铜锌复合胁迫下禾本科观赏草的富集、转运效应评价

许志敏，朱峻熙，熊志秦，朱 佳，万艳萍，丁国昌

（1.江西科技学院，江西 南昌 330098；2.福建农林大学，福建 福州 350002）

随着社会经济的快速发展和高强度的人类活动，城市化和工业化带来的重金属污染成为国内外普遍关注的环境问题[1-2]，重金属污染对环境质量、人体健康、生物多样性及城市生态的可持续发展构成严重威胁和挑战[3]。2014年环境保护部及国土资源部联合发布的全国土壤污染状况调查公告中指出，全国土壤污染总超标率为16.1%，其中无机污染物超标点位数占全部超标点位数的82.8%[4]。在全国土壤重金属污染严重的背景之下，我国各大城市土壤普遍遭受不同程度重金属污染，且由于土壤重金属来源途径多样，复合污染较为严重，这也加剧城市土壤重金属污染。WEI 等[5]研究表明，包括北京、上海等20 个不同城市土壤中的镉、铜、铅、锌含量均超当地土壤背景值；张笑辰等[6]研究发现，南昌市土壤中镉中值含量、九江市土壤中汞中值含量分别是江西省背景值的6.7倍、30倍，均存在一定的生态风险。因此开展土壤重金属污染治理与修复迫在眉睫。

植物修复技术是一类成本低廉、无二次污染的可就地进行的重金属污染地块修复技术[7]，可应用于大面积的污染区[8]。而开展高效修复能力的植物种类或个体筛选及机制研究是建立植物修复技术的关键环节，利用兼具耐受性及美观性的景观植物修复城市重金属污染地块亦是近年的关注热点[9]。禾本科观赏草作为一类株型优美、色彩多样、种类丰富的新型园林绿化植材[10]，被广泛应用于公园、专类园、生态园区等各类城市绿地。目前，针对禾本科观赏草的研究主要集中于园林景观运用[11-12]、适应性[13-14]、生理生化[15]、种质资源[16]等领域。而其生物量大、根系庞大、生长迅速、抗逆性强等优良生态特性符合超富集植物的筛选标准，作为潜在植物修复技术应用的景观植物研究报道较少。鉴于此，初步筛选9 种禾本科观赏草作为试验植材，采用盆栽试验法，设置5个梯度的铜锌复合胁迫处理，利用电感耦合等离子体发射光谱仪测定各样品重金属铜、锌含量，探究供试观赏草对重金属铜和锌的吸收、富集及转运特征，并采用隶属函数综合评价法和Q型聚类分析法进行分类，以期为筛选城市重金属铜、锌污染土壤的适种景观植物提供理论依据，亦为土壤重金属污染的防治提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为1 年生小兔子狼尾草、金红羽狼尾草、紫叶狼尾草、丽色画眉草、细叶画眉草、粉黛乱子草、细叶芒、斑叶芒、香茅，采购于福州乐彩园艺责任有限公司。选择个体、分蘖和健康状况基本一致的1 年生实生苗，在福建农林大学中华植物园大棚中进行试验。

1.2 试验方法

土壤铜、锌复合胁迫处理设置5个浓度梯度，梯度值如表1所示，每个处理重复3次。在3月初对土壤进行重金属污染处理，选用福州当地的红壤土作为盆栽基质，风干过筛，原土铜、锌质量浓度分别为11.37、68.63 mg∕L。铜以CuSO4·5H2O、锌以ZnSO4·7H2O 水溶液的形式按照不同胁迫浓度加入土壤中并混合均匀，在室温下静置30 d 后装盆，每盆28 cm（直径）×35 cm（高）装土4 kg（干质量），盆下垫托盘。4 月初将植株修剪至同一高度并养护15 d，在4月中旬将供试观赏草移栽换盆至不同胁迫处理后的盆栽土中。自处理后，根据每盆土壤水分状况，每隔1～3 d 等量浇入自然水一次，使土壤的田间持水量保持在80%左右。为了避免重金属的流失，每次加完水后清洗托盘，再将水倒入盆中。

