2019, Vol. 40
在自然界中, 单个污染物质构成的环境污染虽时有发生, 但绝对意义上的单一污染是不存在的, 污染多具伴生性和综合性, 即多种污染物形成的复合污染[1].我国是世界上稀土资源最丰富的国家[2], 稀土产量占全球80%以上, 从20世纪90年代开始就成为世界上最大的稀土开采国.目前, 我国南方离子吸附型稀土开采普遍采用强酸浸提, 增强了土壤中重金属的活性[3]; 另外, 任意堆积的稀土尾矿和残渣如不经妥善处理, 其中仍含有的稀土和与矿物伴生的重金属势必同时发生迁移转化, 导致土壤中稀土与重金属含量增加.江西赣南稀土矿区土壤稀土含量为869.73 μg·g-1, 是非矿区稀土含量的3.8倍[4]; 同时其大部分县、区也都受到了重金属污染, 尤其是砷、铬和镍属重度污染水平[5].内蒙古包头白云鄂博稀土尾矿区土壤中稀土La浓度最高可达11 145 mg·kg-1, 重金属Pb浓度最高可达323 mg·kg-1, 分别为内蒙古土壤背景值的340倍和22倍[6].福建省长汀县某个大型稀土矿区附近的蔬菜地土壤稀土含量平均值为242.921 mg·kg-1, 分别高于福建省和全国背景值8.7%和29.49%, 同时存在重金属Cd、Cu和As的污染, 其中Cd污染最严重(最大超标倍数为15.8倍)[3, 7].因此, 稀土矿藏的开采、冶炼等过程会导致土壤呈现稀土-重金属复合污染的新特征.除此之外, 稀土作为饵料、微肥、植物助长剂等在农、林、渔业的广泛应用已有多年的历史, 使得环境中稀土元素污染日益严重[8, 9], 加之土壤重金属污染的存在, 造成了稀土与重金属共存的复合污染环境现状, 严重地危害了农业生产和居民健康.
目前, 有研究表明稀土和重金属元素在土壤-植物系统中存在复杂的交互作用.稀土能显著影响重金属在土壤-植物系统中的赋存形态、迁移转化和吸收等特征.在旱培和水淹条件下, 混合稀土元素(50~1 000 mg·kg-1)可显著提高土壤中交换态重金属Fe、Mn和Zn的含量[10]. Wang等[11]的研究也表明混合稀土(40 mg·kg-1)可以增加15种测试土壤中水溶态、可交换态、碳酸盐结合态和有机结合态重金属(Pb、Cd、Zn和Ni等)的含量.外源稀土(以轻稀土150 mg·kg-1La和1 000 mg·kg-1Ce为主)处理使油菜对Fe、Mn和Zn的吸收显著降低了约13%~77.63%, 稀土抑制了根系对重金属的吸收[12].有研究还发现, 利用浓度为20~80 mg·L-1稀土元素镨浸种后对镉胁迫下(200 μmol·L-1)小麦种子萌发及根、芽生长的毒害有一定的缓解作用, 而100~150 mg·L-1镨浸种后种子活力及幼苗生长等受到显著抑制作用[13], 可见稀土对植物重金属毒害的缓解作用具有明显的浓度效应.另外, 稀土对重金属在土壤-植物系统间的交互作用会受稀土与重金属的种类、浓度、作用时间和植物类型等多种因素的影响[14, 15].然而, 目前有关土壤-植物系统中稀土和重金属元素间交互作用的研究还很少, 特别是将稀土作为污染元素, 分析在稀土-重金属复合污染的情况下二者之间的交互作用对植物生长和污染元素吸收的影响鲜见报道, 因此有必要对此进行深入研究.
本研究采用温室盆栽试验的方法, 以玉米为供试植物, 模拟中度重金属Pb污染土壤(200 mg·kg-1), 通过添加不同浓度的稀土元素La(0、50、200和800 mg·kg-1), 分析不同浓度La处理在Pb胁迫下对玉米生物量、矿质营养元素吸收、C:N:P生态化学计量比、稀土元素La和重金属Pb吸收的影响, 探讨土壤-植物系统中稀土和重金属元素的交互作用, 以期为稀土-重金属复合污染土壤的植物修复研究提供基础数据和理论依据.
