伴矿景天镉积累特征及其对根际土壤镉分布的影响

曹雪莹,杨 佳,,谭长银,刘路路,,程学宇,,马 军

(1.长沙学院乡村振兴研究院,湖南 长沙 410022;2.湖南师范大学地理科学学院,湖南 长沙 410081)

生态环境部2019—2022年发布的《中国生态环境状况公报》均显示,影响农用地土壤环境质量的主要污染物是重金属。植物吸取修复是一种绿色、高效去除土壤重金属的技术措施,在中轻度重金属污染农田土壤修复中得到广泛应用[1-2]。伴矿景天(Sedumplumbizincicola)具有Cd的超富集特性,修复实践中,即使其地上部Cd含量高达587 mg·kg-1时也未表现出毒害症状[3]。与其他重金属修复植物相比,伴矿景天具有生长速率较快、生物量较大、重金属的富集系数和转运系数较高等特点[4-5]。近年来,关于伴矿景天修复模式、强化修复方法、产后处置技术等方面的研究取得较大进展,但关于伴矿景天全生育期不同生长阶段Cd积累特征的探究鲜有报道。大量实践表明,伴矿景天在华南、华中地区的修复周期为10月中下旬至次年6月,不同地区修复效率差别较大,植物修复周期长是限制其推广应用的关键因素[6-8]。探究伴矿景天不同生长期不同部位Cd积累与生物量变化规律,可为调整植物修复周期及强化修复提供重要依据。

根际是土壤与植物相互作用的界面,也是植物体与土壤进行物质交换和能量转换的重要结点,其中包含了大量的物理、生化和生态过程,是土壤生态系统中最活跃的界面之一[9]。研究表明,修复植物根系分布与重金属吸收密切相关,如遏蓝菜根系主要分布在20 cm深度土层,而印度芥菜根系在土壤中的深度可达50～60 cm,印度芥菜根际土壤重金属含量发生变化的剖面深度高于遏蓝菜[10]。有关伴矿景天根际Cd含量的剖面分布研究发现,0～20 cm土壤Cd含量平均为0.43 mg·kg-1,0～2 cm土壤Cd含量平均为0.76 mg·kg-1,>2～15 cm土壤Cd含量平均为0.30 mg·kg-1,>15～20 cm土壤Cd含量平均为0.70 mg·kg-1,Cd含量降低的土层主要分布在>2～15 cm之间[11]。

为探索不同程度Cd污染农田伴矿景天不同生长期生物量及Cd吸收规律,明确不同生长期根际土壤Cd有效性的剖面分布特征及其对伴矿景天修复效率的影响,该研究选择相同成土母质的中度和轻度Cd污染农田进行原位修复试验,分析不同程度Cd污染农田中,伴矿景天分枝初期、分枝盛期、开花盛期和开花后期根际土壤pH值与有效态Cd含量的剖面分布特征、伴矿景天生物量与Cd积累量,以期为中轻度Cd污染农田土壤植物修复实践提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

中度Cd污染农田试验点(XTZD)位于湖南省湘潭县易俗河镇(27°44′5.8″ N,112°56′32.5″ E),轻度Cd污染农田试验点(CSQD)位于长沙市望城区莲花镇(28°6′53.64″ N,112°48′24.12″ E)。2个试验点均在湘江中下游西岸,属亚热带季风湿润气候区,热量充足,雨水集中,年平均气温为16.7～18.3 ℃,年平均降水量为1 300 mm左右,年均日照时数为1 584～1 885 h,年无霜期为273～274 d。土壤成土母质均为第四纪红色黏土,土壤类型为铁聚水耕人为土。土壤基本性质见表1。