表1 盆栽试验铜、锌复合胁迫浓度梯度值Tab.1 Copper-zinc combined stress concentration gradient values in pot testmg∕L

1.3 样品处理

植物样品处理：采集的植物样品用蒸馏水冲洗3 次，再用超纯水冲洗3 次，在通风处自然晾干后放入恒温箱，110 ℃杀青，烘干后粉碎，并在0.150 mm的筛网中过筛。称取0.15 g样品置于酸煮洗净的消煮管中，加入5 mL HNO3，置于通风橱中过夜预消解，消煮1 h 后冷却30 min，加入3 mL HClO4继续消煮3 h。消煮结束后，待样品冷却至常温，将样品在消煮管中定容至50 mL并转移到酸煮洗净的PET塑料瓶中，待测。

土壤样品处理：自然风干并除去土壤中的其他异物，磨碎并在0.150 mm 的筛网中过筛。称取土壤样品0.1 g置于酸煮洗净的消煮管中，用水润湿后加入5 mL HCl，放入消解炉中加热，当蒸发至2～3 mL时，取下稍冷，加入5 mL HNO3、2 mL HClO4，放入消煮炉中加热3 h 左右。消煮结束后，待样品冷却至常温，将样品在消煮管中定容至50 mL 并转移到酸煮洗净的PET塑料瓶中。

通过电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定植物与根际土壤样品重金属（铜、锌）含量。

1.4 指标测定

1.4.1 富集系数和转运系数的计算 富集系数（BCF）[17]计算公式：BCF=Ci∕Si，式中，Ci为第i个植物样品的地上部重金属元素含量；Si为对应土壤样品重金属元素含量。

转运系数（TF）[18]计算公式：TF=Cabove∕Cunder，式中，Cabove为植物地上部位重金属元素含量（mg∕kg），Cunder为植物地下部位（根）相应重金属元素含量（mg∕kg）。

1.4.2 供试植物对重金属富集能力的综合评价

采用模糊数学中的隶属函数法进行综合评价[19]，计算公式：X（μ）=（X-Xmin）∕（Xmax-Xmin）。式中，X为某一指标的测定值；Xmax为某一指标的测定值中最大值；Xmin为某一指标的测定值中最小值。而后求取隶属函数值的平均值。

1.4.3 Q 型聚类分析 Q 型聚类分析[20]是把所有观察对象按一定性质进行分类，使性质相近对象分在同一类，性质差异较大对象分到另一类。主要根据供试植物之间远近（计算方法为欧几里得距离）进行区分，近者为一类，远者分成不同类。

1.5 数据处理

所有数据处理和统计分析均基于Excel 2010和SPSS 23.0 软件进行，采用Excel 2010 软件作图。运用One-Way ANOVA 进行方差分析，DUNCAN 氏法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 供试观赏草体内重金属铜含量

随着铜、锌溶液质量浓度的升高，供试观赏草的地上部、地下部对铜的吸收累积能力存在较大差异（表2），总体上供试观赏草地下部吸收累积铜的能力强于地上部。斑叶芒、香茅和小兔子狼尾草地上部和地下部的铜含量呈递增的趋势，且地下部铜含量均高于地上部。粉黛乱子草、金红羽狼尾草和紫叶狼尾草地上部或地下部的铜含量呈先增后减的趋势，且地下部铜含量高于地上部，在T1—T2时，三者地上部、地下部铜含量均呈递增的趋势；在T3时，粉黛乱子草地上部铜含量开始下降，T3、T4地上部铜含量分别较T2 下降12.91%、38.00%；在T4 处理时，金红羽狼尾草地上部铜含量较T3 下降40.38%。丽色画眉草和细叶画眉草地上部、地下部的铜含量呈递增的趋势，地上部铜含量、地下部铜含量高低交替变化。细叶芒地上部、地下部的铜含量呈递增的趋势，地上部铜含量高于地下部。在地上部吸收铜能力方面，最强的依次为丽色画眉草、细叶芒、斑叶芒，斑叶芒在T4 达到最高，为1 137.28 mg∕kg；在地下部吸收铜能力方面，最强的依次为粉黛乱子草、金红羽狼尾草、丽色画眉草，粉黛乱子草在T4达到最高，为2 582.12 mg ∕kg。

