全 文 ：外源铁对铅污染土壤中宽叶香蒲铅积累的影响*
钟顺清1 摇 徐建明2,3**
( 1衡阳师范学院资源环境与旅游管理系, 湖南衡阳 421008; 2浙江大学土水资源与环境研究所, 杭州 310058; 3浙江省亚热带
土壤与植物营养重点实验室, 杭州 310058)
摘摇 要摇 采用温室盆栽方法,研究添加外源铁对不同铅浓度(0、100、500 和 1000 mg·kg-1)污
染土壤中宽叶香蒲铅积累的影响.结果表明: 各铅浓度条件下,与添加 100 mg Fe·kg-1相比,
添加 500 mg Fe·kg-1处理的宽叶香蒲地上部和根的铅含量均增高. 土壤铅浓度为 1000
mg·kg-1时,添加 500 mg Fe·kg-1处理根的铅含量比 100 mg Fe·kg-1处理增加 33. 7% ,地上
部铅含量增加 50. 5% . 添加 500 mg Fe · kg-1 处理的根际土壤中可交换态铅比 100
mg Fe·kg-1处理增加 77. 0% ~114. 6% .除 500 mg·kg-1铅浓度外,各铅浓度条件下添加 500
mg Fe·kg-1处理根干质量均显著低于 100 mg Fe·kg-1处理. 在铅污染的湿地环境中添加适
量铁可以提高铅的有效性,促进铅积累.
关键词摇 铁摇 铅摇 宽叶香蒲摇 铅积累摇 湿地
文章编号摇 1001-9332(2013)01-0078-05摇 中图分类号摇 Q945. 78; X53摇 文献标识码摇 A
Effects of exogenous iron on lead accumulation in Typha latifolia from a lead鄄contaminated
soil. ZHONG Shun鄄qing1, XU Jian鄄ming2,3 ( 1 Department of Resource Environment and Tourism
Management, Hengyang Normal University, Hengyang 421008, Hunan, China; 2 Institute of Soil
and Water Resource and Environmental Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
3Zhejiang Province Key Laboratory of Subtropic Soil and Plant Nutrition, Hangzhou 310058, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(1): 78-82.
Abstract: A pot experiment was conducted to study the effects of adding 100 and 500 mg·kg-1 of
exogenous iron (Fe) on the lead (Pb) accumulation in Typha latifolia growing on a soil with 0,
100, 500 and 1000 mg·kg-1 of Pb, respectively. In treatment 500 mg Fe·kg-1, the Pb concen鄄
tration in T. latifolia shoots and roots was higher, compared with that in treatment 100
mg Fe·kg-1 . When the soil Pb concentration was 1000 mg·kg-1, the Pb concentration in T. lati鄄
folia shoots and roots in treatment 500 mg Fe·kg-1 increased by 33. 7% and 50. 5% , respectively,
compared with that in treatment 100 mg Fe·kg-1 . The exchangeable Pb concentration in rhizo鄄
sphere soil was 77. 0% -114. 6% higher in treatment 500 mg Fe·kg-1 than in treatment 100
mg Fe·kg-1 . When the soil Pb concentration was 0, 100 and 1000 mg·kg-1, the root dry mass in
treatment 500 mg Fe · kg-1 had a significant decrease, compared with that in treatment 100
mg Fe·kg-1 . It was suggested that adding appropriate amount of Fe to Pb鄄contaminated wetland
soil could increase the availability of soil Pb and improve the Pb accumulation in plants.
Key words: Fe; Pb; Typha latifolia; Pb accumulation; wetland.
*湖南省自然科学基金项目(09JJ4021)、衡阳师范学院科学基金项
目(10B70)和公益性农业科研专项(201203045鄄2)资助.
**通讯作者. E鄄mail: jmxu@ zju. edu. cn
2012鄄06鄄25 收稿,2012鄄11鄄04 接受.
