向日葵对重金属复合污染土壤中Cd、Zn、Pb、Cr 的吸收 和转运特性研究

吴运东，郭旭丽，李朋朋，王炜玮，栗 萍，白雪峰

（1.邯郸学院生命科学与工程学院，河北 邯郸 056006；2.河北工程大学医学院， 河北 邯郸 056038；3. 河北省生态环境监测中心，河北 邯郸 056001）

向日葵是一种生物量大、生长迅速的一年生草本植物[12]，也是一种重要的经济作物，具有较高的食用、药用和观赏价值，其在土壤重金属污染修复领域的应用潜力较大。Cd、Zn、Pb、Cr 是土壤中常见的4 种重金属，在过量的情况下均对植物有较强的毒害作用[13-17]。已有研究发现，在Cd 胁迫下向日葵成熟叶片和幼叶的生长参数和叶面积均有所降低[18]，土壤中Zn 过量时会抑制向日葵生长，其生物量、种子数和种子重量均有所下降[19]。向日葵吸收的Pb 主要集中在茎和叶片的维管束区域，且叶片中含量较高[20]。Aslam 等[21]研究了向日葵对Cr 的吸收规律，发现根、茎和果实中Cr 含量变化显著，而叶片的Cr 含量变化不显著，Groppa[22]研究了Cd 和Cu 对向日葵种子萌发和初始根发育的影响，结果显示2 种重金属存在时，向日葵幼苗的根生长受到显著抑制，且Cd 的抑制作用更强。在Pb 和Cd 含量均为200 mg/kg 的土壤中，向日葵茎和根的鲜重下降，且株高变短，Cd 的转运系数随土壤中Cd 含量的增加而增加；Pb 的转运系数则随土壤中Pb 含量的增加而降低[23]。目前，已经报道的利用向日葵修复Cd、Zn、Pb、Cr 单一或2 种重金属污染土壤的研究较多，而对于Cd、Zn、Pb 和Cr 4 种重金属复合污染土壤中向日葵的生长情况及其对重金属的富集效果的研究还鲜见报道。

在多种重金属污染同时存在的条件下，植物对重金属污染的响应和富集情况可能与单一重金属污染时有较大差异。土壤重金属污染往往是多种重金属综合作用的结果，植物富集单一重金属的机理难以适用多种重金属共同存在的复杂污染情况，因此十分有必要开展多种重金属复合污染条件下植物富集不同重金属元素的机理研究，以期为多种重金属复合污染土壤的修复提供参考。

笔者以向日葵为模式植物，采用盆栽试验研究了Cd-Zn-Pb-Cr 复合污染胁迫下向日葵的生长情况及其对各重金属的富集能力，为利用向日葵治理多种重金属复合污染的土壤提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自邯郸学院校园内，为褐土，土层深度为10～20 cm，土壤基本性质如下：pH 值7.44（土与水的质量比1 ∶5），有机质41.35 g/kg，全N 1.52 g/kg，全P 0.82 g/kg，全K 12.63 g/kg，全Cd 0.72 mg/kg，全Zn 12.83 mg/kg，全Pb 23.54 mg/kg，全Cr 24.89 mg/kg。供试向日葵品种为金色莫妮卡。

1.2 试验方法

土壤风干、破碎后，过60 目筛，分别添加外源Cd、Zn、Pb 和Cr（ 添 加CdCl2、ZnCl2、PbSO4、K2Cr2O7），试验设6 个处理，如表1 所示。混合了重金属的土壤装入塑料花盆（上口径25 cm、底内径20 cm、深20 cm）中，每盆装土2 kg，混合均匀后备用。每盆种植大小形态类似的3 株向日葵，每个处理4 次重复。

移栽65 d 后，测量向日葵的株高、茎粗、真叶数，并将植株取出，按根、茎、叶、花分开，用蒸馏水洗净后将样品放在烘箱中105℃杀青30 min，之后80℃烘干至恒重，粉碎后过100 目筛，使用硝酸-高氯酸体系消解后待测。

