单种及混合种植对花叶芦竹铅积累量的影响

庄静静　王晓冰　郭晖

摘要：  该研究采用盆栽试验法，选取石菖蒲、水生鸢尾、美人蕉、花叶芦竹为试验材料，将石菖蒲、水生鸢尾、美人蕉与花叶芦竹混种，用花叶芦竹单种作为对照，研究了混种对花叶芦竹生物量、根冠比以及铅积累量的影响。结果表明：（1）在不同浓度铅污染处理下，与花叶芦竹单种相比，混种模式增加了花叶芦竹的根冠比，且随着铅污染浓度的增加，表现出先上升后下降的趋势。（2）在單种和混种模式下花叶芦竹体内和土壤内的铅含量均表现出明显的浓度积聚效应;在混种模式下植物体内和土壤内的铅含量明显低于单种模式，且与单种模式之间的差异性显著（P<0.05）。（3）在高浓度铅污染处理下，单种和混种模式的花叶芦竹铅转运系数均大于1，而富集系数则表现为在低浓度和高浓度铅污染处理下均大于1;在美人蕉+花叶芦竹的混种模式中，花叶芦竹的地上部分和地下部分的铅富集系数达到最大。因此，我们认为美人蕉+花叶芦竹混种模式，显著提高了花叶芦竹的生物量和根冠比，并对铅污染土壤的净化效果最佳。

关键词： 重金属污染， 植物修复， 转运系数， 富集系数， 种植模式

中图分类号：  Q945.78文献标识码：  A

文章编号：  1000-3142（2020）02-0151-08

Abstract：  We studied the effects of mixed planting pattern on the biomass， root-shoot ratio and lead accumulation of Arundo donax， through potting experiment in outdoor， by selecting Acorus tatarinowii， Iris tectorum， Canna indica and Arundo donax as experimental materials. The mixed patterns were formed by Acorus tatarinowii + Arundo donax， Iris tectorum + Arundo donax， Canna indica + Arundo donax， and Arundo donax was taken as control. The results were as follows： （1） Compared with the single pattern， mixed planting patterns with three aquatic plants  improved the root-shoot ratio of A. donax under the different concentrations of lead pollution. With the increase of lead pollution concentration， the root-shoot ratio showed an upward and then downward trend. （2） The lead content in the body and the soil of A. donax showed obvious concentration accumulation effect in the single and mixed planting patterns. The lead content in plants and soil in mixed plan-ting patterns was significantly lower than that in the single planting pattern， and the differences were significant between single and mixed planting patterns （P<0.05）. （3） Under the treatment of high concentration lead pollution， the translocation factor of A. donax was greater than 1 in the single and mixed planting patterns. However， the bioconcentration factor was greater than 1 in the low and high concentrations of lead pollution treatments. In the Canna indica + Arundo donax pattern， the lead bioconcentration factor of Arundo donax was the largest in both above-ground and below-ground parts. Therefore， we believed that Canna indica + Arundo donax pattern significantly increased the biomass and root-shoot ratio of Arundo donax， and had the best purification ability to lead contaminated soil.

Key words： heavy metal pollution， phytoremediation， translocation factor， bioconcentration factor， planting pattern

随着人口的增加，城镇化、工业化速度的加快，生活垃圾的不恰当处置、化肥和农药的大量使用以及化工、医药、制造、开采业的发展，使大量有毒重金属污染物进入土壤（周卫红等，2017）。然而大多数重金属污染物不易被微生物降解，使其在土壤中的移动性差，滞留时间长，造成土壤污染严重（姜瑢等，2015）。因此，它是对环境和人体健康最具有威胁的污染物（姚荣江等，2017）。铅是重金属污染中最严重的元素之一，被认为是可能的人类致癌物质（郭晓宏等，2016）。植物修复（phytoremediation）是一种新兴的绿色生物技术，它主要被用于重金属污染物的修复（成杰民和俞协治，2006），它不仅高效低耗、不易造成二次污染，而且易被公众接受等优点而大受关注。与非观赏性植物相比，观赏植物经济效益十分明显，观赏性植物在经过一段时间的生长后，将整株植物除去，重金属主要积累于植物的根部，不会留在土壤中造成二次污染，也不会进入危害人类健康的食物链（燕傲蕾等，2010）。

