綠竹林下主要重金屬富集植物篩選

邱細(xì)妹，梁其斌，吳承文，鄭瑞鈺，于廷義

(1.尤溪縣林業(yè)局梅仙林業(yè)站，福建 尤溪 365101； 2.尤溪縣林業(yè)局，福建 尤溪 365100)

土壤重金屬污染是指由于人類活動(dòng)或自然因素等造成的重金屬元素在土壤中的含量超過(guò)背景值，過(guò)量沉積而引起的土壤重金屬含量過(guò)高的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為土壤重金屬污染[1-2]。一般來(lái)說(shuō)土壤重金屬具有性質(zhì)穩(wěn)定，難以降解、遷移和轉(zhuǎn)化的特征，因此污染一旦形成，對(duì)地表生物將產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響[2]。土壤重金屬修復(fù)是指通過(guò)物理、化學(xué)、生物及微生物學(xué)方法將土壤中過(guò)量的重金屬進(jìn)行轉(zhuǎn)化、遷移、隔離或鈍化[3-4]。已有研究中利用物理材料吸附固定是最常用的方法，其具有見(jiàn)效快、無(wú)污染且不易產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點(diǎn)被研究人員所認(rèn)可[5]。但是，物理修復(fù)方法最大的缺陷在于無(wú)法將重金屬離子徹底移出土壤，被固定在土壤中的重金屬離子隨環(huán)境的改變隨時(shí)都有再次被釋放的可能，存在不可控的潛在風(fēng)險(xiǎn)[5]?；瘜W(xué)修復(fù)方法是指利用化學(xué)物質(zhì)的氧化或還原性質(zhì)，將有毒害作用或者可遷移重金屬離子轉(zhuǎn)化為無(wú)毒害或者鈍化狀態(tài)，以此減輕對(duì)地表生物的毒害作用，雖然化學(xué)修復(fù)方法見(jiàn)效快，但成本高昂，技術(shù)相對(duì)不成熟、不穩(wěn)定，無(wú)法大面積推廣[4]；同時(shí)，施入土壤中的化學(xué)物質(zhì)對(duì)土壤原有生態(tài)平衡的影響不可預(yù)見(jiàn)，二次污染的風(fēng)險(xiǎn)也不可控制。利用富集及超富集植物吸收轉(zhuǎn)移土壤中過(guò)量重金屬離子，再對(duì)植物加以利用是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[6-7]。據(jù)報(bào)道[6]，國(guó)內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)的重金屬超富集植物已有多種，但植物的生長(zhǎng)與環(huán)境因素密切相關(guān)，在不同環(huán)境中植物器官及功能性變異時(shí)有發(fā)生，異地植物的遷移甚至?xí)?dǎo)致植物的直接死亡。因此篩選適宜本地氣候環(huán)境的重金屬富集、超富集植物尤為重要。

綠竹是我國(guó)南方重要的筍竹兩用竹種[8]，調(diào)查表明，尤溪縣在礦區(qū)周邊栽培的部分綠竹存在土壤重金屬Pb超標(biāo)的情況，在一定程度上影響到綠竹的生長(zhǎng)及綠竹筍品質(zhì)的提高，隱藏著未知的食品安全風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)這部分的綠竹栽培區(qū)進(jìn)行土壤Pb的植物修復(fù)研究迫在眉睫。本研究通過(guò)采集礦區(qū)綠竹林下分布的植物樣品，測(cè)定植物不同器官鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、砷(As)、鎘(Cd)、汞(Hg)和鉛(Pb)含量，分析不同植物種類對(duì)重金屬的富集能力，篩選尤溪本地綠竹林重金屬富集植物，對(duì)尤溪綠竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、筍品質(zhì)的提升具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省尤溪縣梅仙鎮(zhèn)，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，夏季濕熱，冬季溫涼，年均氣溫19.2 ℃，極端低溫-7.8 ℃。降水量的年際變化較大，年均降水量1620.6 mm，2—6月為春雨、梅雨季，大雨暴雨較多。年均日照時(shí)間1574.3 h。試驗(yàn)點(diǎn)位于低矮丘陵地帶，坡度5°～10°，土體深厚，土壤為典型山地紅壤，質(zhì)地粘重，偏酸性。