表2 铜锌复合胁迫下供试植物体内重金属铜含量Tab.2 Heavy metal Cu content in test plants under Cu-Zn combined stressmg∕kg

2.2 供试观赏草体内重金属锌含量

随着铜、锌溶液质量浓度的升高，供试观赏草地上部、地下部对锌的吸收累积能力存在较大差异（表3），总体上供试观赏草地上部吸收累积锌的能力强于地下部。丽色画眉草、细叶画眉草和细叶芒地上部、地下部的锌含量呈递增趋势，且地上部锌含量高于地下部。斑叶芒、香茅和小兔子狼尾草地上部、地下部的锌含量呈递增趋势，植物地上部锌含量在前期低于地下部，但随着胁迫质量浓度的增加，地上部锌含量超过地下部。粉黛乱子草地上部、地下部的锌含量呈先增后减的趋势，且地上部锌含量总体高于地下部，在T1—T3 处理时，地上部锌含量逐渐增加且高于地下部锌含量，在T4处理时则反之。金红羽狼尾草地上部、地下部的锌含量呈先增后减的趋势，地上部锌含量在前期低于地下部，随胁迫浓度的增加则反之。紫叶狼尾草地上部、地下部的锌含量呈递增趋势，且地下部锌含量高于地上部分锌含量，但在T4时供试植株被胁迫毒害致死。在地上部吸收锌能力方面，最强的依次为丽色画眉草、斑叶芒、小兔子狼尾草，斑叶芒在T4处理达到最高，为2 785.93 mg∕kg；在地下部吸收锌能力方面，最强的依次为丽色画眉草、小兔子狼尾草、斑叶芒，丽色画眉草在T4 处理达到最高，为1 734.92 mg∕kg。

表3 铜锌复合胁迫下供试植物体内重金属锌含量Tab.3 Heavy metal Zn content in test plants under Cu-Zn combined stressmg∕kg

2.3 供试观赏草对重金属铜、锌的富集效应

在不同胁迫梯度下，供试观赏草不同部位对铜、锌的富集能力差异显著。总体而言，供试观赏草富集锌的能力强于铜，地下部富集铜的能力强于地上部，地上部富集锌的能力强于地下部（表4、5）。粉黛乱子草地上部铜富集系数为0.09～0.19，且呈递减趋势；地下部富集系数高于地上部，在T3、T4分别达到1.55、1.76。丽色画眉草、斑叶芒、香茅和金红羽狼尾草地上、地下部铜富集系数总体小于1，且地上、地下部富集系数呈波动性变化。在T1—T3处理时，丽色画眉草、斑叶芒、香茅地上部和地下部铜富集系数均呈递减的趋势，其中丽色画眉草在T1处理达到最高，为1.31，在T4 处理时4 种观赏草的地上部、地下部的铜富集系数却升高，表明高浓度胁迫促进该类植物对重金属铜的吸收和富集。金红羽狼尾草的铜富集系数呈不规律变化，地上部、地下部富集系数为0.23～0.86。小兔子狼尾草地上部富集系数为0.25～0.38、地下部铜富集系数为0.32～0.47，均小于1 且总体呈下降的趋势。细叶画眉草和紫叶狼尾草地上部、地下部铜富集系数均小于1，地上部铜富集系数总体呈下降的趋势，地下部铜富集系数呈波动性变化。细叶芒地上部、地下部铜富集系数总体小于1，地上部、地下部铜富集系数总体呈递增的趋势，且地上部富集系数高于地下部。