目前，我国已有研究表明，大多数花卉植物如夏日赞歌景天（Sedum spurium‘Summer Glory）、孔雀草（Tagetes patula）、大丽花（Dahlia pinnata）、羽叶茑萝（Quamoclit pennata）、瓜叶菊（Pericallis hybrida）、美女樱（Verbena hybrida）（崔爽等，2014a， b）、美人蕉（Canna indica）（吴桐等，2012）等对铅有较强的耐性和积累性。但多数研究的内容较单一，主要侧重于超富集植物的选择，少有涉及不同花卉植物混种对其在铅污染土壤中生长状况的研究。本研究在前期研究中也发现，花叶芦竹（Arundo donax）在铅污染处理中植物的生长状况较好，且对铅能够较好吸收，净化土壤的效果也是最佳（郭晖和庄静静，2019）。为此，本研究将花叶芦竹分别与另外3种观赏植物石菖蒲（Acorus tatarinowii）、水生鸢尾（Iris tectorum）和美人蕉（Canna indica）进行混种，研究混种模式对铅污染土壤修复的影响，以期筛选出可提高花叶芦竹修复效率的最佳种植方式，为铅污染土壤的生态修复提供参考和理论依据。

1材料与方法

1.1 供试材料和试剂

选取长势基本一致的花叶芦竹、石菖蒲、水生鸢尾和美人蕉，均采购于新乡市花卉市场。供试污泥采自新乡学院校区内的池塘，取回底泥后将其混匀、风干，用作盆栽底泥。培养水取自新乡学院自来水，重金属添加以固体硝酸铅颗粒 [Pb（NO3）2]的形式加入，硝酸铅颗粒为分析纯试剂。

1.2 试验设计

2018年6月，将供试土壤剔除杂物后自然风干，装至50 cm × 35 cm（直径 × 高）的培养盆内，每盆装土50 kg，厚度约10 cm。选择长势健壮和高度基本一致的幼苗移植盆内进行培养。选取标准如下：花叶芦竹苗高10 cm左右;石菖蒲和水生鸢尾均有4片真叶展开，苗高5 cm左右;美人蕉为块茎，露1 ～ 2个芽。污泥处理设3个水平，分别为未添加Pb（NO3）2（Tck）、低浓度（200 mg·kg-1，Tz）和高浓度（500 mg·kg-1，Tg）铅污染。共设置4个处理：花叶芦竹单种、石菖蒲+花叶芦竹混种、水生鸢尾+花叶芦竹混种、美人蕉+花叶芦竹混种。2018年7月开始试验，2018年8月结束。历经45 d，试验过程中蒸发的水用自来水补充。

1.3 测定指标和方法

2018年8月，将幼苗取出，冲洗干净。用直尺测量和计算植物的高度和根系的平均长度。植物生物量测定采用烘干法（邹晓君等，2018），将测量完长度的植株根、茎叶分开，测量其鲜重，随后在80 ℃的烘箱中烘烤24 h至恒重，并测量其干重。铅含量测定采用酸硝解法（刘强等，2017），使用TAS-990火焰原子化法原子吸收光谱仪（北京普析通用仪器有限责任公司，中国）进行测定。

1.4 数据处理

植物轉运系数（translocation factor，TF）=植物地上部重金属含量/根部该元素含量（杨姝等，2018）。植物富集系数（bioconcentration factor，BCF）=植物地上部（或根）重金属含量/土壤中该元素含量（杨姝等，2018）。

