浙江大学学报(农业与生命科学版)  2017, Vol. 43 Issue (5): 615-622
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毛竹幼苗与伴矿景天间作对铜镉锌转运积累的影响[PDF全文]
刘晨1,2, 郭佳3, 赵敏4, 钟斌1,2, 郭华1,2, 侯淑贞1,2, 徐炜杰1,2, 杨芸1,2, 王任远1,2, 叶正钱2, 柳丹1,2    
1. 浙江农林大学,亚热带森林培育国家重点实验室,杭州 311300;
2. 浙江农林大学环境与资源学院,浙江省土壤污染生物修复重点实验室,杭州 311300;
3. 浙江诚邦园林股份有限公司,杭州 310000;
4. 温岭市环境保护局,浙江 温岭 317500
摘要: 通过毛竹幼苗与伴矿景天间作在2 mm和5 mm土壤的盆栽试验,探究间作对毛竹幼苗与伴矿景天生长状况的影响,并对重金属迁移转运能力和其在不同部位的分布特征进行研究。结果表明:间作更适合在疏松土壤上进行;间作明显降低了毛竹幼苗与伴矿景天的生物量,其中,在2 mm土壤中间作的伴矿景天地下部生物量下降了85.9%,在5 mm土壤中间作的毛竹幼苗茎、叶生物量显著下降了75.5%和64.3%;间作减弱了毛竹幼苗根部对重金属的吸收转运能力,使伴矿景天根部Zn与Cd的转运能力形成竞争,但有效促进了毛竹幼苗与伴矿景天体内重金属由根向地上部的运输;间作能够增加伴矿景天Cd和Zn的积累量,降低毛竹幼苗体内Cu、Cd和Zn的积累量。可见,毛竹幼苗与伴矿景天间作对Cu、Cd和Zn的转运积累起到了一定的促进作用,但也在一定程度上抑制了植株生长。
关键词: 重金属    毛竹    伴矿景天    间作    土壤修复    
Effects of moso bamboo and Sedum plumbizincicola intercropping on transport and accumulation of Cu, Cd and Zn in soil-plant system
LIU Chen1,2, GUO Jia3, ZHAO Min4, ZHONG Bin1,2, GUO Hua1,2, HOU Shuzhen1,2, XU Weijie1,2, YANG Yun1,2, WANG Renyuan1,2, YE Zhengqian2, LIU Dan1,2    
1. State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Zhejiang A & F University, Hangzhou 311300, China;
2. Key Laboratory of Soil Contamination Bioremediation of Zhejiang Province, School of Environmental & Resource Sciences, Zhejiang A & F University, Hangzhou 311300, China;
3. Zhejiang Chengbang Landscape Co., Ltd., Hangzhou 310000, China;
4. Wenling Environmental Protection Bureau, Wenling 317500, Zhejiang, China
Summary: Phytoremediation is a low-cost and eco-friendly technology by using plants to uptake and accumulate heavy metals from contaminated soils. Intercropping is a simple and feasible method of agricultural management which was applied here to increase plant production and facilitate the efficiency of phytoremediation. A pot experiment based on an intercropping system of moso bamboo seedlings and Sedum plumbizincicola was conducted to investigate its influence on the growth of plants, transfer ability of heavy metals in the system of soil and plant, and the effect on accumulation of Cu, Cd and Zn in different parts of plant. The results showed that the root biomass of S. plumbizincicola which was intercropped with moso bamboo in 2 mm soil decreased significantly, and the biomass of both stems and leaves of moso bamboo which was intercropped with S. plumbizincicola in 5 mm soil was also declined clearly compared with that of moso bamboo in 2 mm soil. Moreover, the biomass of moso bamboo seedlings and S. plumbizincicola was reduced as compared with those of CK (monocropping), which suggested that intercropping led to competition between moso bamboo seedlings and S. plumbizincicola. Intercropping resulted in the decline of heavy metal uptake for the roots of moso bamboo seedlings and the competition between Cd and Zn in the roots of S. plumbizincicola, while it improved both upward transport by roots, but there were differences in the process for different metals accumulated in different parts (stem or leaf) of moso bamboo seedlings. In addition, contrast to monocropping, Cu, Cd and Zn accumulation in any part of moso bamboo seedlings decreased distinctly, but Cd and Zn accumulation in the overground part of S. plumbizincicola increased by 57% and 82% in 5 mm soil. In sum, the intercropping system of moso bamboo and S. plumbizincicola shows the potential of upward transfer of heavy metals, and it also has positive impacts on Cu, Cd and Zn accumulation.
Key words: heavy metal    moso bamboo    Sedum plumbizincicola    intercropping    soil remediation    

