2021, Vol. 42
2. 河北农业大学资源与环境科学学院, 保定 071001;
3. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085
, SHI Dong1 , LIU Wen-ju2 , SUN Guo-xin3 , HOU Xin-cun1 , HU Yan-xia1 , ZHU Yi1 , WU Ju-ying1
2. College of Resources and Environment Science, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China;
3. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
镉毒性较大, 属人体非必须金属元素, 镉的摄入与肾中毒、骨质疏松症、神经中毒、内分泌紊乱和生殖障碍等许多疾病有关[1].由于肥料使用、大气沉降、污水灌溉和污泥施用等人类活动已经使得农田土壤镉污染成为了全球性问题[2, 3].据环境保护部和国土资源部联合发布报告表明, 我国农田镉的点位超标率在所有有害金属和类金属中名列第一[4].而且, 与其他有害金属和类金属相比, 镉在土壤中的移动性较强, 可通过很多必须营养元素(如铁和锌)的膜载体或通道被植物吸收, 更容易从土壤向植物体内迁移并累积在植物可食部位[5, 6].土壤镉污染已经对食品安全和人体健康造成严重威胁[6~8].
为去除土壤中的镉, 减小镉在作物体内的累积, 目前已经发展了很多方法和措施[6, 9].这些方法各有利弊, 植物修复与其他方法相比不会造成二次污染、成本低, 且不会破坏土壤理化性质, 是公认的绿色修复技术[10].特别是对于植物提取修复, 目前已经发展了多种镉超累积植物, 可在地上部累积较高含量的镉, 通过收割地上部将镉从土壤中移除, 但超累积植物一般对生长环境要求苛刻、生长速度慢或者生物量小, 维护成本高, 而且在修复的同时还会导致占用的农田无法进行正常生产, 大大降低土地利用率[11].
近年来有报道表明, 一些大生物量的能源植物可以在地上部累积大量的镉, 具有较好地提取修复镉污染土壤的潜力.这些植物的根系很发达, 可以将镉吸收或吸附固持在发达的根系上减小镉的移动性[12, 13], 且这些植物普遍具有较强的适应性和抗性[14, 15].土壤镉含量为8 mg·kg-1时, 单株杂交狼尾草(Pennisetum americanum × P. purpureum)地上部镉累积量可达到0.62 mg[12], 而土壤镉含量为20.3 mg·kg-1时, 超累积植物单株镉累积量只有0.24 mg[16].笔者在同一种植条件下的盆栽试验结果也表明, 虽然杂交狼尾草和紫色象草(Pennisetum purpureum ‘Purple’)的体内镉含量低于超累积植物遏蓝菜(Noccaea caerulescens)和马蔺(Iris lactea var. chinensis), 但其地上部镉累积量显著大于其他30种芒属(Miscanthus)、芦竹属(Arundo)、黍属(Panicum)植物和马蔺, 并与遏蓝菜持平[17].但是对于生长速度快、生物量大的杂交狼尾草和紫色象草, 盆栽试验会由于盆的约束而限制其生长, 从而低估其提取修复能力.在田间条件下比较能源草与超累积植物的地上部镉累积量, 评价能源草对镉污染土壤修复潜力的研究鲜见报道.
此外, 能源草的茎秆可用于生产生物燃料、纸浆、建筑材料以及吸附材料等, 从而产生经济效益[18~21].如果这些能源草本植物田间条件下对镉污染土壤的修复能力可以与超累积植物相近或高于超累积植物, 再加上其适应性强、管护成本低等特点, 在污染土壤上种植这些能源草本植物可以提取去除土壤中的镉或减少镉随水径流污染周边环境的风险, 并可增加植被、提升景观和开展原材料生产, 从而在减小镉进入食物链的同时提高土地利用率, 产生经济效益, 实现边修复边生产.
