向日葵對重金屬復合污染土壤中Cd、Zn、Pb、Cr 的吸收 和轉運特性研究

吳運東，郭旭麗，李朋朋，王煒瑋，栗 萍，白雪峰

（1.邯鄲學院生命科學與工程學院，河北 邯鄲 056006；2.河北工程大學醫學院， 河北 邯鄲 056038；3. 河北省生態環境監測中心，河北 邯鄲 056001）

向日葵是一種生物量大、生長迅速的一年生草本植物[12]，也是一種重要的經濟作物，具有較高的食用、藥用和觀賞價值，其在土壤重金屬污染修復領域的應用潛力較大。Cd、Zn、Pb、Cr 是土壤中常見的4 種重金屬，在過量的情況下均對植物有較強的毒害作用[13-17]。已有研究發現，在Cd 脅迫下向日葵成熟葉片和幼葉的生長參數和葉面積均有所降低[18]，土壤中Zn 過量時會抑制向日葵生長，其生物量、種子數和種子重量均有所下降[19]。向日葵吸收的Pb 主要集中在莖和葉片的維管束區域，且葉片中含量較高[20]。Aslam 等[21]研究了向日葵對Cr 的吸收規律，發現根、莖和果實中Cr 含量變化顯著，而葉片的Cr 含量變化不顯著，Groppa[22]研究了Cd 和Cu 對向日葵種子萌發和初始根發育的影響，結果顯示2 種重金屬存在時，向日葵幼苗的根生長受到顯著抑制，且Cd 的抑制作用更強。在Pb 和Cd 含量均為200 mg/kg 的土壤中，向日葵莖和根的鮮重下降，且株高變短，Cd 的轉運系數隨土壤中Cd 含量的增加而增加；Pb 的轉運系數則隨土壤中Pb 含量的增加而降低[23]。目前，已經報道的利用向日葵修復Cd、Zn、Pb、Cr 單一或2 種重金屬污染土壤的研究較多，而對于Cd、Zn、Pb 和Cr 4 種重金屬復合污染土壤中向日葵的生長情況及其對重金屬的富集效果的研究還鮮見報道。

在多種重金屬污染同時存在的條件下，植物對重金屬污染的響應和富集情況可能與單一重金屬污染時有較大差異。土壤重金屬污染往往是多種重金屬綜合作用的結果，植物富集單一重金屬的機理難以適用多種重金屬共同存在的復雜污染情況，因此十分有必要開展多種重金屬復合污染條件下植物富集不同重金屬元素的機理研究，以期為多種重金屬復合污染土壤的修復提供參考。

筆者以向日葵為模式植物，采用盆栽試驗研究了Cd-Zn-Pb-Cr 復合污染脅迫下向日葵的生長情況及其對各重金屬的富集能力，為利用向日葵治理多種重金屬復合污染的土壤提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自邯鄲學院校園內，為褐土，土層深度為10～20 cm，土壤基本性質如下：pH 值7.44（土與水的質量比1 ∶5），有機質41.35 g/kg，全N 1.52 g/kg，全P 0.82 g/kg，全K 12.63 g/kg，全Cd 0.72 mg/kg，全Zn 12.83 mg/kg，全Pb 23.54 mg/kg，全Cr 24.89 mg/kg。供試向日葵品種為金色莫妮卡。

1.2 試驗方法

土壤風干、破碎后，過60 目篩，分別添加外源Cd、Zn、Pb 和Cr（ 添 加CdCl2、ZnCl2、PbSO4、K2Cr2O7），試驗設6 個處理，如表1 所示。混合了重金屬的土壤裝入塑料花盆（上口徑25 cm、底內徑20 cm、深20 cm）中，每盆裝土2 kg，混合均勻后備用。每盆種植大小形態類似的3 株向日葵，每個處理4 次重復。

移栽65 d 后，測量向日葵的株高、莖粗、真葉數，并將植株取出，按根、莖、葉、花分開，用蒸餾水洗凈后將樣品放在烘箱中105℃殺青30 min，之后80℃烘干至恒重，粉碎后過100 目篩，使用硝酸-高氯酸體系消解后待測。