近年来,国内外学者展开了一系列关于强化植物修复重金属污染土壤的研究,采用的措施主要有螯合剂、微生物、基因工程改良和农艺管理等[1-2]。从操作的简便性和环境友好型考虑,农艺管理调控是更为适合并可大力推广的一项强化措施。其中,间作是农艺管理调控中一种典型的植物修复措施。王吉秀等[3]研究发现,玉米和不同蔬菜间套模式是抑制作物可食部分吸收累积重金属铅(Pb)、铜(Cu)、镉(Cd)含量的有效措施。而且,不同的植物间作对重金属的吸收作用不尽相同。赵冰等[4]发现,间作处理的小麦地上部重金属浓度是单作处理的1.1~1.9倍。蔡丽等[5]通过在茶园间作樟树发现,茶园土壤重金属元素含量明显降低,但茶叶新梢中重金属元素含量增加。徐健程等[6]研究发现:在不同的Cu质量分数处理下,间作玉米地上部Cu含量均显著低于单作,其中降幅最大的为100 mg/kg Cu处理,降幅为49.4%;而间作玉米地下部Cu含量均显著高于单作,其中增幅最大的为100 mg/kg Cu处理,增幅为105.4%。因此,对间作植物的筛选一定要慎重,需尽可能地做到在保证产量的同时降低需求部位重金属毒性或增加积累植物的重金属含量。

毛竹具有极强的环境适应性,其无性系种群具有强烈的生理整合能力,能够集群抵御不良环境的影响;毛竹适宜生长在疏松、肥沃、湿润、板岩或页岩发育的黄红壤上,其最适pH为4.5~7.0,同时具有一定的耐盐碱性和修复重金属污染土壤的能力[7-11]。因此,本文通过毛竹幼苗与锌(Zn)、镉(Cd)超富集植物伴矿景天间作的盆栽试验,研究间作对2种植物生长和转运积累重金属的影响及重金属在植株不同部位的分布特征,为Cu、Cd和Zn复合重金属污染农田土壤的修复和治理提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 供试土壤与植物

供试土壤采自浙江省杭州市富阳区某镀锌厂附近农田。采集0~20 cm表层土壤,风干后过筛以备用。其基本理化性质见表 1供试植株:伴矿景天采自浙江省杭州市富阳区某镀锌厂附近农田,移至温室培育繁殖,选长势良好的植株备用;毛竹幼苗是在浙江农林大学购买种子后以水培的方式培养,待长出4片叶子后选根系发达的幼苗备用。

表1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physicochemical properties of tested soil
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1.2 试验设计与处理

盆栽试验于2016年6月在浙江农林大学玻璃温室大棚内进行,把土壤分成2 mm和5 mm 2组风干土,每组3个处理,共6个处理组(表 2),每个处理组4次重复,总计24个处理,随机分布。每盆装4 kg土,以呈对角线的方式移栽4株植物,且间作保持同种植物在一条对角线上。生长3个月后采样分析。

表2 盆栽试验处理 Table 2 Pot experiment treatment
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1.3 样品处理与元素分析

植株收获后,先用20 mmol/L乙二铵四乙酸二钠(EDTA-2Na)溶液交换20 min,去除根表面吸附的重金属,然后用自来水和蒸馏水分别洗3次,将毛竹分为根、茎和叶,伴矿景天分为地上部和地下部,装入牛皮纸信封内,分别测定鲜质量;再于105 ℃下杀青30 min,然后在65 ℃下烘干72 h至恒量,测定干物质量;最后用不锈钢粉碎机将植物样磨细,过0.1 mm尼龙筛,供分析测定用。称取0.15 g样品,以浓硝酸与少量过氧化氢进行消煮,消煮液用5%硝酸溶液定容至25 mL,过滤,滤液用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定重金属含量。所有药品及试剂均为优级纯或基准试剂。

