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中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸 收的影响研究 专业：生态学 作者：马卓荦 导师：叶志鸿教授 中文摘要 由于矿山的开发、工业三废的排放、化石燃料的燃烧，导致过量的重金属进 入环境，土壤的重金属污染已成为威胁社会发展的严重问题。新兴的植物修复技 术，具有成本低、不损害土壤结构、公众接受程度高等优点，成为目前研究的热 点。本研究以六种湿地植物( 草龙、大苞水竹草、小婆婆纳、圆币草、风车草、 水稻) 和一种中生植物( 尖尾芋) 为研究材料，通过营养液培养和根部渗氧测定， 比较了它们根部的渗氧量( 率) 以及对z n 、p b 的耐性；同时通过根际袋土培实 验比较了七种植物渗氧对根际土壤中z n 、p b 形态的影响情况；并且选取其中三 种植物通过根际箱实验比较了其渗氧对根际土壤中z n 、p b 形态的影响范围大小。 主要的研究结果如下： 1 ) 在添加了不同浓度z n 、p b 的营养液中处理的植物，其根的生长受到了不同 程度的抑制作用。高浓度的重金属抑制作用比低浓度重金属强。水稻的耐性 指数相对于其他植物来说比较高，在2 0m g lp b 处理下也能达到9 3 3 尖 尾芋在4m g lz n 处理下也有较高的耐性，其耐性指数达到9 0 4 。 2 ) 在无重金属污染的的营养液中生长的植物，都有明显的渗氧现象。小婆婆纳 的渗氧量( 率) 为4 5t t m o l h - i p l a n t q ，明显大于大苞水竹草的渗氧量( 率) ， 后者为2 6 t t m o l - h 1 - p l a n t 1 ，单子叶植物之间渗氧量( 率) 比较接近。在不同 浓度重金属处理下，植物的渗氧量( 率) 有所减少，但大部分差异不大。在 4m g lz n 处理下的风车草和2 0m g lp b 处理下的尖尾芋的渗氧作用被重金 属强烈抑制。 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 3 ) 湿地植物渗氧对根际土壤中z n 、p b 的形态组成产生了一定影响。根际土壤 中的z n 有由紧密结合态向松散结合态转化的趋势。而p b 有崮松散结合态商 紧密结合态转化的趋势。水培条件下渗氧能力较强的小婆婆纳和渗氧能力较 弱的大苞水竹草对根际土壤z n 、p b 形态影响作用无明显差异，是因为土培 条件下大苞水竹草生物量远大于小婆婆纳以致二者实际渗氧量( 率) 以及根 际效应比较接近。 4 ) 根际箱实验的结果表明，水稻和尖尾芋对根际土壤中z n 形态的影响范围要 大于小婆婆纳。这三种植物对受污染的乐昌土中的p b 形惫影响范围比较相 似。 关键词：湿地植物，渗氧，根际，重金属形态 “ ! 坐奎兰堡主兰垡堡奎 堡丝垫塑望壑翌堡堕圭墼全星墅查墨堕堕塑墅堕堡壅 e f f e c to fr a d i a lo x y g e nl o s s0 um e t a l s p e c i a t i o ni nr h i z o s p h e r es o i la n dm e t a l a c c u m u l a t i o nb yw e t l a n dp l a n t s m a j o r ：e c o l o g y n a m e ：m az h u ol 1 1 0 s u p e r v i s o r ：p r o f y ez h ih o n g a b s t r a c t d u et om i n ee x p l o i t a t i o n , i n d u s t r i a l w a s t e d i s c h a r g ea n df o s s i lf u e lb u r n i n g ， c o n t a m i n a t e db yh e a v ym e t a l sb e c a m eas e r i o u sp r o b l e mt h a tt h r e a t e n e dw o r l d d e v e l o p m e n t i n g p h y t o r e m e d i a t i o n w a sa l l i n e x p e n s i v e , n o n - i n t r u s i v e , s o c i a l l y a c c e p t e dt e c h n o l o g yo fp o l l u t e ds o i l sr e m e d i a t i o n p r e s e n ts t u d i e su s e ds i x w e t l a n d p l a n ts p e c i e s ( l u d w i g i ah y s s o p i f o l i a 、a n e i l e m ab r a c t e a t u m 、v e r o n i c a s e r p y l l i f o l i a 、h y d r o c o t y l ev u l g a r i s 、c y p e r u sa l t e r