表1 研究区土壤基本性质

1.2 试验设计

2020年10月底,晚稻收获后,将2个试验点的水稻秸秆移除,翻耕、整地、起垄(垄高约30 cm,宽约1.2 m,长约10 m),一条垄作为一个试验小区,每个试验点设置5个重复,小区四周设保护行。将基肥与耕层土壤混匀(基肥采用复合肥,施用量为375 kg·hm-2)。11月5日进行伴矿景天移栽,行距、株距均约15 cm。分别在其分枝初期(移栽后125 d)、分枝盛期(移栽后185 d)、开花盛期(移栽后248 d)和开花后期(移栽后307 d)采集样品。伴矿景天生长过程中不追肥,降雨量较大时小区周边开深沟排水,保持小区内不积水。

1.3 样品采集与分析

在伴矿景天生长期采样时,将其分为地上部和地下部,每个试验点随机选取3株。因开花盛期伴矿景天地上部分为营养枝和繁殖枝,为比较不同部位Cd含量,将繁殖枝分为花、茎和叶3个部分,营养枝分为茎和叶2个部分(图1)。将伴矿景天不同部位样品分别清洗干净,105 ℃杀青30 min,65 ℃烘至恒重,粉碎后分别装袋备用。伴矿景天Cd含量的测定参考美国环保署的标准方法(US EPA3051a),放入微波消解仪(CEM MAR S6)消解,消解液采用原子吸收光谱仪(PinAAcle 900T)火焰测定[12]。样品分析时加入10%～15%的重复数,分析过程加入国家标准植物样品(GSV-1)进行质量控制。

图1 开花盛期伴矿景天繁殖枝和营养枝

为更好地探究伴矿景天根系对根际土壤pH值和有效态Cd含量剖面分布的影响,收割伴矿景天地上部以后,在地面水平方向上划分近根区和远根区,然后分别采集土壤小剖面样品。近根区以伴矿景天根为中心划定一个边长为10 cm的正方形,远根区是近根区四边向外距离根中心5～10 cm的范围(如图2水平方向);垂直方向分别取近根区和远根区0～2、>2～4、>4～6、>6～8、>8～10、>10～12和>12～15 cm各7个土层样品,即每株伴矿景天近根区和远根区分别采集7个土样,共14个(如图2垂直方向)。土壤取样前,首先将4株(相邻2行,每行相邻的2株)伴矿景天地上部分剪断,选定拟采集土壤样品的一株,在其水平方向划出近根区和远根区,并用不锈钢片垂直切入,避免近根区与远根区或其他土壤的交互影响。然后再用剖面刀将采样区以外的土壤挖至约20 cm深度,露出需采样的土壤剖面侧面(图2)。

图2 根际剖面土壤样品采集分布

土壤样品的采集采用不锈钢片从剖面侧面对应深度水平切入土壤,从上至下依次取土装袋后带回实验室,去除植物根系等杂质,风干、过筛、装袋备用。土壤pH值以m(土)∶V(水)=1∶2.5的比例提取,用pH-3C雷磁酸度计测定[13]。土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定[13]。土壤有效态Cd含量测定采用二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提法,浸提液采用原子吸收光谱仪(PinAAcle 900T)石墨炉测定[14]。

1.4 数据统计与分析

伴矿景天地上部Cd积累量以伴矿景天地上部干质量与其Cd含量的乘积表示。数据统计与分析采用Excel 2019与Statistics 26软件,采用ANOVA中的Duncan多重比较法(P<0.05)进行差异显著性分析和Pearson双变量相关性分析,采用Origin 2021软件制图。