摇 摇 人工湿地具有低投资、低运行费、低维护技术和
净水能力良好的特点,已经成为处理污水的重要技
术手段[1-3] .宽叶香蒲(Typha latifolia)对重金属具
有较强的忍耐性,因此在处理废水的人工湿地中经
常使用[4] .重金属主要通过沉淀、吸附、共沉淀、离
子交换与土壤物质发生作用[5] . 如何增加湿地植物
对重金属的吸收,提高湿地系统净化含重金属废水
的效率一直受到广泛关注. 重金属能否被植物吸收
利用取决于重金属的生物有效性和植物的耐性. 有
研究表明,铁影响湿地植物根表铁氧化物的形
成[6-8],根表铁膜对湿地植物利用重金属起抑制或
促进作用取决于根表铁膜的厚度[7-11],增加铁促进
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 1 月摇 第 24 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2013,24(1): 78-82
了植物体内铁的积累,从而增强了湿地植物对重金
属的耐性[5,10] .但是在重金属污染的湿地环境中,外
源铁对重金属形态和植物积累重金属产生怎样的影
响鲜见报道.为此,本文采用温室盆栽试验研究了不
同铅浓度污染下添加外源铁对宽叶香蒲铅积累的影
响,以期为提高矿山废水和城市污水处理的人工湿
地净化效率提供科学依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试材料
试验于 2008 年 4—5 月在浙江大学华家池校区
大棚温室内进行.供试土壤采自浙江省嘉兴双桥村
已撂荒的青紫泥水稻土,采样深度 0 ~ 30 cm,土样
经过自然风干磨碎后过 2 mm 筛备用. 土壤有机质
36郾 2 g·kg-1,pH 5郾 61(土 颐 水=1 颐 2郾 5),阳离子交
换量(CEC)21郾 47 cmol·kg-1,总磷 1郾 03 g·kg-1,总
氮 2郾 32 g·kg-1,全铁 29郾 5 g· kg-1,全铅 45郾 58
mg·kg-1 . 土壤质地为粉质粘壤土,其中,砂粒
9郾 2% ,粉粒 57郾 3% ,粘粒 33郾 5% . 供试宽叶香蒲幼
苗购置于杭州天景水生植物园.
1郾 2摇 试验设计
试验设 4 个铅浓度处理: 0、 100、 500、 1000
mg·kg-1,以 Pb(NO3) 2 溶液的形式添加到土壤中,
混合均匀,保持 40% ~ 60%的田间持水量,于温室
内培养 2 周. 设 2 个铁浓度处理: 100 和 500
mg Fe·kg-1,以 FeSO4·7H2O固体形式与土壤混合
均匀.向土壤中添加尿素 0郾 2 g·kg-1、磷酸二氢钙
0郾 2 g·kg-1和氯化钾 0郾 3 g·kg-1作底肥.
2008 年 4 月 24 日,在温室中,利用孔径 300 目
的根袋移栽宽叶香蒲幼苗,在装有 Hoagland 溶液的
塑料桶中培养 2 周.采用 2郾 5 L塑料桶,每桶装土壤
1郾 5 kg,采用根袋装处理土壤 0郾 5 kg,根袋大小 10
cm伊15 cm.将移入宽叶香蒲幼苗和处理土壤的根袋
植入塑料桶中央,保持根袋土壤与桶中土壤高度一
致,然后淹水培养,每桶 1 株,每处理 3 个重复,共
24 桶. 4 周后将植株与根袋一同取出,用自来水将根
冲洗干净,再用蒸馏水淋洗 3 次.将植株分成地上部
和根,取部分根样进行根表铁膜提取,其余植株根和
地上部分于 105 益下杀青 15 min,在 70 益下烘干,
粉碎后过 1 mm筛,备用.
1郾 3摇 测定项目与方法
1郾 3郾 1 根表吸附铅含量的测定 摇 采用 DCB 法[12]提
取根表吸附铅.将根剪成 1 cm小段,称根质量 1郾 0 g
放入 250 mL三角瓶中,依次加入 0郾 3 mol·L-1柠檬
酸钠 40 mL、1 mol·L-1碳酸氢钠 5 mL、3 g连二亚硫
酸钠,摇匀后在室温(25 益)下振荡 3 h,然后将根取
出并用蒸馏水淋洗 3 次,将淋洗液和提取液转入
100 mL 容量瓶中定容. 采用火焰原子分光光度计
(novAA 300,德国)测定铅含量.
1郾 3郾 2 植株地上部和根的消解 摇 采用浓硝酸鄄微波
消解法[13]消解植株地上部和根.称取 0郾 50 g样品于
消解管中,加入 10 mL优级纯硝酸,采用预设的三步
升温,在 185 益下消煮 20 min.消煮后,将消化液转
移到 100 mL容量瓶中定容,摇匀,过滤备用.植株消
解液中的铅含量利用火焰原子分光光度计(novAA
300,德国)测定.
1郾 3郾 3 土壤铅含量的测定 摇 采用 Tessier 连续分级
法[14]提取土壤样品中各形态的铅:水溶态铅(土 颐
水=1 颐 15)、交换态铅(1 mol·L-1MgCl2溶液,pH =
7郾 0)、碳酸盐态铅(1 mol·L-1NaAc, pH = 5郾 0)、铁
锰氧化物结合态铅(0郾 04 mol·L-1NH4OH·HCl)、
有机结合态铅和残渣态铅(0郾 021 mol·L-1HNO3 +
30% H2 O2 ). 利用火焰原子分光光度计 ( novAA
300,德国)测定铅含量.
