Pb、Cd復合脅迫下美人蕉的生長及富集特征

莊靜靜 周君麗 王曉冰 徐小博 王選年 郭暉

摘要：以美人蕉幼苗為材料，通過盆栽試驗研究不同含量Pb（0、100、500、1 000 mg/kg）和Cd（0、1、5、10 mg/kg）單一及復合脅迫對美人蕉幼苗株高、根長和生物量等的影響，以及Pb、Cd在美人蕉地下部分和地上部分的富集和遷移，探索美人蕉對修復Pb、Cd污染土壤的潛能。結果表明：（1）低含量Pb（≤500 mg/kg）對美人蕉幼苗株高、根長和生物量會產生促進作用，當含量升高時轉為抑制作用，且復合污染對美人蕉株高、根長和生物量的抑制作用要大于單一污染;（2）Pb、Cd主要積累于美人蕉地下部分，地上部分和地下部分的Pb含量均隨著處理Cd濃度升高而顯著增加;而地上部分和地下部分的Cd含量均隨著Pb處理濃度升高呈現先上升后下降的趨勢。（3）當Pb、Cd含量升高時，美人蕉的Pb富集系數呈下降趨勢;Cd的富集系數與對照相比，呈現先上升后下降的趨勢。美人蕉對Pb、Cd的遷移系數與對照相比，也呈先上升后下降的趨勢，且富集系數和遷移系數均<1。總的來說，美人蕉不屬于超富集植物，但對低含量Pb、Cd富集及遷移系數較高，且在單一Pb脅迫下，低含量Pb（≤500 mg）會促進美人蕉生長，因此可在低含量Pb、Cd污染土壤中種植美人蕉進行土壤重金屬污染修復。

關鍵詞：鉛鎘污染;美人蕉;復合脅迫;富集特征;生長

中圖分類號：S184;S682.2+20.1 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）07-0140-05

收稿日期：2021-07-07

基金項目：河南省自然科學基金（編號：212300410219）;河南省高等學校重點科研項目（編號：20B180014）;河南省新鄉(xiāng)市軟科學研究計劃（編號：RKX2020015）。

作者簡介：莊靜靜（1988—），女，河南洛陽人，博士，講師，從事污泥重金屬修復和土壤碳循環(huán)研究。E-mail：zhuangjingnd@126.com。

通信作者：郭 暉，碩士，副教授，從事植物抗逆性及污泥重金屬修復研究。E-mail：290711657@qq.com。

近年來，隨著工業(yè)和農業(yè)現代化的快速發(fā)展，工業(yè)“三廢”和農藥的不合理排放，我國部分地區(qū)土壤出現了一定程度的重金屬污染。鉛（Pb）是土壤污染中主要的重金屬元素，受其毒害嚴重的作物不能正常生長，且會顯著影響植物的生物量[1]。鎘（Cd）是一種劇毒重金屬元素，極易通過食物鏈在人體內積累，危害人體健康[2]。因此，開展Pb和Cd污染環(huán)境的修復研究具有重要的現實意義，并已受到一定的關注[3]。植物修復是指直接或間接利用植物或植物組織培養(yǎng)物在原位去除或控制耕地土壤、大氣水體沉積物、固體廢棄物、地表水、地下水、污泥和大氣等環(huán)境介質中的如重金屬、類金屬、放射性元素和有機污染物等有毒有害物質，從而最大限度地降低或消除其環(huán)境風險的環(huán)境友好修復技術[4]。但目前鉛、鎘污染土壤植物修復中多以非觀賞性植物為研究對象，包括經濟作物[5]、糧食作物[6-7]、蔬菜作物[8-10]等。觀賞植物除了觀賞價值高和美化環(huán)境外，還具有生長快、生物量較大、可反復收割利用等優(yōu)點，且對Pb、Cd有一定的積累和耐受能力，具備修復重金屬污染土壤的優(yōu)勢[11]。在現實環(huán)境中，土壤重金屬污染往往是多種重金屬并存的復合污染，并伴隨元素間的相互作用和生態(tài)效應的綜合響應圈[12]。多種污染物交互作用形成的聯合毒性效應的研究已成為環(huán)境科學發(fā)展的重要方向之一[13]。因此，本研究以美人蕉（ Canna indica ?L.）為對象，研究在鉛、鎘單一及復合體系下的生長狀況和積累特性，以期為今后進一步探討植物對重金屬耐性和鉛鎘富集植物的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物選取長勢基本一致的美人蕉，均采購于河南省新鄉(xiāng)市花卉市場。盆栽供試土壤采自新鄉(xiāng)學院校區(qū)內的裸露空地，取回土壤后將其風干、過篩，用作盆栽用土[14]。土壤類型為黃潮土，土壤pH值為7.65，有機質含量為8.27 g/kg，堿解氮含量為 58.85 mg/kg，速效磷含量為1.85 mg/kg，速效鉀含量為125.88 mg/kg。經測定，土壤重金屬鉛背景值為12.87 mg/kg，重金屬鎘背景值為0.03 mg/kg（與添加Pb、Cd含量差異較大，可忽略不計）。重金屬試劑為Pb（NO 3） 2、CdCl 2·2.5H 2O。

