全 文 ：农业环境科学学报 2007,26(5):1879-1883
JournalofAgro-EnvironmentScience
摘 要:以热带地区一种生物量极大的经济作物剑麻(AgaveSisalanaPerineexEngelm)作为研究对象,采用网室砂培,对 Pb在该植
物体内的吸收特性、累积分布及迁移规律进行了初步的探索。试验表明,Pb处理浓度低于 1300mg·kg-1时对剑麻生长影响较小,但
Pb加入浓度达到15900mg·kg-1时,显著抑制了剑麻的生长,其生物量仅为对照的6.7%。剑麻对Pb有很强的吸收性,并分布在其植
株的各个部位,其中根系的吸收性最强,是地上部的3.0～13.6倍。Pb处理浓度为12700mg·kg-1时,剑麻地上部和根系的吸收量最
大,分别为 2220.3和 22544.8mg·kg-1,是对照的 65.6和 221.3倍,且地上部迁移量高达 55.87mg·株-1,说明剑麻对修复 Pb污染土
壤有一定的潜力,因而为今后探明植物积累Pb的机理和Pb污染土壤的植物修复提供了一种新的种质资源。
关键词:剑麻;Pb污染;吸收;积累;植物修复
中图分类号:X173 文献标识码:A 文章编号:1672-2043(2007)05-1879-05
收稿日期:2006-12-05
基金项目:科技部科技基础性工作和科技部社会公益研究专项
(2004DIB3J073)
作者简介:陈柳燕(1983—),女,硕士,华南热带农业大学土壤学在读
硕士,主要从事土壤污染的植物修复研究。
E-mail:chenliuyan0808@163.com
通讯作者:漆智平,研究员,博士生导师。E-mail:qzhp88@163.com
Pb是常见的具有潜在毒性的重金属元素,是环境
中主要的重金属污染物,在甲田善生的重金属毒性表
中居第3位[1]。工业的发展、农业上不合理的施用化肥
和农药、含Pb化学物质的大量使用,正日益使土壤遭
到Pb的污染。过量的Pb不仅会阻滞作物生长发育、
降低产量和质量,而且能通过生物链的富集对人类的
健康造成潜在的危害。因而在实际Pb污染土壤治理
中,寻找非食用且具有经济价值的植物来修复是很有
必要的。
剑麻别名龙舌兰,是多年生草本植物,叶肉质、肥
厚,极耐旱耐瘠,其不仅生物量巨大,而且根系发达,
生长速度快,主产区平均年产量为85.50t·hm-2,有的
高达180t·hm-2[2]。剑麻以其经济价值高而广泛用于
航海、工矿、运输和环保等领域。近来有报道称种植麻
剑麻对重金属铅的吸收特性与累积规律初探
陈柳燕 1,张黎明 2,李福燕 1,郭 彬 1,李许明 1,廖香俊 3,漆智平 1
(1.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所, 海南 儋州 571737; 2.南京农业大学资源与环境科学学院, 江苏 南京
210095;3.中国地质大学地球科学学院,湖北 武汉 430074)
APrimaryResearchonSisalsUptakePropertyandtheAccumulationRuletoPbIons
CHENLiu-yan1,ZHANGLi-ming2,LIFu-yan1,GUOBin1,LIXu-ming1,LIAOXiang-jun3,QIZhi-ping1
(1.InstituteofTropicalCropsGeneticResources,ChineseAcademyofTropicalAgriculturalSciences,Danzhou571737,China;2.Colegeof
ResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China;3.FacultyofEarthSciences,ChinaUni-
versityofGeosciences,Wuhan430074,China)
Abstract:Sisalsisaneconomicalplantwithhighbiomass,widelydistributedintropicalarea.Accumulation,distributionandtransferenceof
Pbionsintheplantwereresearchedbyusingpotexperimentinthisstudy.Theresultshowedthatsisalsgrewnormalywhentheleadcon-
centrationwasbelow1300mg·kg-1,butthegrowthofsisalswasobviouslyrestrainedat15900mg·kg-1oflead,withthebiomassbeingonly
6.7%ofCK.Thesisalsshowedastrongabilitytouptakelead.TheabsorbedPbbysisalwasmainlystoredintherootsystem,3.0~13.6times
asmanyasintheshoots.TheabsorptionamountofPbreachedapeakbothinshootsandrootattheleadconcentrationof12700mg·kg-1,the
maximumquantitybeing2220.3mg·kg-1inshootsand22544.8mg·kg-1inroots,65.6and221.3timesmorethanthatofCKrespectively,
andthetotaltranslocationofheavymetalwasupto55.89mg·plant-1.ThesesuggestedthatsisalhadthepotentialofremediationofPbpolut-
edsoil,whichprovidedanewgeneticresourceforphytoremediationofPbpolutedsoil.Moreefectiveapproachesofamendmentandecologi-
calrestorationofpolutedsoilcanbedevelopedandputintopractice.
