白花鬼针草对镉的富集与迁移特性试验研究

据《全国土壤污染状况调查公报》[1]显示, 全国土壤环境状况总体不容乐观, 部分地区土壤污染较重, 耕地土壤环境质量堪忧, 工矿业废弃地土壤环境问题突出。全国土壤总的点位超标率为16.1%, 其中耕地超标率为19.4%, 中度和重度污染点位比例共占2.9%;在12000万hm2耕地总量中, 中重度污染耕地约为348万hm2, 耕地总污染量为2328万hm2, 其中重金属Cd的点位超标率为7.0%。Cd不是植物的必需元素, 在植物体内累积到一定程度, 就会影响植物的正常生长和发育, 最终表现为生物量下降, 甚至死亡。土壤中的可溶镉通过食物链可危害动物及人类的身体健康, 已被国际癌症研究机构归类为第一致癌物[2], 也是国家《重金属污染综合防治“十二五”规划》重点监控与污染物排放量控制的5种重金属之一[3]。

植物修复技术因其低成本、不破坏环境而被广泛接受, 逐渐成为重金属污染土壤修复的最有效方法之一。东南景天、龙葵、菊科、十字花科、茄科、小白酒草、蒲公英、全叶马兰、狼把草、蚕豆等植物已在镉污染土壤修复上得到应用。一些对土壤中的镉有一定积累能力, 能忍受较高浓度重金属, 生物量大的植物弥补了超积累植物植株矮小、生长缓慢、生物量低等不足, Cd积累总量较多, 也能满足对镉污染土壤的修复需要, 如冬小麦、芦竹、玉米等[4,5]。

白花鬼针草 (Bidens alba L.) 是广州地区常见的开花植物, 不择土壤, 分布广, 生物量大、生长迅速、繁殖容易, 且具有一定观赏价值。本文通过土培盆栽试验对白花鬼针草进行Cd耐性及积累能力的初步试验研究, 采用不同浓度Cd处理, 研究Cd对植物生长的影响、植物对Cd的吸收和Cd在植物体内的分布特点以及迁移特性等, 探讨白花鬼针草在修复污染土壤上的应用潜力, 以了解其应用于污染土壤修复的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验时间地点

试验于2013年4—6月在广东省农业科学院环境园艺所内进行, 供试土壤采自大丰基地地表土 (0~20 cm) , 土壤类型为菜园土。用p H计测得p H值 (水、土比例5∶1) 为6.05, 采用常规的测定方法测定土壤基本理化性质[6], 有机质质量分数19.7 g/kg, CEC25.6 cmol/kg, 含全氮1.58 g/kg、全磷1.45 g/kg, 重金属元素背景值全Cd为0.02 mg/kg。

1.2 试验材料

白花鬼针草种子取自基地内野生成熟植株。

1.3 试验方法

(1) 采用土培盆栽浓度梯度试验, 将供试土壤风干、过2 mm筛装入塑料盆中, 每盆3.5 kg。投加的金属形态为Cd Cl2·2.5H2O, 分析纯, 以Cd离子计, 设6个投加水平, 分别为20, 30, 45, 60, 75, 90 mg/kg, 标记为1, 2, 3, 4, 5, 6, 以未加Cd的土壤为对照, 标记为0。每处理设3个重复。适量浇水, 使Cd2+均匀浸入土壤中, 以盆地不透水为度。白花鬼针草种子消毒后在沙床育苗, 长至5片真叶、约16 cm高时, 用自来水冲洗干净根部后栽入盆中。植株生长良好, 大小一致, 每盆栽种2棵, 置于塑料大棚遮雨设施栽培, 根据盆土缺水情况, 不定期浇自来水 (水中未检出Cd) , 使土壤保持80%左右的最大持水量。培养期间视生长情况适当施用含N、P、K的全营养液肥。

(2) 种植70 d后整株收获植物, 用自来水冲洗干净泥土污物, 再用去离子水冲洗。沥干表面水分, 将植株置于牛皮纸袋中, 放入105℃烘箱杀青, 30 min后降低烘箱温度至70℃, 约12 h将样品烘干至恒重。称量整株干重后, 将样品分地上部和根部, 分别磨碎混合均匀。

(3) 称量植株地上部和根部干重后, 粉碎, 按照Chen等[7]的方法消解, 石墨炉原子吸收分光光度计法测定重金属质量分数。

富集系数BCF=植株中重金属质量分数/土壤中重金属质量分数

转运系数TF=地上部重金属质量分数/根部重金属质量分数

地上部积累总量=地上部重金属质量分数×地上部生物量 (干重)