n i f o l i u s 、o r y z as a t i v a ) a n do n e m e s o p h y t es p e c i e s ( a l o c a s i ac u c u l l a t a ) a sm a t e r i a l s h y d r o p o n i ce x p e r i m e n tw a s c o n d u c t e dt o c o m p a r et h et o l e r a n c eo fz na n dp b ；r a d i a lo x y g e ni o s s ( r o l ) m e a s u r i n gw a sc o n d u c t e dt oc o m p a r er o l ；r h i z o h a ge x p e r i m e n tt os t u d yc h a n g e o fm e t a ls p e c i a f i o ni nr h i z o s p h e r eo ft h es e v e np l a n t s ；r h i z o b o xe x p e r i m e n tt o c o m p a r et h er a n g eo fr h i z o s p h e r ee 丘b c ti nt h r e ep l a n ts p e c i e sw h i c hw e r es e l e c t e d f r o mt h es e v e np l a n ts p e c i e sb e f o r e t h em a j o rr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) t h er o o t s e l o n g a t i o nw e r es i g n i f i c a n t l yi n h i b i t e dw h e np l a n t sw e r ec u l t u r e di nt h e s o l u t i o n sw i t hz no rp b d s a t i v as h o w e dh i g h e rt o l e r a n c ei n 2 0m g lp b t r e a t n mt h a no t h e rs p e c i e s ，a n da c u c u l l a t as h o w e d h i g ht o l e r a n c ei n4m g lz n t r e a t m e n ta l s o 2 ) i ns o l u t i o nw i t h o u th e a v ym e t a l , a l lt h ep l a n t sh a dh i g h e rr o l a c t i v i t y r o l i l l 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 r a t eo f 矿s e r p y l l i f o l i ac o u l dr e a c ha sh i g ha s4 5 r t m o l h 4 p l a n t - 1 。w h i c hw a s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a na b r a c t e a t u m ，t h el a t e r sr o l r a t ew a so n l y2 6 l a m o l k 1 p l a n t r o lr a t eo ft h e5m o n o c o t y l e d o nw e r es i m i l a r r o lr a t e d e c r e a s e di ns o l u t i o n sw i t hh e a v ym e t a l ，b u tn o te v i d e n t l yi nm o s ts p e c i e s r o l a c t i v i t yo fca l t e r n i f o l i u si n4m 班z n t r e a t m e n ta n da l o c a s i ac u c u l l a t ai n2 0 m g lp bt r e a t m e n tw e r ei n t e n s e l yi n h i b i t e d 3 ) p l a t or o la f f e c t e dm e t a ls p e c i a t i o nd i s t r i b u t i o ni nr h i z o s p h e r es o i l s z i n ci n r h i z o s p h e r es o i l st r a n s f o r m e df r o mt i g h t b o u n dt ol o o s e - b o u n ds ot h a ti ti n c r e a s e d t h ez np h y t o a v a i