重金属对灯心草生长的影响

重金属对灯心草生长的影响

空气、土壤和水体中的重金属对生物有机物质有显著影响，尤其是重金属通过食物链的生物固定成分。植物修复技术是治理重金属污染土壤众多方法之一,由于具有治理效果永久性、治理过程原位性、治理成本低廉性、环境美学兼容性、后期处理简易性等优点,受到人们普遍推崇。植物从污染土壤中去除重金属的效率取决于植物自身的属性。然而,目前发现的超累积植物往往植株矮小、生长速度慢,再加上受气候、土壤环境条件的限制,在实际应用中能够去除土壤重金属的总量较小,因而作为土壤修复植物,其经济和应用价值较小。而一些普通植物虽然对重金属耐性低,植物组织中重金属积累量也不高,但由于其生长速度快、生物量大,在给定时期内带走的单位面积土壤中重金属总量也大,因而具有极大的利用价值。对此,有人提出仅根据植物生长富集系数和运转系数选定修复植物是远远不够的,还必须考虑植物生长周期和生物量的影响。灯心草(Juncuseffuses)是多年生草本作物,在我国分布较广,并以其经济、药用价值高而广泛应用于医药和民用工业,在治理城市污水方面也有相关报道。Cd、Pb、Cu、Zn、As5种重金属元素是采矿及冶炼厂排放污水和废气中的典型污染物,其产生的大面积土壤污染给我国农业生产和人体健康造成了极大的不利影响。本次盆栽试验旨在研究Cd、Pb、Cu、Zn、As5种重金属元素单一污染对灯心草生长的影响,探明灯心草对5种重金属的吸收、转移和累积规律,从而为矿业废弃地的植被重建和重金属污染土壤的修复提供理论依据。1材料和方法1.1试验材料和方法供试土壤采自湖南农业大学教学实习基地,为红壤性水稻土。供试植物为典型的湿生植物灯心草,野外采集。添加重金属为CdCl2·2.5H2O、PbNO3、CuCl2·2H2O、Zn(NO3)2·6H2O和Na2HAsO4·7H2O,均为分析纯试剂。试验用陶瓷盆直径30cm,高20cm。供试土壤化学性质及重金属含量见表1。1.2模拟重金属污染水平土壤的处理供试土壤经自然风干、捣碎、剔除杂物后过2mm筛备用。每陶瓷盆中装土5kg,按预先设置浓度于每盆中添加不同量的外源重金属,同时按盆栽作物对养分的需求(N200mg·kg-1、P2O5100mg·kg-1、K2O150～200mg·kg-1),分别加入尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾400、200、300mg·kg-1,喷清水充分混匀后平衡1周,作为模拟不同重金属污染水平土壤。每盆中移栽野外采集的灯心草90株,并将每株在距土面2cm处剪断,待其重新生长。试验期间定期浇水,保持70%的田间持水量。灯心草生长至150d后收获,沿土表剪取地上部,测量株高并观察记录新增株数,同时洗出根系。在105℃下杀青0.5h,70℃烘干,称量地上部和地下部干重。每种重金属元素设置4个处理水平(表2),每个处理重复3次。数据处理采用MicrosoftExcel进行相关性检验,采用DPS3.01中文数据统计软件进行方差分析和多重比较。1.3cd、pb、cu和zn含量测定土样经王水-高氯酸消化、植株经浓硝酸-高氯酸消化后用原子吸收分光光度计(瓦里安-AA240FS,美国产)测定Cd、Pb、Cu和Zn含量;用二乙基二硫代氨基甲酸银比色法测定As含量。2结果与分析2.1as单一污染对灯心草生长指标的影响在试验条件下Cd、Pb、Cu、Zn、As单一污染对灯心草各项生长指标影响见表3。通过方差分析和多重比较评价添加重金属对植物生长的综合影响。2.1.1灯心草新增株数的变化从表3可以看出,Cd在1、2、3处理水平和Pb、Cu在1、2处理水平时对灯心草的新增株数有一定促进作用,灯心草新增株数均高于对照。在Zn、As单一处理时,灯心草新增株数均少于对照,并随着浓度增加而呈现出不同的变化趋势。与对照相比,各重金属对灯心草新增株数的促进程度为:Cd>Pb>Cu>As>Zn。2.1.2对株高的影响由表3可知,除Cd、Pb在1、2处理水平时灯心草株高大于对照外,其他各处理水平株高均小于对照,且差异显著(P<0.05)。在5种重金属单一污染下,灯心草株高随各处理浓度增加呈现的变化趋势与新增株数的变化趋势相一致,Cd、Pb、As处理浓度的增加其株高呈先升后降的趋势,Cu、Zn处理浓度的增加其株高呈下降的趋势。2.1.3土壤环境质量二级标准下pb的临界值国家土壤环境容量协作组于1991年制定了以作物产量为依据确定土壤临界值的方法。依据规定,将植物生物量或产量减少5%～10%(灯心草产量数额小取高限)时土壤有害物质的浓度作为土壤有害物质的最大允许浓度。由表3可知,当土壤中Cd含量在0.3～10mg·kg-1时,灯心草地上部干重与对照相比,表现出增产趋势,但当Cd含量为20mg·kg-1时,灯心草地上部干重比对照减少26.79%,>10%,由此可以将土壤中Cd的临界值拟定为10mg·kg-1或稍高于此值。在土壤环境质量二级标准范围内Pb处理的灯心草地上部干重与对照相比,均表现出增产趋势,超过该浓度范围后则开始减产,减产幅度为14.38%～30.25%,>10%,据此,将Pb的土壤环境质量二级标准上限值拟定为土壤中Pb的临界值。