2 结果与分析

2.1 伴矿景天不同生长期根际土壤pH值的剖面分布特征

中度Cd污染农田伴矿景天不同生长期根际土壤pH值的剖面分布见表2。

表2 中度Cd污染农田伴矿景天不同生长期根际土壤pH值分布

总体而言,近根区土壤pH值略低于远根区,顶层(0～4 cm)和底层(>10～15 cm)土壤pH值高于中间土层(>4～10 cm)。分枝初期近根区>2～12 cm土壤pH值(4.37～4.51)显著低于0～2 cm土壤(4.99),且>2～6 cm土壤pH值(4.37～4.43)在分枝初期显著低于其他生长期;远根区2～8 cm(4.37～4.40)土壤pH值显著低于0～2 cm土壤(5.02),且在不同生长期中最低。分枝盛期,近根区不同深度土壤pH值无显著差异(4.63～4.79),>2～8 cm土壤pH值较分枝初期略有升高;远根区0～6 cm土壤pH值(4.47～4.63)显著低于其他土层(4.79～4.93),除0～2 cm土壤外,其余深度土壤pH值较分枝初期均有升高。开花盛期,近根区和远根区土壤pH值均随着土层深度的增加而显著升高,且不同土层pH值较分枝盛期均有进一步升高。开花后期,不同深度土壤pH值差异显著,近根区>6～10 cm和远根区0～6 cm土壤pH值显著降低,>10～15 cm土壤pH值均较高。除个别土层外,开花后期土壤pH值均达整个生长期中最高,且略高于伴矿景天移栽前土壤pH值(4.64)。

轻度污染农田伴矿景天开花盛期根际土壤pH值的剖面分布见图3。随着土层深度变化,土壤pH值差异显著,但相同土层中近根区与远根区的土壤pH值相差不大。垂直剖面方向,近根区和远根区0～2 cm土壤pH值(分别为5.53和5.61)略高于>2～6 cm土壤,>2～4 cm土壤pH值最低(分别为5.18和5.22),较伴矿景天扦插前降低约0.9;随着土层深度增加,>4 cm土壤pH值逐渐升高,与>2～4 cm土壤比,近根区和远根区土壤pH值随着土层深度的增大分别升高0.19～1.18和0.28～1.13;除个别土层外,>6～12 cm 土壤pH值随着深度增加略有升高,但无显著差异;>12～15 cm土壤pH值最高,且均显著高于其他土层。

同一组直方柱上方英文小写字母不同表示同一区域不同土层深度土壤pH值差异显著(P<0.05)。

2.2 伴矿景天不同生长期根际土壤有效态Cd含量的剖面分布特征

土壤Cd的有效性能准确反映植物对土壤的敏感性,是衡量土壤生态功能的重要指标,植物对土壤Cd的吸收强度主要取决于土壤有效态Cd含量。图4是中度Cd污染农田伴矿景天不同生长期根际土壤有效态Cd含量的剖面分布。由图4可见,近根区土壤有效态Cd含量略低于远根区,垂直剖面方向土壤有效态Cd含量均随着土层深度的增加先下降再升高,顶层和底层土壤有效态Cd含量与修复前差异不大,各生长期中间土层(>4～10 cm)土壤有效态Cd含量显著低于顶层和底层。近根区分枝初期、分枝盛期、开花盛期和开花后期土壤有效态Cd含量分别为0.16～0.58、0.16～0.31、0.13～0.45 和0.16～0.45 mg·kg-1(图4)。远根区不同生长期土壤有效态Cd含量差异较大,分枝初期、分枝盛期、开花盛期和开花后期土壤有效态Cd含量分别为0.29～0.56、0.18～0.41、0.13～0.37和0.17～0.47 mg·kg-1。分枝初期,近根区和远根区土壤有效态Cd含量均表现为>6～8 cm深度最低。分枝盛期,不同土层土壤有效态Cd含量较分枝初期均明显降低,且不同土层间差异减小,近根区土壤有效态Cd含量的变异系数为26.5%,明显低于其他生长期(37.3%～57.9%)。开花盛期,近根区>4～10 cm土壤有效态Cd含量为0.13～0.16 mg·kg-1,远根区>2～10 cm土层为0.13～0.18 mg·kg-1,属全生长期最低,但顶层和底层土壤有效态Cd含量明显较高。开花后期,近根区和远根区相同深度土壤有效态Cd含量相差不大,均表现为>4～6cm土层显著低于其他土层。

同一幅图中直方柱上方英文大写字母不同表示同一生长期不同土层深度土壤有效态Cd含量差异显著(P<0.05);小写字母不同表示同一土层深度不同生长期土壤有效态Cd含量差异显著(P<0.05)。