1 材料与方法 1.1 供试植物供试植物为内蒙地区主要的农作物品种玉米(Zea mays L., 高优1号), 种子采购于内蒙古农牧科学研究院蔬菜研究所.播种前先对种子表面消毒, 然后在25℃恒温培养箱中进行催芽处理, 种子露白后即可播种.
1.2 培养基质供试土壤取自内蒙古自治区呼和浩特市苗圃区无污染土壤, 采样深度为0~20 cm.土壤基本理化性质见表 1.本试验采用电位法测定pH值(基质与水的质量比为1:2.5), 采用重铬酸钾-油浴法测定有机质含量, 凯氏定氮法测定全氮, 氢氧化钠碱-钼锑抗比色法测定全磷, 碱性扩散法测定速效氮, 碳酸氢钠法测定速效磷.土壤样品经王水-高氯酸法消解后采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Optima 3300 DV, PerkinElmer USA)测定镧和铅的浓度.采集的供试土壤自然风干后过2 mm土壤筛备用.
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表 1 供试土壤基本理化性质1) Table 1 Physical and chemical properties of the soil |
通过向土壤中人工施加La(NO3)3·6H2O和Pb(NO3)2溶液模拟不同程度的镧铅复合污染土壤, 使其重金属铅的浓度(以干土计)为200 mg·kg-1, 稀土镧的浓度分别为0、50、200和800 mg·kg-1.在不同程度的镧铅复合污染土壤中加入相应量的硝酸铵(NH4NO3)溶液, 以弥补因加入不同浓度硝酸镧和硝酸铅时造成的处理间氮素背景差异.为保证植物在生长期间能获得充足的养分, 以溶液形式向不同程度的镧铅复合污染土壤中加入基础肥料[16]：P为30 mg·kg-1, K为71.5 mg·kg-1, Mg为4.5 mg·kg-1, Ca为20.4 mg·kg-1, Zn为1.23 mg·kg-1, Mn为3.42 mg·kg-1, Cu为0.54 mg·kg-1, Mo为0.009 35 mg·kg-1.加入肥料后混合均匀, 于室温、80%田间持水量条件下老化1个月后使用.
1.3 试验设计与处理本试验采用生物学盆栽法在内蒙古大学温室内进行.模拟不同程度的La和Pb复合污染土壤, 设置1个重金属元素铅的浓度(以干土计)为200 mg·kg-1(Pb200), 4个稀土元素La的浓度分别为0 mg·kg-1(La0)、50 mg·kg-1(La50)、200 mg·kg-1(La200)、800 mg·kg-1(La800), 共计4个处理(Pb200-La0, Pb200-La50, Pb200-La200, Pb200-La800), 每个处理重复6次, 共24盆, 随机排列.以圆形塑料花盆(上口径14.5 cm×下口径10.2 cm×高度12.5 cm)作为培养容器, 内衬塑料自封袋.每盆装混匀老化1个月后的镧铅复合污染土壤2 kg, 老化后测定不同镧铅复合污染土壤中La和Pb的有效态浓度.选择颗粒饱满的玉米种子, 每盆播种8粒, 出苗10 d后间苗, 每盆保留3株长势相近的植物.试验期间自然采光, 采用称重法每天定时为植物补水, 维持土壤基质含水量为田间最大持水量的80%.本试验在内蒙古大学温室内进行, 试验期间温室白天温度控制在20~35℃, 夜间温度在10~20℃, 相对湿度在20%~70%, 自出苗之日起植物生长2个月后收获.