1.2 試驗方法

2019年6月，將供試土壤剔除雜物后自然風干，裝至50 cm×35 cm（直徑×高）的培養(yǎng)盆內，每盆裝土50 kg，厚度約10 cm。選擇長勢健壯和高度基本一致的美人蕉幼苗移植盆內進行培養(yǎng)，并按表1中對應的鉛、鎘濃度以溶液形式加入供試土壤中，以加入去離子水為對照。試驗共設置16個處理。2019年7月開始試驗，于2019年8月結束試驗，試驗歷經60 d。

1.3 測定指標與方法

2019年8月，將美人蕉整株取出，并用去離子水清洗干凈，用直尺測量和計算美人蕉的高度和根系的平均長度。隨后將地上部、根系放入烘箱在120? ℃下干燥30 min，然后在75 ℃下烘干24 h，稱質量，計算其生物量[15]。美人蕉中重金屬含量采用HNO 3-HClO 4混合酸濕法進行消解[14]。采用 TAS-990 火焰型原子吸收光譜儀（北京普析通用儀器有限責任公司）測定植物體內鉛、鎘含量[14]。

1.4 數據處理

遷移系數（TF）=植物地上部重金屬含量/根部該元素含量;富集系數（BCF）=植物地上部（或根）重金屬含量/土壤中該元素含量。

1.5 數據統(tǒng)計分析

數據采用Excel 2013預處理，采用SPSS 21.0軟件進行單因素方差分析，圖形采用Origin 9.0繪制。

2 結果與分析

2.1 鉛-鎘復合脅迫對美人蕉株高和根長的影響

如表2所示，在Pb單一脅迫下，美人蕉株高隨Pb含量升高表現出先上升后下降的趨勢，最高值為P3C1處理（86.31 cm），比P1C1處理株高（80.01 cm）增加7.87%;美人蕉株高的最低值為P4C1處理（65.71 cm），顯著低于其他處理（ P <0.05）。在Cd單一脅迫下，隨Cd含量升高美人蕉的株高逐漸下降，最低值為P1C4處理（60.37 cm），比P1C1處理株高下降24.55%。所有Pb-Cd復合脅迫處理下美人蕉的株高都低于P1C1處理組。

由表3可知，在500 mg/kg Pb單一脅迫下，美人蕉的根長比P1C1處理顯著長18.86%;但P4C1處理美人蕉根長與P1C1處理差異不顯著。在Cd單一脅迫下，隨Cd含量升高，美人蕉根長表現出逐漸下降的趨勢，分別較P1C1降低8.26%、28.55%和41.65%，表明Cd單一脅迫顯著抑制了美人蕉根長的生長。在 Pb-Cd 復合脅迫下，P2C2處理美人蕉的根長較P1C1處理短9.35%，且其他Pb-Cd復合脅迫下（P2C3、P3C3、P4C3、P2C4、P3C4、P4C4處理）美人蕉的根長明顯短于P1C1，說明Pb-Cd復合脅迫對美人蕉根長的生長有一定的影響。

2.2 鉛-鎘復合脅迫對美人蕉生物量的影響

如表4所示，在Pb單一脅迫下，美人蕉生物量隨Pb含量上升表現出先升高后降低的趨勢，生物量最高的為P3C1處理（97.71 mg）， 顯著高于P1C1處理（ P <0.05），比對照增加10.01%;生物量最低的為P4C1處理，顯著低于P1C1處理，比P1C1處理（88.82 mg）下降3.02%。在Cd單一脅迫下，美人蕉生物量隨Cd濃度升高呈現出逐漸降低的現象，最低的為P1C4處理，P1C4處理生物量（59.44 mg）比P1C1處理下降33.08%。在Pb-Cd復合脅迫下，美人蕉生物量最高的為P2C2處理，比P1C1處理下降12.40%。隨Pb、Cd含量升高，美人蕉生物量均呈現下降趨勢，其中P4C4處理生物量（29.67 mg）比P1C1處理下降66.60%。