本文选用镉吸收累积能力较强的杂交狼尾草和紫色象草为研究对象[17], 并用超累积植物遏蓝菜[11, 22]和具有高富集镉特征的马蔺[23, 24]为对照植物, 开展田间试验, 通过阐明田间条件下杂交狼尾草和紫色象草对镉的吸收累积能力, 评价其对镉污染土壤的修复潜力, 以期为治产结合修复与利用镉污染土壤提供依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况与供试植物本试验于2018年5月上旬至11月上旬在河北省保定市某农田(北纬38°48′, 东经115°44′) 进行.该地区属暖温带大陆性季风气候区, 四季分明, 年均日照2 511 h, 年均气温13.4℃, 平均风速1.8 m·s-1, 年均降雨量499 mm.试验点北部700 m左右是已经废弃的铜矿开采冶炼厂, 由于长期污水灌溉导致试验点农田土壤镉含量超标.土壤质地为壤土, 其理化性质见表 1.其中土壤镉含量是我国农用地土壤污染风险筛选值(GB 15618-2018)的3.1倍, 超过河北省土壤背景值19倍, 为中度污染土壤[4, 25].虽然土壤锌和铅含量未超过风险筛选值(GB 15618-2018), 但由于锌是镉的伴生元素, 与镉具有相同的核外电子构型, 化学性质相似, Cd2+可以通过占用特异度低的Zn2+离子通道进入植物细胞[26~29], 因此本研究也分析了植物对锌的吸收累积情况.
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表 1 土壤和草炭理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the soil and the peat |
本试验用植物是镉吸收累积能力较强的两种草本能源植物紫色象草和杂交狼尾草, 以及马蔺和超累积植物遏蓝菜(表 2).
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表 2 供试植物信息 Table 2 Information about the plants used in the present study |
1.2 植物培养与试验设计
紫色象草和杂交狼尾草采用扦插培养：将具有完整芽的植物根茎(7 cm长)在装有草炭的营养钵中进行扦插培养.马蔺采用分株的方法培养：将大小一致的马蔺的分株进行修剪, 得到地上部分高为7 cm、根长为4 cm的分株, 然后将分株栽植到装有草炭的营养钵中培养.草炭基本理化性质见表 1.
遏蓝菜采用种子繁殖培养：将遏蓝菜种子用15%双氧水浸泡30 min, 再用去离子水充分冲洗3遍后移入铺有滤纸的培养皿中, 保持滤纸湿润, 在25℃下避光培养, 两周后将露白的种子移入蛭石中继续培养, 浇灌去离子水保持蛭石湿润.待遏蓝菜幼苗子叶完全张开后浇灌营养液, 在蛭石中培养5个月后移入装有草炭的营养钵中继续培养.
将以上4种植物移栽到装有草炭的营养钵(11 cm口径、12 cm高)中后, 均统一浇灌去离子水培养3周, 然后选取大小一致的植物苗, 将其随同钵中草炭一起移入试验区.植物具体培养方法参考文献[17].
杂交狼尾草和紫色象草按照行株距1 m × 1 m种植, 每个小区16棵, 小区面积为9 m2(3 m × 3 m); 马蔺和遏蓝菜按照行株距30 cm × 30 cm种植, 每个小区40棵, 小区面积为3 m2(3 m × 1 m).每种植物重复3个小区, 随机区组排列.将植物移入田间后立即进行灌溉, 浇足浇透头水, 一周后浇足二水, 之后对植物进行正常的人工除草和灌溉管护工作.
1.3 采样与测定植物移入田间种植6个月后收获, 杂交狼尾草和紫色象草每个小区随机取3株, 马蔺和遏蓝菜随机取10株(为防止边际效应影响, 不取边行植株样本), 迅速称量地上部样品总鲜重后带回实验室, 随机取一部分称量鲜重后用去离子水洗净, 105℃杀青0.5 h后80℃烘干至恒重, 称量, 计算含水率.地上部生物量以总干重计.植物根用根钻(XDB0404汽油动力根钻, 北京新地标土壤设备有限公司)收集后, 带回实验室, 用去离子水洗净, 105℃杀青0.5 h后80℃烘干至恒重.根钻所取圆柱形土柱直径为7 cm, 深度为20 cm.每株植物取3根钻为一个混合样, 分别从植物正上方和植物主干两侧打入根钻取样.植物样品经烘干、粉碎后备用.