表4 供试植物地上部、地下部对重金属铜的富集系数Tab.4 Enrichment coefficients of aboveground and underground parts of test plants for heavy metal Cu

表5 供试植物地上部、地下部对重金属锌的富集系数Tab.5 Enrichment coefficients of aboveground and underground parts of test plants for heavy metal Zn

粉黛乱子草、细叶芒、金红羽狼尾草和小兔子狼尾草地上部、地下部锌富集系数总体小于1；地上部呈先增后减的趋势，地下部呈波动性变化。丽色画眉草地上部锌富集系数为0.90～3.11，且呈递减趋势；T1—T2 时地下部的锌富集系数分别为1.20、1.33，随胁迫质量浓度的持续升高呈下降的趋势。细叶画眉草地上部、地下部锌富集系数除个别处理外均小于1，地上部锌富集系数大于地下部，且均呈递减趋势。斑叶芒、香茅和紫叶狼尾草地上部、地下部锌富集系数总体小于1，地上部的锌富集系数呈递增的趋势，地下部的锌富集系数呈不规律变化。

在地上部富集锌能力方面，最强的依次为丽色画眉草、细叶芒、斑叶芒；在地下部富集锌能力方面，最强的依次为丽色画眉草、金红羽狼尾草、斑叶芒。

2.4 供试观赏草对重金属铜、锌的转运能力评价

在不同质量浓度胁迫梯度下，总体而言，供试观赏草在转运锌能力方面强于铜（表6）。供试观赏草在转运重金属铜方面，细叶芒植株转运铜能力最强，在T1—T4 处理间，转运系数均大于1，依次为1.67、1.31、1.55和1.41，均超过铜超富集植物的筛选标准。其次为丽色画眉草、细叶画眉草，其中丽色画眉草在T1 处理时转运系数达到最高，为1.95，但随着胁迫质量浓度的升高转运系数持续下降。粉黛乱子草对铜的转运能力最弱，转运系数随胁迫质量浓度的升高呈下降趋势，在T3、T4 处理时仅为0.08、0.05。供试观赏草在转运重金属锌方面，丽色画眉草、细叶画眉草和细叶芒表现最强，三者在T1—T4 处理间的转运系数均大于1，其中细叶画眉草对锌的转运系数均大于2，植株转移运输锌能力突出；在T3、T4处理时，细叶芒对锌的转运系数分别达到4.47 和3.11，转运能力在所有供试观赏草中最强。紫叶狼尾草转运锌能力最弱，转运系数为0.28～0.58。

2.5 供试观赏草对重金属铜、锌的综合富集能力评价

运用模糊数学中的隶属函数法，将不同处理下的地上部、地下部铜含量，地上部、地下部锌含量，地上部、地下部铜富集系数，地上部、地下部锌富集系数，铜转运系数及锌转运系数作为实测值，计算各指标的隶属函数值及综合评价值并进行排序（表7），9种供试观赏草对铜锌复合污染的富集能力强弱依次为丽色画眉草＞细叶芒＞斑叶芒＞金红羽狼尾草＞粉黛乱子草＞细叶画眉草＞小兔子狼尾草＞香茅＞紫叶狼尾草。

表7 重金属累积指标隶属函数值及综合排序Tab.7 Heavy metal accumulation index affiliation function values and comprehensive ranking

2.6 供试观赏草Q型聚类分析

通过SPSS 中的欧式遗传距离综合评价进行Q型聚类分析（图1）。结果表明，在相对距离为7.5时，可将9 种供试观赏草划分为3 类，第1 类：高铜、锌积累类，包括丽色画眉草和细叶芒；第2 类：中等铜、锌积累类，包括斑叶芒、金红羽狼尾草、粉黛乱子草、细叶画眉草和小兔子狼尾草；第3类：低铜、锌积累类，包括香茅、紫叶狼尾草。

