重金屬對燈心草生長的影響及臨界值的設(shè)定

重金屬對燈心草生長的影響及臨界值的設(shè)定

重金屬污染的存在對生物水體的產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，并且在食物鏈中的生物積累非常危險。在治理重金屬污染土壤的眾多方法中,植物修復(fù)技術(shù)因其治理效果的永久性、治理過程的原位性、治理成本的低廉性、環(huán)境美學(xué)的兼容性、后期處理的簡易性等特點,受到人們的普遍推崇。利用植物從污染土壤中提取重金屬效率的高低取決于植物本身的屬性。然而,目前發(fā)現(xiàn)的超累積植物往往植株矮小、生長速度慢,再加上受氣候、土壤環(huán)境條件的限制,在實際應(yīng)用中能夠去除土壤污染元素的總量較小,因而作為土壤修復(fù)植物,具有較小的經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用價值。而一些普通植物雖然對重金屬耐性低,組織中重金屬累積量也不高,但由于其生長速度快、生物量大,在給定時期內(nèi)帶走的單位面積土壤中重金屬總量也大,因而也具有極大的利用價值。對此,有人提出僅僅應(yīng)用植物的生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)作為超累積植物的評價指標(biāo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的,還必須考慮植物的生長周期和生物量。即富集質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖未達(dá)某一水平,但生長快、生物量大的植物也能作為超富集植物。在重金屬對植物的毒害方面,研究者已經(jīng)從形態(tài)、生理生化、細(xì)胞核分子水平作了大量的研究工作,主要集中在劑量效應(yīng)關(guān)系的研究上,并從以前的高劑量、短期的急性毒性試驗向低劑量、長期的慢性毒性試驗轉(zhuǎn)變的趨勢。重金屬污染下生物體抗性機(jī)理的研究一直是重金屬污染生態(tài)學(xué)的重要內(nèi)容之一。目前有關(guān)重金屬污染對植物生態(tài)毒理效應(yīng)的研究主要集中于陸生及水生植物,而對濕地植物的研究還涉及較少。燈芯草(Juncuseffuses)別名:野席草、燈草、水燈心,是席草類、莎草科蒲草屬、多年生草本作物,在我國分布較廣。燈心草以其經(jīng)濟(jì)、藥用價值高而廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和民用工業(yè),在利用其治理城市污水方面也有相關(guān)報道。Cd、Pb、Cu、Zn、As5種重金屬元素可代表采礦及冶煉廠所排污水和大氣的典型污染物,由其導(dǎo)致大面積的土壤污染給我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們身體健康造成了極大的不利影響。本次盆栽實驗旨在研究Cd、Pb、Cu、Zn、As單一污染對燈心草生長及生理生化指標(biāo)的影響,力求探明5種重金屬對燈心草的生理毒害機(jī)制及設(shè)定在重金屬污染區(qū)適合種植燈心草土壤中的各重金屬臨界毒性效應(yīng)值,以期同時獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益,同時豐富環(huán)境污染生態(tài)學(xué)內(nèi)容。1材料和方法1.1重金屬添加量供試土壤采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實習(xí)基地,為紅壤性水稻土(其理化性質(zhì)及重金屬含量背景值見表1)。供試植物為典型的濕生植物——燈心草(Juncuseffuses),野外采集。各重金屬添加形式:CdC12·2.5H20、PbNO3、CuC12·2H20、ZnNO3·6H20、Na2HAsO4·7H2O均為分析純試劑。陶瓷盆:直徑為30cm,高為20cm。1.2不同濃度重金屬污染土壤元素和養(yǎng)分生物量供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干、搗碎、剔除雜物后過2mm篩,同時測定其基本理化性質(zhì)及重金屬含量背景值。于每陶瓷盆中裝土5kg,按預(yù)先設(shè)置的濃度(參照表2)于每盆中添加CdC12·2.5H2O、PbNO3、CuCl2·2H2O、ZnNO3·6H2O、Na2HAs04·7H2O等各外源重金屬,同時按盆栽作物對養(yǎng)分的需求(即N200mg/kg、P205100mg/kg、K2O150～200mg/kg),分別加入尿素、磷酸二氫鉀和硫酸鉀400、200、300mg/kg,噴施清水充分混勻后平衡一周,作為模擬不同濃度的重金屬污染土壤。