表1 試驗設計 （mg/kg）

1.3 分析方法

采用原子吸收分光光度法（普析通用TAS990）分析植株和土壤中Cd、Zn、Pb、Cr 含量。采用試劑空白和內標以保證樣品分析的準確度和精密度。

通過生物富集系數（BCF）和轉運系數（TF）評估向日葵對重金屬的富集能力。BCF和TF的計算見公 式（1）和（2），式中，含量和濃度單位均為mg/kg。

1.4 數據處理

使用Excel、SPSS 24.0 和Origin 9.0 等軟件對數據進行處理分析，結果用平均值±標準偏差（S.D.）表示。通過ANOVA 分析與Duncan 多重比較對數據進行統計分析。

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2 結果與分析

2.1 各處理向日葵的生長情況

從圖1 中可以看出，與對照相比，T1 處理向日葵株高、莖粗和莖、葉、花的干重均有所提高，表明Cd-Zn-Pb-Cr 低濃度脅迫對向日葵的生長有促進作用，隨著重金屬含量的繼續增加，向日葵各項生長指標均呈下降趨勢，表明Cd-Zn-Pb-Cr 高濃度脅迫對向日葵的生長會產生抑制作用。T6 處理向日葵的平均株高最矮，為44.1 cm，顯著低于對照處理（P＜0.05）；隨著Cd-Zn-Pb-Cr 濃度的升高，向日葵莖粗呈變細的趨勢，T6 處理向日葵的平均莖粗最細，為4.80 mm；T5 和T6 處理向日葵的真葉數為4 對，比其他處理少1 對；向日葵的干重隨著Cd-Zn-Pb-Cr 濃度的升高呈先微弱升高后下降的趨勢，T6處理單株向日葵植株根、莖、葉、花的平均干重分別降至0.94、4.44、2.14、0.69 g。

圖1 Cd-Zn-Pb-Cr 復合污染下各處理向日葵的生長情況

2.2 各處理向日葵植株不同部位的重金屬含量

2.2.1 Cd 含量如圖2 所示，當復合污染土壤中Cd添加量為0～300 mg/kg（CK、T1、T2、T3）時，植株各部位富集的Cd 含量由高到低表現為葉＞根＞莖＞花；當土壤中Cd 添加量為400～600 mg/kg（T4、T5、T6）時，植株各部位富集的Cd 含量由高到低表現為根＞葉＞莖＞花，當土壤中Cd 含量為600 mg/kg，根、葉、莖、花對Cd 的富集量分別為362.43、324.80、195.21、113.24 mg/kg。

2.2.2 Zn 含量由圖3 可知，向日葵植株對Zn 富集效果較好的部位是根和葉，當土壤中Zn 添加量為1 200 mg/kg（T6）時，根和葉對Zn 的富集量分別為259.21 和227.32 mg/kg；莖和花對Zn 的富集量分別為154.32 和87.12 mg/kg。當Zn 添加量＜900 mg/kg 時，葉的富集效果優于根、莖、花，而Zn 添加量≥900

圖3 Cd-Zn-Pb-Cr 復合污染土壤中向日葵植株中Zn 含量變化

mg/kg 時，根的富集效果優于葉、莖和花。

2.2.3 Pb 含量由圖4 可知，向日葵不同部位富集的Pb 含量差異較大，向日葵植株對Pb 富集效果較好的部位是根和葉，當土壤中Pb 添加量為1 200 mg/kg （T6）時，根和葉中的Pb 含量分別為177.54 和144.45 mg/kg，莖和花對Pb 的富集效果較差，其Pb 含量分別為67.88 和44.98 mg/kg。當Pb 添加量＜800 mg/kg時，葉富集效果優于根，而當Pb添加量≥800 mg/kg時，根的富集效果優于葉。