1.4 样品制备与分析测定收获时, 将植物地上部分自茎基部剪下, 玉米根系先用自来水洗净砂粒和土壤, 再用蒸馏水冲洗3次, 70℃烘干, 称重.粉碎植物样品, 每个样品称取2~3 mg利用元素分析仪(Vario ELⅢ, CHNOS Elemental Analyzer, Elementar Co Germany)测定植物样品地上部和根部C和N元素含量.称取0.5 g左右的植物样品加入5 mL BV-Ⅲ级HNO3于120℃条件下开放式消煮, 制备待测溶液.利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES, Optima 7000DV, PerkinElmer USA)测定消煮液中P、K、Ca和Mg的浓度; 利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Optima 3300 DV, PerkinElmer, USA)测定植物样品中稀土元素La和重金属元素Pb的浓度.为了保证消煮和测定过程的准确性, 样品分析过程采用试剂空白和标准物质(玉米GBW10012, 国家标准物质中心)进行质量监控, 各元素的回收率在86.3%~114.7%.
老化后的土样自然风干后过1 mm筛, 称取约2.5 g的土壤样品于50 mL离心管中, 加入25 mL的pH为4.65的乙酸铵-EDTA(0.5 mol·L-1 CH3COONH4, 0.5 mol·L-1 CH3COOH, 0.02 mol·L-1 Na2EDTA)提取剂, 摇匀后在THZ-82数显水浴恒温振荡器上25℃恒温振荡1 h.在800型电动离心沉淀器上以3 500~4 000 r·min-1的转速离心25 min后, 用0.45 μm滤膜过滤到20 mL离心管中, 每个处理6个重复.利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Optima 3300 DV, PerkinElmer, USA)进行乙酸铵-EDTA提取态La和Pb的分析测定.
1.5 数据分析所有试验数据利用Excel 2003进行平均值和标准误差的计算, SPSS 17.0软件进行统计分析, 邓肯氏新复极差检验法(Duncan's multiple range test, DMRT)检验各处理平均值之间的差异显著性, 差异显著水平为P < 0.05.
2 结果与分析 2.1 不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米生物量的影响不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米生物量的影响见表 2.在中度Pb胁迫下, 随着土壤中La浓度的增加, 玉米地上部、根部和总干重都显著降低, 玉米根冠比显著增加.当La浓度分别为50、200和800 mg·kg-1时, 玉米地上部干重与对照相比分别显著降低了17.90%、57.57%和81.17%;当La浓度为50 mg·kg-1时, 玉米根部和总干重没有显著变化, 当La浓度为200 mg·kg-1和800 mg·kg-1时, 玉米根部和总干重分别显著降低了46.08%、64.98%和55.60%和78.18%.随着土壤中La浓度的增加, 玉米根冠比分别显著增加了21.74%、26.09%和86.96%.
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表 2 不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米生物量的影响1)/g·pot-1 Table 2 Effect of different concentrations of La on the biomass of maize under the Pb stress/g·pot-1 |
2.2 不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米C、N和P含量的影响
不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米C、N和P含量的影响见表 3.在中度Pb胁迫下, 随着土壤中La浓度的增加, 玉米地上部C含量与对照相比分别显著降低了19.36%、59.92%和82.19%;当外源La浓度为200 mg·kg-1和800 mg·kg-1时, 玉米根部C含量分别降低了48.74%和65.85%.当外源La浓度为200 mg·kg-1和800 mg·kg-1时, 地上部和根部N含量与对照相比分别显著降低了48.27%、76.58%和40.44%、65.66%.当外源La浓度为200 mg·kg-1和800 mg·kg-1时, 地上部P含量与对照相比分别显著降低了65.51%和91.98%;随着土壤中La浓度的增加, 根部P含量分别显著降低了19.16%、70.02%和89.68%.当外源La浓度为50 mg·kg-1时, 玉米根部C含量、地上部和根部N含量以及地上部P含量与对照相比均无显著变化.
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表 3 不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米C、N和P含量的影响/mg·pot-1 Table 3 Effect of different concentrations of La on the C, N and P contents of maize under the Pb stress/mg·pot-1 |
2.3 不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米K、Ca和Mg含量的影响
不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米K、Ca和Mg的影响见表 4.在中度Pb胁迫下, 当外源La浓度为50 mg·kg-1时, 对玉米地上部和根部K、Ca和Mg的含量均无显著影响.当La的浓度为200 mg·kg-1和800 mg·kg-1时, 地上部和根部K含量与对照相比分别显著降低了40.16%、83.54%和33.85%、63.36%, 地上部和根部Ca含量分别显著降低了28.83%、51.23%和45.64%、71.91%, 地上部和根部Mg含量分别显著降低了55.91%、82.18%和40.16%、59.72%.
