阮可瑾，謝寶玥，鄧應(yīng)生，馮嘉儀，莊玉婷，吳道銘，曾曙才

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣東 廣州 510642； 2 東莞市大嶺山森林公園,廣東 東莞 523000)

土壤重金屬污染已成為世界性的環(huán)境問題[1]。2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示鉛(Pb)、鎘(Cd)的點(diǎn)位超標(biāo)率分別達(dá)到1.5%和7.0%[2]。Pb、Cd等重金屬本質(zhì)上不可生物降解，在食物鏈中發(fā)生營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)移、生物累積和生物放大，對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)和人類健康會(huì)造成不良影響[3]。例如，Pb對(duì)生物機(jī)體造成生理、形態(tài)和生物化學(xué)等方面的毒性影響，使植物的葉綠素產(chǎn)生、細(xì)胞分裂、根伸長(zhǎng)、種子萌發(fā)和蒸騰作用等受損[4]；Cd抑制光合作用，引起氧化應(yīng)激與基因損傷，影響植物的生長(zhǎng)代謝[5]。

植物修復(fù)技術(shù)是利用具有較強(qiáng)重金屬吸收、富集能力的植物根系對(duì)重金屬吸收、轉(zhuǎn)移并儲(chǔ)存到植物地上部，最后再收獲植物從而達(dá)到回收重金屬并修復(fù)污染土壤的目的的一項(xiàng)技術(shù)[6]。與其他土壤重金屬修復(fù)技術(shù)相比，植物修復(fù)具有修復(fù)成本低、操作簡(jiǎn)單、安全可靠、對(duì)土壤環(huán)境擾動(dòng)少、對(duì)周圍環(huán)境具有美化作用、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)[7]。相對(duì)于草本植物，木本植物具有生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、生物量大等特點(diǎn)，可將污染物長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在植物體內(nèi)，從而避開人類食物鏈[8-9]。將木本園林植物用于修復(fù)重金屬污染土壤，營(yíng)造良好景觀效果的同時(shí)可起到生態(tài)修復(fù)作用，以充分發(fā)揮植物的生態(tài)效益[9]。因此，研究木本園林植物對(duì)土壤重金屬污染的耐受性及對(duì)重金屬的吸收累積特征，有助于提高重金屬污染土壤的植物修復(fù)效率。

鐵冬青Ilex rotunda屬于冬青科Aquifoliaceae冬青屬Ilex常綠灌木或喬木[10]，廣泛分布于我國(guó)華南地區(qū)，葉與果實(shí)極富特色，具有抗污染、防火、防風(fēng)和減弱噪音等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于公園、道路、居住區(qū)、廠礦綠化[11]，是優(yōu)良的園林觀賞樹種[12]。目前，對(duì)冬青屬的研究集中于種質(zhì)資源的調(diào)查、收集、整理，以及冬青屬的系統(tǒng)分類、遺傳多樣性等方面[13]，但重金屬脅迫方面的研究暫不多見。本試驗(yàn)以鐵冬青幼苗為研究對(duì)象，探究其對(duì)Pb、Cd污染土壤的耐受性及對(duì)Pb、Cd的吸收累積特征，分析單一Pb、Cd污染條件下的植物生長(zhǎng)狀況、根系形態(tài)特征和養(yǎng)分吸收、累積效果以及對(duì)重金屬的吸收、累積效果，為鐵冬青在Pb、Cd污染土壤修復(fù)方面的適用范圍提供參考，為城市綠地重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)及指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究供試植物為鐵冬青，購(gòu)于廣州市德源林業(yè)有限公司，選取植株健康、長(zhǎng)勢(shì)相近、株高約為40 cm的1年生實(shí)生苗用于試驗(yàn)。供試土壤為華南地區(qū)典型的赤紅壤，采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹木園(113°36′E，23°15′N)0～20 cm 土層，其理化性質(zhì)見表1，重金屬含量均符合《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn) (試行)》(GB 15618—2018)[14]。土壤經(jīng)風(fēng)干、除雜、碾磨、過篩(3 mm)后用于盆栽試驗(yàn)。栽培用盆為高19.5 cm、直徑22 cm的塑膠花盆。

表1 供試土壤理化性質(zhì)及重金屬環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Physicochemical properties of experimental soil and environmental quality risk control standard for soil heavy metal

