矿区植物假繁缕对铅、锌积累特性的研究

叶林春,张青松,蒋小军,朱雪梅*,林立金,邵继荣

(1.四川农业大学资源环境学院,四川 雅安 625014；2.四川水利职业技术学院,四川 都江堰 611830；3.雅安水土保持生态环境监测分站,四川 雅安 625000；4.四川农业大学生命科学与理学院,四川 雅安 625014)

矿区植物假繁缕对铅、锌积累特性的研究

叶林春1,张青松1,蒋小军2,朱雪梅1*,林立金3,邵继荣4

(1.四川农业大学资源环境学院,四川 雅安 625014；2.四川水利职业技术学院,四川 都江堰 611830；3.雅安水土保持生态环境监测分站,四川 雅安 625000；4.四川农业大学生命科学与理学院,四川 雅安 625014)

采用温室砂培盆栽试验研究了假繁缕(Pseudostellaria maximowicziana)对铅、锌积累的影响.结果表明,在所设定的重金属浓度范围内,假繁缕根干质量、地上部分干质量、根冠比及植株铅、锌含量均随所施铅、锌浓度的增加呈增大的趋势.根和地上部分铅含量最大值分别为 1386.08,1197.93mg/kg;锌含量最大值分别为 9250.50,8243.15mg/kg.植株铅和锌转运系数均<1;但根和地上部分的铅、锌富集系数均>1.偏相关分析表明,假繁缕根和地上部分铅、锌的吸收间可能产生协同或加和作用.

假繁缕(Pseudostellaria maximowicziana)；铅；锌；积累特性

Abstract：Effects of Pseudostellaria maximowicziana accumulating Pb and Zn were studied. Pot plant experiment was carried out in the sand growth incubator. Both the biomass of Pseudostellaria maximowicziana in the roots and the shoots and the ratio of root to shoot (W/W) had increased, also the Pb contents of Pseudostellaria maximowicziana and the Zn contents increased as well with increasing of concentrations of Pb and Zn in nutrient solution. The highest Pb contents in the roots and the shoots of Pseudostellaria maximowicziana were 1386.08mg/kg and 1197.93mg/kg respectively, and the Zn contents were 9250.50mg/kg and 8243.15mg/kg respectively. Both Pb and Zn translocation coefficients of Pseudostellaria maximowicziana were less than 1, but both the Pb and Zn enrichment coefficients in roots and shoots of Pseudostellaria maximowicziana were more than 1. The partial correlation analysis indicated that the absorbing of Pb and Zn in roots and shoots of Pseudostellaria maximowicziana could have a synergistic or additive effect.

Key words：Pseudostellaria maximowicziana；Pb；Zn；characteristics of accumulation

植物修复是一项环境友好的重金属污染土壤修复方法,尤其是超富集植物在修复重金属污染土壤上得到了应用.采用矿区筛选出的富集植物来修复重金属污染土壤修复已成为环境生态研究的热点之一[1-6].目前国内外报道的铅锌超富集植物和富集植物不多,已报道的铅锌超富集植物有双穗雀稗[Paspalum paspaloides (Michx.) Scribn.][7]、土荆芥(Chenopodium ambrosioides L.)[8]和东南景天(Sedum alfredii Hance)[9]等,且绝大部分是在采矿区和冶炼厂被发现的.而铅锌富集植物也仅有高羊茅、黑麦草和蜈蚣草等[10-11].因此,筛选铅锌矿区自然定植的富集植物并研究其对重金属的富集特性具有重要意义.本课题组通过前期对四川省汉源县团宝山铅锌矿区的优势草本植物物种调查与筛选发现,假繁缕(Pseudostellaria maximowicziana)对铅的富集能力强,可以初步确定为铅富集植物[12].为了进一步确定假繁缕对铅、锌的富集特性,通过砂培盆栽试验,研究了铅锌复合作用条件下,假繁缕植株对铅、锌的积累特性,以期能进一步确定该植物的富集特征,并能为利用本地植物修复铅锌污染的土壤提供新材料.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

团宝山铅锌矿位于四川省雅安市汉源县境内,矿区多年平均气温4.3℃.年降雨量3869mm,相对湿度 75 %,年平均蒸发量1421mm,年平均日照时数1381.4h.经调查,该矿区的植被覆盖率达 85%以上,植被以草本为主,其中优势植物物种主要有禾本科的蔗茅[Erianthus rufipilus (Steud.) Griseb]和黑穗画眉草(Eragrostis nigra Nees ex Steud.),菊科的野菊(Chrysanthemum indicum L.)、艾蒿(Artemisia argyi Levl. Et Vant)和三叶鬼针草(Bidens pilosa L.),石竹科的缘毛卷耳(Cerastium furcatum Cham. et Schlecht)和假繁缕[Pseudostellaria maximowicziana(Franch.et Savat.) Pax.],蓼科的羊蹄(Rumex japonicus Houtt),莎草科的丛毛羊胡子草(Eriophorum comosum Nees)等.它们在矿区广泛分布,但以假繁缕的分布最广,且生长良好,生物量大.

