东南景天种植及对土壤重金属锌和镉的去除研究

杨琴 樊战辉 孙家宾 陈光年 罗文倩 狄飞达

(成都市农林科学院，四川 成都 611130)

土壤重金属污染研究一直是全球环境领域的热点和难点问题，土壤重金属污染防治内容是国家环境保护“十三五”规划的重点内容之一，是“十三五”削减总量-改善质量-防范风险的规划主线的主要体现，是改善民生、保障安全的集中所在。土壤重金属污染的过程具有长期性、隐蔽性、表聚性、不可逆转性特点，严重影响着植物的生长、产量、品质及人类健康[1,2]。同时，构建生态文明建设和经济社会的可持续发展，全球正面临着粮食安全、水资源短缺和环境污染等诸多问题，这些问题的出现均与土壤资源破坏密切相关。随着矿产资源的不合理开发与利用，污水灌溉，化肥、农药的大量施用以及工业化和城镇化的迅速发展，土壤污染日益严重。由于污染物进入土壤使农田遭受不同程度的污染，污染物通过在作物体内的富集进入食物链，对人畜健康和生态环境构成很大威胁[3,4]。

据全国土壤污染状况调查公报显示，我国镉点位超标率为7.0%、锌点位超标率为0.9%，污染严重。东南景天是在我国发现的一种新的超累积植物，这不仅弥补了我国的空白，也为进一步在我国寻找新的超累积植物资源提供了可能[5]。

1983年，美国科学家Chaney首次提出了利用某些能够富集重金属的植物来清除土壤重金属污染的设想。即通过植物的一些特殊生理功能(如吸收、降解、稳定、挥发等)来降低土壤中的重金属污染物，甚至将土壤重金属污染物移出环境的污染治理技术，植物修复也称绿色修复或生物复[6]。与传统方法相比，这项技术以其高效、经济和生态协调性等优势显示出巨大的生命力，成为研究热点。我国目前关于重金属-植物体系主要集中在重金属-农作物体系这一领域，而对野生超累积植物的研究较少。本试验开展了东南景天耐锌、镉毒性能力的初步研究，以期为开发利用东南景天修复锌、镉污染土壤提供科学依据[7]。

1 材料与方法

1.1 供试材料

植物：东南景天，采自浙江台州黄岩山区，为野生东南景天，叶片呈黄棕色，植株高度约为10cm。

土样：实验土壤取自成都市农林科学院羊马科研基地，为水稻土，取样时间为2018年10月12日，该土壤刚于9月收获水稻。土样在室内自然风干，压碎，去除土壤中杂质，过40目筛，用于制备重金属污染土壤。同时，另取一部分土壤，进行土壤原始理化性质检测，结果如表1所示。

表1 土壤理化性质

1.2 盆栽试验

从表1可以看出，土样中重金属Zn、Cd的含量分别为0.1153mg/kg和0.00047mg/kg。外源性加入重金属供给实验土壤，锌来源于ZnSO4·7H2O，镉来源于Cd(NO3)2，2种物质均溶于水。 Zn设1个空白，5个浓度，共6个水平；Cd设1个空白，5个浓度，共6个水平，共计36个处理，同时每个处理设3次平行，土培实验设计如表2所示。

表2 土培试验设计

制样：制备重金属污染土壤时，将事先称好的ZnSO4·7H2O和Cd(NO3)2溶于去离子水中，再分别加到风干土壤中，每盆土壤净重2kg，混匀，加去离子水至土壤田间持水量的65%～70%，自然风干，每隔7d加水风干，如此反复钝化1个月后进行盆栽试验。加入复合肥料做基肥，每盆栽植10株野生东南景天，生长过程中用去离子水灌溉，土壤湿度保持在田间持水量的65%～70%，2个月后将东南景天收获，将植物鲜样在105℃下杀青30min，然后在70℃下烘干至恒重，将东南景天根、茎、叶分别取样，再分别磨细，过80目筛，分别测定每个处理东南景天根、茎、叶各部位Zn、Cd含量。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度Zn、Cd处理对东南景天的影响

