重金属复合胁迫对灯心草生长的影响

重金属复合胁迫对灯心草生长的影响

0超累积植物的应用环境中的重金属单元素少。在大多数情况下，它是由元素、重金属和其他污染物引起的复合污染。由于复合污染中污染物对生物水体的影响与单一污染物的影响不同，因此复合污染研究可以客观地反映环境中污染物与生物水体之间的相互作用规律和机制。对重金属元素之间的复合污染研究国内外学者做了大量的工作,其中两元素复合污染研究比较多,但多元素复合污染研究的报道较少。目前,在治理重金属污染土壤的众多方法中,植物修复技术因其治理效果的永久性、治理过程的原位性、治理成本的低廉性、环境美学的兼容性、后期处理的简易性等特点,受到人们的普遍关注。利用植物从污染土壤中提取重金属效率的高低取决于植物本身的属性。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、土壤环境条件以及重金属复合污染制约的限制,在实际应用中能够去除土壤污染元素的总量较小,因而作为土壤修复植物,具有较小的经济和应用价值。而一些普通植物虽然对重金属耐性低,组织中重金属累积量也不高,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,因而也具有极大的利用价值。对此,仅仅利用植物的生物富集系数和转运系数作为超累积植物的评价指标是远远不足的,还必须考虑植物的生长周期和生物量。即富集质量分数虽未达某一水平,但生长快、生物量大的植物也能作为超富集植物。在植物富集重金属方面,有研究表明,植物体内复杂的转运和分配机制控制了重金属吸收和储存的速率,但转运系统的机理、定位、结构和功能等还处于推测阶段。目前有关重金属污染对植物生长的影响及其在植物体内分布和富集方面的研究还主要集中于陆生植物,而对湿地植物的研究还涉及较少。我国湿地植物物种资源丰富,筛选一些具有一定经济价值的非食用的湿地植物作为重金属污染土壤修复植物不失为一条实现经济与环境双赢的可取途径。灯芯草(JuncusEffuses),别名野席草、灯草、水灯心,是席草类莎草科蒲草属多年生草本作物,在我国分布较广。灯心草以其经济、药用价值高而广泛应用于医药和民用工业,在利用其治理城市污水方面也有相关报道。Cd、Pb、Cu、Zn、As5种重金属元素可代表采矿及冶炼厂所排污水和大气的典型污染物,由其导致大面积的土壤污染给我国农业生产和人们身体健康造成了极大的不利影响。笔者以Cu、Cd、Pb、Zn、As5种重金属作为复合胁迫因子,以现行土壤环境质量标准为浓度设置依据,探讨5种重金属对灯心草生长的生态系统的重建提供科学依据,借以丰富环境污染生态学内容。1材料和方法1.1土壤重金属污染供试土壤为红壤性水稻土,采自湖南农业大学教学实习基地。同时采集两种污染土壤——铅锌尾矿污染土和矿毒水污染土与盆栽模拟试验对比。两种污染土壤均采自湖南省郴州市苏仙区东河流域,该区域的农业土壤由于长期受上游有色金属矿洗矿废水的污染,特别是1985年特大山洪将东坡120万t的尾砂坝冲垮,尾矿砂覆盖于该区域的农田上,造成农田土壤被重金属严重污染,其上生长的粮食作物和其他作物的产量明显下降,并不同程度地存在品质问题。供试土壤的基本理化性质见表1。供试植物为典型的湿生植物——灯心草(JuncusEffuses),野外采集。各重金属添加形式:CdCl2·2.5H2O、Pb(NO3)2、CuCl2·2H2O、Zn(NO3)2·6H2O、Na2HAsO4·7H2O均为分析纯试剂。陶瓷盆:直径为30cm,高为20cm。1.2不同浓度重金属污染土壤元素和养分生物量供试土壤经自然风干、捣碎、剔除杂物后过2mm筛,同时测定其基本理化性质及重金属含量背景值。于陶瓷盆中装土5kg,按预先设置的浓度(见表2)于每盆中添加CdCl2·2.5H2O、PbNO3、CuCl2·2H2O、ZnNO3·6H2O、Na2HAsO4·7H2O等各外源重金属,同时按盆栽作物对养分的需求(即N200mg/kg、P2O5100mg/kg、K2O150~200mg/kg),分别加入尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾400mg/kg、200mg/kg、300mg/kg,喷施清水充分混匀后平衡一周,作为模拟不同浓度的重金属污染土壤。