根部积累总量=根部重金属质量分数×根部生物量 (干重)

1.3 数据处理

数据采用Excel XP、SPSS16.0进行统计分析, 采用单因素方差分析 (One Way ANOVA) 的最小显著性法 (Least signifi cance difference, LSD) 对不同处理间的差异性进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 白花鬼针草植株对Cd的耐性

白花鬼针草是长势强旺的植物, 茎节多长分枝, 容易呈匍匐状生长, 株高不容易测量, 因此采用生物量 (干重) 作为其在不同浓度Cd处理下的生长指标, 判断其对污染土壤的耐性。生长期间曾遭受轻微虫害, 但因防治及时未致受害, 也未受病害。移栽70 d后收获时, 各处理植株已初见孕蕾, 从外表看, 与对照相比均无明显受Cd毒害症状。具体生长情况见表1。

从表1可见, 白花鬼针草在Cd质量分数20~75 mg/kg时, 干重与对照相比没有显著差异 (P>0.05) , 或略有增加。Cd达到90 mg/kg时, 干重与对照相比下降了11%, 差异显著 (P<0.05) , 但仍可见花蕾初现, 这表明在土壤质量分数低于90 mg/kg情况下, 生长未受明显阻碍。白花鬼针草在生长期间未受病害, 遭受轻微虫害时生势正常, 说明它在重金属污染的土壤上生长也具备抵御自然灾害的能力。

2.2 白花鬼针草植株生物量 (干重) 与重金属质量分数相关性

表2列举了白花鬼针草在不同Cd浓度处理下地上部与根部的干重和Cd质量分数。浓度在0~75 mg/kg时, 地上部与根部干重各处理间差异不显著 (P>0.05) , 90 mg/kg时, 地上部与根部干重均显著下降 (P<0.05) 。对植株各部分生物量与重金属质量分数进行回归分析, 相关系数r分别为-0.411和-0.318, 说明单株产量与重金属质量分数不相关, 单株产量高的植物也可能积累较多的重金属。

2.3 白花鬼针草对Cd的富集和转运特性

表2所示, 不同处理浓度下, 白花鬼针草地上部和根部Cd质量分数与对照相比均达到显著水平 (P<0.05) ;在0~75 mg/kg各处理中, 随着土壤中Cd离子浓度的增加, 地上部和根部的Cd质量分数随之上升, 地上部和根部的Cd质量分数与添加浓度呈显著的线性正相关 (P<0.05) , 相关系数r分别为0.95和0.96。除了地上部60 mg/kg处理和90 mg/kg处理之外, 白花鬼针草各处理间差异显著 (P<0.05) 。

在处理浓度为60 mg/kg时, 白花鬼针草地上部和根部富集能力增幅最大, 比45 mg/kg的处理分别增加了78%和73%。在处理浓度为75 mg/kg时, 地上部和根部质量分数最大, 分别为102.19 mg/kg和123.04 mg/kg, 超过了Cd超富集植物的临界质量分数标准 (100 mg/kg) 。在处理浓度为90 mg/kg时, 地上部和根部质量分数比75 mg/kg的处理分别下降了11%和18%, 而与60 mg/kg的处理结果差异不显著 (P>0.05) , 表明外源添加的Cd能被白花鬼针草根部和地上部吸收, 但在高处理浓度下, 吸收能力下降。

白花鬼针草地上部和根部富集系数BCF均大于1, 表明其具有较强的从土壤中积累Cd的能力。各个处理中白花鬼针草植株根部质量分数均大于地上部质量分数, 即转运系数TF小于1, 但都大于0.82, 表明以单位质量计算, 白花鬼针草吸收的Cd更多富集在根部, 同时也能将相当数量的Cd从根部向地上部运输。在添加浓度为60 mg/kg时, 白花鬼针草地上部和根部的富集系数均达到最大值。

2.4 白花鬼针草Cd的积累总量

如图1所示, 白花鬼针草在各处理浓度下, 地上部Cd积累总量都高于根部积累总量。本实验中, 处理浓度为75 mg/kg时, 地上部和根部积累总量均达到最大值, 为2.54 mg/株和1.82 mg/株, 其中地上部吸收量占整株吸收量的58%, 表明白花鬼针草所吸收的Cd大部分积累在植株容易收割移走的地上部分。