2.1.1 不同浓度Zn、Cd处理对东南景天生长的影响

盆栽试验2个月后，东南景天植株性状如下图1、图2所示。图1编号情况如下表3所示。

图1 不同浓度下植株性状

表3 植株情况

注：横坐标代表Zn浓度，纵坐标代表Cd浓度，如B3是指Zn=500mg/kg，Cd=100mg/kg。

图2 不同浓度下植株性状

观察整个试验过程发现：单一锌处理下，当Zn≤100mg/kg，东南景天长势不会受明显影响，叶片呈青绿色，根茎叶和对照组比无明显差异；在Zn<50mg/kg处理下，东南景天生长发育较快，长势良好，根相比对照组更粗，叶片也更肥大；当Zn>500mg/kg时，植株出现明显的重金属中毒症状，矮小稀疏，叶片枯萎掉落，根系的长度也比对照组低；当Zn浓度达到1000mg/kg时，东南景天叶片黄化、顶叶掉落，根系萎缩，植株呈现红棕色。

单一镉处理下，当Cd≤50mg/kg，东南景天生长发育较快，长势良好，与对照相比无明显差异；当Cd>500mg/kg时，植株出现明显的重金属中毒症状，植株矮小稀疏，叶片黄化、顶叶掉落，根系的长度也比对照组低；当Cd浓度达到1000mg/kg时，东南景天叶片黄化、顶叶掉落，根系萎缩，植株呈现红棕色，与对照组青绿色叶片差异较大。

同时，从图1可以看出，A2(Zn=100mg/kg，Cd=0)、B1(Zn=0，Cd=100mg/kg)的长势明显好于B2(Zn=100mg/kg，Cd=100mg/kg)。A3(Zn=500mg/kg，Cd=0)、C1(Zn=0，Cd=500mg/kg)的长势明显好于C3(Zn=500mg/kg，Cd=500mg/kg)。A4(Zn=1000mg/kg，Cd=0)、D1(Zn=0，Cd=1000mg/kg)的长势明显好于D4(Zn=100mg/kg，Cd=100mg/kg)。说明在Zn、Cd双重胁迫下的东南景天的生长势劣于同浓度下单一Zn或Cd胁迫下的生长。

2.1.2 不同浓度Zn、Cd处理对东南景天累积Zn、Cd的影响

重金属通过植物根系进入植物体内后，会不同程度地转移到植物的根茎叶中，不同部位的沉积量可以反映出该植物对重金属的富集量。不同浓度Zn、Cd处理对东南景天根、茎、叶累积Zn、Cd量的影响如图3、图4所示。

图3 不同浓度Zn处理对东南景天累积Zn量的影响

图4 不同浓度Cd处理对东南景天累积Cd量的影响

从图3可知，东南景天受单一Zn胁迫下，其根中累积Zn量随着土壤中Zn浓度的增加而增加，东南景天茎、叶中累积Zn量随着土壤中Zn浓度的增加先增加后急剧下降，说明当Zn>500mg/kg时会抑制Zn在东南景天体内的迁移及转运。从高浓度Zn处理下东南景天受毒害症状可知，当土壤中Zn浓度>500mg/kg，Zn对东南景天的生长产生了很强的毒害作用。Zn累积量在东南景天体内的分配大小为根>茎>叶，显示东南景天对Zn具有较强的转运能力和富集能力。

从图4可知，东南景天受单一Cd胁迫下，其根中累积Cd量随着土壤中Cd浓度的增加先增加后急剧减小，Cd累积量在东南景天体内的分配大小为根>茎>叶，显示东南景天对Cd具有较强富集作用，但东南景天吸收的Cd多累积在植物根部，向地上部分运输的Cd较少，说明Cd在东南景天体内的迁移能力较低。