表1 试验设计 （mg/kg）

1.3 分析方法

采用原子吸收分光光度法（普析通用TAS990）分析植株和土壤中Cd、Zn、Pb、Cr 含量。采用试剂空白和内标以保证样品分析的准确度和精密度。

通过生物富集系数（BCF）和转运系数（TF）评估向日葵对重金属的富集能力。BCF和TF的计算见公 式（1）和（2），式中，含量和浓度单位均为mg/kg。

1.4 数据处理

使用Excel、SPSS 24.0 和Origin 9.0 等软件对数据进行处理分析，结果用平均值±标准偏差（S.D.）表示。通过ANOVA 分析与Duncan 多重比较对数据进行统计分析。

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2 结果与分析

2.1 各处理向日葵的生长情况

从图1 中可以看出，与对照相比，T1 处理向日葵株高、茎粗和茎、叶、花的干重均有所提高，表明Cd-Zn-Pb-Cr 低浓度胁迫对向日葵的生长有促进作用，随着重金属含量的继续增加，向日葵各项生长指标均呈下降趋势，表明Cd-Zn-Pb-Cr 高浓度胁迫对向日葵的生长会产生抑制作用。T6 处理向日葵的平均株高最矮，为44.1 cm，显著低于对照处理（P＜0.05）；随着Cd-Zn-Pb-Cr 浓度的升高，向日葵茎粗呈变细的趋势，T6 处理向日葵的平均茎粗最细，为4.80 mm；T5 和T6 处理向日葵的真叶数为4 对，比其他处理少1 对；向日葵的干重随着Cd-Zn-Pb-Cr 浓度的升高呈先微弱升高后下降的趋势，T6处理单株向日葵植株根、茎、叶、花的平均干重分别降至0.94、4.44、2.14、0.69 g。

图1 Cd-Zn-Pb-Cr 复合污染下各处理向日葵的生长情况

2.2 各处理向日葵植株不同部位的重金属含量

2.2.1 Cd 含量如图2 所示，当复合污染土壤中Cd添加量为0～300 mg/kg（CK、T1、T2、T3）时，植株各部位富集的Cd 含量由高到低表现为叶＞根＞茎＞花；当土壤中Cd 添加量为400～600 mg/kg（T4、T5、T6）时，植株各部位富集的Cd 含量由高到低表现为根＞叶＞茎＞花，当土壤中Cd 含量为600 mg/kg，根、叶、茎、花对Cd 的富集量分别为362.43、324.80、195.21、113.24 mg/kg。

2.2.2 Zn 含量由图3 可知，向日葵植株对Zn 富集效果较好的部位是根和叶，当土壤中Zn 添加量为1 200 mg/kg（T6）时，根和叶对Zn 的富集量分别为259.21 和227.32 mg/kg；茎和花对Zn 的富集量分别为154.32 和87.12 mg/kg。当Zn 添加量＜900 mg/kg 时，叶的富集效果优于根、茎、花，而Zn 添加量≥900

图3 Cd-Zn-Pb-Cr 复合污染土壤中向日葵植株中Zn 含量变化

mg/kg 时，根的富集效果优于叶、茎和花。

2.2.3 Pb 含量由图4 可知，向日葵不同部位富集的Pb 含量差异较大，向日葵植株对Pb 富集效果较好的部位是根和叶，当土壤中Pb 添加量为1 200 mg/kg （T6）时，根和叶中的Pb 含量分别为177.54 和144.45 mg/kg，茎和花对Pb 的富集效果较差，其Pb 含量分别为67.88 和44.98 mg/kg。当Pb 添加量＜800 mg/kg时，叶富集效果优于根，而当Pb添加量≥800 mg/kg时，根的富集效果优于叶。