l a b i l i t y , a n dp bi n r h i z o s p h e r e s o i l st r a n s f o r m e df r o m l o o s e b o u n dt ot i g h t b o u n ds ot h a ti tr e d u c e dt h ep bp h y t o a v a i l a b i l i t y t h ee f f e c t o nm e t a ls p e c i a t i o nd i s t r i b u t i o no fr h i z o s p h e r es o i lb y 矿s e r p y l l i f o l i aw i t hh i g h e r r o lr a t ea n da b r a c t e a t u mw i t hl o w e rr o lr a t ew e r es i m i l a r , b e c a u s et h e b i o m a s so f a b r a c t e a t u mw a sm u c hl a r g e rt h a nt h a to f 矿s e r p y l l i f o f f 口 4 ) t h er h i z o b o xe x p e r i m e n tr e s u k ss h o w e dt h a td s a l i v aa n da ，c u c u l l a t ah a dl a r g e r z o n eo fe f f e c to nz ns p e c i a t i o nd i s t r i b u t i o ni nr h i z o s p h e r es o i l st h a n1 4 s e r p y l l i f o l i a a l lt h et h r e es p e c i e sh a ds i m i l a rz o n eo fe f f e c to np bs p e c i a t i o n d i s t r i b u t i o ni nr h i z o s p h e r es o f t s k e y w o r d s ：w e t l a n d p l a n t ，r a d i a lo x y g e nl o s s ，r h i z o s p h e r e ，m e t a ls p e c i a t i o n 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 第一章前言 随着现代经济的高速发展，工业和生活废弃物的排放量与日俱增，环境污染 和生态退化越来越成为威胁人类生存发展的严重闯题。重金属是最重要的一种土 壤污染物，尤其p b 、c d 、a 5 、h g 等重金属具有较强的生物毒性和对土壤较大的 破坏力，关系到人类健康安全，成为目前研究的热点。重金属一般以天然浓度广 泛存在于自然界中，但由于人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动日 益增多，造成大量重金属进入大气、水、土壤环境。以各种化学状态或化学形态 存在的重金属，在进入环境或生态系统后就会存留、积累和迁移，给生态环境造 成严重危害( 史贵涛等，2 0 0 6 ) 。目前，世界各国都存在不同程度的土壤重金属 污染，尤其在亚洲、欧洲、美洲较为严重。近几十年来我国经济迅猛发展，城市 化速度加快，与此同时环境中的重金属污染程度也大大加深了。据环保总局不完 全调查，目前中国受污染的耕地约有l ，5 亿亩，污水灌溉污染耕地3 2 5 0 万亩，固体废 弃物堆存占地2 0 0 万亩，合计约占耕地总面积的1 1 0 以上，其中多数集中在经济较 发达的地区。如周建民等( 2 0 0 4 ) 对广东大宝山矿区周围土壤调查发现，该矿区 附近污灌稻田土中重金属c u 、c d 、z n 、舡的平均浓度远远超出了国家土壤环境 二级标准值。重金属以游离形态进入土壤以后，会被植物吸收，导致农作物减产， 以及在食物链中的富集，对人体健康造成极大的威胁。全国每年因重金属污染的 粮食达1 2 0 0 万吨，造成的直接经济损失超过2 0 0 亿元。因此，开展重金属污染土壤 修复技术的研究是很有必要的，对国民经济的发展和人民群众的健康安全都有很 重大的意义。 1 1 植物修复技术 重金属由于其本身的不可降解性，所以土壤被污染以后单靠自然净化需要很 长时间才能得以完成；同时，由于重金属在土壤中又具有较强的移动性，易于向 水体和植物迁移，导致环境的连锁反应，使污染进一步加深。目前，修复重金属 污染土壤的方法很多，包括有物理修复、化学修复、植物修复等方法( 龙新宪等， 2 0 0 2 ) 。传统的物理修复方法和化学修复方法，由于对土壤的结构性破坏较大以 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 及成本很高，不适合大规模应用。与之相比，植物修复具有低成本、对环境副作 用小、公众可接受程度高等优点引起了科学界的广泛重视，成为当前研究的热点， 并取得了显著进展( 韦朝阳等，2 0 0 1 b ) 。 