土壤基本理化性质测定参照文献[30].土壤的pH值用pH计(pHs-3C雷磁, 上海精密科学仪器有限公司)测定, 土水比1∶2.5.土壤有机碳(TOC)和总氮(TN)分别用重铬酸钾氧化法和开氏消煮法测定.土壤阳离子代换量(CEC)用乙酸铵法测定.土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量分别用碱解扩散法、碳酸氢钠法和乙酸铵提取法测定.土壤样品采用HCl-HNO3-HF-HClO4方法消解(GB/T 1739-1997), 植物样品用浓硝酸微波消解, 消解液中镉和锌的质量浓度用电感耦合等离子体质谱仪进行测定(ICP-MS, 7500a, 安捷伦科技有限公司)[31].植物样品中镉和锌的含量均以样品干重为基础计.在消解和测定全程使用试剂空白和标准物质(GBW 07603, 灌木枝叶)进行质量控制, 镉和锌的加标回收率为86%~105%.
1.4 数据分析所有数据进行单因素方差分析, 样品均值的比较采用LSD检验(P < 0.05).所有统计分析均在SPSS 16.0软件(SPSS Inc., USA)下进行.
转移系数(translocation factor, TF)=植物地上部元素含量/根部元素含量
提取率(extraction ratio, ER)=植物地上部元素总累积量/耕层(20 cm)土壤元素总量×100%
地上部富集系数(bioconcentration factor of shoot, BCFS)=植物地上部元素含量/土壤元素含量
根部富集系数(bioconcentration factor of root, BCFR)=植物根部元素含量/土壤元素含量
2 结果与分析 2.1 植物生物量4种供试植物中, 因遏蓝菜对环境要求苛刻, 其成活率只有35.4%, 其他3种植物的成活率为100%.因遏蓝菜和马蔺植株矮小, 需要经常除草, 而紫色象草和杂交狼尾草除了在种植前进行过一次除草外, 未进行过其他管护措施.结果统计中遏蓝菜生物量、镉累积量和提取率均是按照成活率为100%计算得出的结果.4种植物地上部的生物量差异显著(P < 0.05, 图 1).其中, 杂交狼尾草和紫色象草的地上部生物量最大, 遏蓝菜地上部生物量最小.杂交狼尾草的生物量分别比遏蓝菜和马蔺大125和35倍, 马蔺的生物量比遏蓝菜大2.4倍.
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柱上方不同的小写字母表示不同植物地上部之间差异显著(P < 0.05); PPP、PAP、ILC和NC分别表示紫色象草、杂交狼尾草、马蔺和遏蓝菜, 下同 图 1 植物地上部的生物量 Fig. 1 Aboveground biomass of the plants used in the present field study |
4种植物地上部和根部的镉含量在不同植物间差异显著[P 0.05, 图 2(a)].超累积植物遏蓝菜地上部和根部的镉含量均为最高, 分别比马蔺、杂交狼尾草、紫色象草高4.9、36.6、26.0倍和3.6、7.6、9.5倍.马蔺和遏蓝菜各自的根部与地上部的镉含量无显著差异, 杂交狼尾草和紫色象草根部镉含量比地上部镉含量分别高2.6和1.1倍.4种植物中, 遏蓝菜的地上部和根部的锌含量最大, 分别显著比其他植物高8.9~11.7和0.8~2.0倍[P < 0.05, 图 2(b)].紫色象草、杂交狼尾草和马蔺中, 紫色象草的根部锌含量最大, 马蔺最小, 地上部锌含量无显著差异.紫色象草、杂交狼尾草和马蔺的根部锌含量分别显著比地上部高3.0、2.8和2.0倍(P 0.05).虽然马蔺地上部和根部的镉含量均显著高于杂交狼尾草和紫色象草(P < 0.05), 但是其锌含量却较低(图 2).
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柱上方不同的小写和大写字母分别表示不同植物地上部和根部之间差异显著(P < 0.05), *和ns分别表示地上部与根部之间差异显著(P < 0.05)和不显著(P>0.05) 图 2 植物地上部和根部的镉和锌的含量 Fig. 2 Concentrations of Cd and Zn in the shoots and roots of the plants |
紫色象草地上部镉和锌的累积量最大, 其中镉累积量分别比马蔺、杂交狼尾草和遏蓝菜高6.0、0.2和3.1倍[图 3(a)], 锌累积量与杂交狼尾草无显著差异, 分别比马蔺和遏蓝菜高40.2和10.3倍[P < 0.05, 图 3(b)].