2.3 美人蕉對鉛、鎘吸收積累特性

由圖1可知，在Pb單一脅迫下，美人蕉地上部分和地下部分Pb含量隨土壤中Pb濃度提升而增加，Pb含量表現為地下部分>地上部分。由此可知，Pb主要存儲于根系中。在Pb-Cd復合脅迫下，地上部分和地下部分的Pb含量隨Cd含量上升呈現下降趨勢，Cd離子的存在抑制了美人蕉對Pb的吸收。由圖2可知，在Cd單一脅迫下，美人蕉地上部分和地下部分Cd含量隨土壤中Cd含量增加而上升。在Pb-Cd復合脅迫下，P2處理組地上部分和地下部分Cd含量高于P1C1處理，這說明低含量的Pb（100 mg/kg）促進了美人蕉對Cd的吸收，但Pb含量達到500 mg/kg之后，美人蕉地上部分和地下部分Cd含量迅速下降。

2.4 美人蕉對鉛、鎘的富集和遷移

富集系數是評價植物吸收積累重金屬能力的重要指標[16]，它是植物體內的重金屬含量與土壤中的重金屬含量的比值，比值越大則表示該植物對重金屬的富集能力越強[17]。如圖3所示，在Pb單一脅迫下，Pb的富集系數為0.08～0.19，且隨土壤中Pb含量升高而降低。在Pb-Cd復合脅迫下，同一Pb含量下，Pb富集系數隨Cd含量升高而降低。在Cd單一脅迫下，Cd富集系數為0.16～0.38，且隨土壤中Cd含量升高而逐漸降低，說明低濃度的Cd脅迫有助于美人蕉對Cd的富集。在Pb-Cd復合脅迫下，P2C2處理（100 mg/kg）Cd富集系數高于其他處理，其余處理Cd富集系數隨Cd含量升高而降低。

遷移系數是植株地上部組織重金屬含量/植株根部重金屬含量[18]，表征植物根部向地上組織運輸重金屬的能力[16]。TF越大，說明植物對重金屬的吸收效果越好。由圖4可知，在單一脅迫下，Pb、Cd的遷移系數為0.01～0.17、0.09～0.63。Pb的遷移系數隨土壤中鉛含量的增加而先上升后下降，說明高濃度的鉛脅迫不利于美人蕉對Pb的轉移。Cd的遷移系數則隨土壤中鎘含量的增加而逐漸下降，這是由于Cd在植物體內的運輸是借ATP的主動運輸方式，隨Cd濃度的增大，ATP活性降低，從而抑制了Cd由根系向地上部分的轉運[19]。在Pb-Cd復合脅迫下，Cd的遷移系數均隨鉛含量增加呈先上升后下降，而隨鎘含量的增加逐漸下降。

3 討論

本研究發(fā)現，不同含量的Pb、Cd單一或復合脅迫均會抑制美人蕉的生長，且復合脅迫抑制作用強于單一脅迫。當Pb、Cd在植物中積累到一定含量時，會影響植物生長，嚴重時會導致植物死亡[20]。在本研究中，低含量Pb（≤500 mg/kg）會促進美人蕉株高和根長的生長，但當Pb含量上升為1 000 mg/kg時，則抑制美人蕉株高和根長的生長，且復合脅迫抑制作用強于單一脅迫。在鎘單一脅迫下，美人蕉的株高和根長隨鎘濃度的增加而降低。孫博文等發(fā)現，Pb濃度大于200 mg/L、 Cd濃度大于20 mg/L，均會不同程度地抑制白花蛇舌草幼苗的主根長、株高、生物量及葉綠素含量，且復合脅迫的抑制作用強于單一脅迫[21];劉大林等發(fā)現，低含量鉛（<100 mg/kg）、鎘（<50 mg/kg）能明顯促進飼用高粱的生長[22];喬永等發(fā)現，低含量Pb（250 mg/kg）、Cd（0.2 mg/kg）會對桑樹幼苗株高、生物量產生促進作用，當含量升高時轉為抑制作用[17]。

