铅镉复合污染对台湾相思生长和元素吸收的影响

陈 涵 庄玉婷 冯嘉仪 彭维新 陈美伊 张学平 于耀泓 万利鑫 曾曙才

（1. 华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2. 佛山市林业科学研究所，广东 佛山 528222）

土壤是生态环境的载体与物质基础，直接影响着植物的健康生长及生态效益，与人类健康息息相关，其质量问题受到人们的广泛关注[1]。但随着经济迅速发展，城市化进程加快和矿物开采与金属冶炼规模扩大，大量重金属被释放到土壤中，对人类和其他生物的生存环境造成了严重威胁，该问题已引起国内外学者的重视[2-3]。其中，重金属元素铅（Pb）和镉（Cd）在土壤中具有毒性、积累性、不可逆性和不可降解性等特点，是对人类健康和土壤生态环境系统危害和风险最大，也是目前城市生态环境中含量超标与污染情况最为严重的一类重金属[4-5]。土壤中Pb、Cd 元素可在生物体内富集，通过食物链进入人体。相关研究表明，Pb、Cd 元素的过量摄入会导致人体肾毒性、心血管损伤、癌症以及造血、消化系统功能衰弱等危害[6]，因此，对含有Pb、Cd 重金属污染土壤的修复工作迫在眉睫。

目前土壤重金属污染治理方法主要包括客土法、化学淋洗法、石灰改良法及生物修复等，其中生物修复技术因其具有环境友好、简单易行和成本低等特点在近年来取得长足发展[7]。目前有关Pb、Cd 污染土壤修复植物的研究多集中于如芦苇（Phragmites australias）、芒萁（Dicranopteris dichotoma）和乌毛蕨（Blechnum orientale）等生物量小、生命周期较短的草本植物[8-9]，对观赏价值高且具有较大生物量的木本植物的重金属胁迫试验研究较少，仅有的研究也多从光合特性和生理活性等方面进行论述[10-11]，对植物生长和元素吸收方面的影响鲜有研究。

台湾相思（Acacia confusa）属豆科金合欢属乔木，为华南地区常见的木本园林植物，具有生长快、抗逆性强、具有根瘤可进行固氮等优点[12]。研究表明，根瘤菌具有固定及改变土壤重金属形态的作用，可有效降低土壤重金属污染风险，从而降低土壤重金属对植物的毒害作用，故台湾相思在土壤重金属污染修复方面存在明显优势[13-14]。同时，台湾相思具有良好的园林绿化及环境美观效果[15-16]，广泛应用于水土保持、沿海防护乃至短周期造纸等诸多方面，在生态、生产等诸多方面具有可观的效益，具有作为一种新型、高效的生物修复物种进行推广应用的潜能，是不可多得的理想树种。因此，研究Pb、Cd 复合污染对台湾相思生长及元素吸收的影响具有重要的现实意义。本试验以台湾相思为试验对象，探究不同程度重金属复合污染条件对台湾相思生长、根系形态、养分元素吸收和重金属元素吸收的影响，为台湾相思在Pb、Cd 复合污染土壤修复方面的适用范围提供参考，并对相关生理响应机制提出合理解释，以期为木本豆科植物在重金属污染下生长的适应性，为Pb、Cd 重金属污染土壤的植物修复研究提供一定理论依据及指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用的台湾相思苗木购于广州市德源林业有限公司，选取植株健康、长势相近的幼苗用于试验。供试土壤采集于华南农业大学树木园（113°36′E，23°15′N），进行摊开风干和碾碎后过3 mm 筛备用。供试土壤的pH 为4.89，属酸性土壤，有机质及全氮（N）、全磷（P）、全钾（K）养分含量分别为6.39、0.22、0.20、10.97 g/kg，重金属Pb、Cd、铜（Cu）、锌（Zn）、镍（Ni）含量分别为32.51、0.15、19.39、34.19、10.10 mg/kg，其重金属含量均符合土壤环境质量标准[17]。Pb 和Cd 分别以PbSO4试剂（分析纯）和CdCl2试剂（分析纯）的形式添加。每盆土质量为4 kg，盆栽用盆为高19.5 cm、口径22 cm 的塑胶花盆。