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柱上方不同的小写字母表示不同植物地上部之间差异显著(P < 0.05) 图 3 植物地上部中镉和锌的累积量 Fig. 3 Amounts of Cd and Zn accumulated in the shoots of the plants |
4种植物地上部和根部的镉富集系数在不同植物间差异显著[P < 0.05, 图 4(a)].超累积植物遏蓝菜地上部和根部的镉富集系数均在7.8以上, 远大于1; 马蔺地上部和根部的镉富集系数均大于1.6; 杂交狼尾草和紫色象草的地上部和根部的镉富集系数均小于1.对于锌富集系数, 只有遏蓝菜的地上部锌富集系数大于1, 其他植物均未达到0.3; 除遏蓝菜外, 其他植物根部的锌富集系数均大于地上部锌富集系数, 遏蓝菜和紫色象草的根部锌富集系数均大于1 [图 4(b)].在4种植物中, 马蔺地上部和根部的锌富集系数最小.
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柱上方不同的小写和大写字母分别表示不同植物地上部和根部之间差异显著(P < 0.05), *和ns分别表示地上部与根部之间差异显著(P < 0.05)和不显著(P>0.05) 图 4 镉和锌在植物地上部和根部的生物富集系数(BCFS和BCFR) Fig. 4 Bioconcentration factors of Cd and Zn in the shoots and roots (BCFS and BCFR) of the plants |
4种植物对镉的转移系数差异显著, 遏蓝菜体内镉的转移系数最大, 其次是马蔺, 杂交狼尾草最小(表 3).遏蓝菜的镉转移系数分别比马蔺、紫色象草和杂交狼尾草高0.3、1.6和3.2倍(P < 0.05).遏蓝菜体内锌转移系数显著高于其他3种植物, 是其他3种植物的4.2~5.4倍, 其他3种植物的锌转移系数无显著差异(P < 0.05).只有遏蓝菜体内镉和锌的转移系数大于1.马蔺体内镉的转移系数比紫色象草和杂交狼尾草高1.0和2.3倍(P < 0.05), 锌的转移系数与这两种能源草无显著差异.4种植物中, 紫色象草对镉和锌的提取率最大, 其镉的提取率比马蔺和超累积植物遏蓝菜分别高6.0和3.1倍, 锌的提取率比马蔺和超累积植物遏蓝菜分别高40.2和10.3倍.杂交狼尾草的镉提取率比紫色象草低19.8%(P < 0.05), 锌提取率略低于紫色象草, 但不显著(表 3).
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表 3 不同植物对镉和锌的提取率及镉和锌在植物体内的转移系数1) Table 3 Extraction ratios (ERs) and translocation factors (TFs) of Cd and Zn for different plants |
3 讨论 3.1 田间条件下植物的生物量
本研究中能源草杂交狼尾草和紫色象草均具有很大的地上部生物量, 分别可以达到76 t·hm-2和68 t·hm-2, 高于其他的研究报道[32, 33].除降雨、温度等环境因素的影响外, 土壤镉含量也可能是造成本研究中这两种能源草的生物量高于其他报道研究结果的原因.虽然过高的镉含量可以抑制植物的生长, 但低含量镉对植物生长有促进作用[12, 34, 35].
另外, 本研究中杂交狼尾草和紫色象草的地上部生物量远大于马蔺和遏蓝菜, 最高相差125倍, 杂交狼尾草和紫色象草的单株地上部生物量分别可达到4.8 kg和4.3 kg(图 1).而在盆栽条件下, 杂交狼尾草和紫色象草的单株地上部生物量分别比遏蓝菜高8.5和7.8倍, 单株生物量分别只有18.6 g和17.3 g[17].Zhang等[12]的研究结果也表明, 土壤镉含量为0.17~8.2 mg·kg-1的盆栽条件下, 种植100 d后杂交狼尾草的地上部生物量为10.0~14.5 g.可见, 田间条件下的紫色象草和杂交狼尾草的生物量远高于盆栽条件[12, 17].田间条件避免了盆栽土壤体积对杂交狼尾草和紫色象草生长的限制, 使得这两种能源草充分发挥出其生物量大的优势, 在地上部累积了比超累积植物更多的镉和锌(图 3).