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表 4 不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米K、Ca和Mg含量的影响/mg·pot-1 Table 4 Effect of different concentrations of La on K, Ca and Mg contents of maize under the Pb stress/mg·pot-1 |
2.4 不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米C:N:P的影响
不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米C:N:P的影响见表 5.在中度Pb胁迫下, 随着土壤中La浓度的增加, 与对照相比玉米地上部C:N显著降低, 而对根部C:N无显著影响.当La浓度为50 mg·kg-1时, 与对照相比, 对玉米地上部和根部C:P无显著影响; 而随着土壤中La浓度的持续增加, 地上部和根部C:P均显著增加.当La浓度为50 mg·kg-1时, 与对照相比, 对玉米地上部N:P无显著影响, 而当La浓度为200 mg·kg-1和800 mg·kg-1时, 显著增加了玉米地上部N:P; 随着土壤中La浓度的增加, 显著增加了玉米根部N:P.
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表 5 不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米C:N:P比的影响 Table 5 Effect of different concentrations of La on C:N:P ratios of maize under the Pb stress |
2.5 不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米La和Pb浓度的影响
不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米植株中La和Pb浓度的影响见图 1.在中度Pb胁迫下, 随着土壤中La浓度的增加, 玉米根部La浓度均显著增加; 但与对照相比, 仅当La浓度为800 mg·kg-1时, 玉米地上部La浓度显著增加.随着土壤La浓度的增加, 玉米地上部Pb浓度与对照相比分别显著增加了52.61%、93.97%和99.01%;当La浓度为800 mg·kg-1时, 地上部Pb浓度与La浓度为50 mg·kg-1时相比显著增加了30.41%, 其余处理间无显著差异.当La浓度为50 mg·kg-1和800 mg·kg-1时, 玉米根部Pb浓度与对照相比分别显著增加了44.34%和37.10%;当La浓度为200 mg·kg-1时, 与对照相比根部Pb浓度无显著影响, 而与La浓度为50 mg·kg-1时相比, 根部Pb浓度却显著降低了19.64%.
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图 1 不同浓度镧处理对铅胁迫下玉米中La和Pb浓度的影响 Fig. 1 Effect of different concentrations of La on La and Pb concentrations of maize under the Pb stress |
不同浓度镧处理对土壤中乙酸铵-EDTA提取态La和Pb浓度的影响见图 2.随着外源添加La浓度的增加, 土壤中乙酸铵-EDTA提取态La浓度按比例显著增加.随着外源添加La浓度的增加, 土壤中乙酸铵-EDTA提取态Pb浓度与对照相比分别显著降低了3.68%、9.94%和4.57%;当La浓度为200 mg·kg-1时, 土壤中乙酸铵-EDTA提取态Pb浓度与La浓度为50 mg·kg-1和800 mg·kg-1相比分别显著降低了6.50%和5.62%.
