铁冬青幼苗对污染土壤中铅、镉的耐受、吸收和累积

阮可瑾，谢宝玥，邓应生，冯嘉仪，庄玉婷，吴道铭，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 东莞市大岭山森林公园,广东 东莞 523000)

土壤重金属污染已成为世界性的环境问题[1]。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示铅(Pb)、镉(Cd)的点位超标率分别达到1.5%和7.0%[2]。Pb、Cd等重金属本质上不可生物降解，在食物链中发生营养转移、生物累积和生物放大，对动植物生长和人类健康会造成不良影响[3]。例如，Pb对生物机体造成生理、形态和生物化学等方面的毒性影响，使植物的叶绿素产生、细胞分裂、根伸长、种子萌发和蒸腾作用等受损[4]；Cd抑制光合作用，引起氧化应激与基因损伤，影响植物的生长代谢[5]。

植物修复技术是利用具有较强重金属吸收、富集能力的植物根系对重金属吸收、转移并储存到植物地上部，最后再收获植物从而达到回收重金属并修复污染土壤的目的的一项技术[6]。与其他土壤重金属修复技术相比，植物修复具有修复成本低、操作简单、安全可靠、对土壤环境扰动少、对周围环境具有美化作用、无二次污染等优点[7]。相对于草本植物，木本植物具有生长周期长、生物量大等特点，可将污染物长时间稳定在植物体内，从而避开人类食物链[8-9]。将木本园林植物用于修复重金属污染土壤，营造良好景观效果的同时可起到生态修复作用，以充分发挥植物的生态效益[9]。因此，研究木本园林植物对土壤重金属污染的耐受性及对重金属的吸收累积特征，有助于提高重金属污染土壤的植物修复效率。

铁冬青Ilex rotunda属于冬青科Aquifoliaceae冬青属Ilex常绿灌木或乔木[10]，广泛分布于我国华南地区，叶与果实极富特色，具有抗污染、防火、防风和减弱噪音等特点，可广泛应用于公园、道路、居住区、厂矿绿化[11]，是优良的园林观赏树种[12]。目前，对冬青属的研究集中于种质资源的调查、收集、整理，以及冬青属的系统分类、遗传多样性等方面[13]，但重金属胁迫方面的研究暂不多见。本试验以铁冬青幼苗为研究对象，探究其对Pb、Cd污染土壤的耐受性及对Pb、Cd的吸收累积特征，分析单一Pb、Cd污染条件下的植物生长状况、根系形态特征和养分吸收、累积效果以及对重金属的吸收、累积效果，为铁冬青在Pb、Cd污染土壤修复方面的适用范围提供参考，为城市绿地重金属污染土壤的植物修复技术提供理论依据及指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本研究供试植物为铁冬青，购于广州市德源林业有限公司，选取植株健康、长势相近、株高约为40 cm的1年生实生苗用于试验。供试土壤为华南地区典型的赤红壤，采自华南农业大学树木园(113°36′E，23°15′N)0～20 cm 土层，其理化性质见表1，重金属含量均符合《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准 (试行)》(GB 15618—2018)[14]。土壤经风干、除杂、碾磨、过筛(3 mm)后用于盆栽试验。栽培用盆为高19.5 cm、直径22 cm的塑胶花盆。

表1 供试土壤理化性质及重金属环境质量标准Table 1 Physicochemical properties of experimental soil and environmental quality risk control standard for soil heavy metal

1.2 试验设计

试验场地设在华南农业大学林学与风景园林学院温室大棚。本试验分为单一Pb污染试验(土壤 Pb 添加量分别为 500、1 000 和 1 500 mg·kg-1，分别记为 Pb500、Pb1000和 Pb1500处理)、单一 Cd 污染试验 (土壤 Cd添加量分别为 10、25 和 50 mg·kg-1，分别记为 Cd10、Cd25和 Cd50处理)两部分，以不添加重金属的赤红壤作为对照(CK)，每个处理4次重复，共计28盆。每盆基质干质量均为4 kg，重金属Pb、Cd分别以固体PbCl2(分析纯)、CdCl2(分析纯)形式加入土壤，将重金属与基质混匀后加水浸没土壤平衡21 d，平衡期间若有下渗水流出则倒回盆中。平衡结束后移栽苗木，每盆1株铁冬青。试验于2017年10月中旬开始，2018年3月中旬结束，试验期5个月。试验期间依天气情况2～3 d 浇一次水，每次每盆浇水量为 100 mL，全程不施肥，不使用农药。