3.2 植物体内的镉、锌含量和累积量本研究用超累积植物遏蓝菜是Ganges生态型, 来自法国南部, 与其他生态型相比具有更好的修复镉污染土壤的潜力, 可用于中度和轻度镉污染土壤的植物提取修复[22].马蔺广泛分布于我国各地区, 具有耐干旱、耐盐碱和抗病虫害的特性, 适应性强, 并对镉具有很强的耐性和吸收累积能力.当营养液中镉质量浓度达到10 mg·L-1时, 其地上部镉含量便可大于超累积植物标准值100 mg·kg-1, 且无明显毒害症状, 具有超累积植物的特征[23, 24].虽然遏蓝菜和马蔺的地上部镉含量均显著大于杂交狼尾草和紫色象草, 但在田间条件下的地上部镉累积量却远小于杂交狼尾草和紫色象草, 最高可相差6.0倍[图 2(a)和图 3(a)], 相差倍数远高于盆栽条件下的试验结果[12, 17].田间条件下, 杂交狼尾草和紫色象草表现出更强的吸收累积镉的能力.
对镉吸收能力较强的植物通常也有较强的锌吸收能力, 但有趣的是, 4种植物地上部和根部的镉含量排序与锌含量排序并不一致, 马蔺地上部和根部的镉含量均显著高于杂交狼尾草和紫色象草, 但是锌含量却较低, 根部锌含量显著低于这两种能源草(图 2).而且, 虽然马蔺体内镉从根向地上部的转移系数是紫色象草和杂交狼尾草的2.0和3.3倍(P<0.05), 其锌转移系数却与这两种能源草无显著差异.Hou等[17]的盆栽试验的结果也表明, 马蔺体内镉含量显著高于其他观赏或能源草本植物, 而锌含量却很低.此外, 也有研究表明, 在0~50 mg·L-1镉质量浓度处理中, 随着镉质量浓度的增加马蔺地上部和根部的锌含量无显著变化[24].因此, 马蔺对镉的吸收转运机制可能有其自身的特点, 值得深入研究.
3.3 田间条件下植物对镉和锌的富集系数与转移系数地上部重金属的富集系数和转移系数均大于1的植物通常被认为可用于提取修复污染土壤[9, 36].根部富集系数大于1且转移系数小于1的植物通常被认为可用于稳定修复污染土壤[37, 38].据此, 在本研究中, 只有遏蓝菜体内镉和锌的转移系数和地上部富集系数均大于1, 可用于提取修复镉锌复合污染土壤.马蔺体内镉的根部富集系数大于1且转移系数小于1, 可用于稳定修复镉污染土壤.对于锌, 只有紫色象草根部富集系数大于1, 转移系数小于1, 可用于稳定修复锌污染土壤(图 4和表 3).而在盆栽条件下, 杂交狼尾草和紫色象草的地上部镉富集系数大于1[12, 17], 这可能由于盆栽条件下植物根系密度较大, 增加了土壤中镉的空间有效性, 从而促进了植物对镉的吸收.但是, 无论如何, 虽然田间条件下杂交狼尾草和紫色象草体内镉的地上部富集系数和转移系数均小于1, 锌的转移系数均小于1, 但两者很大的生物量弥补了其镉锌含量较低的短板, 地上部中镉和锌的累积量远大于马蔺和超累积植物遏蓝菜, 对土壤中镉和锌的提取率更高.可见, 除了富集系数和转移系数外, 植物生物量也应该作为判断植物修复潜力的指标之一, 如何将评判植物修复能力的指标进行量化和标准化还需要深入和广泛地研究.