當(dāng)?shù)鼐G竹林于2004—2006年由1年生母竹移栽造林，造林密度900 株·hm-2，2006年成林經(jīng)營(yíng)至今。其中材用綠竹林經(jīng)營(yíng)較為粗放，筍用竹林經(jīng)營(yíng)采取傳統(tǒng)經(jīng)營(yíng)方式，每年1—4月伐除老竹，根據(jù)竹叢大小選擇性保留1～3年生母竹4～6株，其中3年生母竹最多保留1株。4—5月翻土并進(jìn)行施肥，翻土深度10～15 cm，施肥采用環(huán)竹叢外緣溝施和穴施2種方式，施肥后及時(shí)覆土。林下植被豐富，主要為芒萁(Dicranopterisdichotoma(Thunb.) Berhn.)、臭牡丹(ClerodendrumbungeiSteud.)等草本和低矮灌叢木本植物。研究區(qū)域中水尾采樣點(diǎn)、馬坪采樣點(diǎn)和后坑采樣點(diǎn)位于原鉛鋅礦附近，綠竹林為材用林；通坑采樣點(diǎn)為筍用林。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

2.1 樣品采集與處理

于2020年4月對(duì)4個(gè)采樣點(diǎn)綠竹林下生長(zhǎng)的主要植物進(jìn)行調(diào)查，分器官采集不同植物樣品(表1)，帶回實(shí)驗(yàn)室用去離子水洗凈后，105 ℃下殺青30 min，70～80 ℃下烘至恒重。將所有烘干樣品，剪碎混勻后以高速粉碎機(jī)磨細(xì)后，裝袋保存。植物樣品鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)、砷(As)、鎘(Cd)、汞(Hg)和鉛(Pb)含量參照《土壤農(nóng)化分析》[9]和《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[10-12]測(cè)定。

表1 植物樣品基本信息

土壤樣品采用五點(diǎn)混合法采集，于植物樣品采集點(diǎn)用土鏟挖取0～20 cm土層的土壤樣品，混勻后采用四分法分取1000 g左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室，晾干磨碎至過(guò)20目篩儲(chǔ)存。土壤各指標(biāo)參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[10-12]測(cè)定。

表1(續(xù))

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Duncan新復(fù)極差法測(cè)驗(yàn)不同處理間差異顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分及重金屬含量差異

由表2可知，不同采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分和重金屬含量差異均較大，其中水尾村采樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮含量均最低，分別為8.3 g·kg-1、59.5 mg·kg-1、1.0 mg·kg-1、31.4 mg·kg-1、0.44 mg·kg-1，說(shuō)明水尾綠竹林采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分較為瘠薄，材用綠竹生長(zhǎng)對(duì)肥料養(yǎng)分需求較低，適宜發(fā)展材用綠竹林。通坑采樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全氮含量最高，分別為27.9 g·kg-1、128 mg·kg-1、1.18 g·kg-1，說(shuō)明通坑綠竹林土壤氮素養(yǎng)分較為充足。對(duì)4個(gè)采樣點(diǎn)土壤重金屬含量分析發(fā)現(xiàn)，水尾采樣點(diǎn)土壤Cu、Pb含量超出風(fēng)險(xiǎn)值；馬坪采樣點(diǎn)土壤Cu、Pb、Cd、As含量超出風(fēng)險(xiǎn)值；后坑采樣點(diǎn)土壤Pb、Cd超出風(fēng)險(xiǎn)值；通坑采樣點(diǎn)僅土壤Pb含量稍微超出風(fēng)險(xiǎn)值，超出范圍為5.0%?？紤]到土壤采樣深度僅20 cm，表層土壤受人為經(jīng)營(yíng)和大氣自然沉降等干擾后重金屬含量會(huì)有所升高，容易受到外界環(huán)境的影響。