1.2 供试材料

前期野外调查和室内测定发现,假繁缕根和地上部分的铅含量分别为 1018.33,718.2mg/kg;锌含量分别为 1102.90,1034.10mg/kg,达到铅富集植物的标准[13].在此基础上,再从矿区采集假繁缕健壮幼株(约15片叶、5cm高)作为盆栽试验材料,进一步研究其铅、锌富集特性.

1.3 室内培养

将幼株用改进的Hoagland 营养液进行盆栽,营养液按胡宗达[14]等的方法配置.以石英砂作培养基质(砂过2mm筛,经2% HNO3溶液浸泡过夜,用去离子水冲洗,晾干)装入高 13cm×直径 12cm的塑料盆中,每盆装砂 500g.然后将幼苗植入盆中,每盆3株,在人工气候培养箱(PX2-310D)培养,箱内光照设为20000lx,光照时数12h/d,相对湿度75%,白天平均温度为 26℃,夜间为 22℃.植株培养60d后收获,培养期间,每隔3d浇1次Hoagland营养液,每次40mL/盆;每隔2d浇一次去离子水,每次30mL/盆.

1.4 试验处理

预培养 14d后进行铅锌处理,铅锌处理为 2因素 5水平试验,铅处理浓度设为 0,50,100,200, 400mg/L,分别设为P0、P1、P2、P3和P4;锌处理浓度设为 0,100,300,500,700mg/L,分别设为Z0、Z1、Z2、Z3和Z4,每个处理重复3次.铅锌试剂分别采用分析纯的Pb(CH3COO)2⋅ 3H2O和ZnSO4⋅ 7H2O,每隔5d浇一次相应浓度的铅、锌溶液,每次 15mL/盆(恰好浸透砂基刚有溶液溢出),处理时间为60d,共浇铅、锌溶液10次.

1.5 测定方法

用原子吸收分光光度计(日本岛津 A-6300)测定重金属含量,结果以每 kg(干质量)中铅或锌的mg数表示(mg/kg).富集系数以植物地上部分重金属含量与处理溶液中重金属浓度之比计量

[15-16].转运系数以植物地上部重金属含量与植物地下部重金属含量之比.

1.6 数据处理

用Excel作图,用DPS软件进行方差分析及偏相关分析.

2 结果与分析

本试验是砂培试验.砂子的作用一是支撑固定植物,二是在砂子空隙间保留一定量的营养液和空气供植物吸收之用.砂子用前全部都经过了处理,除去了其他杂物对植物生长的影响.同时,砂子本身对离子的吸附能力很弱,可以忽略.在施入重金属溶液时,多余部分可以通过盆底小孔渗漏出去,不会在盆中积聚,且新施入溶液会把原来砂子中的溶液替换掉.因此,砂子空隙中的重金属溶液浓度基本保持不变.根据前人水培或砂培研究,如顾超等[15]、闵运江等[16],富集系数的计算方法为植物地上部分重金属含量与溶液中重金属含量的比值,因而本文中所采用的富集系数计算均是施加的溶液中重金属浓度.

2.1 铅锌复合作用下对假繁缕生物量的影响

由表1可见,在铅浓度为50,100,200mg/L时,假繁缕根和地上部分干质量均随锌浓度的升高而增大;当铅浓度为0,400mg/L时,其根和地上部分干质量随锌浓度的增加呈先增后降的变化趋势.当锌浓度为0,100mg/L时,假繁缕根干质量随铅浓度的增加呈波状起伏变化,地上部分干质量则为先增后降的变化;当锌浓度为 300,500mg/L时,假繁缕根和地上部分干质量均随铅浓度的增加而增大;当锌浓度为700mg/L时,其根和地上部分干质量均随铅浓度的增加呈先增后降的变化.假繁缕根和地上部分干质量在铅浓度为400mg/L,锌浓度为300mg/L时达到最大值,分别为1.62g/株和10.33g/株,表明假繁缕对铅锌复合作用表现出较强的抗性和耐性.方差分析表明,各处理浓度间假繁缕根干质量及地上部分干质量的差异均达极显著水平(P<0.01).