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图 2 不同浓度镧处理对土壤中乙酸铵-EDTA提取态La和Pb浓度的影响 Fig. 2 Effect of different concentrations of La on the concentrations of CH3COONH4-EDTA-extractable La and Pb in the soil under the Pb stress |
稀土元素对植物重金属毒害的缓解作用具有明显“低促高抑”的Homesis现象, 其相关研究多集中于水生生态系统和水培培养条件.杜兰芳等[17]采用水培方法研究发现低浓度(≤0.4 mg·L-1)的镧能够促进铅(0~300 mg·L-1)胁迫下豌豆幼苗的生长, 使其根长和芽长分别增加了0%~68.97%和2.63%~62.26%, 缓解铅的毒害效应; 但当La浓度达到1.2 mg·L-1、Pb浓度大于200 mg·L-1时, La加剧了Pb对豌豆幼苗生长的毒害效应, 使其根长和芽长显著降低了5.08%~6.06%和7.35%~25.76%.在Cd胁迫(5 mg·L-1)下, 添加10 mg·L-1混合轻稀土, 对青椒地上和根干重无显著影响; 添加40 mg·L-1时, 地上部和总生物量分别增加了19.26%和16.18%;当 > 40 mg·L-1时, 地上部和总干重分别下降了2.57%~15.50%和0.67%~14.72%[18].本研究结果显示, 随着土壤中外源添加La浓度的增加, 铅胁迫下玉米地上部生物量显著降低了17.90%~81.17%, 表明稀土La加剧了重金属Pb对玉米生长的毒害作用; 而同时植株体内La和Pb的浓度均显著增加, 矿质营养元素的吸收显著降低, 因此稀土La和重金属Pb的复合污染表现出协同毒性作用.共存污染元素之间的交互作用使得复合污染比单一元素的污染要复杂得多, 与在环境中的浓度及其组合关系、植物的种类、所作用的植株部位等多种因素有关[19].因此, 对稀土和重金属之间的复合效应、影响因素以及对植物生长毒性效应的作用机制还有待进一步深入地研究.
土壤中的N、P和K等矿质元素是生命物质的重要组成成分, 是植物生长发育所必需的大量元素, 以多种形式参与植物生长发育和新陈代谢等不同生理生化过程.因此, 矿质代谢是植物赖以生存的根本[20, 21], 研究稀土-重金属复合污染胁迫对植物矿质营养吸收的影响具有十分重要的意义.本研究结果显示, 当土壤中外源添加La浓度大于200 mg·kg-1时, 使得铅胁迫下玉米对N、P、K、Ca和Mg等矿质营养元素的吸收显著降低了28.83%~91.98%.刘冰等[22]的水培试验结果显示, 喷施20 mg·L-1稀土La使得100 mg·L-1Cd胁迫下玉米幼苗茎叶Ca和Mg的含量分别显著降低29.77%和45.43%.不同浓度稀土镧(2~480 μmol·L-1)处理使得6 μmol·L-1Cd胁迫下蚕豆根部Mg、K和Ca含量分别下降了0.21%~15.30%、0.80%~10.85%和4.55%~17.13%[23].本研究表明, 低浓度稀土处理可促进植物对矿质营养元素的吸收, 而高浓度则表现出抑制效果.水培条件下, 低浓度La(0~10 mg·L-1)使得小麦地上部N、P的含量分别增加了3.09%~15.46%和5%~25%;而当La浓度 > 10 mg·L-1时, 地上部N、P的含量分别降低了6.16%和5%~7.5%[24].研究发现, 高浓度镧处理时可能会抑制植物的生理蛋白酶活性, 降低植物细胞对离子的吸收和转运, 从而影响植物矿质元素含量[25, 26].当土壤中稀土元素浓度过高时, 吸收的过量稀土聚集在植物细胞的表面, 改变其显微结构及膜的渗透性, 进而抑制矿质营养元素的吸收[27].另外, 稀土La可能会阻断K+和Ca2+的通道, 从而抑制其吸收和转运[28].稀土La离子是Ca的类似物, 由于La和Ca对植物体内离子吸收和运输的影响相似, La可以替代细胞酶中的Ca2+; 或者由于稀土离子结合稳定性要高于Ca2+, 导致La3+占据了Ca2+在细胞壁和质膜上的结合位点[29, 30].目前, 相关机制研究说法众多, 有待进一步证实.
生态化学计量学的概念由Elser等[31]首先明确提出, 是指生态过程和生态相互作用中多种化学元素和能量平衡的科学, 它主要研究3种元素C、N和P之间的关系.生长速率假设是生态化学计量学的核心思想, 认为随着生长速率的加快, 植物体内N和P含量逐渐增加, 而P增加得更快, C:P与N:P比会随之降低.本研究结果显示, 在Pb胁迫下, 当土壤中外源La浓度大于200 mg·kg-1时, 显著地抑制了植物对于P元素的吸收, 显著增加了玉米植株的C:P和N:P, 表明随着La和Pb协同毒害作用的增加玉米植株生长速率降低, 在同样的生长期内生物量积累明显降低, 符合生长速率假说.王芳等[32]的研究结果显示, 随着土壤中稀土元素Ce污染程度的增加, 也显著增加了玉米植株的C:P和N:P, 与本试验结果相一致.