1.3 指标测定

试验结束后用直尺和电子游标卡尺分别对植物株高、地径进行测量，然后将所有试验苗木整株挖出，带回实验室，先用自来水洗净植株，再用去离子水冲洗晾干。植物根系用双光源扫描仪扫描后，用根分析软件 WinRHIZO Pro 2005b (Regent Instruments Inc)分析根长、根表面积、根体积等指标。将植物根、地上部分开，放入烘箱100 ℃杀青30 min后，70 ℃烘至恒质量，用电子天平测定根和地上部生物量。

植物养分的测定：先用H2SO4-H2O2消解植物样品，获得待测液，全氮(N)含量使用AA3连续流动分析仪测定，全磷(P)含量采用钼锑抗比色法测定，全钾(K)含量用火焰分光光度计法测定[15]。植物Pb、Cd含量测定：采用HNO3-H2O2(体积比8∶2)微波消解后，用原子吸收光谱法(AAS)测定[16]。植物质量指数[17]、各部位及全株元素累积量[18]、全株元素含量[19]的计算方法如下：

1.4 数据处理

试验数据均采用 Microsoft Excel 2007 进行整理，采用Origin Pro9.0软件绘图。采用SPSS 22.0统计软件对不同处理的植株生长、养分及重金属含量和累积量进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan’s多重比较，对不同部位之间的重金属含量和累积量进行t检验。

2 结果与分析

2.1 单一Pb、Cd污染对铁冬青生长的影响

单一Pb、Cd污染对铁冬青生长有不同程度的影响(图1)。与CK相比，不同Pb污染处理下铁冬青株高无显著差异(P＞0.05)，Pb500处理下铁冬青根生物量 (3.63 g·株-1)显著增加 (P＜0.05)，Pb500、Pb1000处理下地径分别比CK显著增加17.15%和13.59%，但Pb1500处理显著降低根、地上部和总生物量。Pb1500处理的株高、地径以及根、地上部和总生物量均显著小于Pb500，且分别比Pb500降低7.34%、19.89%、73.83%、51.33%和59.79%。此外，Cd25处理的株高显著小于CK和Cd10，不同Cd污染处理对地径和根、地上部、总生物量无显著影响(P＞0.05)。

图1 土壤单一Pb或Cd污染对铁冬青生长的影响Fig. 1 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on growth of Ilex rotunda

单一Pb、Cd污染对质量指数的影响如图2所示，Pb500和Pb1000处理的铁冬青质量指数显著大于CK，分别是CK的1.38和1.35倍。与CK相比，Pb1500处理显著降低质量指数，比CK显著降低56.25%，并且其质量指数显著小于3种Cd污染处理。不同Cd污染处理对质量指数无显著影响。这说明 500 和 1 000 mg·kg-1的 Pb 污染处理在一定程度上提高了铁冬青幼苗的质量指数，但 1 500 mg·kg-1Pb污染处理对生长有抑制作用，而单一Cd污染对铁冬青质量指数未造成显著影响。

图2 土壤单一Pb、Cd污染对铁冬青质量指数的影响Fig. 2 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on quality index of Ilex rotunda

2.2 单一Pb、Cd污染对铁冬青根系形态的影响

由图3可知，Pb500处理的铁冬青根表面积显著大于CK，增加了31.23%。Pb500和Pb1000处理的根长、根体积均与CK无显著差异，Pb1500的根长、根表面积、根体积均显著小于其他处理。此外，单一Cd污染对铁冬青根系形态无显著影响。

图3 土壤单一Pb、Cd污染对铁冬青根系形态的影响Fig. 3 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on root morphology of Ilex rotunda

2.3 单一Pb、Cd污染对铁冬青养分吸收累积的影响

单一Pb、Cd污染条件下铁冬青对不同养分元素的吸收累积有所不同(图4)。由图4A～4C可知，Pb污染处理对铁冬青根、地上部N含量和根K含量均无显著影响；Pb500和Pb1000处理的根、地上部P含量和地上部K含量均与CK无显著差异，Pb1500处理的根、地上部P含量和地上部K含量分别比CK增加124.00%、55.17%和115.00%，同时显著高于其他处理。这说明单一Pb污染未对铁冬青养分吸收产生抑制作用，同时 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染对铁冬青各部位P含量和地上部K含量具有一定的促进作用。

图4 土壤单一Pb、Cd 污染对铁冬青养分含量的影响Fig. 4 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on nutrient contents of Ilex rotunda

由图4D～4F可知，不同Cd污染浓度对铁冬青根和地上部的N、P含量及根K含量均无显著影响。但Cd10、Cd25和Cd50处理下地上部K含量均显著大于CK，分别是CK的1.31、1.54和1.52倍。