土壤经风干后,过2 mm筛,取5 g放入100 mL离心管中,用pH 7.3的0.005 mol/L二乙烯三胺五乙酸(DTPA)+ 0.01 mol/L CaCl2 + 0.1 mol/L三乙醇胺(TEA)浸提剂浸提,在(25±2) ℃条件下振荡2 h(180 r/min),离心后过滤,重金属含量测定同上。

1.4 数据分析

转移系数TFA-B=B中重金属含量/A中重金属含量[12]

数据分析采用Excel 2013和SPSS 21.0软件,作图采用SigmaPlot 12.5软件。采用方差分析和最小显著差异法(LSD)对数据进行统计分析,差异显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析 2.1 间作对毛竹幼苗与伴矿景天生长状况的影响

图 1可见,间作导致毛竹幼苗与伴矿景天二者的生物量明显下降,其中伴矿景天在2 mm土壤上间作(J2)处理的地下部生物量降幅最大,为85.9%,毛竹在5 mm土壤上间作(J5)处理的地上部茎、叶生物量也显著下降了75.5%和64.3%(P<0.05)。这表明毛竹在幼苗期会与伴矿景天争夺养分,因此在这一时期间作不利于毛竹与伴矿景天生长。毛竹的J2组生物量无显著变化,而J5组生物量则显著降低;伴矿景天的2组生物量均呈现显著的下降趋势(P<0.05。试验还发现,植株在2 mm土壤中生长更容易烂根枯萎,且土壤板结严重。总体上,毛竹比伴矿景天更适合在恶劣土壤环境中生长,但是在毛竹幼苗期选择伴矿景天进行间作不太适宜。

各处理符号表示的含义详见表 2。短栅上的不同小写字母表示在P<0.05水平差异有统计学意义;n=3。 Please see Table 2 for the detail of each treatment. Different lowercase letters above bars represent statistically significant differences at the 0.05 probability level; n=3. 图1 间作对毛竹和伴矿景天生物量的影响 Fig. 1 Effect of intercropping of moso bamboo and S. plumbizincicola on their biomass
2.2 间作对土壤-植物体系中重金属转移能力的影响

重金属在土壤-植物体系的转移基本遵循土壤→地下部→地上部或者土壤→根→茎→叶的顺序[12-13]。重金属在土壤-植物体系相邻部位之间的转移是其从土壤向上部转运过程中的组成环节,每个环节的转运能力都会影响植物中Cu、Cd和Zn的富集。在不同处理下Cu、Cd和Zn在土壤-植物体系中各个环节的转移系数分别如表 3表 4所示。

表3 Cu、Cd和Zn在土壤-伴矿景天体系中的转移系数 Table 3 Transfer factors of Cu, Cd and Zn in soil-S. plumbizincicola system
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表4 Cu、Cd和Zn在土壤-毛竹体系中的转移系数 Table 4 Transfer factors of Cu, Cd and Zn in soil-moso bamboo system
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表 3可知:伴矿景天地下部吸收Zn的能力最强,Cd次之;而伴矿景天由地下部至地上部对Cd的输运能力最强,Zn次之。伴矿景天的土壤—地下部转移系数是地下部—地上部转移系数的几十倍甚至上百倍,说明伴矿景天吸收Zn和Cd的能力较强,但向上运输的能力稍显不足。对土壤—地下部与土壤—地上部的转移系数比较可知:Cu与Zn向地下部的根转运能力更强;而Cd一般向地上部转运,但是在板结土壤中,其转运能力会受到一定的限制。与单作相比,间作毛竹使Cu由土壤—地下部的转移系数均有所减小,Cd则表现为在2 mm土壤中增加,在5 mm土壤中减小;Zn与Cd完全相反,在2 mm土壤中降低了37%,在5 mm土壤中增加了26%。但是间作增强了重金属在伴矿景天中向上运输的能力,其中J5组的Cd转移系数达到2.14,是单作的1.5倍。这说明在Cu、Cd和Zn复合重金属污染土壤中,间作使Cd和Zn在伴矿景天地下部相互作用,进而影响了转运重金属的能力,从而对地上部转运具有一定的促进作用。