3 结论与讨论

植物对重金属的吸收富集主要包括2 种方式：一种是植物将大部分的重金属积累在根部以避免植物的吸收转运，这为外排机制；另一种是植株主动吸收重金属，并将其转运至地上部，其体内存在某种特殊的解毒机制以避免重金属的毒害，这称为植物的积累和区室化作用[21]。本研究结果表明，铜锌复合胁迫条件下，除丽色画眉草、细叶画眉草及细叶芒外，其余6 种供试观赏草根部主要累积重金属铜，表明这6 种观赏草对铜的解毒以外排机制为主。大部分供试观赏草地上部锌含量显著高于地下部，且供试观赏草对锌的富集能力强于铜，说明供试观赏草体内对锌的解毒以累积和区室化作用为主。

植物的不同基因对重金属的耐受性和敏感性不同，在重金属胁迫条件下，植物体内酶活性存在差异[22]，导致不同品种植物各部位对重金属解毒能力不一致，从而表现出同一科属植物不同品种间对重金属积累能力存在差异[23-24]。本研究的9 种禾本科观赏草也呈现出显著的品种间差异，丽色画眉草植株地上部、地下部对重金属铜、锌的吸收累积能力最强，在各个胁迫处理间均表现出较好的吸收富集重金属铜、锌能力；而紫叶狼尾草吸收累积能力最弱，在T4 处理时供试植株均死亡，受毒害作用强烈。

植物对重金属的富集和转运受到重金属种类、重金属胁迫程度、环境条件、植物生物量、生长时限及种植方式的影响[25-29]。本研究结果表明，供试观赏草富集重金属铜的能力弱于锌，且铜主要集中在植株地下部，即供试观赏草转运铜的能力较弱。重金属铜易与土壤中有机质、碳酸盐等物质结合生成难以利用的惰性结合物，且植物内皮层细胞上的凯氏带可能阻碍铜向其他植物组织中输送[30]，这也导致铜离子对植物光合作用及其他重要生理过程的干扰[31]。这与段亚萍等[32]、李影等[33]对蜀葵、蕨类植物的耐铜性研究结果一致。供试观赏草在转运锌能力方面强于铜，地上部锌的含量总体大于地下部。这是由于锌在土壤中的活性较大，具有较强的移动性，植物中一半以上的锌是与带负电荷的复合体结合而存在[31]。因此，植物容易吸收锌离子，主要富集在植株的绿色体内，由根系运输到地上部分也较其他重金属离子简易，使得地上部的锌含量大于地下部。这与ROCCOTIELLO 等[34]和DINH 等[35]研究结果基本一致。富集系数和转运系数是衡量超富集植物的重要特征，为提高植物修复效果，富集系数和转运系数都应大于1[36-37]。本研究结果表明，所有供试观赏草均未达到超富集植物的标准，仅有部分供试观赏草在个别胁迫质量浓度下达到筛选标准。

本研究作为重金属胁迫下对常见禾本科观赏草的耐性筛选及累积特征研究的一环，还在重金属胁迫对供试观赏草种子萌发及幼苗生长，成年植株生长及抗氧化酶活性的影响等方面进行了探究，结合相关试验结果及结论分析，综合得出供试观赏草中并未发掘出超富集植物及强耐受性植物，但在Cu2+∕Zn2+≤200∕200 mg∕kg 时的胁迫环境下，斑叶芒、金红羽狼尾草和细叶画眉草可作为土壤铜锌复合污染的耐性材料，用于稳定植物修复。同时考虑到自然界中土壤重金属离子成分的复杂性、多元性，建议今后根据不同重金属土地污染区的实际离子含量比模拟土壤铜锌复合胁迫环境进行进一步研究，完善研究体系的实践应用性。