表1 铅锌复合作用下对假繁缕生物量的影响Table 1 Effects of Pb and Zn on the biomass of Pseudostellaria maximowicziana

2.2 铅锌复合作用下假繁缕对铅、锌的积累

2.2.1 假繁缕对铅的积累 由图1可见,在铅锌复合作用条件下,铅在假繁缕体内的分布为:根>地上部分.在铅浓度<400mg/L时,假繁缕根和地上部分铅含量均随锌浓度的增大而增加;当铅浓度为400mg/L时,假繁缕根中铅含量随锌浓度的增大而增加,而地上部分铅含量则随锌浓度的增大先增后降.当锌浓度为 0,100,700mg/L时,假繁缕根和地上部分铅含量均随铅浓度的升高呈先增后降的变化趋势;当锌浓度为300,500mg/L时,假繁缕根和地上部分铅含量则均随铅浓度的增加而增加.假繁缕根和地上部分铅含量最大值出现在铅浓度为200mg/L,锌浓度为700mg/L时,其值分别为 1386.08,1197.93mg/kg.方差分析表明,各处理浓度间假繁缕根和地上部分铅含量的差异均达极显著水平(P<0.01).

2.2.2 假繁缕对锌的积累 由图2可见,在铅锌复合作用条件下,锌在假繁缕体内的分布规律和铅的分布大致相同.在锌浓度一定时,假繁缕根和地上部分锌含量均随铅浓度的增而增加.假繁缕根和地上部分锌含量分别在铅浓度为 400mg/L,锌浓度为700mg/L,铅浓度为400mg/L,锌浓度为500mg/L 时达到最大,其值分别为 9250.50, 8423.15mg/kg.方差分析表明,各处理浓度间假繁缕根和地上部分的锌含量的差异均达极显著水平(P<0.01).

2.2.3 铅、锌浓度与植株铅、锌含量的偏相关分析 从表2可以看出,假繁缕根和地上部分铅含量与所施铅、锌浓度均呈极显著正相关关系,锌的加入,促进了假繁缕根和地上部分对铅的吸收和富集;而铅的加入,也促进了假繁缕根和地上部分对锌的吸收和富集,但高浓度的铅又抑制了假繁缕根和地上部分锌的吸收和富集.这说明在本试验浓度范围内,施用的铅、锌对假繁缕根和地上部分铅含量均产生了复合效应,即铅锌复合作用可能使铅、锌间产生了协同或加和作用.

假繁缕根和地上部分锌含量与所施铅浓度呈极显著正相关关系,根锌含量与所施锌浓度呈显著正相关关系,而地上部分锌含量与所施锌浓度呈极显著正相关关系.这说明在本试验浓度范围内,施用的铅、锌对根和地上部分锌含量均产生了复合效应,即铅锌复合作用可能使铅、锌间产生了协同或加和作用.

图1 铅锌复合作用下假繁缕对铅的积累Fig.1 Effects of Pb and Zn on the Pb accumulation of Pseudostellaria maximowicziana

图2 铅锌复合作用下假繁缕对锌的积累Fig.2 Effects of Pb and Zn on the Zn accumulation of Pseudostellaria maximowicziana

表2 铅、锌浓度与植株铅、锌含量的偏相关系数Table 2 Partial correlations of Pb and Zn concentrations in solution and contents in Pseudostellaria maximowicziana

2.3 铅锌复合作用下假繁缕对铅、锌富集系数的影响

2.3.1 铅锌复合作用下假繁缕对铅的富集系数 由表3可见,在铅锌复合作用下,假繁缕根和地上部分的铅富集系数均大于1,且根>地上部分.在铅浓度一定时,假繁缕根和地上部分铅富集系数随锌浓度的升高而减小;在锌浓度一定时,假繁缕根和地上部分铅富集系数随铅浓度的升高呈增大的趋势.假繁缕根和地上部分铅富集系数最大值出现在铅浓度为 400mg/L、锌浓度为100mg/L时,其值分别为22.28和13.50,最小值出现在铅浓度为0、锌浓度为700mg/L时,其值分别为1.85和1.34.

2.3.2 铅锌复合作用下假繁缕对锌的富集系数 由表 3 可见,在铅浓度一定时,随锌浓度的增加,假繁缕根和地上部分锌富集系数均呈增大的趋势.在锌浓度一定时,随铅浓度的增加,假繁缕根和地上部分锌富集系数则呈先增后降的趋势.假繁缕根和地上部分的最小富集系数出现在铅浓度为700mg/L、锌浓度为100mg/L时,其值分别为10.93和9.51;最大为铅浓度为100mg/L、锌浓度为700mg/L时,其值分别为68.40和58.14.