表2 采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分及重金屬含量

3.2 不同植物地上部重金屬含量差異

從地上部來(lái)看(表3)，13種植物地上部各器官中Cr含量最低、最高分別為枇杷葉紫珠稈、葉，分別為1.86、29.80 mg·kg-1；Cu含量最低、最高分別為芒萁、華南毛蕨，分別為2.71、15.70 mg·kg-1；Zn含量最低、最高分別為臭牡丹稈、枇杷葉紫珠葉，分別為11.0、132.0 mg·kg-1；As含量最低、最高分別為鹽膚木、芒萁，分別為0.061、3.060 mg·kg-1；Cd含量最低、最高分別為臭牡丹稈、華南毛蕨，分別為0.026、0.549 mg·kg-1；Hg含量最低、最高分別為臭牡丹稈、枇杷葉紫珠葉，分別為0.007、0.028 mg·kg-1；Pb含量最低、最高分別為鹽膚木、芒萁，分別為2.83、36.30 mg·kg-1。13種植物地上部Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb平均含量分別為9.28、7.14、39.4、0.350、0.219、0.014、11.08 mg·kg-1。

表3 植物樣品地上部主要重金屬含量 mg·kg-1

3.3 不同植物地下部重金屬含量差異

對(duì)于地下部來(lái)說(shuō)(表4)，不同植物地下部Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb含量分別在0.78～125.00、3.86～44.00、14.0～354.0、0.176～2.530、0.086～0.833、0.008～0.039、8.74～596.00 mg·kg-1之間，平均含量分別為28.87、10.49、65.8、0.799、0.481、0.019、72.97 mg·kg-1。其中棕葉狗尾草地下部Cr、Cu、Zn、As、Pb含量均遠(yuǎn)高于其它植物，鹽膚木地下部Cu、Zn、Pb含量均低于其它植物。

表4 植物樣品地下部主要重金屬含量 mg·kg-1

3.4 主要重金屬元素含量在不同植物之間差異

總體來(lái)看，主要重金屬在植物中的平均含量均表現(xiàn)為地下部>整株>地上部(表3～表5)。從表5可以看出，對(duì)于不同植物整株來(lái)說(shuō)，主要重金屬元素含量差異進(jìn)一步增加。不同植物中Cr含量最高、最低分別為棕葉狗尾草、商陸，分別為74.7、2.3 mg·kg-1；Cu含量最高、最低分別為棕葉狗尾草、鹽膚木，分別為26.8、4.5 mg·kg-1；Zn含量最高、最低分別為棕葉狗尾草、山礬，分別為209.7、19.9 mg·kg-1；As含量最高、最低分別為棕葉狗尾草、鹽膚木，分別為1.334、0.147 mg·kg-1；Cd含量最高、最低分別為商陸、臭牡丹，分別為0.724、0.073 mg·kg-1；Hg含量最高、最低分別為烏梅、鹽膚木，分別為0.026、0.008 mg·kg-1；Pb含量最高、最低分別為棕葉狗尾草、鹽膚木，分別為307.5、5.8 mg·kg-1。整株植物Cr、Cu、Zn、As、Cd、Hg、Pb平均含量分別為18.9、9.3、52.2、0.440、0.360、0.016、40.3 mg·kg-1。表明棕葉狗尾草對(duì)Cr、Cu、Zn、As、Pb的富集能力均最強(qiáng)，商陸、烏梅分別對(duì)Cd、Hg的富集能力最強(qiáng)。差異顯著性分析結(jié)果表明，棕葉狗尾草Zn、Pb含量顯著高于其它植物(P<0.05)，說(shuō)明棕葉狗尾草對(duì)Zn、Pb的富集能力遠(yuǎn)超其它植物；As、Hg含量在所有植物之間均無(wú)差異顯著性(P<0.05)，說(shuō)明不同植物對(duì)As、Hg的富集能力差異不大。

表5 主要重金屬元素在不同植物之間差異 mg·kg-1

對(duì)土壤與植物各元素含量相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(表6)，土壤Pb與植物Zn、Pb含量之間，土壤Cd與植物Cu含量之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。此外，土壤Cu與植物Zn含量之間，土壤Cr與植物Pb含量之間，土壤Cd與植物Cr、Zn、Pb含量之間，土壤As與植物Cu、Zn、Pb含量之間均具有顯著性相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而土壤Hg含量與植物主要重金屬元素含量之間均不具有顯著性相關(guān)關(guān)系。表明植物對(duì)Cr和Cu的吸收僅受土壤Cd含量的影響，而植物對(duì)Zn、Pb的吸收受土壤中主要重金屬元素含量的影響較大。