向每盆中分別移栽野外采集的燈心草90株,并將每株在距土面2cm處剪斷,待其重新生長。試驗期間定期澆水,保持70%的田間持水量。待其生長至150天后收獲,沿土表剪取地上部,測量株高并觀察記錄其新增株數(shù),同時洗出根系。在105℃下殺青半小時,70℃烘干,稱量地上部和地下部干重。1.3日本測試結(jié)果Cd、Pb、Cu和Zn含量的測定:土樣經(jīng)王水—高氯酸消化,植株分地上部和地下部采用濃硝酸—高氯酸消化,原子吸收分光光度計(AA-646,日本島津)測定;As的測定:二乙基二硫代氨基甲酸銀比色法測定。試驗結(jié)果為3次結(jié)果平均值。數(shù)據(jù)處理采用MicrosoftExcel進(jìn)行相關(guān)性檢驗和DPS3.01中文數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。2分析與討論的結(jié)果2.1燈心草生長指標(biāo)比較Cd、Pb、Cu、Zn、As單一重金屬污染在試驗條件下對燈心草各項生長指標(biāo)的比較列于表3。表中結(jié)果為3次重復(fù)的平均值。通過方差分析和多重比較可以區(qū)分出添加的重金屬元素對植物生長的綜合影響差異。2.1.1zn和as處理對燈心草新增株數(shù)的影響從表3可以看出,在土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),Cd、Pb、Cu單一處理對燈心草的新增株數(shù)有一定的促進(jìn)作用(處理水平2、3、6、7、10、11)。在三者污染下,燈心草新增株數(shù)均高于對照且隨著各重金屬處理濃度的增大而增加。但當(dāng)濃度超過此范圍后,其新增株數(shù)隨重金屬處理濃度進(jìn)一步增加而顯著減少(在水平4處的Cd處理除外)。當(dāng)在Zn、As單一處理條件下時,燈心草新增株數(shù)均少于對照,并隨著各自濃度的增加而呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。Zn處理時隨著處理濃度的增加其新增株數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢;As處理時隨著處理濃度的增加其新增株數(shù)呈現(xiàn)先升后降的趨勢。從新增株數(shù)與對照相比而言,各單一重金屬對燈心草新增株數(shù)的促進(jìn)程度大小排序為:Cd>Pb>Cu>As>Zn。2.1.2其它各處理水平下的株高比對照由表3可知,除了在土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)Cd、Pb單一處理下(處理水平2、3、6、7)的燈心草株高比對照大外,其它各處理水平下的株高均低于對照,差異性顯著(P>0.5)。且在Cd、Pb、Cu、Zn、As單一污染下燈心草株高隨著各處理元素濃度的增加而呈現(xiàn)出的變化趨勢與新增株數(shù)的變化趨勢相一致,隨著Cd、Pb、As處理濃度的增加其株高呈先升后降的趨勢;隨著Cu、Zn處理濃度的增加其株高呈下降的趨勢。2.1.3土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)cd對燈心草地上部干重的影響土壤元素的臨界含量(土壤元素環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn))是制訂土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。作為制訂土壤環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)方法之一的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)法,是基于土壤—植物體系、土壤—微生物體系、土壤—水體系或其中任何一種體系的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)推算土壤中重金屬元素的最高允許濃度。應(yīng)用生態(tài)環(huán)境效應(yīng)法得出的土壤環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)值是有害物質(zhì)在土壤中有所積累,但對農(nóng)作物和環(huán)境尚沒有造成危害和污染。