在本研究中, 紫色象草地上部对镉的累积量最大, 对镉污染土壤的提取修复能力最强.如果按照本研究的种植密度且每年只收获一茬(6个月)紫色象草, 耕层土壤镉含量降到我国农用地土壤污染风险筛选值(GB 15618-2018)0.6 mg·kg-1以下需要75 a的时间, 而用遏蓝菜和马蔺分别需要310 a和521 a.如果仅仅对污染土壤进行修复而不能产生经济效益, 则大大减小了土地利用率, 75 a的时间在实际应用中仍然难以接受, 但是, 作为能源草的紫色象草和杂交狼尾草除了管理成本低, 可以增加植被保持水土外, 还可以用来生产生物质能源、优质饲料或者造纸原料, 在修复镉污染土壤的同时带来可观的经济效益, 从而治产结合, 实现镉污染农田的安全利用[18~21, 33, 39].有研究表明, 象草中镉和锌主要以果胶和蛋白结合态存在, 用盐酸和乙醇溶液提取后可以在保留蛋白的同时将镉去除, 提取后的象草茎叶中的镉锌含量低于我国《饲料卫生标准》(GB 13078-2001)限量值[40].而将紫色象草和杂交狼尾草作为生产生物燃料和纸浆的原材料则不会使镉进入食物链.植物生长及对镉的吸收受土壤性质和环境条件等的影响较大, 在其他地区或者在轻度或重度污染区, 紫色象草和杂交狼尾草是否也可以表现出同样的镉吸收累积能力还需要开展广泛研究.此外, 刈割、施用螯合剂和种植密度等均可以影响植物对土壤中镉的吸收累积能力.有研究表明, 刈割可以显著增加象草对土壤镉的吸收去除能力, 刈割处理后象草对镉和锌的吸收去除量分别可增加1.1和0.7倍[40].铵态氮肥和螯合剂的施用也可以显著增加象草地上部的镉累积量[41, 42].如果用紫色象草结合刈割和施用螯合剂等农艺和化学综合措施, 将会很大程度上增加紫色象草地上部的镉累积量, 缩短修复到目标土壤镉含量所需要的时间.因此, 用大生物量的象草和杂交狼尾草进行镉污染土壤修复具有很好的应用前景.
在实际应用中, 大规模的种植杂交狼尾草和象草需要考虑其对农田和自然环境产生生态入侵的风险性.由于杂交狼尾草为直立丛生型草, 其地下根茎基本上不向周围扩散, 且不结实, 对周边环境不具入侵性, 属于低风险入侵植物, 对农业生产和生态环境的影响较小[43, 44]; 而象草被认为存在一定的潜在入侵风险, 但入侵风险可控, 因此在田间种植象草时应对其加强管理和监测, 对其可能存在的入侵风险给予关注[45].由于象草和杂交狼尾草在我国北方地区均无法安全露地越冬, 因此这两种草在北方地区不具入侵性, 且更适用于修复设施污染土壤[44, 46].
4 结论(1) 杂交狼尾草和紫色象草田间条件下的生物量远大于马蔺和超累积植物遏蓝菜, 且具有很强的适应性, 管护成本低.
(2) 4种植物中, 遏蓝菜地上部镉和锌的富集系数均大于1, 其体内镉和锌的转移系数均大于1, 可用于提取修复镉锌复合污染土壤; 马蔺根部的镉富集系数大于1且体内镉转移系数小于1, 可用于稳定修复镉污染土壤; 紫色象草根部锌富集系数大于1, 其体内锌的转移系数小于1, 可用于稳定修复锌污染土壤.
(3) 尽管体内镉和锌的含量显著小于马蔺和超累积植物遏蓝菜, 杂交狼尾草和紫色象草的地上部镉和锌的累积量远大于这两种植物.紫色象草地上部镉和锌的累积量最大, 分别是马蔺累积量的7.0和41.2倍, 是遏蓝菜累积量的4.1和11.3倍; 杂交狼尾草的镉和锌的累积量略小于紫色象草.
(4) 田间条件下, 紫色象草对土壤中镉和锌的提取率最大, 其次是杂交狼尾草, 表现出较强的土壤镉和锌的提取去除潜力, 且可通过加工生产生物燃料和纸浆等产品带来经济效益, 具有较好地应用前景.
致谢: 感谢赵方杰教授和江荣风教授提供遏蓝菜种子, 感谢孟林研究员提供马蔺植株.
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