同时，对东南景天根茎叶各部位分别累积Zn、Cd的变化趋势曲线进行方程拟合，拟合曲线见表4。由表4可知，东南景天根、茎、叶中Zn含量与土壤中Zn浓度均能用二次方程进行模型拟合，相关系数R2根部=0.6538 ，茎部=0.6538 ，叶部=0.9054，均已经达到拟合显著水平，叶部拟合最为显著。由于不同的土壤中Zn浓度，东南景天根、茎、叶中Zn含量的变化趋势也不同，适用的拟合曲线也不同，其中叶部Zn含量随着土壤中Zn浓度的变化曲线拟合最佳，相关系数R2=0.9054，已达到极显著水平。同时，东南景天根、茎、叶中Cd含量与土壤中Cd浓度也能用二次方程进行模型拟合，相关系数R2根部=0.7597，茎部=0.9525 ，叶部=0.9509，均已达到拟合显著水平。其中，茎和叶的拟合曲线最佳，相关系数均已达到极显著水平。

表4 不同浓度Zn、Cd处理下东南景天累积Zn、Cd的曲线拟合模型

2.2 不同浓度Zn、Cd处理下东南景天茎和叶对Zn、Cd的迁移系数和富集系数

利用东南景天进行重金属Zn、Cd污染土壤修复，除了明确东南景天对Zn、Cd的耐性以及累积能力，还应研究东南景天由根向茎、叶迁移Zn、Cd的能力。利用植物的富集系数和迁移系数描绘植物对重金属的吸收和运输是受学界普遍认可的科学方法。东南景天对Zn、Cd的富集系数和迁移系数和如表5所示。

表5 东南景天茎和叶对Zn、Cd的迁移系数和富集系数

由表5可知，Zn胁迫下，东南景天茎叶的迁移系数先增大后减小。说明在一定范围内Zn浓度的增加促进了东南景天体内的Zn从根部到地上部的转运，这种促进作用随Zn浓度上升而继续增加，达到较高水平时又逐渐降低。相同条件下，东南景天对Cd的迁移规律类似于对Zn的迁移，东南景天对Cd的迁移系数和富集系数低于Zn。

3 结论

东南景天受单一Zn胁迫下，其根部Zn含量随着土壤中Zn浓度的增加极显著升高。东南景天茎和叶的Zn含量随着土壤中Zn浓度的增加先上升，到土壤中Zn浓度达到500mg/kg时急剧下降。东南景天对Zn的富集系数随着土壤中Zn浓度的增加呈先升高后降低，叶的富集系数随着土壤中Zn浓度的增加呈逐渐降低的趋势。东南景天的迁移系数随着土壤中Zn浓度的变化呈波动趋势，随着处理浓度的增加先增加后急剧减小。表明在东南景天正常生长的土壤Zn浓度范围内(≤500mg/kg)，东南景天具有较强的向茎、叶转运Zn的能力。

东南景天受单一Zn胁迫下，其根中Cd含量随着土壤中Cd浓度的增加先增加后降低，到土壤中Cd浓度达到500mg/kg时急剧下降。东南景天茎和叶的Cd含量随着土壤中Cd浓度的增加缓慢上升。东南景天对Cd的富集系数随着土壤中Cd浓度的增加呈先升高后降低，叶的富集系数随着土壤中Zn浓度的增加呈逐渐降低的趋势。东南景天对Cd的迁移系数随着土壤中Cd浓度的变化呈波动趋势，随着处理浓度的增加先增大后急剧减小。

在Zn、Cd双重胁迫下的东南景天的生长是劣于同浓度下单一Zn或Cd胁迫下的生长。

东南景天具有对Zn的较好吸收特性和一定的耐Zn毒性能力以及对Cd较强的耐性和富集能力为东南景天修复Cd污染土壤以及低Zn浓度的Zn-Cd复合污染土壤提供了可能。