1 1 1 植物修复概念 广义上的植物修复技术( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是指利用植物提取、吸收、分解、 转化或固定土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物技术的总称， 有时候又称为生物修复( b m r e m e d i m i o n ) ( r a s k i n & k u m a r ，1 9 9 4 ) 。植物修复 技术按其修复的机理和过程可分为植物提取、植物固定、根系过滤、根际降解和 植物挥发。此外。在污染土地上进行植被恢复也可以称为植物修复。其中与重金 属污染土壤植物修复有关的内容包括植物提取、植物固定、植物挥发和根系过滤。 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) 是指种植一些特殊植物，利用其根系吸收污染土壤中 的有毒有害物质并运移至植物地上部，通过收割地上部物质带走土壤中污染物的 一种方法。植物提取技术利用的是一些对重金属具有较强富集能力的特殊植物。 目前有关植物提取的研究开展得较多，工程性的试验也已开展。植物稳定 ( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) 指利用植物根际的一些特殊物质使土壤中的污染物转化为相 对无害物质的一种方法。其中包括了分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程。 研究发现铅可与磷结合形成难溶的磷酸铅沉淀在植物根部，减轻铅的毒害 ( d u s h c n k o ve ta 1 ，1 9 9 5 ) 。植物挥发( p h y t o v o l a f i l i z a t i o n ) 是指利用植物根系分泌 的一些特殊物质或微生物使土壤中的汞、硒转化为挥发形态以去除其污染的一种 方法，如洋麻( h i b i s c u sc a n n a b i n u s ) 可使土壤中4 7 的三价硒转化为甲基硒挥 发去除( b a n u e l o se ta l 1 9 9 7 ) 。根系过 溏g ( r h i z o f i l t r a t i o n ) 是利用植物根系过滤沉 淀水体中重金属的过程。 1 1 2 超富集植物 人们很早就发现某些植物能够生长在重金属含量异常高的土壤上，这些植物 无一例外地对重金属具有一定的耐性。大量研究发现，很多耐性植物仅分布于某 些重金属含量较高的土壤上，为地方性的物种。如鸭跖草( c o m m e l i n ac o m m u n i s ) 就分布在中国长江中下游铜矿区含铜较高的土壤上( t a n gp r 以，1 9 9 9 ) 。耐性植 2 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 物从机理上可分为基因型和生态型两类基因型是指该植物的耐性具有可遗传 性的特点；而生态型则是指某些植物能够快速适应重金属胁迫环境而产生耐性，当 植物生长解除重金属胁迫条件后，其耐性又趋于消失，且耐性不能遗传给下一代。 在耐性植物的研究中很多人发现，某些耐性植物不仅能够耐受高量重金属的毒害， 而且在其地上部能够富集大量的重金属，即超富集植物( b a k e re ta 1 ，1 9 9 4 ) 。超富集 植物天然集中分布在土壤重金属含量高的地区，其超富集能力可能是长期演化形 成的( b a k e r ，1 9 8 9 ) 。韦朝阳等在中国首次发现了砷的超富集植物蜈蚣草( p t e r i s v i t t a t a ) ( 韦朝阳，陈同斌，2 0 0 2 ) 。龙新宪等通过对浙江几个典型铅锌矿区生 长的耐性植物的室内水培试验证明，东南景天( s e d u ma l f r e d i i ) 的地上部具有 很高的锌积累量，并生长良好( 龙新宪等，2 0 0 2 ) 。超富集植物的不断发现和深 入研究，为植物修复技术的大规模应用奠定了坚实的基础。有些湿地植物也具有 对重金属的超富集能力，如浮萍( l e m n a m i n o r ) 和水葫芦( e i c h h o r n i ac r a s s i p e s ) 能富集大量的c d 和c u ( z a y e de ta l 。1 9 9 8 ；z h ue ta 1 1 9 9 9 ) 。 1 1 3 植物修复技术的前景 与传统污染修复技术相比，植物修复技术的显著优点是其在工程中可以原位 实施，从而减小了对土壤性质的破坏和对周围生态环境的影响，可称是真正意义上 的“绿色修复技术”；植物修复技术无需专门设备和专业操作人员，因而工程上易于 推广和实施：植物修复技术的最大优势是其运行成本大大低于传统方法。植物修 复技术也具有一些自身的不足。主要表现在：超富集植物个体矮小，生长缓慢，修 复重金属污染土地需时太长，因而经济上并不一定很合理；植物修复土壤只能局 限在植物根系所能延伸的范围内，无法治理土壤深层的污染；超富集植物对重金 属具有一定的选择性，即一般只对一种重金属具有富集能力，而土壤重金属污染多 为几种重金属复合污染，用一种超富集植物难以全面清除土壤中的所有污染物； 外来种超富集植物对当地物种存在一定的生态威胁。 