地上部分生物量是衡量植物修復能力的重要指標之一[23]。在本研究中，低含量Pb、Cd處理對美人蕉生物量基本沒有影響，但伴隨重金屬含量升高美人蕉生物量逐漸減小，其中P3C1處理的生物量最高，復合脅迫抑制作用強于單一脅迫，這與許多試驗植物對重金屬的生理響應結果類似。王鴻燕等發(fā)現，在500 mg/L Pb單一脅迫下，溪蓀幼苗地下部分干質量比對照顯著降低18.20%[3]。這是因為根部細胞壁大量固定的Pb2+會影響Ca2+跨膜運輸，使Ca-ATP酶與鈣調素CAM無法激活，影響根尖細胞的有絲分裂，減少植物根系對其他營養(yǎng)成分的吸收，最終抑制植株地上部分的生長[24]。

隨著污染處理中Pb、Cd含量的增加，美人蕉地上部分和地下部分的Pb、Cd含量也逐漸增加，且表現為地下部分>地上部分，這與大多數植物在重金屬環(huán)境中的組織積累結果一致。王天順等發(fā)現，對于Cd和Pb來說，植物組織內的Pb、Cd含量順序為根>莖>葉[18];李蕭蕭等發(fā)現，復羽葉欒樹對Pb吸收表現出就近積累的特性，即其體內的Pb含量表現為根>莖>葉[25];周強英等發(fā)現，秋楓對Pb和Cd的富集表現為根部多于地上部，且Pb和Cd間具有協同效應[26]。說明植物體內地上部分和地下部分的重金屬含量與復合污染土壤中重金屬的含量密切相關。總的來講，植株地上部分和地下部分重金屬含量隨著土壤重金屬含量的增大而增大。

富集系數是評價植物吸收積累重金屬能力的重要指標，一般來說，系數越大，植物的富集效率越高[16]。本研究中美人蕉對Cd的富集和遷移能力高于Pb，與喬永等對Pb、Cd復合脅迫對桑樹、美人蕉生長的影響研究結果[17，27]一致。在本研究中，Pb和Cd的富集系數最大的均為P1C1處理，分別為0.19和0.38，表明美人蕉根部對Pb、Cd吸收累積能力大于地上部。遷移系數是指植株地上部組織重金屬含量/植株根部重金屬含量[28]，可以表征植物根部向地上組織運輸重金屬的能力[18]。本研究表明，在所有污染處理條件下美人蕉對Pb和Cd的遷移系數均小于1，且Pb、Cd在不同處理之間的遷移系數不同，但總體隨著Pb、Cd污染濃度的增加逐漸下降。這與張呈祥等的研究結果[19，29-30]一致，由此可知，美人蕉吸收的Cd主要積累在根系中，運輸到地上部分的相對較少。美人蕉雖然沒有達到超富集植物的標準（ BCF>1、TF>1 ），但針對目前發(fā)現的超富集植物富集濃度極大，而生物量小、富集總量低的缺點，美人蕉具有自身的優(yōu)勢[31]：（1）美人蕉在低濃度鉛鎘污染土壤中有較強的富集能力，且具有生物量大的特點。（2）美人蕉是多年生球根花卉，其形態(tài)優(yōu)美、花色艷麗、適應性強、管理粗放，作為當前城市節(jié)約型綠化的重要地被材料被廣泛應用。因此，將美人蕉種植在污染較輕的區(qū)域，不僅是一種利用價值高的修復植物，同時可獲得很好的綠化效果。

4 結論

Pb、Cd單一及復合脅迫均對美人蕉幼苗生長具有抑制作用，復合脅迫抑制作用強于單一脅迫。低含量（≤500 mg/kg）Pb脅迫會促進美人蕉生長和生物量累積，高含量則轉為抑制作用。土壤中的Pb、Cd進入美人蕉后主要富集在地下部分，美人蕉對低含量的Pb、Cd具有較高的富集能力，復合脅迫抑制作用強于單一脅迫。美人蕉對Pb、Cd富集及遷移系數均小于1，不屬于超富集植物。可在Pb、Cd含量較低（<500、<5 mg/kg）的土壤中開展種植美人蕉污染修復模式，同時實現經濟效益和生態(tài)效益。

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