2.3 伴矿景天不同生长期地上部生物量的变化

修复植物的地上部生物量是直接关系修复效率的重要参数,伴矿景天不同生长期地上部生物量差异显著(表3)。中度Cd污染农田伴矿景天地上部生物量表现为分枝盛期>开花盛期>开花后期>分枝初期,而轻度Cd污染农田伴矿景天地上部生物量表现为开花盛期>开花后期>分枝盛期>分枝初期。2个试验点伴矿景天地上部生物量分枝初期相差不大,说明伴矿景天移栽后4个月内地上部的生长受土壤Cd含量的影响不大。但中度Cd污染农田伴矿景天地上部生物量在分枝盛期达最高,单株鲜重为195.46 g,是分枝初期的3.80倍。轻度Cd污染农田伴矿景天分枝盛期地上部生物量略高于中度Cd污染农田,但开花盛期因其繁殖枝迅速生长,株高最高超60 cm,且在30 cm以下伴矿景天营养枝生长茂盛(图1),此时地上部单株生物量达1.59 kg,是分枝盛期的7.18倍。但伴矿景天的生物量不会随着生长时间延长一直增加,开花后期轻度Cd污染农田伴矿景天地上部生物量也显著下降。

表3 不同生长期伴矿景天地上部生物量

2.4 伴矿景天不同生长期Cd含量的变化

了解伴矿景天不同生长期Cd的吸收规律对提高植物修复效率和推广植物修复技术具有重要意义。图5是伴矿景天不同生长期地上部和地下部Cd含量。伴矿景天地上部Cd含量显著高于地下部,且随着伴矿景天的生长,不同生长期地上部Cd含量差异显著。

XTZD—中度Cd污染农田;CSQD—轻度Cd污染农田。同一幅图中同一组直方柱上方英文小写字母不同表示同一研究区不同生长期某指标差异显著(P<0.05)。

分枝初期,伴矿景天长出少数侧枝和新叶,中、轻度Cd污染农田伴矿景天地上部Cd含量均较高,且2个试验点相差不大,分别达104.77 和100.97 mg·kg-1,根系Cd含量较低,分别为17.32 和16.32 mg·kg-1。分枝盛期,伴矿景天地下部Cd含量较分枝初期略有升高,差异不显著;但中、轻度Cd污染农田伴矿景天地上部Cd含量与分枝初期相比分别减少15.14%和46.80%。开花盛期,中度Cd污染农田伴矿景天地上部以繁殖枝为主,与分枝盛期相比,地上部Cd含量下降7.86%;但低度Cd污染农田伴矿景天地上部营养枝和繁殖枝均较茂盛,地上部生物量达最大,Cd含量最低,较分枝盛期下降35.95%。开花后期,伴矿景天地上部和地下部Cd含量均较低,中、轻度Cd污染农田伴矿景天地上部Cd含量分别为61.35 和41.54 mg·kg-1,仅分别为分枝初期的58.56%和41.14%。

在伴矿景天开花盛期,将其地上部分为营养枝和繁殖枝,再将营养枝分为茎和叶2个部分,繁殖枝分为茎、叶和花3个部分(图1),分别测定其Cd含量,结果见图6。

XTZD—中度Cd污染农田;CSQD—轻度Cd污染农田。

中度Cd污染农田伴矿景天不同部位Cd含量均明显高于轻度Cd污染农田。中度Cd污染农田伴矿景天营养枝中茎Cd含量(81.71 mg·kg-1)略高于叶(70.96 mg·kg-1),但繁殖枝中茎Cd含量(67.36 mg·kg-1)比叶高75.97%;轻度Cd污染农田伴矿景天营养枝茎Cd含量(24.64 mg·kg-1)是叶Cd含量(41.16 mg·kg-1)的59.86%,但繁殖枝茎Cd含量是叶的2.15倍。花Cd含量在不同部位中最高,中、轻度Cd污染农田伴矿景天花Cd含量分别达130.76和77.43 mg·kg-1,分别是繁殖枝茎的1.94和3.04倍,是叶的3.42和6.53倍。中、轻度Cd污染农田伴矿景天花的富集系数(花Cd含量与土壤Cd含量的比值)分别高达122.21和184.36。所以,在采用伴矿景天修复中、轻度Cd污染耕地实践中,应在花落前收割地上部,避免Cd含量较高的花再次回到土壤环境中造成二次污染。