1郾 4摇 数据处理
采用 DPS软件进行数据统计分析和作图,采用
双因素方差分析( two鄄way ANOVA)和 Duncan 新复
极差法进行方差分析和差异显著性检验 ( 琢 =
0郾 05).图和表中数据为平均值依标准误.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 外源铁对宽叶香蒲生长的影响
由表 1 可以看出,在 100 mg Fe·kg-1处理下,
铅浓度臆100 mg·kg-1时宽叶香蒲的根干质量随铅
浓度的增加而增大,但差异不显著,当铅浓度达到
500 mg · kg-1 时, 根干质量显著下降; 在 500
mg Fe·kg-1处理下,铅浓度臆500 mg·kg-1时,根干
质量略有降低但差异不显著,当铅浓度达到 1000
mg·kg-1时,根干质量显著下降.除 500 mg·kg-1铅
处理外,各铅浓度处理下 500 mg Fe·kg-1处理根干
质量均显著低于 100 mg Fe·kg-1处理.方差分析表
明,铁 (F = 15郾 33,P < 0郾 01)和铅 (F = 21郾 40, P <
0郾 01)对宽叶香蒲根干质量的影响均达到显著水
平,铁与铅的交互作用对根干质量的影响也达到显
著水平(F=5郾 66,P<0郾 01).
在 100 mg Fe·kg-1处理下,宽叶香蒲的地上部
干质量随铅浓度的增加呈先增大后减小的趋势,
以 100 mg·kg-1铅处理地上部干质量最大;在500
971 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 钟顺清等: 外源铁对铅污染土壤中宽叶香蒲铅积累的影响摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 不同处理下宽叶香蒲地上部和根的干质量
Table 1摇 Dry mass of shoots and roots of Typha latifolia under different treatments (g·plant-1)
部位
Part
铁浓度
Fe concentration
(mg·kg-1)
铅浓度
Pb concentration (mg·kg-1)
0 100 500 1000
根 100 1郾 85依0郾 11Aa 2郾 15依0郾 40Aa 1郾 20依0郾 07Ab 1郾 32依0郾 18Ab
Root 500 1郾 41依0郾 08Ba 1郾 40依0郾 23Ba 1郾 34依0郾 09Aa 0郾 94依0郾 07Bb
地上部 100 13郾 57依3郾 14Ab 21郾 60依1郾 25Aa 18郾 39依1郾 79Aab 15郾 40依0郾 62Ab
Shoot 500 17郾 00依2郾 26Aa 17郾 10依2郾 27Aa 18郾 25依4郾 52Aa 13郾 28依3郾 64Aa
不同大写字母表示不同铁浓度处理间差异显著,不同小写字母表示不同铅浓度处理间差异显著(P<0郾 05) Different capital letters meant signifi鄄
cant difference among different Fe concentration treatments, and different small letters meant significant difference among different Pb concentration treat鄄
ments at 0郾 05 level郾 下同 The same below郾
表 2摇 不同处理下宽叶香蒲根表吸附铅含量
Table 2摇 Pb concentration on the roots of Typha latifolia under different treatments (mg·kg-1)
铁浓度
Fe concentration
(mg·kg-1)
铅浓度 Pb concentration (mg·kg-1)
0 100 500 1000
100 0郾 36依0郾 04Ac 0郾 76依0郾 07Abc 1郾 09依0郾 05Ab 1郾 87依0郾 18Aa
500 0郾 58依0郾 05Ac 1郾 28依0郾 23Ab 1郾 43依0郾 32Aab 1郾 95依0郾 43Aa
mg Fe·kg-1处理下,地上部干质量在 4 个铅浓度处
理间差异不显著.方差分析表明,铅和铁对宽叶香蒲
地上部干质量的影响均不显著,而铅与铁的交互作
用对地上部干质量的影响达到显著水平(F = 4郾 31,
P<0郾 05).
2郾 2摇 外源铁对宽叶香蒲根表铅吸附的影响
由表 2 可以看出,随土壤铅浓度的增加,植株根
表吸附的铅含量在 100 和 500 mg Fe·kg-1处理下
均呈逐渐上升的趋势. 500 mg Fe·kg-1处理下,植株
根表吸附的铅含量高于 100 mg Fe·kg-1处理,表明
高剂量的铁有助于铅吸附于植株根表. 铅 ( F =
40郾 93,P<0郾 01)对植株根表铅含量的影响达到显著
水平,但是铁、铁与铅的交互作用对根表铅含量的影
响不显著.