重金属Cu和Zn处理下的灯心草地上部干重均随处理浓度的升高而递减,除Cu处理在50mg·kg-1时高于对照外,其余处理均低于对照。Cu处理在100mg·kg-1时地上部干重减产4.14%,<10%,而在200mg·kg-1时减产为17.65%,>10%,因此可以将土壤中Cu的临界含量拟定在100～200mg·kg-1之间。Zn处理下的灯心草地上部干重最大值仅为14.30g·盆-1,相对于对照减产幅度为31.22%,>10%,由此可认为灯心草不适宜在Zn污染土壤上种植。对于As处理,灯心草地上部干重则表现出与重金属Cd处理类似的变化趋势:随着As处理浓度的增加灯心草地上部干重均呈上升趋势,最大值对应的As含量超出土壤环境质量二级标准。与Cd处理不同的是As处理虽然在40mg·kg-1时灯心草地上部干重达到最大,高于对照,但当土壤中As含量低于或高于此值时灯心草地上部干重均比对照小。因此对于适合种植灯心草的土壤中As含量临界值的确定尚需做进一步研究。通过分析5种重金属在不同处理水平下对灯心草新增株数、株高和地上部干重的影响发现,单一重金属污染对灯心草地上部干重的影响主要是通过影响新增株数和株高造成的,这对利用灯心草修复重金属污染土壤具有现实的指导意义。2.1.4灯心草地下干重的比较表3表明,不同重金属污染土壤对灯心草地下部干重的影响存在一定差异。当土壤中Cd含量为0.3～1mg·kg-1、Pb含量为100mg·kg-1、Cu含量为50mg·kg-1时,灯心草地下部干重均高于对照,增产幅度为3.43%～31.86%;而在其他各处理水平下,地下部干重均低于对照。单一重金属污染对灯心草地下部干重影响趋势与地上部基本一致,但从多重比较分析来看影响程度相对较小。可见灯心草地下部对重金属的抗性要比地上部强,这种特性为利用灯心草进行土壤重金属污染区的植被重建、固土和固沙蓄水提供了科学根据。2.25重金属的转运、吸收与释放特性灯心草在不同处理的单一重金属污染土壤中生长5个月后,植株体内重金属积累量见表4。对于地上部而言,在浓度梯度设置范围内,主要表现为3种变化趋势:随着重金属处理浓度的增高,Cd、Zn含量呈上升趋势,Pb、As含量呈先降后升的趋势,以及Cu含量呈先升后降的趋势。除Cu在处理水平3灯心草地上部积累量最大外,其他4种重金属积累量最大值均出现在处理水平4。对于地下部主要表现为2种变化趋势:随着重金属处理浓度的增高,Cd、Pb、Zn、As含量呈升高趋势以及Cu含量呈先升后降的趋势。灯心草地下部5种重金属最大值出现规律与地上部类似。从转运系数来看,5种重金属元素在灯心草植株中的迁移能力为:Cd>Zn>Cu>Pb>As,除Cd外其余4种都是根系中的含量高于茎叶,这与以往许多报道基本一致。Cd的迁移性较强,转运系数均大于1。Cd不仅易被灯心草根系吸收,而且易向地上部迁移,其运输机制有待进一步研究。灯心草对Cd、Zn、As3种重金属的转运系数没有表现出特定的变化趋势,Cu的转运系数则呈先降后升的变化趋势,土壤中Cu含量为400mg·kg-1时灯心草对Cu的转运能力反而有所提高。在各处理水平下,灯心草对Pb的转运系数均小于1,并随Pb浓度增高而急剧下降。大量的研究报道,Pb进入植物体后绝大部分累积在根部,本文的试验支持这一看法。其原因是Pb在根系主要以Pb(PO4)和PbCO3等沉淀形式存在,植物汁液中虽然也有离子态Pb和络合态Pb存在,但由于吸持、钝化或沉淀作用,使植物根系吸收的Pb难以向地上部运输。试验结果表明,在设计的浓度范围内,灯心草吸收重金属的量随土壤重金属浓度升高相应增加,但吸收比率趋于下降。这主要是由于土壤重金属浓度增高使植物吸收机能逐渐受到阻碍的原因。2.3外源污染物对土壤中cd、pb、as的吸收为揭示单一重金属污染条件下灯心草各部位对土壤中5种重金属的吸收规律,以土壤中重金属添加量为自变量X,植物地上部和地下部对重金属的吸收量为应变量Y,进行线性回归分析,回归分析结果见表5。由表5可以看出,灯心草对Cd、Pb的吸收量与土壤中Cd、Pb添加量呈极显著正相关。灯心草地下部As吸收量与土壤As添加量也呈极显著正相关。这表明外源添加的Cd、Pb、As均能被灯心草特定部位有效吸收,其添加量在一定程度上代表着土壤中Cd、Pb、As的有效量。在这种条件下,研究灯心草对Cd、Pb、As的积累量和土壤添加量间的关系,既能反映灯心草植物的有效性,又能说明土壤中重金属的含量,具有较强的代表性。分析表明,灯心草地上部和地下部对Cu的吸收,灯心草地上部对Zn和As的吸收与土壤添加量之间均未达到显著相关程度,这可能与灯心草对Cu、Zn、As的吸收转运机制有关。众多研究表明,重金属元素在作物体内吸收和转运的机制与各元素在植物体内的吸收机制及生物化学过程密切相关。此外,植物体对重金属元素的吸收还受土壤Eh值、pH值、土壤有机质含量以及重金属赋存形态等诸多因素影响。3灯心草地上部生物量(1)在盆栽试验设置的低浓度范围内,Cd、Pb、Cu对灯心草生长具有一定刺激作用,而As(地上部除外)、Zn在整个浓度设置范围内对灯心草生长都表现出抑制作用。各重金属对灯心草地上部生物量的影响大于地下部。对灯心草生