表 4可知:与毛竹单作相比,在5 mm土壤中间作(J5)的Cu、在2 mm土壤中间作(J2)的Cd和Zn的转移系数(土壤—根)下降,分别降低26.9%、16.9%和33.9%;间作对Cu及J2处理的Cd和Zn的根—茎、茎—叶、土壤—茎、土壤—叶及土壤—茎和叶的转移系数均有所增加(J2组Zn从茎—叶的转移系数除外),而J5处理的Cd和Zn在根—茎、茎—叶、土壤—茎、土壤—叶及土壤—茎和叶的转移系数均有所减少(J5组Zn从茎—叶的转移系数除外)。上述结果表明,间作对毛竹根吸收重金属量与土壤—根的转运系数呈正相关,但是在向上转移重金属过程中转移系数会随着该重金属积累部位的不同而产生变化。

2.3 间作对毛竹幼苗与伴矿景天重金属积累的影响

毛竹与伴矿景天各部位的重金属积累量如图 2所示:不同重金属在植物体内积累量不同,不同植物对重金属的吸收、积累也不同,其中伴矿景天的Zn积累量最高;同一重金属在同一植株不同部位的积累量不同。在2 mm板结土壤中,毛竹与伴矿景天各自单作比间作对重金属的积累量高,且重金属大多集中于根部,其中伴矿景天地下部的Cu和Zn浓度是间作的1.7和1.6倍,毛竹根部Zn和Cd浓度也在1.2~1.5倍之间。在5 mm疏松土壤中,间作降低了毛竹各部位对Cu、Cd和Zn的积累,同时使伴矿景天对重金属积累量显著增加;除Cu外,Cd在伴矿景天地上部的积累量相比单作增加了57%,Zn在伴矿景天地上部和地下部都有所增加,与单作相比分别增加了38%和82%。这表明间作更适合在5 mm疏松土壤环境中作用于毛竹与伴矿景天,从而增加伴矿景天的重金属积累能力,减弱毛竹体内重金属的毒性。

A:毛竹;B:伴矿景天。各处理符号表示的含义详见表 2。短栅上的不同小写字母表示在P<0.05水平差异有统计学意义;n=3。 A: Moso bamboo; B: Sedum plubizincicola. Please see Table 2 for the details of each treatment. Different lowercase letters above bars represent statistically significant differences at the 0.05 probability level. 图2 伴矿景天和毛竹的重金属积累量 Fig. 2 Accumulation of heavy metals in moso bamboo and S. plumbizincicola

图 2可知,除在2 mm土壤上单作伴矿景天(B2)和在2 mm土壤上间作伴矿景天和毛竹(J2)外,Cu在毛竹与伴矿景天的根部积累量最高,间作使其积累量均有所减少,毛竹尤其是根部积累量显著下降,伴矿景天变化不显著。Cd积累在毛竹根和茎中,间作使其积累量呈现下降趋势;在伴矿景天中Cd主要积累在地上部,间作对地下部积累量无影响而使地上部积累量高达30 mg/kg。毛竹的Zn积累量表现为茎>根>叶,伴矿景天的Zn积累量则是地下部>地上部,而且Zn在伴矿景天的积累量远远大于毛竹。间作对于Zn积累量的作用表现为,毛竹各部分积累量都在下降,伴矿景天则完全相反。