2.2.4 Cr 含量如圖5 所示，向日葵植株對Cr 富集效果較好的部位也是根和葉，與其他3 種重金屬富集效果不同的是，向日葵根和葉中的Cr 含量隨土壤中Cr含量的增加而增加，但花和莖中Cr 的含量基本保持不變。當土壤中Cr 添加量為100 mg/kg（T6）時，向 日葵根、葉、莖和花中的Cr 含量分別為113.76、59.66、10.43 和6.15 mg/kg。在同一處理水平下，向日葵植株各部位對Cr 的吸收效果均表現為根＞葉＞莖＞花；且隨著Cr 添加量的增加，向日葵根部富集Cr所占比例上升，而地上各部位富集的Cr所占比例下降，表明向日葵植株對Cr 的轉運效果較差，根部吸收的Cr 不易轉移到莖、葉、花等地上部位。

圖4 Cd-Zn-Pb-Cr 復合污染下向日葵植株中Pb 含量變化

圖5 Cd-Zn-Pb-Cr 復合污染下向日葵植株中Cr 含量變化

2.3 向日葵對4 種重金屬的富集和轉運能力

BCF 是評價植物吸收積累重金屬能力的重要指標，數值越大，說明該植物富集效率越高[24]。由圖6A 可知，4 種重金屬中向日葵植株對Cd 的富集能力最強，其次是Cr，而對Zn 的富集能力排第三，對Pb的富集能力最差。隨著土壤中重金屬含量的增加，向日葵植株對Cd 的BCF 迅速下降，對Cr 的BCF 先升高后下降最后維持在0.2 左右，對Zn 的BCF 持續下降最后維持在0.1左右，對Pb的BCF則始終維持在0.06左右。

TF 反映了植物地上部轉運根部重金屬吸收量的能力，是衡量植物修復重金屬污染的重要指標，TF值越大，說明植物對重金屬的轉運效果越好[25]。由圖6B 可知，向日葵對4 種重金屬的TF 值均小于1，表明向日葵根系中的重金屬含量均高于地上部分的重金屬含量；隨著土壤中重金屬含量的增加，向日葵植株對Cd 的TF 持續減小，最終維持在0.6 左右，對Cr的TF 也呈持續下降趨勢，但對Zn 和Pb 的TF 則持續升高。

圖6 Cd-Zn-Pb-Cr 復合污染土壤中向日葵對4 種重金屬的BCF 和TF 變化情況

3 結論與討論

研究了向日葵在Cd-Zn-Pb-Cr 復合污染土壤中的生長情況及其對重金屬的富集轉運能力，結果表明：低濃度Cd-Zn-Pb-Cr 復合污染對向日葵的生長沒有產生明顯影響，但高濃度污染脅迫下向日葵植株的生長受到明顯抑制，表現為株高變矮、莖粗變細、真葉數減少、生物量降低；隨著重金屬添加量的提高，向日葵不同部位的重金屬富集量均隨之增加，整體來看，對Cd-Zn-Pb-Cr 富集效果最好的植株部位是根和葉，莖和花的富集量均較低；4 種重金屬中向日葵植株對Cd 的富集能力最強，其次是Cr，而對Zn 的富集能力排第三，對Pb 的富集能力最差；向日葵對4 種重金屬的TF 值均小于1，根系中的重金屬含量均高于地上部累積量。

向日葵能在重金屬污染土壤中正常生長，可能原因是其能把有毒金屬離子分布在特定的組織、器官或細胞器中，形成難溶的化合物或特定的有機化合物[26]。在試驗設計的6 個Cd-Zn-Pb-Cr 復合污染水平下，向日葵對4 種重金屬的富集量均未達到超富集植物所規定的臨界值（重金屬吸收量超過一般植物100倍以上）。向日葵的地上部分生物量大，對重金屬的轉運能力較強，對復合重金屬污染有一定的耐受性，可認為其具備了超富集植物的部分特征。

向日葵是重要的油料作物，種子的含油量較高，修復土壤后收獲的植株和種子可作為制備生物柴油的原料[27]，避免重金屬進入食物鏈危害人體健康；另外，其較大的生物量還可用于活性炭的制作[28]；在種植過程中，向日葵龐大的根系還具有保持水土功能。因此，向日葵作為復合重金屬污染土壤的修復植物具有較大的潛在應用價值。