1.5 数据统计分析

所有数据采用Excel 2013软件进行处理，使用SPSS 13.0软件进行方差分析，各组间两两比较采用LSD法，图形用Origin 8.0进行绘制。

2结果与分析

2.1 混种对花叶芦竹根冠比的影响

2018年8月26日，收获水生植物并计算其生物量及根冠比（表1）。由表1可知，在不同浓度铅污染下，花叶芦竹的地上部分和地下部分鲜重均表现为先上升后下降的趋势，这表明在不同浓度的铅污染处理中，适宜的铅污染浓度有助于花叶芦竹的生长。在对照组中，花叶芦竹单种的地上部分和地下部分的鲜重和干重与2种植物混种模式之间差异性显著（P<0.05），说明其他植物与花叶芦竹的混种，对花叶芦竹的生长会产生一定的影响作用。在对照组中，美人蕉+花叶芦竹的根冠比最大，值为0.58，与石菖蒲+花叶芦竹、水生鸢尾+花叶芦竹两种混种模式之间存在明显差异（P<0.05）。与对照组相比，在低浓度铅污染处理下，花叶芦竹单种与其他植物的混种模式中，花叶芦竹的地上部分和地下部分鲜重和干重均显著高于对照组。差异性分析表明，单种模式与混种模式的花叶芦竹地上部分和地下部分鲜重和干重之间存在差异显著（P<0.05），但单种与不同混种模式之间的差异性并不相同。

在低浓度铅污染处理下，混种模式中的美人蕉+花叶芦竹混种与单种模式中花叶芦竹的地上部分鲜重之间差异不显著（P>0.05），而石菖蒲+花叶芦竹混种模式与花叶芦竹单种模式的地上部分干重之间差异性不显著（P>0.05）。通过对比在低浓度铅污染下，单种和混种模式下花叶芦竹的根冠比发现，单种模式与混种模式之间差异性显著（P<0.05），而混种模式中，石菖蒲+花叶芦竹和水生鸢尾+花叶芦竹混种模式之间差异性不显著（P>0.05）。与低浓度铅污染相比，在高浓度铅污染处理下，单种和混种模式中的花叶芦竹地上部分和地下部分鲜重和干重都要明显低于前者。在高浓度铅污染处理下，单种模式与混种模式之间的地上部分鲜重和干重之间差异性显著（P<0.05）。在混种模式下，不同植物混种模式之间的差异性显著（P<0.05），这表明石菖蒲、水生鸢尾和美人蕉与花叶芦竹混种时，由于3种植物的不同特性，对花叶芦竹的地上生物量的影响作用不一样。根冠比的分析结果也表明，在不同浓度铅污染下，单种模式的根冠比要小于混种模式，且它们之间差异性显著（P<0.05）。

2.2 混种对花叶芦竹体内铅含量的影响

对不同浓度铅污染处理下，4种种植模式的花叶芦竹地上部和地下部铅含量进行分析（图1），图1结果表明，4种种植模式中的花叶芦竹地上部分和地下部分铅含量均随着土壤铅含量的增加而增加，表现出明显的浓度效应。在对照组中，花叶芦竹的地下部分铅含量之间差异不显著（P>0.05），而地上部分铅含量的花叶芦竹单种与美人蕉+花叶芦竹混种之间差异性显著（P<0.05）。在低浓度铅污染处理下，4种种植模式中美人蕉+花叶芦竹混种的地下部分铅含量最高，其值为4.88 μg·mg-1，且其与其他种植模式的地下部分铅含量之间差异性显著（P<0.05）;在低浓度铅污染处理中，石菖蒲+花叶芦竹混种的地上部分铅含量最低，其值为2.45 μg·mg-1，但其与花叶芦竹单种和水生鸢尾+花叶芦竹混种之间差异性不显著（P>0.05），而与美人蕉+花叶芦竹之间差异性显著（P<0.05）。在高浓度铅污染处理下，4种种植模式的花叶芦竹地上部分铅含量高于地下部分，这表明，在铅污染浓度较高时，根系不能再吸收铅时，便转移到地上部分;在4种种植模式中，美人蕉+花叶芦竹混种的地上和地下部分铅含量均与其他3种种植模式之间差异性显著（P<0.05）。