如图5所示，不同Pb污染处理对铁冬青全株P、K累积量均无显著影响，不同Cd污染处理对全株N、P、K累积量均无显著影响。与CK相比，Pb1500处理显著降低全株N累积量(降低51.73%)，但Pb500和Pb1000处理的全株N累积量均与CK无显著差异。

图5 土壤单一Pb、Cd污染对铁冬青养分累积量的影响Fig. 5 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on nutrient accumulation of Ilex rotunda

2.4 单一Pb、Cd污染对铁冬青重金属吸收累积的影响

单一Pb污染条件下，铁冬青对Pb具有较好的吸收和累积作用(表2)。与CK相比，不同Pb污染处理均显著增加铁冬青全株Pb含量和根、全株Pb累积量。Pb1500条件下各部位、全株Pb含量及地上部、全株Pb累积量均达到最大值，且显著大于其他处理，但Pb500和Pb1000处理之间无显著差异。Pb1500处理的地上部Pb含量及累积量分别为183.67 mg·kg-1和 515.73 μg·株-1，显著大于其他处理，但Pb500、Pb1000的地上部Pb含量及累积量均与CK无显著差异。在相同Pb污染条件下，铁冬青根Pb含量及累积量显著大于地上部。

表2 土壤单一Pb污染对铁冬青重金属Pb吸收累积的影响1)Table 2 Effects of single Pb pollution in soil on Pb contents and accumulations of Ilex rotunda

由表3可知，土壤不同Cd污染处理对铁冬青Cd含量及累积量有显著影响。根Cd含量随着Cd污染量增加而显著增加，并且在Cd50条件下达到最大值 (6.40 mg·kg-1)，Cd50处理分别比 CK、Cd10和 Cd25处理增加 7 011.11%、223.23% 和39.74%，且差异显著。与CK相比，不同Cd污染均显著增加各部位、全株Cd含量及累积量，Cd25、Cd50处理的全株Cd含量和各部位、全株Cd累积量均显著大于Cd10处理的相应指标，但Cd25、Cd50处理之间无显著差异。根Cd含量在Cd10、Cd25和Cd50处理下均显著大于地上部，根Cd累积量在Cd50处理下显著大于地上部。

表3 土壤单一Cd污染对铁冬青重金属Cd吸收累积的影响1)Table 3 Effects of single Cd pollution in soil on Cd contents and accumulations of Ilex rotunda

3 讨论与结论

3.1 铁冬青对单一Pb、Cd污染土壤的耐受性

在植物修复中，植物对重金属的耐受性是影响污染环境修复效果的主要因素之一[20]。本试验结果显示，铁冬青地径、质量指数以及根、地上部、总生物量在土壤不同Cd污染条件下均与CK无显著差异，这与火炬树Rhus typhina根、芽伸长抑制率随Cd2+浓度增加而增大[21]，以及黄葛树Ficus virens在10 mg·kg-1的土壤 Cd 胁迫时生长受到抑制[22]的试验结果均有所不同。可能是因为植物对Cd的耐受性因土壤Cd污染程度和植物种类不同而有所差异[23]。本研究还发现，铁冬青地径、质量指数在500和 1 000 mg·kg-1的土壤 Pb 处理下显著提高，根生物量在 500 mg·kg-1的 Pb 处理时显著提高。这可能是由于低含量重金属污染对植物而言是逆境环境，因此自身会最大程度地提高生命活动来抵制逆境并表现出生长旺盛的现象[24]。在1 500 mg·kg-1的Pb处理时，铁冬青株高、地径与CK均无显著差异，但铁冬青地上部、总生物量和质量指数受到显著抑制。这可能是因为土壤较高的Pb浓度超过植物自身对Pb的耐受限度，导致植物体细胞膜或叶绿体被破坏[25]，大量叶片受损甚至脱落，从而影响植物正常生长。综合来看，铁冬青对Cd污染和500～1 000 mg·kg-1的 Pb 污染具有较好的耐受性，但在 1 500 mg·kg-1Pb 污染时生长受到一定程度的抑制。