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院溫室大棚。本試驗(yàn)分為單一Pb污染試驗(yàn)(土壤 Pb 添加量分別為 500、1 000 和 1 500 mg·kg-1，分別記為 Pb500、Pb1000和 Pb1500處理)、單一 Cd 污染試驗(yàn) (土壤 Cd添加量分別為 10、25 和 50 mg·kg-1，分別記為 Cd10、Cd25和 Cd50處理)兩部分，以不添加重金屬的赤紅壤作為對(duì)照(CK)，每個(gè)處理4次重復(fù)，共計(jì)28盆。每盆基質(zhì)干質(zhì)量均為4 kg，重金屬Pb、Cd分別以固體PbCl2(分析純)、CdCl2(分析純)形式加入土壤，將重金屬與基質(zhì)混勻后加水浸沒土壤平衡21 d，平衡期間若有下滲水流出則倒回盆中。平衡結(jié)束后移栽苗木，每盆1株鐵冬青。試驗(yàn)于2017年10月中旬開始，2018年3月中旬結(jié)束，試驗(yàn)期5個(gè)月。試驗(yàn)期間依天氣情況2～3 d 澆一次水，每次每盆澆水量為 100 mL，全程不施肥，不使用農(nóng)藥。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)結(jié)束后用直尺和電子游標(biāo)卡尺分別對(duì)植物株高、地徑進(jìn)行測(cè)量，然后將所有試驗(yàn)苗木整株挖出，帶回實(shí)驗(yàn)室，先用自來水洗凈植株，再用去離子水沖洗晾干。植物根系用雙光源掃描儀掃描后，用根分析軟件 WinRHIZO Pro 2005b (Regent Instruments Inc)分析根長(zhǎng)、根表面積、根體積等指標(biāo)。將植物根、地上部分開，放入烘箱100 ℃殺青30 min后，70 ℃烘至恒質(zhì)量，用電子天平測(cè)定根和地上部生物量。

植物養(yǎng)分的測(cè)定：先用H2SO4-H2O2消解植物樣品，獲得待測(cè)液，全氮(N)含量使用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定，全磷(P)含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀(K)含量用火焰分光光度計(jì)法測(cè)定[15]。植物Pb、Cd含量測(cè)定：采用HNO3-H2O2(體積比8∶2)微波消解后，用原子吸收光譜法(AAS)測(cè)定[16]。植物質(zhì)量指數(shù)[17]、各部位及全株元素累積量[18]、全株元素含量[19]的計(jì)算方法如下：

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用 Microsoft Excel 2007 進(jìn)行整理，采用Origin Pro9.0軟件繪圖。采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)不同處理的植株生長(zhǎng)、養(yǎng)分及重金屬含量和累積量進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan’s多重比較，對(duì)不同部位之間的重金屬含量和累積量進(jìn)行t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一Pb、Cd污染對(duì)鐵冬青生長(zhǎng)的影響

單一Pb、Cd污染對(duì)鐵冬青生長(zhǎng)有不同程度的影響(圖1)。與CK相比，不同Pb污染處理下鐵冬青株高無顯著差異(P＞0.05)，Pb500處理下鐵冬青根生物量 (3.63 g·株-1)顯著增加 (P＜0.05)，Pb500、Pb1000處理下地徑分別比CK顯著增加17.15%和13.59%，但Pb1500處理顯著降低根、地上部和總生物量。Pb1500處理的株高、地徑以及根、地上部和總生物量均顯著小于Pb500，且分別比Pb500降低7.34%、19.89%、73.83%、51.33%和59.79%。此外，Cd25處理的株高顯著小于CK和Cd10，不同Cd污染處理對(duì)地徑和根、地上部、總生物量無顯著影響(P＞0.05)。

圖1 土壤單一Pb或Cd污染對(duì)鐵冬青生長(zhǎng)的影響Fig. 1 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on growth of Ilex rotunda

單一Pb、Cd污染對(duì)質(zhì)量指數(shù)的影響如圖2所示，Pb500和Pb1000處理的鐵冬青質(zhì)量指數(shù)顯著大于CK，分別是CK的1.38和1.35倍。與CK相比，Pb1500處理顯著降低質(zhì)量指數(shù)，比CK顯著降低56.25%，并且其質(zhì)量指數(shù)顯著小于3種Cd污染處理。不同Cd污染處理對(duì)質(zhì)量指數(shù)無顯著影響。這說明 500 和 1 000 mg·kg-1的 Pb 污染處理在一定程度上提高了鐵冬青幼苗的質(zhì)量指數(shù)，但 1 500 mg·kg-1Pb污染處理對(duì)生長(zhǎng)有抑制作用，而單一Cd污染對(duì)鐵冬青質(zhì)量指數(shù)未造成顯著影響。