為此,國家土壤環(huán)境容量協(xié)作組于1991年制定了以作物產(chǎn)量為依據(jù)來確定土壤臨界含量的方法。依據(jù)規(guī)定將植物生物量或產(chǎn)量減少5%～10%(燈心草產(chǎn)量數(shù)額小取高限)土壤有害物質(zhì)的濃度作為土壤有害物質(zhì)的最大允許濃度。由表3可見,當(dāng)土壤中Cd含量分別為0.3mg/kg、1mg/kg和10mg/kg時與對照燈心草地上部干重相比較,均表現(xiàn)出增產(chǎn)趨勢,其增產(chǎn)的幅度為10.73%～54.30%;但在Cd含量為20mg/kg時,燈心草地上部干重比對照減少了26.79%>10%。由此可見,當(dāng)土壤中Cd濃度在土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時,燈心草地上部產(chǎn)量呈現(xiàn)出上升趨勢,說明在此濃度范圍內(nèi)的Cd濃度促進(jìn)了龍須草的生長。但超出此濃度范圍后,重金屬Cd將顯著地抑制燈心草的生長。因此,可以將土壤中Cd的臨界值設(shè)定為10mg/kg或稍高于此值。對于Pb處理,在土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)濃度范圍內(nèi)與對照燈心草地上部干重相比較,均表現(xiàn)出增產(chǎn)趨勢,在超過該濃度范圍后則開始減產(chǎn),其減產(chǎn)幅度為14.38%～30.25%>10%。據(jù)此,可以將Pb的土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)上限值設(shè)定為適合種植燈心草土壤中Pb的臨界值。在重金屬Cu和Zn處理下,燈心草地上部干重均隨重金屬濃度的升高而遞減,除Cu處理在50mg/kg時高于對照外,其余處理均低于對照。但Cu處理在為100mg/kg時降幅為4.14%<10%。因此,可以將土壤中Cu的臨界含量設(shè)定為100mg/kg。而在Zn處理下燈心草地上部干重最大值僅為14.30mg/kg,相對于對照減產(chǎn)幅度為31.22%>10%,由此可認(rèn)為燈心草不適宜在Zn污染土壤上種植。對于As處理,燈心草地上部干重則表現(xiàn)出與重金屬Cd處理類似的變化趨勢:隨著重金屬處理濃度的增加其地上部干重均呈上升趨勢,且最大值所對應(yīng)的重金屬含量均超出了土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。但與Cd處理不同的是As處理雖然在40mg/kg時燈心草地上部干重達(dá)到最大,高于對照,但當(dāng)土壤中As含量低于或高于此值時燈心草地上部干重均比對照低。因此,對于適合種植燈心草的土壤中As含量的臨界值尚需做進(jìn)一步的研究予以確定。通過比較分析各重金屬及其各處理水平對燈心草新增株數(shù)、株高和地上部干重的影響,可見對新增株數(shù)、株高和地上部干重的影響趨勢是一致的,由此可以斷定單一重金屬污染對燈心草地上部于重的影響主要是通過影響其新增株數(shù)和株高造成的,這對于應(yīng)用燈心草修復(fù)重金屬污染土壤具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。2.1.4燈心草地下干重的增加由表3可以看出,不同重金屬污染對燈心草地下部干重的影響存在一定的元素種類差異。當(dāng)土壤中Cd含量為0.3～1mg/kg、Pb含量為100mg/kg、Cu含量為50mg/kg時燈心草地下部干重均高于對照,其增產(chǎn)幅度為3.43%～31.86%。而其它各濃度處理水平的地下部干重均低于對照。與單一重金屬對燈心草地上部干重的影響相比較,影響的趨勢基本上一致,但從多重比較分析來看其影響程度相對較小?？梢姛粜牟莸叵虏繉χ亟饘俚目剐砸笥诘厣喜?這種特性對于利用燈心草進(jìn)行土壤重金屬污染區(qū)的植被重建、固土和固沙蓄水提供了科學(xué)根據(jù)。2.2重金屬對燈心草地下cu和pb、cu、zn、as的轉(zhuǎn)運特征基于盆栽模擬試驗Cd、Pb、Cu、Zn、As單一污染條件下,各重金屬在燈心草植株體不同部位的積累量見表4。由表4可知,燈心草在不同濃度處理水平單一重金屬污染土壤中生長5個月后,Cd、Pb、Cu、Zn、As在植株體內(nèi)的含量與分布均不相同。對于地上部而言,在濃度梯度設(shè)置范圍內(nèi),主要表現(xiàn)為3種變化趨勢:(1)隨著重金屬處理濃度的增高,燈心草地上部Cd、Zn含量呈上升趨勢。