2.3 混种对土壤中铅含量的影响

通过对不同浓度铅污染处理下4种种植模式的土壤中铅含量进行测定，可反映不同种植模式对土壤中铅污染的净化能力（图2）。从图2可以看出，在不同浓度铅污染处理下，4种种植模式的土壤铅含量都呈现出随着铅污染处理浓度的增加，土壤中的铅含量也逐渐增加。在对照组中，单种和混种模式之间的差异显著（P<0.05），当花叶芦竹单种时，土壤中的铅含量最高，而美人蕉+花叶芦竹混种模式中的土壤铅含量差值为0.16 μg·mg-1。在低浓度铅污染处理下，变化特征与对照组相同，花叶芦竹单种模式的土壤铅含量要高于2种植物的混种模式，且它们之间的差异性显著（P<0.05）;2种植物（石菖蒲+花叶芦竹、水生鸢尾+花叶芦竹、美人蕉+花叶芦竹）的混种模式之间差异性不显著（P>0.05），土壤的鉛含量变化范围为2.57～2.76 μg·mg-1。在高浓度铅污染处理下，单种模式的花叶芦竹土壤铅含量明显高于2种植物的混种模式，其最大差值为7.96 μg·mg-1，且它们之间差异性显著（P<0.05）;3种混种模式之间差异性显著，其值变化范围为5.07～9.81 μg·mg-1。通过对比，我们发现在高浓度铅污染处理下，美人蕉+花叶芦竹混种模式中土壤铅含量最低，这表明，在高浓度铅污染下，花叶芦竹本身对铅的吸收能力较强，加之美人蕉的块状根，2种植物的混种模式进一步增强了植物对铅的吸收能力。

2.4 混种对花叶芦竹铅积累量的影响

由表2可知，在对照组和低浓度铅污染处理下，花叶芦竹单种和2种植物混种模式的铅转运系数均小于1，在高浓度铅污染处理下，4种种植模式的铅转运系数均大于1。这是由于在高浓度铅污染处理下，土壤中的铅含量较高，根系中过量的铅含量可以通过植物中的离子转运蛋白将铅暂时储存在根中，再转载到木质部导管，使铅易于向上运输和富集（段德超和施积炎，2014）。在对照组和低浓度铅污染中，土壤中铅含量相对较低。铅主要分布在根的细胞壁上，合适的铅浓度可促进植物根系的生长，使大多数的铅被植物根系所吸收，而向上转移重金属的能力下降。通过比较地上部分和地下部分铅含量的富集系数可知，在低浓度和高浓度铅污染中，3种混种模式的地上和地下部分的转运系数均大于1，其变化范围为1.03～2.81。地上部分代表茎叶的铅富集能力，地下部分代表根的铅富集能力。由表2可知，随着铅污染处理含量的不断增大，不同种植模式的花叶芦竹地上部分富集系数均呈现上升的趋势。在对照组中，单种模式和混种模式之间的差异性不显著（P>0.05），而在低浓度和高浓度铅污染处理下，单种和混种模式之间的差异显著（P<0.05）。在低浓度和高浓度铅污染处理下，美人蕉+花叶芦竹混种模式的地上部分铅富集系数要明显高于单种种植模式，其差值分别为2.55和1.45。

3讨论与结论

3.1 混种对花叶芦竹生长特性的影响

根冠比是衡量生物量累积分配的主要指标，其变化反映了植物地下和地上部分干物质积累的变化（刘阿梅等，2013）。在本研究中，不同浓度铅污染处理下，花叶芦竹的根冠比呈现出明显的混种模式要优于单种模式。黎佳佳等（2006）在铅对辣椒生物量影响的研究中指出，重金属处理对辣椒根、茎、根冠比的影响大于对叶片的影响，尤其是在Pb处理后，茎干重比对照增加，这说明一定浓度的Pb对辣椒茎的生长有促进作用。姜成等（2013）对铅、镉污染对花卉幼苗生长的研究中也表明，波斯菊在Pb-Cd复合胁迫时，其根冠比呈现一直下降趋势，而百日草和矢车菊的根冠比呈现出先上升后下降的趋势，且都低于对照。这主要是因为低浓度的铅促进植物的生长，但当环境中的铅浓度过高时，它对植物产生毒害作用。这与研究中铅污染浓度越高、胁迫时间越长，植物受到的抑制作用就越强的结论相一致（刘阿梅等，2013;王马勃等，2019）。杨晓宇等（2017）对添加物生物炭和AM真菌对瞿麦幼苗铅吸收、生长及品质影响的研究中指出，添加生物炭和AM真菌可以帮助提高植物的根冠比，主要是因为生物炭可以促进植物生长和发育，而AM真菌可以促进植物根系的发育，使其根冠比增加。植物长势与土壤自身的质地和肥力水平直接相关，在本研究处理中并没有施加肥料，但其与添加生物炭和AM真菌的结论都相一致，这说明合理的植物混种对铅污染中植物的生长状况有一定的改善作用， 这与姜瑢等（2015）的研究中有机种植减轻了土壤酸化和盐渍化， 土壤有机质含量和阳离子交换量均有所提高，并有利于在一定程度上降低土壤中重金属的生物有效性相一致。