目前，植物修复技术大部分还停留在实验室模拟研究阶段，但其作为一种新 的污染治理替代技术业已被证明具有极大的潜力和市场前景。以后需要从以下几 个方面继续深入研究：( 1 ) 寻找和培育新的耐性植物和超富集植物品种。中国 幅员辽阔，地形复杂，气候多样，物种丰富，为寻找超富集植物提供了天然优良 3 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 的基础。通过各研究人员的努力，在这个领域必然会有所突破。 ( 2 ) 深入开展 对超富集植物富集机理的研究工作，揭示其超富集作用的生态生理过程，为培育 高效低选择性超富集植物奠定基础。 ( 3 ) 深入研究超富集植物修复污染土壤和 水体的过程及其调控机理，包括土壤中重金属的形态与植物根际环境变化的关系。 施肥、增施改良剂等措旋对植物修复过程的影响等，以进一步推动植物修复技术 的产业化，也为这一领域的深入发展提供推动力。 1 2 湿地植物在植物修复中的研究 1 2 1 湿地植物的特性 1 9 7 1 年签署的湿地公约将湿地定义为：“湿地是指天然或人工的、永久 性或暂时性的沼泽地，泥炭地和水域，蓄有静止或流动、淡水或咸水水体，包括 低潮时水深浅于6 米的海水区”。在湿地土壤长期被水浸泡的特定环境下，生长 着很多种能适应这种浸水、缺氧环境的湿地植物。从生活类型上来看，湿地植物 可分为沉水植物，挺水植物和浮水植物。 湿地环境由于长期或间歇浸水，导致土壤中氧气含量不足，从而发生一系列 物理化学变化。例如氢气和甲烷的积累，硫和金属元素的还原，脱氮作用，土壤 p h 升高和e h 降低。在这种还原性条件下，土壤中的可溶性有机化合物和微生物 无氧代谢产生的乙醇都会对植物产生危害作用，所以湿地植物进化了一系列特征 来适应湿地环境( c r o n k & f e n n e s s y , 2 0 0 1 ) 。植物适应湿地环境主要有代谢策略 和结构策略两种方式，其中结构策略是植物形成发达的通气组织和向根际渗氧来 适应湿地环境。在许多草本植物的根部，细胞通过特殊的排列方式形成了一个很 大的空气空间，这个空间与茎和叶中的空气空间相连接，这个空气空间在横切面 的比值就是空隙度( p o r o s i t y ) ( j e n s e n e t a l ，1 9 6 9 ) 。这些空气空间形成一个强大 的通气系统，使氧气源源不断地从植物的茎、叶运向根部，以供给根部和根际生 物的有氧呼吸及对根际有毒物质的氧化( a r m s t r o n ge ta l ，1 9 9 4 ) 。不同种的植物， 同一种植物不同生态型的品种之间空隙度存在很大差异( c o l m e r , 2 0 0 3 a ) 。有研 究表明，浸水的条件能诱导湿地植物和中生植物的空隙度显著提高，而且空隙度 越高的植物越能向根部运输更多的氧、其适应浸水环境的能力就越强( j u s t i n & a r m s t r o n g ，1 9 8 7 ；c o l m e r , 2 0 0 3 b ) 。植物通过通气组织向根部运送的氧，除了一部 4 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 分供给根部有氧呼吸外，还有一部分会释放到根际土壤中，这称之为渗氧( r o l ) ( a r m s t r o n gp fa l ，1 9 9 2 ) 。根部向土壤渗氧对根际土壤环境产生很大影响，如微 生物种群的变化、营养元素的利用、有毒物质的氧化固定。总之，湿地植物在适 应湿地缺氧、还原性的环境中进化了一系列特征，其中形成发达的通气组织和向 根际渗氧是最为关键的，很可能会对湿地植物的其他特性产生影响。 1 2 2 湿地植物的重金属耐性特征及其机理研究现状 近半个世纪以来科学家对旱生植物( d r y l a n d p l a n t ) 重金属耐性的大量研究表 明，绝大多数旱生植物对重金属耐性是通过基因的改变进化( 或适应) 而获得的。 同一种植物，生长在重金属污染区的种群比生长在非污染区的种群的重金属耐性 明显要高，并且这种耐性具有单一特性，即植物对一种金属具有耐性而对另一种 金属不具有耐性。通常植物对某一金属的耐性程度与这种金属在土壤中的水平成 正相关( b a k e r 。1 9 8 7 ) 。 与旱生植物相比，许多湿地植物能在重金属污染的条件下正常生长，但人们 对湿地植物的重金属耐性研究却很少。m c n a u g h t o n 等人( 1 9 7 4 ) 率先研究了两 个不同种群的宽叶香蒲( t y p h at a a f o t f a ) 对z n 的耐性，发现生长在污染点和非污 染点的种群之间的重金属耐性相似，因而提出宽叶香蒲对z n 具有先天的重金属 耐性。叶志鸿等人进一步证实宽叶香蒲对p b 、z n 、c d 具有先天耐性，并且发现 芦苇( p h r a g m i t e sa u s t r a l i s ) 对重金属叶具有先天耐性( y ee ta 1 ，1 9 9 7 a , b 2 0 0 3 ) 。 邓泓等人比较了源自重金属污染点和非污染点的不同种群的6 种湿地植物对p b 、 z n 、c d 的耐性，发现不同种群的重金属耐性程度也非常相似，表明这6 种湿地植 物对重金属也具有先天的耐性( d e n ge ta 1 ，2 0 0 6 ) 。