从野外采集长势一致的灯心草用蒸馏水洗净根系上粘附的土壤和杂质后分别于每盆中移栽90株,并将每株在距土面5cm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。生长至150d后收获,沿土表剪取地上部,测量株高并观察记录其分蘖数,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。1.3气体免疫法检测Cd、Pb、Cu和Zn含量的测定:土样经王水-高氯酸消化,植株分地上部和地下部采用浓硝酸-高氯酸消化,原子吸收分光光度计(瓦里安—AA240FS,美国产)测定。As的测定:二乙基二硫代氨基甲酸银比色法测定。试验结果为3次结果平均值。数据处理采用MicrosoftExcel进行相关性检验和DPS3.01中文数据统计软件进行方差分析和多重比较。2复合重金属胁迫对灯心草生长和地上部干重的影响2.1复合重金属胁迫对灯心草生长的影响2.1.1复合重金属胁迫对灯心草分蘖的影响表3显示,在土壤环境质量二级标准上限值浓度范围内,灯心草分蘖数与对照相比无显著差异,而且在处理水平1处高于对照,说明该重金属浓度处理水平对灯心草分蘖数具有一定的促进作用。当土壤中重金属浓度超过土壤环境质量二级标准上限值后,灯心草分蘖数开始显著低于对照(P<0.05)。铅锌尾矿和矿毒水污染对灯心草分蘖数的抑制均达到了显著程度,且铅锌尾矿污染的抑制作用大于矿毒水污染。2.1.2复合重金属胁迫对灯心草株高的影响从表3可知,复合重金属胁迫对灯心草株高的影响程度较大,即使在土壤环境质量二级标准上限值浓度范围内株高与对照相比也有显著性差异,分别比对照下降了5.90%和8.36%。当土壤中重金属浓度超过土壤环境质量二级标准上限值后,株高下降更快,表明5种重金属对灯心草株高的影响存在剂量-效应关系。生长在矿毒水和铅锌尾矿污染土壤中的灯心草株高与对照比较受抑制情况与分蘖数相似。2.1.3复合重金属胁迫对灯心草地上部生物量的影响重金属对植物影响的最终结果是反映在生物产量上。国家土壤环境容量协作组通过应用生态环境效应法于1991年制定了以作物产量为依据来确定土壤临界含量的标准。该标准规定将植物生物量或产量减少5%~10%(灯心草由于产量数额小取高限)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,随着土壤中复合重金属浓度的升高,灯心草地上部生物量呈减产趋势。在处理水平1处与对照相比没有显著差异,只比对照下降了3.49%,从处理水平2处便开始显著低于对照。虽然在土壤环境质量二级标准上限值处(处理水平2)灯心草地上部生物量相对于对照下降显著,但减产幅度为9.15%(小于10%)。据此,可以初步将土壤环境质量二级标准上限值设定为土壤中5种重金属对灯心草的毒性效应临界值。同时通过对灯心草分蘖数—地上部干重和株高—地上部干重的回归分析,结果表明灯心草分蘖数、株高和地上部干重呈显著正相关(相关系数分别为0.921和0.935)。因此,可以认为复合重金属胁迫对灯心草地上部干重的影响主要是通过影响其分蘖数和株高造成的。同时发现生长在矿毒水和铅锌尾矿污染土壤中的灯心草地上部生物量分别减产27.91%和36.23%,主要也是复合重金属污染对灯心草分蘖数和株高两项生长指标影响累积的结果。这对利用灯心草修复重金属污染土壤具有一定的参考价值。2.1.4复合重金属胁迫对灯心草地下部生物量的影响由表3的数据分析可知,虽然随着复合重金属浓度的升高,灯心草地下部干重呈下降趋势,但从减产幅度(4.06%~13.32%)来看,其受各重金属处理水平的影响程度比地上部干重小。推测原因可能有两点:一是由于灯心草地下部生物量较小,从而导致其产量变化不明显;二是由于灯心草地下部对复合重金属胁迫的抗性较强。具体原因还需进一步研究其根系生理生化指标的变化情况予以探明。同时在盆栽过程中进一步发现灯心草的主根系深入土层较深,且须根密生于整个土壤层。这一点对于将灯心草应用于尾矿地区的植被重建、固土和固砂蓄水具有一定的参考意义。3复合重金属胁迫对灯心草重金属积累特性的影响3.1浓度梯度设置范围内c、as和cu、zn的含量基于盆栽模拟试验Cd、Pb、Cu、Zn、As的复合处理水平,相应土壤中各重金属含量和植物吸收量见表4。由表4可知,灯心草在不同浓度处理水平重金属复合污染土壤中生长5个月后,Cd、Pb、Cu、Zn、As在植株体内的含量与分布均不相同。