质量，用千分之一电子天平称干质量。烘干的样品粉碎后过80目尼龙筛呈粉末状，植物样品倒入试管中加9 mL硝酸，土壤样品倒入试管中加9 mL硝酸和1 mL氢氟酸，使用石墨消解仪（型号：SH230，购自济南海能仪器股份有限公司）进行消解。最后用ICP-OES（即电感耦合等离子发射光谱仪，型号：VistaISTA-MPX型，购自美国Varian公司）检测重金属含量。

1.4 数据处理

用SPSS 17.0进行统计分析，用Excel 2007进行图表处理。

2 结果与分析

2.1 重金属复合污染物对石榴地上生物量的影响

生物量可以反映植物对重金属污染的修复能力[13]。表2统计了不同浓度梯度下重金属复合污染对石榴地上生物量的影响。可以看出，石榴的地上生物量随复合污染物浓度的增加整体呈先增后减的趋势，具体表现为铅+锌>镉+锌，镉+铅>镉+铅+锌。在Zn+Cd-1、Zn+Pb-1、Pb+Cd-2、Cd+Pb+Zn-2处理下分别高于對照组77.57%、307.35%、206.99%、166.91%。随着污染浓度的增加，石榴地上生物量没有明显的增加，在Zn+Cd-3、Zn+Pb-4、Pb+Cd-3、Cd+Pb+Zn-3处理下有明显的下降。说明低浓度的复合重金属污染（Cd2+≤5 mg/L，Pb2+≤500 mg/L，Zn2+≤500 mg/L）对石榴生长有明显的促进作用。重金属复合污染不同梯度之间的石榴地上生物量差异显著。

2.2 石榴对土壤重金属复合污染物的积累

图1、图2、图3分别是石榴在不同复合重金属污染下根、茎、叶内镉、铅、锌含量的统计结果。植物体内天然存在一些重金属，如镉含量<3 mg/kg，铅含量≤70 mg/kg，锌含量在 1～160 mg/kg 之间[14]。结果显示，石榴对镉的吸收能力较好，对铅和锌的吸收能力相对较弱。

由图1、图2、图3可以看出，不同重金属复合污染下石榴叶片、茎内和根部的镉、铅、锌含量整体上随污染浓度升高呈先增后减的趋势。

在镉+铅+锌浓度为20 mg/L+1 000 mg/L+1 000 mg/L时，叶片、茎内镉含量出现最大值，分别是对照的5.73、2.05倍;在镉+铅浓度为20 mg/L+1 000 mg/L时，叶片铅含量出现最大值，是对照的4.38倍;在铅+锌浓度为1 000 mg/L+1 000 mg/L 时，叶内锌含量出现最大值，是对照的2.49倍。说明石榴在重金属复合污染浓度增加到一定值时（Cd2+浓度为 20 mg/L，Pb2+浓度为1 000 mg/L，Zn2+浓度为1 000 mg/L），叶片对镉、铅、锌吸收量最大，促进了叶片对重金属的积累。

在铅+锌浓度为1 000 mg/L+1 000 mg/L时茎内铅含量出现最大值，是对照的8.70倍;在镉+铅+锌浓度为 50 mg/L+1 500 mg/L+1 500 mg/L时茎内锌含量出现最大值，是对照的2.43倍。以上结果与石榴叶片吸收重金属的情况相似。说明石榴在重金属复合污染浓度增加到一定值时（Cd2+浓度为 50 mg/L，Pb2+浓度为1 000 mg/L，Zn2+浓度为1 000 mg/L），茎内对镉、铅、锌吸收含量较大，促进了茎对重金属的积累。

在镉+铅浓度为1 mg/L+100 mg/L时根部镉含量出现最大值，是对照的8.64倍;在铅+锌浓度为100 mg/L+100 mg/L 时根部铅含量和锌含量出现最大值，分别是对照的6.62、6.69倍。在复合重金属污染下，石榴根部的重金属含量明显高于对照，说明复合重金属污染促进了石榴根部对重金属的积累。石榴叶、茎、根对锌的吸收在镉、锌复合污染不同浓度梯度下的变化规律与镉、铅、锌三者复合污染梯度下的变化相似，说明铅的加入对石榴各部位吸收锌的影响不大。