1.2 试验设计

试验场地设在佛山市林业科学研究所的温室大棚（112°59′E，23°56′N），于2018 年5 月11 日开始试验，为期5 个月，共设置4 个浓度梯度，并以不添加重金属为对照（CK），每个处理5 个重复，共计25 盆，试验设计如表1 所示。重金属元素Pb 和Cd 以固体形式加入土壤中混匀并加水浸没土壤，平衡15 d。试验期间根据季节和天气设置1～2 d 浇1 次水，每次每盆浇水量为100 mL。试验中Pb、Cd 处理浓度以纯Pb、Cd 计算。

表1 铅镉复合污染梯度值Table 1 Gradient values for Pb-Cd combined pollution

1.3 指标测定

1.3.1 形态指标测定

试验期间每30 d 对台湾相思植株的株高、地径进行测量，采用DL8015 直尺（得力，中国，精确到0.1 mm）测量株高，采用CJW888 电子游标卡尺（AIRAJ，德国，精确到0.02 mm）测量地径。盆栽试验结束后，将所有苗木先用自来水洗净，再用去离子水冲洗晾干。植物根系采用LDWinRHIZO 双光源扫描仪（莱恩德智能科技，中国）进行扫描后用WinRHIZO Pro 2005 b（Regent Instruments Inc.，加拿大）根分析软件测定植株根系的平均直径、根长以及根体积等指标，将植株的根、茎、叶对应分开，进行烘干和测定生物量。

1.3.2 养分含量测定

植物养分的测定先用H2SO4-H2O2消解植物样品，获得待测液，全N 采用AA3 流动分析仪（SEAL，德国）测定，全P 采用NaOH 熔融-钼锑抗比色法测定，全K 采用NaOH 熔融-火焰分光光度计法测定[18]。植物体内重金属Pb、Cd 含量采用HNO3-H2O2（8∶2）微波消解后用原子吸收分光光度计测定[19]。

1.4 数据分析

所有试验数据均使用Microsoft Excel 2016 对数据进行统计及计算，采用SPSS 25.0 软件对指标进行方差分析和Duncan's 多重比较，使用Origin 2018 进行图表制作。表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 不同处理对台湾相思生长的影响

由图1 可知，T3和T4中的株高均显著小于CK（P＜0.05），分别减小了30.15%和34.23%，说明高浓度复合污染抑制台湾相思株高生长，而对地径生长量均未造成显著影响。

图1 不同浓度污染对台湾相思株高地径的影响Fig. 1 Effects of Pb and Cd combined pollution on height and diameter of A. confusa

由表2 可知，4 种重金属污染土壤条件下台湾相思的根、茎、叶和总生物量均显著低于CK（P＜0.05），说明Pb、Cd 复合污染显著抑制台湾相思生物量的增加。与CK 相比，复合污染下的根生物量显著下降39.36% ～ 57.45%（P＜0.05），茎生物量显著下降42.25% ～ 57.39%（P＜0.05），叶生物量显著下降40.55% ～ 62.22%（P＜0.05），总生物量显著下降42.89% ～ 59.82%（P＜0.05）。

表2 不同浓度污染对台湾相思生物量的影响Table 2 Effects of Pb and Cd combined pollution on biomass of A. confusag

由表3 可知，不同浓度的Pb、Cd 复合添加条件下台湾相思根的平均直径均显著大于CK（P＜0.05），分别是CK 的1.50、1.59、1.55、1.47倍，根长均显著小于CK（P＜0.05），比CK 分别减少了54.35%、61.08%、66.31%、40.58%，而根体积变化未达到显著水平，说明Pb、Cd 复合污染在显著促进台湾相思根平均直径的同时抑制根长的增加，对根体积无显著影响。

表3 不同浓度污染对台湾相思根系生长的影响Table 3 Effects of Pb and Cd combined pollution on root morphology of A. confusa