此外，其他大量的研究表明 许多湿地植物对重金属都有先天的耐性( m c c a b e & o t t e 2 0 0 0 ；m a t t h e w se la 。 2 0 0 4 a , b ) 。 目前，对湿地植物的重金属耐性研究的主要方面是植物对重金属的吸 收、积累、分布以及不同种的植物或同种植物不同种群对重金属的耐性比较。这 些研究表明，不同种的湿地植物的重金属耐性是不一样的，某些植物的重金属耐 性要明显强于其他种的植物( m a t t h e w se t a ，2 0 0 5 ) 不同种的植物对重金属的 富集能力也不一样，而且富集的部位也不相同，大部分湿地植物在根部富集的重 5 中山大学硕士学位论文 湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 金属含量高于地上部，以减少重金属对茎、叶的损害，这可能是湿地植物具有先 天重金属耐性的机常4 之一( d e n ge t a ，2 0 0 4 ) 。大多数湿地植物的根部有一层由 铁的氢氧化物形成的铁膜( i r o np l a q u e ) ，这层铁膜会吸附土壤中的f e 、c u 、z n 、 p b 、n i ，c d 等重金属元素，使其共沉淀在根的表面( b o s t i c ke ta 1 ，2 0 0 1 ： h a n s e le ta 1 ，2 0 0 1 ；b l u t ee ta l ，2 0 0 4 ) 。g r e i p s s o n 等人( 1 9 9 4 ) 发现在轻微毒 性浓度的c u 、n i 胁迫下铁膜的形成可以促进水稻( o r y z as a t i v a ) 幼苗的生长。 o t t e 等人( 1 9 8 9 ) 也发现，碱菀根部较厚的铁膜对z n 的吸收起到一个屏障的作用， 如果铁膜较薄则可以促进植物对z n 的吸收。也有一些研究发现，尽管铁膜可以 使有毒重金属固定下来，但并没有阻止植物对这些重金属离子的吸收( y ep ta 1 1 9 9 7 e 1 9 9 8 ) 。 1 3 本研究的提出 从目前的文献来看，有关湿地植物和重金属关系的研究集中于湿地植物在自 然和人工条件下对重金属的吸收、积累和分布，以及土壤、d h 、重金属含量、 微生物等各种外界因素对植物重金属吸收、积累和分布的影响，少量的研究是有 关不同品种湿地植物和同种湿地植物不同种群的重金属耐性比较，很少有涉及到 湿地植物的重金属耐性机理的研究。湿地植物具有先天性重金属耐性的观点已被 学术界普遍接受，但是湿地植物是通过何种的机理产生的重金属耐性目前尚不清 楚。湿地植物的渗氧是植物适应湿地缺氧环境的重要机制，近来在对不同植物的 渗氧率的测量和比较方面已有了大量的研究( a r m s t r o n g & a r m s t r o n g 1 9 8 8 ； a r m s t r o n ge ta l ，1 9 9 2 ；c o l m e r , 2 0 0 3 a ) 。目前还没有人从湿地植物渗氧的角度去研 究和揭示湿地植物的重金属耐性机理。因此，我们推测渗氧可能在湿地植物的重 金属耐性中起重要作用。为此，我们提出以下假设；湿地植物在长期进化中形成 的渗氧能力，除了适应湿地缺氧的环境，还使其产生了一定的重金属耐性。湿地 植物通过通气组织向根部运送氧，然后释放到周围土壤环境中，在根的表面形成 一个氧化带。这个氧化带会把进入其中的有毒重金属氧化或结合在铁锰氧化物上 固定下来，降低这些重金属元素的移动性和对植物的伤害。不同的植物具有不同 的渗氧能力，因此在根际所形成的氧化带大小有差异。渗氧能力强的植物所形成 的氧化带比渗氧能力弱的植物大，所影响的重金属范围也比渗氧能力弱的植物 6 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收韵影响研究 广，因此具有较强的重金属耐性。为了验证以上假设，本研究将分析在污染条件 下不同湿地植物的渗氧率( 量) 和土壤重金属形态的改变之间的关系，以及渗氧 率( 量) 对重金属吸收、分布和耐性的影响。本研究有助于人们对渗氧和重金属 耐性之间关系的进一步了解，一方面从渗氧的角度来揭示湿地植物重金属耐性的 机理，另一方面也在应用上为植物修复选择合适的植物提供理论指导和依据。 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 第二章水培条件下植物对重金属的耐性和渗氧比较 湿地植物具有先天重金属耐性的观点已经成为学术界的共识，但是湿地植物 是通过何种机制产生这种先天耐性还有待研究。湿地植物为了适应湿地浸水缺氧 还原性的环境，进化出了一系列与旱生植物不同的生理和生化特性。特别是湿地 植物的根系统具有通气组织和向根际环境中放氧，被认为是湿地植物适应湿地环 境最重要的机制。( a r m a r o n ge l a l ，1 9 9 4 ；p e z e s h k i , 2 0 0 1 ；c o l m e r , 2 0 0 3 a ) 因此， 我们推测渗氧在湿地植物先天性重金属耐性的形成中起着重要作用，甚至有可能 植物渗氧能力的大小决定了其重金属耐性的大小。 