(2)隨著重金屬處理濃度的增高,燈心草地上部Pb、As含量呈先降后升的趨勢。(3)隨著重金屬處理濃度的增高,燈心草地上部Cu含量呈先升后降的趨勢。除在處理水平3處Cu含量在燈心草地上部最大外,其他4種重金屬在燈心草地上部積累量達(dá)到最大時均出現(xiàn)在處理水平4。Cd、Pd、Cu、Zn含量分別為對照的123.83倍、2.77倍、1.97倍、19.51倍(As含量在對照燈心草地上部未檢出)。對于地下部主要表現(xiàn)為兩種變化趨勢:(1)隨著重金屬處理濃度的增高,燈心草地下部Cd、Pb、Zn、As含量呈升高的趨勢。(2)隨著重金屬處理濃度的增高,燈心草地下部Cu含量呈先升后降的趨勢。四種重金屬最大值出現(xiàn)規(guī)律與地上部類似。Cd、Pb、Cu、Zn含量分別為對照的74.86倍、16.81倍、3.61倍、4.82倍(As含量在對照燈心草地下部未檢出)。從各重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)來看,5種重金屬元素在燈心草體內(nèi)的遷移能力強(qiáng)弱依次為:Cd>Zn>Cu>Pb>As,基本上都是根系中的濃度高于莖葉中的濃度,這與以往許多報道是基本一致的。但Cd的遷移性較強(qiáng),不僅易被燈心草根系吸收,且易向地上部遷移,其體內(nèi)可能存在良好的運輸機(jī)制,有待進(jìn)一步研究。由表4還可以看出,燈心草對Cd、Zn、As三種重金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)沒有表現(xiàn)出特定的變化規(guī)律。而對Cu的轉(zhuǎn)運系數(shù)則呈先降后升的變化趨勢,在土壤中Cu含量為400mg/kg時燈心草對Cu的轉(zhuǎn)運能力反而有所提高。在各濃度處理水平下燈心草對Pb的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1,且隨著Pb濃度的增高急劇下降。有大量的報道表明Pb進(jìn)入植物體內(nèi)后絕大部分累積在根部,本文支持這一看法。其原因是Pb在根系主要以Pb(PO4)和PbC03等沉淀形式存在,在植物汁液中也有離子態(tài)和絡(luò)合態(tài)Pb,由于吸持、鈍化或沉淀作用,植物根系所吸收的Pb向地上部運輸困難。實驗中出現(xiàn)在設(shè)計的濃度范圍內(nèi),燈心草對重金屬的吸收隨土壤重金屬濃度的升高,燈心草吸收重金屬的量也相應(yīng)增加。但其吸收比率趨于下降,主要是由于土壤重金屬濃度的增高,植物吸收機(jī)能逐漸受到阻礙的結(jié)果。2.3燈心草地下pb、as的含量和土壤重金屬含量之間的相關(guān)性為揭示單一污染條件下燈心草各部位對土壤中Cd、Pb、Cu、Zn、As的吸收規(guī)律,以土壤中重金屬添加量為自變量,植物地上部和地下部對重金屬的吸收量為Y,基于Cd、Pb、Cu、Zn、As單一處理試驗樣本測試的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(見表4),進(jìn)行了多元線性回歸分析(見表5)。由表5可以看出燈心草地上部和地下部對Cd的吸收量與土壤中Cd添加量的相關(guān)系數(shù)分別為0.9848和0.9634,達(dá)到了顯著正相關(guān)。同樣燈心草地上部和地下部的Pb吸收量與土壤Pb添加量相關(guān)系數(shù)分別為0.9783和0.9793,也分別達(dá)到了顯著正相關(guān)。燈心草地下部As吸收量與土壤As添加量相關(guān)系數(shù)為0.9978,達(dá)到了極顯著正相關(guān)。這表明外源添加的Cd、Pb、As均能被燈心草特定部位有效吸收,其添加量在一定程度上代表著土壤中Cd、Pb、As的有效量,在這種條件下,研究重金屬燈心草對Cd、Pb、As的積累量和土壤重金屬添加量之間的關(guān)系,既能反映燈心草的植物有效性,又能說明土壤中重金屬的含量,因此具有較強(qiáng)的代表性。同時發(fā)現(xiàn)燈心草地上部和地下部對Cu、Zn的吸收、燈心草地上部對As的吸收與土壤中對應(yīng)重金屬元素添加量之間相關(guān)性均未達(dá)到顯著程度,這可能與燈心草對Cu、Zn、As的吸收轉(zhuǎn)運機(jī)制有關(guān)。眾多研究表明,重金屬元素在作物體內(nèi)吸收和轉(zhuǎn)運的機(jī)制被認(rèn)為與各元素在植物體內(nèi)的吸收機(jī)制及生物化學(xué)過程密切相關(guān)。Zn、Cu是植物必需的微量元素。植物吸收Zn、Cu以代謝吸收為主,Cd、Pb、As是植物非必需的元素,Cd是易積累的有毒元素,它有