2.2 不同处理对台湾相思养分含量的影响

由表4 可知，T4的根部N 含量在下显著大于其他处理（P＜0.05），为20.88 mg/g，分别是CK、T1、T2、T3的1.43、1.87、1.64 和1.52 倍，说明高浓度复合污染会促进台湾相思根部对N 元素的吸收。除根部N 含量外，Pb、Cd 复合污染土壤对台湾相思其余各部位的养分含量无显著影响。

表4 不同浓度污染对台湾相思养分含量的影响Table 4 Effects of Pb and Cd combined pollution on nutrient content of A. confusamg/g

2.3 不同处理对台湾相思重金属含量的影响

由图2 可知，在相同浓度条件下，Pb 在台湾相思各部位含量表现为根部显著大于茎、叶部位（P＜0.05）。复合污染条件下，台湾相思根、茎及叶部Pb 含量均显著大于CK（P＜0.05），其中根部Pb 含量随复合污染浓度升高，呈现先升高后降低的趋势，并在T3达到最大值（P＜0.05），为289 mg/kg，是CK 的8.75 倍；茎、叶部Pb 含量均在T4达到最大值，分别是CK 的6.00 及7.21倍。Pb、Cd 复合污染显著促进台湾相思根、茎和叶部的Pb 含量，而在高浓度条件下抑制根部对Pb 的吸收。

图2 不同浓度污染对台湾相思Pb 含量的影响Fig. 2 Effects of Pb and Cd combined pollution on Pb

由图3 可知，在相同浓度条件下，Cd 在台湾相思各部位的含量表现为根＞叶＞茎。复合污染条件下，各部分Cd 含量均显著大于CK（P＜0.05），且均在T4达到最大值，分别为CK 的10.05 倍、2.64 倍及3.81 倍。Pb、Cd 复合污染显著促进台湾相思根、茎及叶部分Cd 含量。

图3 不同浓度污染对台湾相思Cd 含量的影响Fig. 3 Effects of Pb and Cd combined pollution on Cd contents of A. confusa

3 结论与讨论

当土壤中的重金属元素浓度如Pb、Cd 等超出一定范围时，会对植物的生长造成胁迫，当胁迫超过了植物自身的耐受范围时便会对植物体造成伤害[20-21]。本研究结果表明，不同浓度的Pb、Cd 复合污染对台湾相思地径无显著影响，在较高浓度下（T3、T4）株高受显著抑制，这与黄葛树（Ficus virens）在较高浓度Pb 和Cd 单一胁迫下株高、地径均受显著抑制的结果不同[22]，说明台湾相思对Pb、Cd 复合污染土壤具有一定的耐性，能在Pb、Cd 复合污染土壤中存活且在低浓度条件下正常生长，而仅在较高浓度时抑制株高，可能是因为高浓度Pb、Cd 复合污染抑制了台湾相思光合色素的合成，导致光合作用产物减少[23]，从而限制株高生长。当植物体内的重金属含量超过自身耐受限度时，会导致生物体生物量的下降[24-25]，本研究发现复合污染条件下台湾相思根、茎、叶和总生物量均显著小于CK，说明台湾相思的生物量在Pb、Cd 复合污染土壤中受显著抑制，这与前人研究结果一致[26]。

重金属污染条件下，植物可通过增加其根部直径大小，同时减少根长的方式，从而降低对土壤中有害元素的吸收[27]。本试验中，Pb、Cd 复合污染土壤显著促进根平均直径增加的同时也抑制了根长，因此未体现出对根体积的显著影响，这与向日葵（Helianthus annuus）在高浓度Pb、Cd胁迫下根长受显著抑制的结果相似[28]。主要原因可能与台湾相思对重金属污染环境的适应有关，能够通过增大根平均直径并减小长度的方式，减少根系表面积，降低根系对土壤中重金属元素的吸收[29]，从而降低重金属污染带来的不利影响。