植物的渗氧在不同种的植物之间相差很大，如香蒲( t y p h ad o m i g e n s i s ) 的渗 氧率比大克拉莎( c l a d i u mj a m a i c e n s e ) 高两倍以上。植物的渗氧与植物体内氧 的浓度、根系生物量的大小、根的通透性、根际土壤对氧的需求量等有关。在土 壤浸水的条件下，土壤中氧的含量减少，会导致植物渗氧的发生。k l u d z e 等人 ( 1 9 9 4 ) 用比色法研究了七个不同品种的水稻分别在排水和浸水条件下培养一段 时间后的空隙度和渗氧，发现浸水条件培养下水稻根系的空隙度和渗氧率明显大 于排水条件培养下的水稻，尤其渗氧率的增幅明显大于空隙度。k l u d z e 的实验 用柠檬酸钛( i i d 做反应指示剂，三价钛离子具有很强的还原性，在溶液中能迅 速地与氧发生反应，本身被氧化成四价钛离子，反应结束后计算出钛( 1 i d 的消 耗量可以进而推算出植物根系向溶液中释放的氧量。采用这种方法能比较准确的 测出植物的总渗氧量，从而比较不同植物的渗氧能力，不足之处是不能比较同一 植物根系不同部位的渗氧率和不能找出植物根的渗氧部位。 本实验在水培条件下用含有不同浓度重金属的营养液来处理植物，培养一段 时间后，测定其渗氧量( 率) 、最长根长、干重、重金属积累量等指标。通过测 定渗氧比较不同种植物的渗氧量( 率) ，以及比较不同程度重金属污染条件下对 同种植物渗氧量( 率) 的影响情况。通过比较在无污染情况下和重金属胁迫情况 下同种植物的生长情况和重金属积累量，来推算此种植物的重金属耐性，并比较 不同种植物重金属耐性的大小。 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 2 i 材料与方法 2 1 1 实验材料 实验用植物为六种不同种的湿地植物和一种中生植物( 尖尾芋) ，其中湿地 植物均属于挺水的草本植物。 表2 1 实验用植物及采集地点 2 1 2 水培实验 水培实验所采用的营养液为1 0 h o a g l a n d 营养液，营养液配方如下表： 表2 - 2h o a g l a n d 营养液配方 c a ( n 0 3 h 4 h 2 0 k n 0 3 m g s 0 4 7 8 , 0 k h z p 0 4 f e - e d t a h 3 b o ， m n c i z 4 h 2 0 z n s 0 4 7 h 2 0 c u s 0 4 5 h ：, o ( n h 4 协i 铆0 2 4 1 1 8 玑 0 5 1g i 0 ，4 9g i 0 1 3 6 班 7 0 m g l 2 8 6m g l 1 7 1 m e l 0 2 2 m 扎 0 0 8m g l 0 0 2m g l 9 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 采集生长良好大小相近的植物幼苗，用自来水冲洗干净后，再用去离子水润 洗，放入1 0 h o a g l a n d 营养液中。培养一周后，用含有z n 和p b 的营养液处理。 z n 的浓度设置为2 m g l 和4 m g l ，以z n s 0 4 形式加入；p b 的浓度设置为1 0 m g l 和2 0 珥皿，以p b o q 0 3 ) 2 形式加入。每种处理设置三个重复，另外有三个重复不 添加任何重金属，作为对照组。维持营养液p h5 5 ，在气温1 5 2 2 、相对湿 度6 0 、日照时间1 2 小时的条件下培养2 4 天，每3 天换一次培养液。 收获后，先用自来水反复冲洗植物，然后用去离子水润洗，吸干表面水分， 测量每株植物最长根的根长，计算耐性指数( t i ) ( w i l k i n s ，1 9 7 8 ) ： t i = 重金属处理组植物最长根长度 对照组植物最长根长度 1 0 0 2 1 3 渗氧测定 测完根长的植物马上拿去测定渗氧。渗氧的测定采用k l u d z e ( 1 9 9 4 ) 的方 法，植物根部向溶液中释放的氧气氧化溶液中的柠檬酸钛( i i i ) ，根据柠檬酸钛 ( i ) 的被氧化的量，计算出植物的渗氧量。 图3 - 1 渗氧测定装置示意图 1 0 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 2 1 3 1 溶液准备 根据z e h n d e r 和w u h r m a n n ( 1 9 7 6 ) 的方法，在不断通n 2 的条件下准备柠檬 酸钛( m ) 溶液，以防暴露空气。在3 0 0m l 无氧的去离子水中加入1 7 6 4 7g 柠 檬酸钠溶液而得到o 2m o l l 的柠檬酸钠溶液，把3 0m l1 1 6m o l l 的t i 0 3 溶液 加入到己配好的柠檬酸钠溶液中，用饱和的n a 2 c 0 3 溶液调节p h 值至5 6 。 2 1 3 2 标准曲线绘制 准备一系列浓度从1 到2 0m m o l l 的柠檬酸钛( 1 i d 溶液，在不断通氮气的 条件下用分光光度计测定溶液在5 2 7r l n l 的吸收值。用柠檬酸钛( m ) 溶液浓度 作横坐标，5 2 7n m 的吸收值作纵坐标绘制标准曲线。 2 1 3 3 测定 如图3 1 所示，在5 0 m l 的试管中加入3 0 m l 无氧的1 0 h o a g l a n d 营养液， 同时液面上方不断通n 2 气，以防止空气中0 2 进入营养液中。