2.5 伴矿景天不同生长期地上部Cd积累量的变化

超积累植物地上部Cd积累量是判定其修复效率的重要依据,了解修复植物不同生长期地上部Cd积累量对提高修复效率、缩短修复周期具有重要意义。由表4可知,除分枝初期外,2个试验地伴矿景天地上部Cd积累量差异较大。中度Cd污染农田伴矿景天分枝盛期地上部Cd积累量达最大(0.72 mg·株-1),按行距和株距均为15 cm的种植密度,地上部Cd积累量约为316.80 g·hm-2,开花盛期和开花后期中度Cd污染农田伴矿景天地上部Cd积累量显著下降。轻度Cd污染农田伴矿景天地上部Cd积累量在开花盛期达最大,为2.26 mg·株-1,但开花后期轻度Cd污染农田伴矿景天地上部Cd积累量显著下降。2个试验地的结果均说明,伴矿景天地上部Cd积累量并不是随着种植时间增加而持续升高。

表4 不同生长期伴矿景天地上部Cd积累量

3 讨论

3.1 根际土壤Cd有效性的剖面分布特征及其与伴矿景天Cd积累的关系

伴矿景天根系由不定根组成,没有真正的主根,但有一两条不定根发育粗壮,类似于主根,主要集中在近根区[15]。侧根上分枝形成的第二级或第三级侧根非常细小,会延伸至远根区,难以与土壤分离。根际土壤pH值及有效态Cd含量的剖面变化特征与伴矿景天根系分布密切相关。根际土壤pH值和有效态Cd含量的剖面分布均总体表现为顶层和底层较高,中间层较低;水平分布则表现为近根区较低、远根区较高的特征,但不同生长期差异较大。研究表明,根际土壤pH值和有效态Cd含量的剖面分布受根系数量和根系活力的影响较大[16-17]。植物根系具有多种重要的生理功能,除了吸收土壤中水分及矿质营养外,还可以合成多种氨基酸、有机氮和有机磷等有机物,并可向土壤环境中分泌有机酸、糖类等有机物,从而影响土壤pH值[18-19]。在分枝初期,远根区>6～8 cm土壤pH值明显低于近根区,而其他土层相差不大;分枝盛期>8～15 cm土壤以及开花盛期>4～10 cm土壤pH值明显低于远根区。这主要是因为分枝初期伴矿景天根系不长,并在5 cm左右向远根区延伸;在分枝盛期,伴矿景天根系达整个生长期最发达的阶段,浅层侧根进一步延伸,而较长的不定根仅在近根区向下生长,到开花后期伴矿景天根毛逐渐腐烂、根系缩短。伴矿景天根际有效态Cd含量的变化与根系生长也密切相关(图4)。研究发现,根毛区是伴矿景天植株主要的Cd吸收部位,其细胞质膜中分布着丰富的离子转运蛋白[20-21]。分枝盛期和开花盛期土壤有效态Cd含量明显低于分枝初期和开花后期,且变异系数较小。植物根尖部位的根毛区对土壤重金属具有较强的吸收能力,发达的根系将增大植物根系在土壤中的覆盖面积。LI等[22]研究表明,根尖和侧根是伴矿景天吸收重金属的主要部位或组织。还有研究发现,超积累植物新生成的侧根是吸收重金属的主要部位之一,且根系具有主动向土壤中重金属丰富的区域生长的特性,其浓密的根毛可以直接接触土壤颗粒并从中获取重金属,从而降低土壤重金属的生物有效性[23]。随着根尖和侧根数量的增加,伴矿景天地上部Cd吸收量显著增加[24]。从表4可以发现,分枝盛期和开花盛期伴矿景天地上部Cd积累量迅速升高。因此,伴矿景天根系吸收是根际土壤有效态Cd含量降低的关键因素。LIU等[25]研究发现,伴矿景天根际土壤乙酸铵提取态Cd含量与非根际土壤相比降低6.67%～41.40%,笔者的研究结果与其相符。