相关研究表明，植物对土壤重金属元素的吸收在一定程度上会抑制其对营养元素的吸收[30-31]。本研究发现Pb 1 500 mg/kg，Cd 50 mg/kg（T4）对台湾相思根部N 含量产生显著促进作用，而这与紫茎泽兰（Ageratina adenophora）在高浓度Pb、Cd 复合污染下各器官P 元素含量受促进，N、K 元素含量均受抑制[32]的结果不同。究其原因，一方面是由于植物种类特性及其对重金属污染的适应性会直接影响植物养分吸收，豆科植物具有的根瘤可附着大量根瘤菌，能够固定、中和土壤重金属[33]，增加植物对土壤重金属污染的抗逆性，从而维持植物体对营养元素的正常吸收[34]。另一方面，这可能与根瘤菌对重金属胁迫的响应机制有关，高浓度Pb、Cd 复合污染促进根系中根瘤菌蛋白质表达及生理活性提高[35]，增强根瘤菌的固氮作用，进而促进高浓度复合污染下根系对N 元素的吸收。本试验中台湾相思对于Pb、Cd 复合污染土壤表现出较好的耐性，能够在一定浓度范围的Pb、Cd 复合污染环境下维持其正常吸收生长发育必需养分的功能。

植物体内存在一系列参与重金属污染响应的稳态系统及控制机制，通过控制植物对重金属元素吸收、转运及累积等过程减少重金属对植物造成的危害[36]。其中植物根系是吸收富集重金属的主要部位，植物将重金属滞留在具有更长更新周期的根系中，减少其向上运输和对地上部分的毒害[37]。本试验中，在相同浓度处理下，Pb 在台湾相思各部位中的含量表现为根部显著大于茎、叶部，而Cd 则表现为根＞叶＞茎，说明Pb、Cd 在台湾相思体内的分布特征不同，根部是台湾相思吸收累积重金属的主要部位，而台湾相思叶部较茎部含有更多的Cd 元素，主要原因可能与台湾相思自身对重金属胁迫的响应机制有关，通过将重金属元素转运至叶片以累积一定量的重金属元素，在不伤害植株正常生活代谢的同时，减少根部重金属元素的累积，从而缓解重金属对根系的毒害作用[38]。

土壤中Pb、Cd 等重金属存在交互作用，使土壤中重金属活性及生物有效性发生改变，其作用类型也因植物种类不同而异[39]。前人对Pb、Cd 复合试验的研究发现，Cd 一定程度上会抑制黄葛树对Pb 的吸收累积[40]，而麻栎（Quercus acutissima）根部则对Pb、Cd 吸收具有协同作用[41]，本试验中，台湾相思根部Pb 含量随复合污染浓度升高呈先增后降的趋势，并在T4显著降低，这可能是由于Cd、Pb 元素之间存在拮抗作用，从而抑制根系对Pb 的吸收。此外，土壤中重金属浓度升高会引起重金属有效态含量的增加，从而促进植物对重金属离子的吸收[42]。除根部Pb 含量外，台湾相思其他部位的Pb、Cd 含量在复合污染条件下均受显著促进，但茎部Pb、Cd 含量与叶部Cd 含量随浓度继续升高变化不明显，这可能是台湾相思对土壤中重金属超标的防御机制，使得茎、叶部对应重金属含量能够保持相对稳定，其作用机制还需进一步研究和探讨。台湾相思对Pb、Cd 具有一定的吸收能力，但在高浓度Pb、Cd 复合污染环境下吸收能力下降，因综合考虑其生物量大，根系发达且具有根瘤等优点，故认为其在土壤Pb、Cd 复合污染的生物修复方面仍具有一定应用潜力。综上所述，台湾相思对Pb、Cd 复合污染具有较强的耐性，能够依靠豆科植物所具有的根瘤结构以及通过改变自身根系形态等方式来抵抗Pb、Cd 复合污染，且对Pb、Cd 具有一定的吸收能力，是中低浓度Pb、Cd 污染区域土壤生态修复的理想植物。