3 讨论

本研究结果表明,5 mm土壤更有利于毛竹幼苗与伴矿景天间作,从而增加伴矿景天的Cd和Zn的积累量,削弱毛竹体内Cu、Cd和Zn的积累量,但是毛竹和伴矿景天的生物量都因间作而有所下降,出现烂根、枯萎甚至死亡。同时,间作促进了伴矿景天根部重金属向上转移,也造成了根部Cd和Zn吸收转运的竞争关系;间作导致了毛竹根部的重金属转运能力降低,在向上转运重金属时也因积累部位不同而受到影响。已有研究表明,毛竹在快速生长过程中由于营养消耗大,容易造成土壤养分匮乏[14]。因此,本试验中毛竹与伴矿景天生长出现异常,甚至影响重金属的转运,很有可能是因为毛竹还处于幼生期,需要的养分不是供试土壤所能提供的,也有可能是因为重金属在根部吸收转运过程中存在着竞争关系。本试验伴矿景天根部对Zn和Cd的吸收转运呈现出对立关系,相互竞争,而且伴矿景天根部也与毛竹根部吸收转运呈现对立关系,从而导致根部重金属毒性增强。这有待进一步的试验解释毛竹与伴矿景天间作的根系作用机制。在玉米与小花南芥间作中,小花南芥与单作相比,其地下部和地上部Pb的转运系数增加了22%,玉米则差异不显著[15]。在蚕豆与小花南芥间作[16]中,间作对小花南芥从土壤转移Cd和Pb的能力均高于蚕豆,但是无论间作还是单作二者对重金属由根向上运输的能力均无显著变化。本试验伴矿景天Cd由根向上的转移系数最高达到2.14,是单作的1.5倍;而毛竹地上部则因不同重金属积累不同而呈现差异。这说明2种植物间作会相互影响各自对重金属的吸收转运[17]

间作体系能充分挖掘光能、水源、热量等自然资源[18],同时,2种或多种植物通过种间互作或种间竞争,活化土壤进而提高植物富集重金属的能力[19]。李凝玉等[20]研究了不同作物与玉米间作对玉米吸收积累镉的影响,结果表明,籽粒苋在自身大量累积Cd的同时,在一定程度上抑制了与其间作的玉米的Cd积累量。本试验结果与其类似,可能是由于间作植物对重金属吸收具有不同的交互作用。有试验表明,间作植物之间的交互作用不止这一类。王京文等[21]用伴矿景天与丝瓜间作,发现二者都具有去除Cd的能力,且重污染土壤中的景天和丝瓜对土壤Cd的移除能力大于低污染土壤种植的景天和丝瓜,可能是因为应用的工程菌吸附并钝化了土壤有效态Cd,添加的钙镁磷肥使土壤有效态Cd含量减少了50%,从而降低了其有效态Cd。还有研究[22]发现,在土壤Cd含量为10.37~20.37 mg/kg范围内,间作种植使苜蓿地上部Cd含量较单作降低2.8%~ 48.3%,印度芥菜地上部Cd含量也较单作降低了1.1%~48.6%,原因可能是在Cd胁迫下印度芥菜和苜蓿间作能够产生某类有机酸,抑制了植物根系对Cd的吸收,降低了植物体内的Cd含量[23]

在本试验中,间作促进伴矿景天吸收重金属,抑制毛竹对重金属的吸收,很可能是因为根系分泌的某种有机酸的相互作用[15, 24],影响了毛竹对重金属的吸收,而毛竹根部的转移系数下降恰好说明了这一点,但具体的间作根系环境的作用机制有待进一步研究。本研究结果表明,毛竹幼苗与伴矿景天间作可以修复重金属污染土壤,但是不利于植物的生长,甚至存活。因而,毛竹与伴矿景天间作是否合适,还需要进一步研究成长为乔木的毛竹与伴矿景天间作对重金属吸收转运及积累的影响。

4 结论 4.1

间作更适合在疏松土壤上进行。在本试验土壤条件下,间作明显降低了毛竹幼苗与伴矿景天的生物量。其中,在2 mm土壤中间作的伴矿景天地下部生物量下降了85.9%,在5 mm土壤中间作的毛竹幼苗茎、叶生物量显著下降了75.5%和64.3%。

4.2

间作促进了重金属从伴矿景天根部向地上部的转移,也造成了根部Cd和Zn吸收转运的竞争关系;间作导致了毛竹根部的重金属转运能力降低,在向上转运重金属时也因积累部位不同而受到影响。

4.3

间作能够增加伴矿景天的Cd和Zn积累量,其中Cd的积累量表现为地上部>地下部,Zn则相反,同时,间作可降低毛竹体内Cu、Cd和Zn的积累量。

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