在浓度梯度设置范围内各重金属在灯心草茎叶内的积累主要表现为三种变化趋势:一是随着重金属处理浓度的增加,Cd、As在灯心草茎叶中的积累量表现为逐渐升高的趋势,最大值均出现在处理水平4,积累量分别达到3.28mg/kg和0.597mg/kg,在处理水平1时,元素As在灯心草中无积累;二是随着重金属处理浓度的增加,Cu、Zn在灯心草茎叶中的积累量表现为先升后降的趋势,最大值分别出现在处理水平1和处理水平3,积累量分别为对照的2.67倍和21.02倍;三是随着重金属处理浓度的增加,Pb在灯心草茎叶中的积累量表现为先升后降再升的变化趋势,先后在处理水平1和处理水平4处达到峰值,积累量分别为对照的2.88倍和2.29倍,在处理水平2处Pb积累量有下降的趋势。3.2重金属的转运分布由表4可知,各重金属在灯心草根系中的积累亦表现出两种明显的变化趋势:一是随着重金属处理浓度的增加,Cd在灯心草根系中的积累量呈现出先升后降的变化趋势,最大值出现在处理水平3,为对照的3.62倍;二是随着重金属处理浓度的增加,Pb、Cu、Zn、As在灯心草根系中的积累量呈不断上升趋势,最大值均出现在处理水平4,其中Pb、Cu、Zn分别为对照的14.58倍、7.24倍和43.27倍。从各重金属的转运系数来看,基本上都是根系中的浓度高于茎叶中的浓度,这与以往许多报道是基本一致的。但各重金属(除Pb外)在灯心草体内的转运系数表现出特定的变化趋势:Cd的转运系数呈先升后降再升的趋势;Cu的转运系数呈先升后降的趋势;Zn的转运系数呈先降后升再降的趋势;As的转运系数呈逐渐升高的趋势;Pb的转运系数虽无特定变化趋势,但各重金属浓度处理下Pb的转运系数均小于1,其原因是Pb在根系主要以Pb3(PO4)2和PbCO3等沉淀形式存在,在植物汁液中也有离子态和络合态Pb,由于吸持、钝化或沉淀作用,植物根系所吸收的Pb向地上部运输困难。由表4还可以看出,在处理水平4处以及生长在矿毒水和铅锌尾矿污染土壤中的灯心草体内Cd的转运系数均大于1,这就表明灯心草能把吸收的Cd较多地运输到地上部,其体内可能存在良好的运输机制,有待进一步研究。在矿毒水和铅锌尾矿处理下,各重金属在灯心草内的积累和分布规律似乎与模拟盆栽有些出入,这可能与两者的土壤理化性质和结构组成有关。同时发现在土壤环境质量二级标准上限值处各重金属在灯心草茎叶中的积累有下降的趋势,这与以上提到的各重金属处理水平对灯心草地上部生物量和各项生理生化指标的影响趋势大体一致。3.3as复合处理试验与土壤重金属含量关系为揭示土壤Cd、Pb、Cu、Zn、As复合污染对灯心草吸收重金属的影响规律,以土壤重金属含量为自变量,分别设土壤Cd、Pb、Cu、Zn、As含量为X1、X2、X3、X4、X5,植物地上部和地下部Cd、Pb、Cu、Zn、As的吸收量为Y,基于Cd、Pb、Cu、Zn、As复合处理试验样本测试的基础数据(见表4),进行了多元线性回归分析(表5)。由表5可知,Cd在灯心草地上部的积累量与土壤中Pb含量呈显著负相关,在地下部的积累量与土壤中Pb含量呈显著正相关,但与其他重金属含量不存在显著相关性;Pb、Cu在灯心草地上部的积累量与土壤中各重金属含量之间相关性均没有达到显著程度,Pb在灯心草地下部的积累量与土壤中Pb含量呈显著负相关,与As含量呈显著正相关;Cu在灯心草地下部的积累量与土壤中Pb、Zn含量呈显著正相关,与土壤中Cu、Zn、As含量呈显著负相关;Zn、As在灯心草地上部和地下部的积累量与土壤中各重金属含量之间均不存在显著相关性。由此不难看出,在5种重金属复合污染条件下,各重金属在灯心草植株中的积累量与土壤中各对应重金属含量间的自相关性不明显,同时由于土壤中5种重金属之间复杂的交互作用,导致各重金属在灯心草植株中的积累与分布存在显著的差异。4土壤环境质量(1)在Cd、Pb、Cu、Zn、As5种重金属复合污染条件下,灯心草地上部生长受抑制明显,与地上部相比灯心草地下部减产趋势不明显。在土壤环境质量二级标准上限值处,灯心草地上部生物量减产幅度小于10%。灯心草分蘖数、株高和地上部干重呈显著正相关。(2)随着复合重金属浓度的增高,灯心草叶绿素含量减少、叶绿素a/b值降低。同时,灯心草POD和SOD酶活性呈先升后降的变化趋势,CAT酶呈下降的趋势。在接近土壤环境质量标准低设计浓度下,灯心草3种酶活性有逐渐被激活的趋势,表现出