3.2 伴矿景天修复效率的影响因素及机制

伴矿景天修复效率主要取决于其地上部Cd积累量,即土壤pH值与有效态Cd含量对植物Cd吸收具有重要影响。分枝初期伴矿景天Cd含量均最高且2个试验地相差不大(图5),说明该试验条件下移栽后4个月内伴矿景天Cd吸收受土壤有效态Cd含量的影响不大。一方面是因为伴矿景天扦插苗采自污染较重的修复试验地,伴矿景天扦插时枝条Cd含量较高(113.64 mg·kg-1),分枝初期伴矿景天地上部生物量增幅不大,其稀释效果有限;另一方面,有研究表明伴矿景天新叶Cd含量可高达777 mg·kg-1,新叶Cd含量是成熟叶的4～5倍[26-27]。分枝盛期,伴矿景天地上部生物量显著升高,其Cd含量因其稀释效应较分枝初期均显著下降。因此,在实践应用中,可适当推迟伴矿景天的移栽时间。开花盛期,轻度Cd污染农田伴矿景天地上部单株鲜重最大达1.59 kg,株高最大超过60 cm,其地上部Cd积累量最大为2.26 mg·株-1(表4),按行距和株距均为15 cm的种植密度,地上部Cd积累量约为994.40 g·hm-2。提高伴矿景天地上部生物量对提升其Cd积累量的贡献也不容忽视。开花盛期,伴矿景天不同部位中花Cd含量最高,中、轻度Cd污染农田花Cd含量分别是其他部位的1.60～3.42和1.88～6.53倍(图6)。研究表明,伴矿景天细胞壁果胶酯化程度较低,富含羧基,能有效络合Cd,缓解Cd对植物组织的毒害,是Cd进入伴矿景天体内的主要储存部位[28-29]。开花后期,伴矿景天地上部生物量显著下降,其Cd积累量也下降。在花期完成伴矿景天的收获,既可实现较高的修复效率,同时也缩短了修复周期。富集系数是用来衡量植物对元素吸收和贮存能力的指标,受到土壤元素含量的影响[30]。中度Cd污染农田土壤Cd含量为1.07 mg·kg-1,是轻度Cd污染农田的2.55倍(表1)。分枝盛期中度Cd污染农田伴矿景天地上部Cd含量为88.91 mg·kg-1,比轻度Cd污染农田高65.51%,但轻度Cd污染农田伴矿景天地上部富集系数(127.90)明显高于中度Cd污染农田(83.10)。伴矿景天富集系数高,Cd积累量大,但并未出现毒害症状。这主要是由于伴矿景天根系分泌的有机酸可与Cd螯合形成复合物以解除Cd对根际的毒害作用,伴矿景天根毛区细胞质膜中分布着丰富的离子转运蛋白,是植株主要的Cd吸收部位[31];此外,有机酸还参与根系Cd的吸收,对质膜上的离子通道有激活作用,在运输过程可与离子发生配体交换反应形成络合物[32-33]。

4 结论

根际土壤pH值和有效态Cd含量的剖面变化特征与伴矿景天根系分布密切相关,根系分泌物能降低土壤pH值并活化土壤中的Cd,但根系吸收使土壤有效态Cd含量明显下降。移栽4个月内伴矿景天对Cd的吸收受土壤有效态Cd含量影响不大,生物量增长速率较慢,实践中可以考虑适当推迟移栽时间。开花盛期,轻度Cd污染农田修复效率高于中度Cd污染农田,伴矿景天地上部生物量对其Cd积累量的贡献不容忽视。综合考虑,在花期完成伴矿景天的收获,既可实现修复效率最大化,同时也缩短了修复周期。