将植物小心插入试 管，使植物的根完全进入营养液中，之后在营养液液面上加2 m l 石蜡油以隔绝 空气，每个试管放一株植物。用注射器在每个试管中注入5m l 柠檬酸钛( ) 溶液，小心混匀。对照组不放入植物。6 小时后，轻轻地摇动试管，用注射器沿 着试管壁插入植物根部取样。用分光光度计测定样品溶液中柠檬酸钛( ) 的 浓度。该实验所有步骤均在不断通n 2 气的体系中进行。 2 1 3 4 渗氧量( 率) 计算 根据公式：r o l = c ( y - z ) 2 4 计算渗氧，其中r o l 表示每株植物在1 小时 内的渗氧量，单位i _ t m o l h - i p l a n t 1 ，c 表示加入每个试管加入柠檬酸钛( ) 后 的溶液总体积，单位l ，y 表示对照组反应6 小时后柠檬酸钛( 1 1 1 ) 的浓度，单 位姗a o l l ，z 表示放入植物的试管反应6 小时后柠檬酸钛( i ) 的浓度，单位为 l u n o l l 。 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 2 1 4 植物消化 植物测完渗氧后用自来水洗干净，再用去离子水润洗，分为地上部和地下部， 7 0 c 下烘干至恒重，称量干重。称完干重的植物用研钵磨碎，称取一定量样品于 消化管中，用少量去离子水润洗，加入4m lh n 0 3 放置过夜后，9 0 下加热0 5 小时，1 4 0 下加热o 5 小时，1 8 0 下加热l 小时，冷却，加入1m lh c l 0 4 ，1 6 0 下加热2 0 分钟，1 8 0 c 下加热2 小时。冷却，定容至2 5m l ，过虑，用原子吸收 光谱法( a a s ) 测定z n 、p b 含量。 2 2 结果分析 2 2 1不同浓度重金属处理下七种植物的耐性指数及对重金属的 吸收 2 2 1 1 不同浓度重金属处理下七种植物的耐性指数 表2 3 七种植物对不同浓度重金属的耐性比较( 平均值a = s e ，n = 3 ，单位：) + 表示相同浓度重金属处理下植物种阃耐性的差异性比较( 同一列) ，撑表不同一植物种内不同浓度重金属处 理的耐性差异性比较( 同一行) 。( l s d 检验，p 0 0 5 ) 经过2 1 天的水培培养，部分植物的生长情况有明显差异。如草龙在p b 处理 下叶片数目明显少于其他处理组，个体也偏小，大苞水竹草在z n 处理下叶片颜 色发黄。除了水稻之外，其他六种植物的根的生长都不同程度地受到重金属的抑 制作用( 表2 3 ) 。2m g l z n 处理下，除了草龙和圆币草耐性指数较低外，其他 2 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 植物都保持了较高的耐性，其耐性指数都在7 0 以上，特别是水稻基本没有受 到z n 的影响。草龙和圆币草在4m g a , z n 处理下根的生长受到的抑制作用较为 明显，长度分别只有对照的4 9 和4 0 ，大苞水竹草、小婆婆纳和风车草也受 到一定程度的抑制作用，水稻和尖尾芋基本没有受到影响。p b 对植物根生长的 抑制作用非常明显，除水稻外，其他植物的耐性指数均很低，2 0m g lp b 处理下 尤为严重，甚至还不到3 0 ，特别是草龙和尖尾芋，不仅耐性指数低，根的数 量也很少。水稻无论是在1 0m g l 还是在2 0m g lp b 处理下耐性指数都在9 0 以上，表明其对p b 有较高的耐性。 2 2 1 2 不同浓度重金属处理下七种植物的干重 表2 - 4 七种植物在不同浓度重金属处理下地上部的干重 ( 平均值士s e ，n = 3 ，单位：m g ) 差异性分析为不同浓度重金属处理f 植物地上部干重和对照组植物地上鄙干重的比较( 表不p 0 0 5 ， 表示j p 0 0 1 ) 大部分植物在不同浓度重金属处理下地上部的干重没有明显差异，只有l o m g lp b 处理下的草龙和2 0m g lp b 处理下的风车草干重明显比对照组的要低 ( 表2 - 4 ) 。不同浓度处理的植物地下部于重则表现出明显的差异，并且和耐性指 数有一定关系，如两种浓度p b 处理下大部分植物的耐性指数都很低，同时其地 下部的干重明显低于对照组( 表2 5 ) 。 中山大学硕士学位论文 湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 表2 5 七种植物在不同浓度重金属处理下地下部的干重 ( 平均值士s e ，n = 3 ，单位：m g ) 差异性分析为不同浓度重金属处理下植物地下部干重和对照组植物地下部二f 重的比较。( 表示p 0 ，0 5 表示p o 0 1 ) 2 2 1 3 植物对重金属的吸收 表2 - 6 不同浓度z n 溶液处理下七种植物地上部和地下部z n 的浓度 ( 平均值- 4 - s e ，n = 3 单位：m g k gd w ) 差异性分析为相同浓度z n 处理下不同植物地上部z n 浓度的比较( l s d 椅验，p 0 0 5 ) 。两为所有植物的 地下部以及屡币草和水稻的地上部生物鼍不足，被合并为个重复，不饿差异性检验；围币革和水稻的地 下部生物量过少，来做分析。 1 4 中山大学硕士学位论文湿地植物渗氧对根际土壤重金属形态及吸收的影响研究 在低浓度的z