圖2 土壤單一Pb、Cd污染對(duì)鐵冬青質(zhì)量指數(shù)的影響Fig. 2 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on quality index of Ilex rotunda

2.2 單一Pb、Cd污染對(duì)鐵冬青根系形態(tài)的影響

由圖3可知，Pb500處理的鐵冬青根表面積顯著大于CK，增加了31.23%。Pb500和Pb1000處理的根長(zhǎng)、根體積均與CK無顯著差異，Pb1500的根長(zhǎng)、根表面積、根體積均顯著小于其他處理。此外，單一Cd污染對(duì)鐵冬青根系形態(tài)無顯著影響。

圖3 土壤單一Pb、Cd污染對(duì)鐵冬青根系形態(tài)的影響Fig. 3 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on root morphology of Ilex rotunda

2.3 單一Pb、Cd污染對(duì)鐵冬青養(yǎng)分吸收累積的影響

單一Pb、Cd污染條件下鐵冬青對(duì)不同養(yǎng)分元素的吸收累積有所不同(圖4)。由圖4A～4C可知，Pb污染處理對(duì)鐵冬青根、地上部N含量和根K含量均無顯著影響；Pb500和Pb1000處理的根、地上部P含量和地上部K含量均與CK無顯著差異，Pb1500處理的根、地上部P含量和地上部K含量分別比CK增加124.00%、55.17%和115.00%，同時(shí)顯著高于其他處理。這說明單一Pb污染未對(duì)鐵冬青養(yǎng)分吸收產(chǎn)生抑制作用，同時(shí) 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染對(duì)鐵冬青各部位P含量和地上部K含量具有一定的促進(jìn)作用。

圖4 土壤單一Pb、Cd 污染對(duì)鐵冬青養(yǎng)分含量的影響Fig. 4 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on nutrient contents of Ilex rotunda

由圖4D～4F可知，不同Cd污染濃度對(duì)鐵冬青根和地上部的N、P含量及根K含量均無顯著影響。但Cd10、Cd25和Cd50處理下地上部K含量均顯著大于CK，分別是CK的1.31、1.54和1.52倍。

如圖5所示，不同Pb污染處理對(duì)鐵冬青全株P(guān)、K累積量均無顯著影響，不同Cd污染處理對(duì)全株N、P、K累積量均無顯著影響。與CK相比，Pb1500處理顯著降低全株N累積量(降低51.73%)，但Pb500和Pb1000處理的全株N累積量均與CK無顯著差異。

圖5 土壤單一Pb、Cd污染對(duì)鐵冬青養(yǎng)分累積量的影響Fig. 5 Effects of single Pb or Cd pollution in soil on nutrient accumulation of Ilex rotunda

2.4 單一Pb、Cd污染對(duì)鐵冬青重金屬吸收累積的影響

單一Pb污染條件下，鐵冬青對(duì)Pb具有較好的吸收和累積作用(表2)。與CK相比，不同Pb污染處理均顯著增加鐵冬青全株P(guān)b含量和根、全株P(guān)b累積量。Pb1500條件下各部位、全株P(guān)b含量及地上部、全株P(guān)b累積量均達(dá)到最大值，且顯著大于其他處理，但Pb500和Pb1000處理之間無顯著差異。Pb1500處理的地上部Pb含量及累積量分別為183.67 mg·kg-1和 515.73 μg·株-1，顯著大于其他處理，但Pb500、Pb1000的地上部Pb含量及累積量均與CK無顯著差異。在相同Pb污染條件下，鐵冬青根Pb含量及累積量顯著大于地上部。

表2 土壤單一Pb污染對(duì)鐵冬青重金屬Pb吸收累積的影響1)Table 2 Effects of single Pb pollution in soil on Pb contents and accumulations of Ilex rotunda

由表3可知，土壤不同Cd污染處理對(duì)鐵冬青Cd含量及累積量有顯著影響。根Cd含量隨著Cd污染量增加而顯著增加，并且在Cd50條件下達(dá)到最大值 (6.40 mg·kg-1)，Cd50處理分別比 CK、Cd10和 Cd25處理增加 7 011.11%、223.23% 和39.74%，且差異顯著。與CK相比，不同Cd污染均顯著增加各部位、全株Cd含量及累積量，Cd25、Cd50處理的全株Cd含量和各部位、全株Cd累積量均顯著大于Cd10處理的相應(yīng)指標(biāo)，但Cd25、Cd50處理之間無顯著差異。根Cd含量在Cd10、Cd25和Cd50處理下均顯著大于地上部，根Cd累積量在Cd50處理下顯著大于地上部。