2.2.4 Cr 含量如图5 所示，向日葵植株对Cr 富集效果较好的部位也是根和叶，与其他3 种重金属富集效果不同的是，向日葵根和叶中的Cr 含量随土壤中Cr含量的增加而增加，但花和茎中Cr 的含量基本保持不变。当土壤中Cr 添加量为100 mg/kg（T6）时，向 日葵根、叶、茎和花中的Cr 含量分别为113.76、59.66、10.43 和6.15 mg/kg。在同一处理水平下，向日葵植株各部位对Cr 的吸收效果均表现为根＞叶＞茎＞花；且随着Cr 添加量的增加，向日葵根部富集Cr所占比例上升，而地上各部位富集的Cr所占比例下降，表明向日葵植株对Cr 的转运效果较差，根部吸收的Cr 不易转移到茎、叶、花等地上部位。

图4 Cd-Zn-Pb-Cr 复合污染下向日葵植株中Pb 含量变化

图5 Cd-Zn-Pb-Cr 复合污染下向日葵植株中Cr 含量变化

2.3 向日葵对4 种重金属的富集和转运能力

BCF 是评价植物吸收积累重金属能力的重要指标，数值越大，说明该植物富集效率越高[24]。由图6A 可知，4 种重金属中向日葵植株对Cd 的富集能力最强，其次是Cr，而对Zn 的富集能力排第三，对Pb的富集能力最差。随着土壤中重金属含量的增加，向日葵植株对Cd 的BCF 迅速下降，对Cr 的BCF 先升高后下降最后维持在0.2 左右，对Zn 的BCF 持续下降最后维持在0.1左右，对Pb的BCF则始终维持在0.06左右。

TF 反映了植物地上部转运根部重金属吸收量的能力，是衡量植物修复重金属污染的重要指标，TF值越大，说明植物对重金属的转运效果越好[25]。由图6B 可知，向日葵对4 种重金属的TF 值均小于1，表明向日葵根系中的重金属含量均高于地上部分的重金属含量；随着土壤中重金属含量的增加，向日葵植株对Cd 的TF 持续减小，最终维持在0.6 左右，对Cr的TF 也呈持续下降趋势，但对Zn 和Pb 的TF 则持续升高。

图6 Cd-Zn-Pb-Cr 复合污染土壤中向日葵对4 种重金属的BCF 和TF 变化情况

3 结论与讨论

研究了向日葵在Cd-Zn-Pb-Cr 复合污染土壤中的生长情况及其对重金属的富集转运能力，结果表明：低浓度Cd-Zn-Pb-Cr 复合污染对向日葵的生长没有产生明显影响，但高浓度污染胁迫下向日葵植株的生长受到明显抑制，表现为株高变矮、茎粗变细、真叶数减少、生物量降低；随着重金属添加量的提高，向日葵不同部位的重金属富集量均随之增加，整体来看，对Cd-Zn-Pb-Cr 富集效果最好的植株部位是根和叶，茎和花的富集量均较低；4 种重金属中向日葵植株对Cd 的富集能力最强，其次是Cr，而对Zn 的富集能力排第三，对Pb 的富集能力最差；向日葵对4 种重金属的TF 值均小于1，根系中的重金属含量均高于地上部累积量。

向日葵能在重金属污染土壤中正常生长，可能原因是其能把有毒金属离子分布在特定的组织、器官或细胞器中，形成难溶的化合物或特定的有机化合物[26]。在试验设计的6 个Cd-Zn-Pb-Cr 复合污染水平下，向日葵对4 种重金属的富集量均未达到超富集植物所规定的临界值（重金属吸收量超过一般植物100倍以上）。向日葵的地上部分生物量大，对重金属的转运能力较强，对复合重金属污染有一定的耐受性，可认为其具备了超富集植物的部分特征。

向日葵是重要的油料作物，种子的含油量较高，修复土壤后收获的植株和种子可作为制备生物柴油的原料[27]，避免重金属进入食物链危害人体健康；另外，其较大的生物量还可用于活性炭的制作[28]；在种植过程中，向日葵庞大的根系还具有保持水土功能。因此，向日葵作为复合重金属污染土壤的修复植物具有较大的潜在应用价值。