表6 土壤中各指標(biāo)含量與植物重金屬含量相關(guān)關(guān)系

4 結(jié)論與討論

4.1 植物不同器官對(duì)主要重金屬元素富集能力不同

已有研究表明，植物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)主動(dòng)或被動(dòng)從土壤中吸收一種或多種重金屬元素，在吸收量較小的情況下，這些元素主要用于植物體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)形成及組織器官生長(zhǎng)，參與植物體內(nèi)氧化還原反應(yīng)和電子傳遞、核酸和蛋白質(zhì)代謝、植物呼吸作用和光合作用等生理活動(dòng)，因此不同元素被吸收后積累、利用的器官有很大區(qū)別[13-14]。本研究中植物地下部各重金屬元素平均含量均遠(yuǎn)高于地上部，說(shuō)明植物地下部是富集重金屬元素的主要器官。此結(jié)果與蘭欣宇等[13]在對(duì)北京園林綠地8種樹(shù)木3種重金屬含量的研究結(jié)果相似。

重金屬元素在植物體內(nèi)的積累除了受器官影響較大以外[15]，還受到植物種類的影響。植物種類的不同是決定其對(duì)重金屬富集能力的主要因素。已有研究[13-14]表明相同環(huán)境中生長(zhǎng)的植物對(duì)重金屬的富集能力總體表現(xiàn)為草本植物遠(yuǎn)高于木本植物[14]，這主要由于木本植物一般較為高大，生物量大可能導(dǎo)致分布在某一器官組織中的重金屬濃度較低。此外，木本植物根系深，草本植物根系較淺主要吸收利用淺地表養(yǎng)分，淺地表土壤受降雨、施肥、土壤小動(dòng)物和微生物等外界干擾較強(qiáng)，外界環(huán)境作用使得重金屬元素在淺層土壤活性增加，造成淺根系的草本植物吸收更多的資源，具有較高的重金屬含量。本研究中棕葉狗尾草整株Cu、Zn、Cr、As和Pb的含量遠(yuǎn)高于其它植物，且在同屬于草本的華南毛蕨和芒萁等植物體內(nèi)含量均較高(表5)，也證明了草本植物對(duì)重金屬的富集能力高于木本植物，與吳福佳等[16]研究結(jié)果一致。

4.2 植物對(duì)重金屬的富集與重金屬元素的種類有關(guān)

土壤中重金屬元素是植物體中重金屬的最終來(lái)源，土壤重金屬的含量決定著土壤可被利用的程度。從本研究結(jié)果來(lái)看，4個(gè)采樣點(diǎn)中土壤Cu超標(biāo)的比例為50%，Pb超標(biāo)的比例為100%，有2個(gè)點(diǎn)Cd超標(biāo)，1個(gè)點(diǎn)As超標(biāo)，這主要是由于當(dāng)?shù)靥幱阢U鋅礦區(qū)附近，成土母質(zhì)Pb含量較高，造成土壤富Pb的狀態(tài)，說(shuō)明Pb對(duì)當(dāng)?shù)刂参锷a(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)較大。本研究中植物對(duì)Cr和Cu的吸收僅受土壤中Cd含量的顯著影響，對(duì)Zn的吸收分別受土壤中Cu、Pb、Cd和As的顯著影響，對(duì)Pb的吸收分別受土壤中Pb、Cr、Cd和As含量的顯著影響，而對(duì)As、Cd和Hg的吸收受土壤中主要重金屬含量的影響均不顯著，表明植物對(duì)重金屬元素的吸收和與積累不僅因植物種類與器官的不同差異很大，而且與重金屬元素的種類有關(guān)。在Pb-Zn礦區(qū)筍用綠竹林重金屬植物修復(fù)過(guò)程中應(yīng)優(yōu)先選擇棕葉狗尾草、華南毛蕨、芒萁等Pb富集能力較強(qiáng)的植物作為綠竹伴生植物。