2郾 3摇 外源铁对宽叶香蒲吸收积累铅的影响
由图 1 可以看出,各处理中宽叶香蒲根铅含量
为 68郾 4 ~ 1497郾 3 mg·kg-1 . 随着土壤铅浓度的增
加,在 100 和 500 mg Fe·kg-1处理下根铅含量均呈
逐渐增加的趋势. 土壤铅浓度为 1000 mg·kg-1时,
500 mg Fe·kg-1处理下根铅含量比 100 mg Fe·kg-1
处理增大 33郾 7% . 铁对根铅含量的影响不显著,而
铅(F = 42郾 10,P <0郾 01)、铅与铁的交互作用(F =
10郾 13,P< 0郾 01)对根铅含量的影响均达到显著
水平.
各处理中宽叶香蒲地上部铅含量为 29郾 6 ~
105郾 2 mg·kg-1 .随着土壤铅浓度的增加,100 和 500
mg Fe·kg-1处理下地上部铅含量均呈先上升后下
降的趋势. 土壤铅浓度为 1000 mg· kg-1时,500
mg Fe·kg-1处理下地上部铅含量比 100 mg Fe·
kg-1处理增大 50郾 5% . 铅(F = 22郾 11,P<0郾 01)对植
株地上部铅含量的影响达到显著水平,但铁、铁与铅
的交互作用对地上部铅含量的影响均不显著.
图 1摇 不同处理下宽叶香蒲根(a)和地上部(b)的铅含量
Fig. 1 摇 Pb concentration in the roots ( a) and shoots ( b) of
Typha latifolia under different treatments郾
不同大写字母表示不同铁浓度处理间差异显著,不同小写字母表示
不同铅浓度处理间差异显著(P<0郾 05) Different capital letters meant
significant difference among different Fe concentration treatments, and
different small letters meant significant difference among different Pb con鄄
centration treatments at 0郾 05 level郾
08 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 3摇 不同处理下宽叶香蒲根际土壤中铅形态的变化
Table 3摇 Changes of Pb speciation in rhizosphere soil of Typha latifolia under different treatments (mg·kg-1)
铅浓度
Pb
concentration
(mg·kg-1)
铁浓度
Fe
concentration
(mg·kg-1)
水溶态铅
Water
soluble Pb
可交换态铅
Exchangeable
Pb
碳酸盐结合态铅
Carbonate鄄
bound Pb
铁锰氧化物
结合态铅
Fe鄄Mn oxide鄄
bound Pb
有机质鄄硫化物
结合态铅
Organic matter
and sulfide
bound Pb
残渣态铅
Residual
Pb
0 100 0郾 75依0郾 21Ab 1郾 03依0郾 53Ac 4郾 82依0郾 28Ad 5郾 50依0郾 28Ad 3郾 45依0郾 16Ad 18郾 40依1郾 48Ac
500 0郾 80依0郾 26Ac 2郾 21依0郾 50Ac 3郾 67依0郾 21Ad 4郾 71依0郾 46Ad 3郾 43依0郾 72Ad 14郾 83依1郾 57Ac
100 100 1郾 53依0郾 19Ab 8郾 50依1郾 83Abc 29郾 92依3郾 26Ac 24郾 10依2郾 46Ac 14郾 59依0郾 93Ac 27郾 57依2郾 17Ac
500 1郾 80依0郾 25Abc 16郾 39依1郾 95Ac 26郾 37依2郾 82Ac 20郾 51依1郾 96Ac 12郾 07依0郾 63Ac 25郾 44依3郾 99Ac
500 100 3郾 58依0郾 53Aa 40郾 08依6郾 64Ab 120郾 10依9郾 27Ab 90郾 83依16郾 68Ab 48郾 63依9郾 79Ab 72郾 69依5郾 61Ab
500 3郾 34依0郾 51Ab 76郾 75依2郾 33Ab 99郾 64依6郾 98Bb 75郾 32依4郾 42Bb 41郾 68依1郾 76Ab 73郾 33依7郾 77Ab
1000 100 4郾 46依1郾 44Aa 150郾 17依9郾 00Ba 200郾 57依9郾 82Aa 161郾 62依8郾 03Aa 86郾 15依7郾 47Aa 106郾 89依8郾 50Aa
500 6郾 03依2郾 37Aa 265郾 80依7郾 44Aa 175郾 36依8郾 54Ba 110郾 51依8郾 79Ba 57郾 85依0郾 93Ba 88郾 52依10郾 48Ba
摇 摇 在 0、100、500 mg·kg-1铅处理下,各铁浓度处
理的宽叶香蒲根铅含量是地上部的 1郾 5 ~ 3郾 9 倍,在
1000 mg· kg-1铅处理下,根铅含量是地上部的
17郾 0 ~ 19郾 2 倍.