3.2 单一Pb、Cd污染对铁冬青根系形态和养分吸收累积的影响

土壤中的重金属首先要与植物的根部接触才能进入植物体内，因此重金属对植物的毒害作用往往从植物的根部开始[26]。本研究发现，铁冬青根表面积仅在 500 mg·kg-1的 Pb污染条件下受到显著促进作用，但根长、根表面积、根体积在 1 500 mg·kg-1的Pb污染处理时受到显著抑制，说明单一Pb污染对铁冬青根系形态的影响表现出低浓度促进、高浓度抑制的特点。这与Pb、Cd污染对白花蛇舌草Hedyotis diffusa的试验结论一致[27]，植物可通过减少根表面积、根长等和降低根表面的活性位点，从而减少根系对重金属的吸收[28]。此外，本研究还发现，各Cd污染处理对铁冬青根系形态无显著影响，这与Cd污染极显著影响大豆总根长和根表面积的研究结论有所不同[29]，说明铁冬青根系对Cd污染具有较好的适应性。

重金属污染在一定程度上会提高植物对养分的吸收和利用效率，促进植物对营养元素的吸收和转运能力[30]。本研究结果显示，1 500 mg·kg-1的土壤Pb污染处理显著提高铁冬青根和地上部P含量以及地上部K含量。这与前人对榉树Zelkova schneideriana、毛红椿Toona ciliatavar.pubescens、栾树Koelreuteria paniculata、木荷Schima superba的研究结果相似，这4种木本植物在不同Pb处理浓度下叶片K含量普遍大于对照，毛红椿和栾树叶片中P含量与Pb处理浓度呈极显著正相关[31]。说明重金属Pb在一定程度上能促进植物叶片对P、K元素的吸收。可能是因为植物根系吸收的Pb转移到地上部过程中，需要重金属ATP酶等膜转运蛋白严格调控Pb离子向木质部转运[32]，故需要大量吸收P元素合成相应膜转运蛋白。同时，本研究也发现各Cd污染处理均显著提高地上部K含量，可能是由于Pb、Cd与K吸收存在协同作用，Pb或Cd可通过促进植物对K的吸收从而增强植物对重金属离子的吸收[33]。本研究还发现铁冬青各部位N含量未受到Pb污染的显著影响，但全株N累积量在 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染条件下显著下降，这与藿香蓟Ageratum conyzoides的N累积量在高浓度Pb处理中显著增加的试验结果不一致[34]，主要是由于 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染处理显著降低了铁冬青生物量，因此对N的累积效果受到一定程度的抑制作用。

3.3 铁冬青对单一Pb、Cd污染土壤的修复潜力

植物可以通过根系吸收土壤中的重金属污染物，达到改良土壤的效果[35]。本研究中，各Pb污染处理均显著促进铁冬青全株Pb含量和根、全株Pb累积量增加，各Cd污染处理也显著提高各部位和全株的Cd含量及累积量，证实铁冬青对土壤Pb、Cd具有较强的吸收、累积效果和一定的修复作用。有研究表明，土壤中Pb的施加浓度是决定植物对Pb吸收量的关键因素[31]，本试验发现，500和1 000 mg·kg-1的 Pb 处理条件下铁冬青各部位及全株 Pb 含量、累积量均显著小于 1 500 mg·kg-1的Pb污染处理，但二者之间无显著差异，这说明铁冬青对 500 ～1 000 mg·kg-1的 Pb 污染土壤的 Pb 吸收、累积效果是相近的，对 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染土壤具有很好的修复潜力。与此同时，可能正是由于在 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染时铁冬青从土壤中吸收并累积了大量Pb，因此导致生长受到明显抑制。前人研究表明，多数植物根系重金属含量高，地上部分的重金属含量相对较低[24,31,36]。本研究也发现，在土壤Pb、Cd相同处理条件下铁冬青根部Pb、Cd含量显著大于地上部。此外，铁冬青地上部Pb含量及累积量仅在 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染处理时显著提高，但不同Cd污染处理均显著提高地上部Cd含量及累积量，表明铁冬青地上部对Pb的吸收、累积作用较差，但对Cd具有一定的吸收、累积效果。

本研究证实铁冬青对土壤单一Cd污染和500～1 000 mg·kg-1的 Pb 污染均具有较好的耐受性，对单一Pb、Cd污染土壤也具有较好的重金属吸收、累积效果，可作为 Cd 污染土壤和 500 ～1 000 mg·kg-1的Pb污染土壤修复的备选树种。不仅如此，铁冬青对于 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染土壤也具有较强的修复潜力，但可能是由于植物体内吸收大量重金属在一定程度上会抑制植物生长，因此对于 1 500 mg·kg-1的Pb污染土壤的长期修复效果有限，但可在短期内发挥一定的修复作用。本试验仅以铁冬青幼苗为试验对象，单一Pb、Cd污染对铁冬青的进一步影响需要长期深入研究。