与镉、铅、锌两两复合污染相比，在3种重金属复合污染下石榴对镉、铅、锌的吸收量并没有明显减少，说明石榴对多种重金属复合污染有一定的抗性。整体来看，石榴对镉的吸收表现为叶>茎>根;石榴对铅的吸收表现为茎>叶>根;石榴对锌的吸收表现为茎>叶>根。

2.3 石榴对镉、铅、锌的富集能力

富集系数是指植物体中某元素含量与土壤中相应元素含量之比[13]。表3结果显示，石榴叶片对镉的富集系数整体上随复合污染浓度的增加而呈先增后减的趋势，茎部和根部镉富集系数基本上随复合污染浓度的增加而呈先增后减、先减后增再减或下降的趋势;石榴叶片、茎部和根部对铅的富集系数多数表现为随复合污染浓度的增加而呈先减后增再减的趋势（其他表现为先减后增、先增后减等趋势）;石榴叶片、茎部对锌的富集系数随锌隔复合污染浓度的增加而呈下降的趋势，叶片、茎部对锌的富集系数随锌铅复合污染和镉铅锌复合污染浓度的增加而呈先减后增再减、先减后增或先增后减的趋势，根部富集系数随复合污染浓度的增加而呈先减后增的趋势（除锌镉处理）。石榴根部对镉、铅、锌的富集与叶片和茎部相比较差。整体上，石榴富集重金属的能力表现为镉>铅>锌。在重金属复合污染下，石榴各部位对重金属的富集略低于对照。说明石榴在重金属复合污染下，其各个部位对重金属的富集受到抑制，高浓度梯度下（Cd2+浓度为50 mg/L，Pb2+浓度为1 500 mg/L，Zn2+浓度为 1 500 mg/L）抑制作用更为明显。

2.4 石榴对镉、铅、锌的转运能力

转运系数是地上部分重金属含量与地下部分重金属含量之比[15]。由表4可知，石榴茎-叶镉转运系数随重金属复合污染浓度的增加而呈先增后减再增或先减后增的趋势，根-茎镉转运系数随重金属复合污染浓度的增加而呈先减后增或先减后增再减的趋势;石榴茎-叶铅转运系数随锌铅复合污染浓度的增加而呈先增后减的趋势，随铅镉复合污染和镉铅锌复合污染浓度的增加而呈上升的趋势，根-茎铅转运系数随锌铅复合污染和镉铅锌复合污染浓度的增加而呈先减后增的趋势，随铅镉复合污染浓度的增加而呈先增后减再增的趋势;石榴茎-叶锌转运系数随重金属复合污染浓度的增加而呈先减后增的趋势，根-茎锌转运系数随锌镉复合污染浓度的增加而呈先增后减再增的趋势，根-茎锌转运系数随锌铅复合污染浓度的增加而呈先减后增的趋势，随镉铅锌复合污染浓度的增加而呈先增后减的趋势。在重金属复合污染下，石榴对重金属的转运能力高于对照，说明重金属污染对石榴从叶转运重金属到茎再到根有一定的促进作用。

3 讨论与结论

低浓度的复合重金属污染（Cd2+浓度≤5 mg/L，Pb2+浓度≤500 mg/L，Zn2+浓度≤500 mg/L）对石榴生长有明显的促进作用，具体表现为铅+锌>镉+锌，镉+铅>镉+铅+锌。李铮铮发现，鱼腥草在低浓度锌、铅复合污染下（Pb2+浓度≤500 mg/L，Zn2+浓度≤500 mg/L）生长良好[16];孟桂元等发现，苎麻在低浓度镉、锑、铅复合污染下（Cd2+浓度≤100 mg/L，Pb2+浓度≤800 mg/L，Sb3+浓度≤100 mg/L）有很强的耐受性[13];赵转军等发现，在低浓度镉、锌与低浓度的镉、锌、镍复合污染下胡萝卜生物量有所增长[17]。这是由于低浓度重金属对植物生长的刺激作用促进了植物的生长。