由于植物本身的遗传结构决定了其吸收或迁移金属元素的能力，且物种和栽植区域的差异，这种吸收或迁移的能力也会对植物吸收和迁移重金属元素产生不同的影响（孙伟等，2016）。在本研究中，单种和混种模式下花叶芦竹体内铅的集聚呈现出明显的浓度积累效应。即随着铅污染浓度的增加，地下部分铅含量的增加速度高于地上部分，随着铅浓度的增加，铅向地上部分转移的含量也逐渐增加。大量研究表明（马利民等，2005;崔爽等，2009;吴桐等，2012），植物对铅的吸收主要累积在根部，其次为茎、叶。当土壤受到铅污染时，植物根系吸收铅后，由于植物对铅的吸持、钝化或沉淀作用，使所吸收的铅很难向地上部输送，多数（>50%）仍留在根系（龙栎至和左燕平，2011）。这与马利民等（2005）、吴桐等（2012）、崔爽等（2009）的研究结论都相一致，这主要是由于铅在植物体内的运移过程有关，铅一旦进入根系，它就可以贮存在根部或运输到地上部。王沛裴等（2016）的研究中指出，在铅污染下，马铃薯块茎对铅的吸收量较小，这种现象产生的主要原因是块茎中的铅需要通过根部转运至叶片，然后合成淀粉并通过消耗能量和载体将其运输至块茎。该过程复杂且程序繁多，因此，块茎中的铅含量最少。在本研究中美人蕉的块状根茎主要用于植物的生成，并不合成淀粉，使美人蕉+花叶芦竹的组合在低浓度和高浓度铅污染处理下都表现出对铅较强的吸收能力。

3.2 混种对花叶芦竹铅积累特性的影响

转运系数是指植物地上部分与地下部分重金属含量的比值。植物对重金属的转运能力通常根据该系数来判断（孙伟等，2016）。本研究中，对照组和低浓度铅污染处理下，花叶芦竹体内的铅转运系数均小于1，说明在铅污染浓度较低时，铅的积聚主要存在于根部，这与之前对花叶芦竹体内铅含量的测定结果相一致。在高浓度铅污染时，单种和混种模式中的花叶芦竹转运系数都大于1，这表明当铅污染浓度较高时，植物为了避免过高含量的铅对根系产生的毒害作用，将积累在根部过量的铅，随蒸腾流由导管被动运输到地上部分。郭晓宏等（2016）在5种草本植物对土壤重金属铅的吸收、富集及转运的研究中指出，当转运系数小于0.5时，大部分铅被吸收并积聚在根部。草本植物由于地下部分收割困难，更容易造成土壤的二次污染，不适合用于铅污染修复。在本研究中，花叶芦竹作为铅超富集植物，单种时其转运系数仍可达0.61，可满足作为铅污染修复的首选植物。富集系数是植物体内铅含量与土壤中铅含量的比值，可以反映植物富集铅的能力（吴桐等，2012）。在本研究中，不同浓度铅污染处理下，单种和混种模式中的花叶芦竹地上部分和地下部分的富集系数均随着铅污染浓度的增加呈现上升的趋势。说明它对铅污染土壤具有一定的适应性，并随着铅浓度的增加呈现集聚效应。本研究中在高浓度铅污染处理下，美人蕉+花叶芦竹混种模式中，花叶芦竹的地上部分和地下部分铅富集系数可达2.81和2.37，这不同于刘琦（2013）在所调查的9个小区4种植物中，蕨类植物金毛狗对铅的富集系数仅相差0.30，这也说明了美人蕉+花叶芦竹的混种模式对铅污染土壤具有强大潜在的修复能力。

综上所述，从植物修复的角度来看，美人蕉+花叶芦竹混种模式对改善铅污染土壤的修复效果最佳。该组合具有景观效果好、维护简单等优点，适宜在土壤铅污染净化中推广应用。

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（责任编辑 周翠鸣）