2郾 4摇 外源铁对宽叶香蒲根际土壤中铅形态的影响
由表 3 可以看出, 各铅浓度处理下, 500
mg Fe·kg-1处理根际土壤中可交换态 Pb 含量比
100 mg Fe·kg-1处理增大 77郾 0% ~ 114郾 6% ,而碳
酸盐结合态铅、铁锰氧化物结合态铅和有机质鄄硫化
物结合态铅含量均比 100 mg Fe·kg-1处理降低.虽
然铁对根际土壤中不同形态铅的影响差异不显著,
但是铁与铅的交互作用对可交换态铅(F = 10郾 14,
P<0郾 01)、碳酸盐结合态铅(F = 9郾 12,P<0郾 01)、铁
锰氧化物结合态铅(F = 11郾 04,P<0郾 01)和有机质鄄
硫化物结合态铅(F=12郾 67,P<0郾 01)的影响均达到
显著水平.
3摇 讨摇 摇 论
Ye 等[11] 通过水培试验发现,当溶液中铅
[Pb(NO3) 2]浓度为 10 ~ 20 mg·kg-1时,宽叶香蒲
植株没有发生中毒症状,生长未受到抑制.有研究表
明,宽叶香蒲对铅、镍、铜、锌、镉等重金属具有较强
的忍耐性[15] .宽叶香蒲等湿地植物根表可以形成铁
氧化物沉淀,从而减少对亚铁的吸收,降低其对植株
的毒害[13,16-17] . 本研究中,添加 500 mg Fe·kg-1处
理下,不同浓度铅污染土壤中宽叶香蒲地上部干质
量差异不显著,说明宽叶香蒲对铅和铁具有较强的
忍耐性.
在土壤铅浓度为 0、100 和 500 mg·kg-1时,500
mg Fe·kg-1处理下宽叶香蒲植株地上部和根的铅
含量均高于 100 mg Fe·kg-1处理,当土壤铅浓度为
1000 mg·kg-1时,处理间差异达到显著水平,这表
明在铅污染土壤中加入一定量的铁有利于铅在宽叶
香蒲中积累,特别是在较高铅浓度污染下效果更明
显.宽叶香蒲对铅的积累水平取决于土壤中铅的生
物有效性.土壤 pH、有机质、碳酸盐、磷酸盐和铁氧
化物含量对铅的有效性具有明显影响[18] .外源铁主
要通过 2 个途径影响铅的有效性:其一,外源铁在根
际界面利用植物根系的泌氧或者根系分泌氧化性物
质以及根际微生物的作用发生氧化作用[19-20],亚铁
的氧化作用产生质子,增加了根际土壤的酸度,从而
提高根际铅的有效性[21-22] . 本研究中,各处理根际
土壤 pH 在 4郾 09 ~ 5郾 21, 500 mg Fe · kg-1 处理
根际土壤 pH比 100 mg Fe· kg-1处理低 0郾 6. 500
mg Fe·kg-1处理的水溶态和交换态铅含量均高于
100 mg Fe·kg-1处理,而碳酸盐结合态铅、铁锰氧化
物结合态铅和有机质硫化物结合态铅含量低于 100
mg Fe·kg-1处理(表 4),说明根际土壤 pH 的降低
有利于铅从碳酸盐结合态和铁锰结合态向水溶态和
交换态转化. Blaylock 等[23]研究发现,当土壤 pH>
7郾 5 时,铅的溶解度降低,当土壤 pH<5郾 5 时,铅的
溶解度增加,有利于植物对铅的吸收. 王新和周启
星[24]研究也发现,当土壤 pH 降低,土壤中固定的
铅尤其是 PbCO3容易释放出来,土壤中水溶态铅含
量增加,可溶态和交换态金属离子增加. 其二,铁的
加入增加了根际土壤铁的有效性,有助于根表铁氧
化物胶膜的形成[11,17,25] .根际区的铅吸附到根表,从
而降低根际区铅含量,形成铅浓度梯度差,使非根际
土中的铅向根际迁移,因此根际区成为铅库,而非根
际区成为铅源[21] .铅在根表与铁氧化物结合形态是
否有利于铅向根表的迁移还有待进一步研究.
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作者简介摇 钟顺清,男,1973 年生,博士,副教授. 主要从事
湿地土壤环境研究. E鄄mail: shunqingzhong@ 163. com
责任编辑摇 孙摇 菊
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