表3 铅锌作用下假繁缕对铅、锌的富集系数的影响Table 3 Effects of Pb and Zn on the Pb and Zn enrichment coefficients of Pseudostellaria maximowicziana

2.4 铅锌复合作用下假繁缕对铅、锌转运系数的影响

2.4.1 铅锌复合作用下假繁缕对的铅转运系数 由表 4可见,在铅锌复合作用下,假繁缕铅转运系数随铅浓度的升高而大体呈增大的趋势.在铅浓度为 0时,铅转运系数随锌浓度的增加无明显变化.在铅浓度为 400mg/L时,铅转运系数随锌浓度的增大表现为先增后降,同时在铅浓度为400mg/L,锌浓度为500mg/L时达到最大,为0.91.在锌浓度一定时,随铅的增加,铅转运系数呈先升后降的趋势.

2.4.2 铅锌复合作用下假繁缕对的锌转运系数 由表 4可见,在铅锌复合作用下,假繁缕锌转运系数随所施铅、锌浓度的升高呈增大的趋势,但在铅浓度为400mg/L时,转运系数随锌浓度的增加先增后降.假繁缕锌转运系数在铅浓度为400mg/L,锌浓度为500mg/L时达到最大值,为0.93.

3 讨论

理想的超富集植物除满足超富集植物界定的临界含量标准外[12],还应具有生长期短、抗病虫害和抗旱能力强、生物量大,能同时富集2种或2种以上的重金属的特点[17].从植物对铅、锌含量的积累含量来看,按照 Brooks对超富集植物的定义,植物地上部分铅和锌含量分别大于 1000, 10000mg/kg,且地上部重金属含量大于根部重金属含量及富集系数大于1的植物才被称为铅锌超富集植物.从本试验的研究结果来看,虽在高浓度(铅浓度为200,400mg/L和锌浓度为500, 700mg/L)条件下,假繁缕地上部分铅含量已超过了超富集植物铅含量的临界值,但在低浓度时,其铅锌含量未达到超富集植物铅锌含量的临界值,且转运系数小于1,因而未达到铅超富集植物的标准.但根据聂俊华等[18]认为铅含量大于 500mg/kg、锌含量大于5000mg/kg,并能在铅锌污染条件下能正常生长的植物为富集植物.本试验的假繁缕单株干质量平均达到10.33g,且生长良好.同时假繁缕根和地上部分铅含量均超过了 500mg/kg,说明它具备富集植物的特征,能相对有效地从环境中吸收铅.因此,可以确定假繁缕为铅富集植物.

表4 铅锌复合作用下假繁缕对铅、锌的转运系数Table 4 Effects of Pb and Zn on the Pb and Zn translocation coefficients of Pseudostellaria maximowicziana

本试验为砂培试验,假繁缕对重金属铅锌的吸收更为直接,其根和地上部分的富集系数均大于 1.转运系数用来评价植物将重金属从根向地上部的运输和富集能力,其数值大于 1意味着被植物地上部吸收的重金属含量大于根吸收重金属含量[10,19].本试验中假繁缕的铅、锌的富集系数均大于 1,而根的富集系数大于地上部分.从转运系数来看,假繁缕根和地上部分的铅、锌的转运系数均小于 1,这意味着被假繁缕地上部吸收的铅锌含量小于地下部吸收铅锌含量,但其地上部分生物量较大,生长周期较短,也可作为铅锌矿区污染土壤修复的备用植物.

4 结论

4.1 铅锌复合作用下,随所施铅锌浓度的增大,假繁缕生物量、植株铅、锌含量呈增大的趋势,是一种铅富集植物.

4.2 铅锌复合作用下,假繁缕根的富集系数要高于地上部分,且根和地上部分的铅、锌的富集系数均大于 1,但根的富集系数大于地上部分,且根和地上部分的转运系数均小于1.

4.3 假繁缕根和地上部分铅、锌的吸收间可能产生协同或加和作用.

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Characteristics of accumulating lead and zinc by diggings plant Pseudostellaria maximowicziana.

YE Lin-chun1, ZHANG Qing-song1, JIANG Xiao-jun2, ZHU Xue-mei1*, LIN Li-jin3, SHAO Ji-rong4
(1.College of Resource and Environment, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China；2.Sichuan Water Conservancy Vocational College, Dujiangyan 611830, China；3.Ya’an Soil and Water Conservation Monitoring Substation, Ya’an 625000, China；4.College of Biology and Science, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China). China Environmental Science, 2010,30(2)：239～245

X503

A

1000-6923(2010)02-0239-07

2009-06-20

四川省科技厅2008年科技支撑计划项目(2008FZ0180)

* 责任作者, 教授, zhubroad@163.com

叶林春(1984-),女,广西桂林人,四川农业大学资源环境学院硕士研究生,主要从事环境生态工程及生态恢复研究.