本研究结果显示, Pb浓度为200 mg·kg-1时, 外源La的添加使得玉米植株地上部和根部Pb浓度显著增加了37.10%~99.01%.水培条件下, 铅浓度为100 mg·L-1时外加镧或镧配合物(5~20 mg·L-1)可使小萝卜茎叶和根中铅浓度分别显著降低39.34%~97.41%和63.03%~83.81%, 减轻铅对植物的毒害作用[33].另外, 低浓度的La(< 120 mol·L-1)可抑制Cd(6 μmol·L-1)对蚕豆幼苗的毒害, 使根系对Cd吸收降低5.81%~26.63%;而高浓度的La(> 120 mol·L-1)与Cd产生协同毒害, 使根系对Cd吸收增加了5.95%~12.39%, 加重重金属所引起的生态风险问题[34].经根施La3+(20 mg·L-1)和Pb2+(500 mg·L-1)溶液处理的大蒜幼苗, 与仅施Pb处理相比植株内Pb含量明显减少了约40%[35].低浓度的碳酸轻稀土(10 mg·kg-1、40 mg·kg-1)却显著增加了镉(5 mg·kg-1)胁迫下青椒茎中Cd的含量, 显著降低果实中Cd的含量; 而高浓度的碳酸轻稀土(140 mg·kg-1、200 mg·kg-1)则显著增加了叶中Cd的含量[18].因此, 稀土对于植物吸收重金属的影响, 可能受到试验方式(水培、土培)、稀土或重金属的浓度、类型以及植物种类、不同累积器官等相关因素的影响.已有的研究表明Pb离子可以借助Ca离子通道进入植物细胞, Ca离子通道抑制剂阻碍Pb进入细胞组织[36], 而LaCl3正是Ca离子通道抑制剂中的一种[37], 这也许可以解释为何外源添加La会抑制植物对Pb的吸收.另外, 在一定浓度Pb胁迫下, 由于La和Pb具有相似的半径[11], La与Pb在植物根细胞壁中存在竞争关系[38], 这也可能导致植物体内Pb含量的降低.然而, 对于外源稀土的添加促进植物吸收重金属的可能机制尚未见相关报道.目前, 有关稀土对植物吸收重金属元素的影响及其作用机制的研究还很少, 有必要深入研究稀土对植物吸收重金属产生不同影响的主要因素和作用机制.
4 结论(1) 在200 mg·kg-1铅胁迫下, 随着La浓度的增加(50、200和800 mg·kg-1), 玉米植株生物量显著降低了14.35%~78.18%, 根冠比显著增加了21.74%~86.96%.
(2) 在200 mg·kg-1铅胁迫下, 当La浓度大于200 mg·kg-1时, 玉米植株地上部和地下部N含量分别显著降低了48.27%~76.58%和40.44%~65.66%, P含量分别显著降低了65.51%~91.98%和70.02%~89.68%;玉米植株地上部和地下部C:P分别显著增加了15.01%~120.29%和71.56%~233.98%, N:P分别显著增加了47.26%~189.38%和97.29%~232.68%.
(3) 在200 mg·kg-1铅胁迫下, 当La浓度大于200 mg·kg-1时, 玉米植株地上部和地下部K含量分别显著降低了40.16%~83.54%和33.85%~63.36%, Ca含量分别显著降低了28.83%~51.23%和45.64%~71.91%, Mg含量分别显著降低了55.91%~82.18%和40.16%~59.72%.
(4) 在200 mg·kg-1铅胁迫下, 随着La浓度的增加(50、200和800 mg·kg-1), 玉米地上部和根部Pb浓度分别显著增加了52.61%~99.01%和15.99%~44.34%.
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