表3 土壤單一Cd污染對(duì)鐵冬青重金屬Cd吸收累積的影響1)Table 3 Effects of single Cd pollution in soil on Cd contents and accumulations of Ilex rotunda

3 討論與結(jié)論

3.1 鐵冬青對(duì)單一Pb、Cd污染土壤的耐受性

在植物修復(fù)中，植物對(duì)重金屬的耐受性是影響污染環(huán)境修復(fù)效果的主要因素之一[20]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，鐵冬青地徑、質(zhì)量指數(shù)以及根、地上部、總生物量在土壤不同Cd污染條件下均與CK無顯著差異，這與火炬樹Rhus typhina根、芽伸長(zhǎng)抑制率隨Cd2+濃度增加而增大[21]，以及黃葛樹Ficus virens在10 mg·kg-1的土壤 Cd 脅迫時(shí)生長(zhǎng)受到抑制[22]的試驗(yàn)結(jié)果均有所不同?？赡苁且?yàn)橹参飳?duì)Cd的耐受性因土壤Cd污染程度和植物種類不同而有所差異[23]。本研究還發(fā)現(xiàn)，鐵冬青地徑、質(zhì)量指數(shù)在500和 1 000 mg·kg-1的土壤 Pb 處理下顯著提高，根生物量在 500 mg·kg-1的 Pb 處理時(shí)顯著提高。這可能是由于低含量重金屬污染對(duì)植物而言是逆境環(huán)境，因此自身會(huì)最大程度地提高生命活動(dòng)來抵制逆境并表現(xiàn)出生長(zhǎng)旺盛的現(xiàn)象[24]。在1 500 mg·kg-1的Pb處理時(shí)，鐵冬青株高、地徑與CK均無顯著差異，但鐵冬青地上部、總生物量和質(zhì)量指數(shù)受到顯著抑制。這可能是因?yàn)橥寥垒^高的Pb濃度超過植物自身對(duì)Pb的耐受限度，導(dǎo)致植物體細(xì)胞膜或葉綠體被破壞[25]，大量葉片受損甚至脫落，從而影響植物正常生長(zhǎng)。綜合來看，鐵冬青對(duì)Cd污染和500～1 000 mg·kg-1的 Pb 污染具有較好的耐受性，但在 1 500 mg·kg-1Pb 污染時(shí)生長(zhǎng)受到一定程度的抑制。

3.2 單一Pb、Cd污染對(duì)鐵冬青根系形態(tài)和養(yǎng)分吸收累積的影響

土壤中的重金屬首先要與植物的根部接觸才能進(jìn)入植物體內(nèi)，因此重金屬對(duì)植物的毒害作用往往從植物的根部開始[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，鐵冬青根表面積僅在 500 mg·kg-1的 Pb污染條件下受到顯著促進(jìn)作用，但根長(zhǎng)、根表面積、根體積在 1 500 mg·kg-1的Pb污染處理時(shí)受到顯著抑制，說明單一Pb污染對(duì)鐵冬青根系形態(tài)的影響表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的特點(diǎn)。這與Pb、Cd污染對(duì)白花蛇舌草Hedyotis diffusa的試驗(yàn)結(jié)論一致[27]，植物可通過減少根表面積、根長(zhǎng)等和降低根表面的活性位點(diǎn)，從而減少根系對(duì)重金屬的吸收[28]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，各Cd污染處理對(duì)鐵冬青根系形態(tài)無顯著影響，這與Cd污染極顯著影響大豆總根長(zhǎng)和根表面積的研究結(jié)論有所不同[29]，說明鐵冬青根系對(duì)Cd污染具有較好的適應(yīng)性。