3 讨论与结论

(1) 重金属耐性植物是指在具重金属毒性的土壤中能正常生长、定居乃至繁殖后代的植物, 往往还可以适应一些极端环境[8]。作为一种植物非必需元素, Cd对植物的毒性很大, 质量分数在3~10 mg/kg时即产生伤害[9], 但白花鬼针草对土壤中的Cd污染表现出很强的耐性, 地上部和根部的质量分数能超过100 mg/kg。当处理浓度低于75 mg/kg时, Cd浓度增加不影响白花鬼针草正常生长, 高于90 mg/kg时, 生长受到抑制, 生物量下降达到10%, 但仍然能够完成营养生长并进入生殖生长阶段。可以推出, 白花鬼针草对土壤Cd耐受的临界浓度为90 mg/kg, 远高于普通植物。

(2) 富集系数 (BCF) 反映植物对重金属的积累能力, 其值越大, 植物对重金属的吸收累积能力越强[10]。转运系数 (TF) 可以体现植物从根部向地上部运输重金属的能力, 也反映重金属在体内的分布情况[11], 转移系数越大, 植物向地上部转移重金属的能力就越强。白花鬼针草在各个Cd处理浓度下的富集系数均大于1, 如果以地上部Cd质量分数大于100 mg/kg这个标准判断, 可以认为白花鬼针草是超富集植物。但周启星等[12]认为, 超富集植物除了地上部重金属的质量分数达到临界值外, 还需要考虑植物富集和转运重金属的情况, 即超富集植物还需要满足富集系数和转运系数都大于1这两个条件。白花鬼针草在各处理浓度下, 地上部重金属质量分数都低于根部质量分数, 所以它并非传统意义上的超富集植物。在超积累植物外, 植物吸取修复可以采用的另一类植物是生物量大的积累植物。一些生长速度快、生物量大, 抗虫抗病能力强[13], 能在给定时期内从单位面积土壤中吸收较大重金属总量的植物更具有利用价值, 因此, 以重金属的积累总量作为植物修复污染土壤潜力的指标是更加实用的选择[14,15]。本实验中, 白花鬼针草即使生长受到抑制, 进入生殖生长阶段还能保持较大的生物量。白花鬼针草可收割部分的Cd占了植株积累总量的一半以上, 相对于目前已发现的超富集植物富集浓度大而生物量小、积累总量低的缺点, 白花鬼针草具有自身的优势, 这与Cd超富集植物商陆相类似[16]。白花鬼针草在75 mg/kg以下的Cd污染土壤中生长旺盛, 而且有很强的重金属蓄积能力, 对Cd污染土壤的植物修复应用具有潜在优势。

(3) 有研究表明, 植物吸取修复效率与土壤污染物浓度及有效性有关, 污染物浓度越高, 修复效率越低[17], 本实验中, 白花鬼针草不具有这种特征。为促进修复植物的生长, 往往采取施肥、水分管理、土壤改良等农艺措施以强化修复效果[18]。白花鬼针草是一种入侵性植物, 长的繁殖持续期和高种子产量是其有别于本地种的重要入侵性状。降低生境中的养分水平, 可以降低其大多数生长参数, 从而削弱其入侵能力, 在一定程度上实现控制[19]。因此, 实际应用中, 可以在营养生长末期收割, 同时种植于贫瘠的矿区污染土壤, 能够避免造成生态危害。

(4) 孙约兵等的研究表明, 三叶鬼针草幼苗对Cd有很强的耐性和累积Cd的能力, 对Cd污染的耐性能力具有一定的阈值, 作为同是鬼针草属的植物, 白花鬼针草表现出类似特征, 是否说明超积累植物在科属内有一定的分布特点, 值得探讨[20,21], 加强相关研究, 以便有助于提高修复植物筛选效率。

摘要：通过土培盆栽试验研究了白花鬼针草 (Bidens alba L.) 对重金属Cd的耐性和富集迁移特性, 试验设计了Cd浓度为0 (CK) , 20, 30, 45、60, 75, 90 mg/kg共7个梯度处理, 70 d后收获分析。结果表明, Cd浓度在2075 mg/kg时, 植株干重与对照差异不显著或略有增加, 90 mg/kg时生长受到抑制, 生物量降低显著, 但已长至孕蕾期, 表现出重金属耐性植物的特征。在处理浓度2075 mg/kg时, 地上部和根部重金属质量分数随处理浓度升高而增加, 60 mg/kg时, 地上部Cd质量分数超过了Cd超富集植物的临界质量分数标准, 地上部和根部的富集系数也最大。90 mg/kg时, 地上部和根部质量分数开始降低。在各处理浓度下, 地上部重金属迁移总量都高于根部迁移总量, 75 mg/kg时地上部和根部迁移总量均达到最大值, 其中地上部迁移量占整体植株迁移总量的50%以上, 所吸收的Cd大部分积累在植株容易收割移走的地上部位。

关键词：白花鬼针草,镉污染,富集,迁移特性,植物修复

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