重金屬污染在一定程度上會(huì)提高植物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用效率，促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力[30]。本研究結(jié)果顯示，1 500 mg·kg-1的土壤Pb污染處理顯著提高鐵冬青根和地上部P含量以及地上部K含量。這與前人對(duì)櫸樹Zelkova schneideriana、毛紅椿Toona ciliatavar.pubescens、欒樹Koelreuteria paniculata、木荷Schima superba的研究結(jié)果相似，這4種木本植物在不同Pb處理濃度下葉片K含量普遍大于對(duì)照，毛紅椿和欒樹葉片中P含量與Pb處理濃度呈極顯著正相關(guān)[31]。說明重金屬Pb在一定程度上能促進(jìn)植物葉片對(duì)P、K元素的吸收?？赡苁且?yàn)橹参锔滴盏腜b轉(zhuǎn)移到地上部過程中，需要重金屬ATP酶等膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白嚴(yán)格調(diào)控Pb離子向木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)[32]，故需要大量吸收P元素合成相應(yīng)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。同時(shí)，本研究也發(fā)現(xiàn)各Cd污染處理均顯著提高地上部K含量，可能是由于Pb、Cd與K吸收存在協(xié)同作用，Pb或Cd可通過促進(jìn)植物對(duì)K的吸收從而增強(qiáng)植物對(duì)重金屬離子的吸收[33]。本研究還發(fā)現(xiàn)鐵冬青各部位N含量未受到Pb污染的顯著影響，但全株N累積量在 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染條件下顯著下降，這與藿香薊Ageratum conyzoides的N累積量在高濃度Pb處理中顯著增加的試驗(yàn)結(jié)果不一致[34]，主要是由于 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染處理顯著降低了鐵冬青生物量，因此對(duì)N的累積效果受到一定程度的抑制作用。

3.3 鐵冬青對(duì)單一Pb、Cd污染土壤的修復(fù)潛力

植物可以通過根系吸收土壤中的重金屬污染物，達(dá)到改良土壤的效果[35]。本研究中，各Pb污染處理均顯著促進(jìn)鐵冬青全株P(guān)b含量和根、全株P(guān)b累積量增加，各Cd污染處理也顯著提高各部位和全株的Cd含量及累積量，證實(shí)鐵冬青對(duì)土壤Pb、Cd具有較強(qiáng)的吸收、累積效果和一定的修復(fù)作用。有研究表明，土壤中Pb的施加濃度是決定植物對(duì)Pb吸收量的關(guān)鍵因素[31]，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，500和1 000 mg·kg-1的 Pb 處理?xiàng)l件下鐵冬青各部位及全株 Pb 含量、累積量均顯著小于 1 500 mg·kg-1的Pb污染處理，但二者之間無顯著差異，這說明鐵冬青對(duì) 500 ～1 000 mg·kg-1的 Pb 污染土壤的 Pb 吸收、累積效果是相近的，對(duì) 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染土壤具有很好的修復(fù)潛力。與此同時(shí)，可能正是由于在 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染時(shí)鐵冬青從土壤中吸收并累積了大量Pb，因此導(dǎo)致生長(zhǎng)受到明顯抑制。前人研究表明，多數(shù)植物根系重金屬含量高，地上部分的重金屬含量相對(duì)較低[24,31,36]。本研究也發(fā)現(xiàn)，在土壤Pb、Cd相同處理?xiàng)l件下鐵冬青根部Pb、Cd含量顯著大于地上部。此外，鐵冬青地上部Pb含量及累積量?jī)H在 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染處理時(shí)顯著提高，但不同Cd污染處理均顯著提高地上部Cd含量及累積量，表明鐵冬青地上部對(duì)Pb的吸收、累積作用較差，但對(duì)Cd具有一定的吸收、累積效果。

本研究證實(shí)鐵冬青對(duì)土壤單一Cd污染和500～1 000 mg·kg-1的 Pb 污染均具有較好的耐受性，對(duì)單一Pb、Cd污染土壤也具有較好的重金屬吸收、累積效果，可作為 Cd 污染土壤和 500 ～1 000 mg·kg-1的Pb污染土壤修復(fù)的備選樹種。不僅如此，鐵冬青對(duì)于 1 500 mg·kg-1的 Pb 污染土壤也具有較強(qiáng)的修復(fù)潛力，但可能是由于植物體內(nèi)吸收大量重金屬在一定程度上會(huì)抑制植物生長(zhǎng)，因此對(duì)于 1 500 mg·kg-1的Pb污染土壤的長(zhǎng)期修復(fù)效果有限，但可在短期內(nèi)發(fā)揮一定的修復(fù)作用。本試驗(yàn)僅以鐵冬青幼苗為試驗(yàn)對(duì)象，單一Pb、Cd污染對(duì)鐵冬青的進(jìn)一步影響需要長(zhǎng)期深入研究。