Keywords:Sisal;Pbpolution;uptake;accumulation;phytoremediation
2007年9月
类作物可以清除农田土壤中的重金属污染,这为寻找
非食用且具有经济价值的植物修复重金属污染土壤
提供了可能[3、4]。因此,本文以热带地区大量生长的剑
麻为材料,通过砂培实验初步研究了剑麻对Pb的吸
收、累积规律,以便为探索用非食用且具有经济价值
的植物来修复Pb污染土壤提供新种质资源。
1 材料与方法
1.1试验材料
在塑料大棚内进行砂培盆栽试验,植物材料剑麻
(H.11648麻)取自于海南省昌江县,基质(沙)取自于
海南省华南热带农业大学试验场。基质沙用2%HNO3
溶液浸泡过夜,然后用蒸馏水冲洗干净,每 3.0kg装
1盆(以干重计)。
试剂:Pb(NO3)2(分析纯),HF(优级纯),HClO4(优
级纯),浓HNO3(优级纯)。
1.2样品处理
从苗床上挖取长势一致的剑麻幼苗,用蒸馏水洗
净根系泥土,移植于盆中,每3d浇1次营养液,营养
液配方采用Hoagland配方。培养50d,待作物正常生
长后,以硝酸铅(纯铅计)的形式加入重金属Pb,每隔
3d加1次,分4次加入。处理水平分别设为:0、320、
630、1300、3200、5100、6300、9500、12700、15900
mg·kg-1(标记为处理0、1、2、3、4、5、6、7、8、9)。试验培
养 2个月,培养期间隔 3～5d浇营养液,在种植剑麻
的砂培盆钵下放置塑料盆承接渗漏液,浇灌营养液时
将营养液同塑料盆内的 Pb液混匀再返回砂盆内,以
保证环境Pb浓度不变。各处理均采用3次重复,70d
后收获植株并进行分析。
1.3分析方法
植物收获后洗净尘沙,105℃杀青 30min,然后
烘干、磨碎。Pb元素采用HNO3-HClO4消化法[5],然后
用 AA370MC原子吸收分光光度计测定重金属元素
Pb的浓度。
基质(沙)经去杂、烘干、磨样,用 HF-HClO4-
HNO3法[5]消化后待测,然后用AA370MC原子吸收分
光光度计测定重金属元素Pb的浓度。
2 结果与分析
2.1铅污染对剑麻生长的影响
通过定期观察发现,剑麻在加入Pb处理液40d
后,低浓度处理下剑麻长势较好,而高浓度处理9500、
12700、15900mg·kg-1的老叶有萎焉现象。从表1可
以看出,随着Pb含量的升高,剑麻的株高都逐渐降
低。在无 Pb浓度处理时,剑麻的平均株高为 38.57
cm,而 Pb浓度处理为 9500mg·kg-1时,剑麻植株高
度为 34.05cm,为无 Pb污染条件下的 88%,当 Pb浓
度达到15900mg·kg-1时,剑麻植株高度仅为 27.97
cm,这与无Pb处理相比,缩短了10.60cm。经SAS统
计软件的 Duncan新复极差法检验在 0.01水平上的
差异显著性分析表明,前几个处理的株高差异不显
著,而处理9的株高与对照相比差异显著。综上所述,
Pb污染程度的高低对剑麻株高有比较明显的影响。
Pb污染对剑麻生物量影响也极大。从表1可以看
出,除1300mg·kg-1浓度下比320和630mg·kg-1浓
度的生物量高以外,其他各水平下随着Pb浓度的升
高,剑麻的生物量基本呈下降趋势,尤其浓度为15900
mg·kg-1时,植物干重下降到了最低点,从生长状况来
看,此处理浓度下的剑麻植株瘦弱,老叶干枯,虽然并
未死亡,但是其生长量仅为对照的 6.7%。经 Duncan
法分析表明,处理7、8、9与对照相比差异极显著。可
见,在高浓度Pb水平下剑麻受到了严重的胁迫,抑制
了其正常生长。
2.2Pb在剑麻植物体内的吸收特性
2.2.1剑麻地上部Pb含量变化特征
表2列出了剑麻在不同Pb浓度处理下,生长2
个多月后地上部对Pb的积累程度。国内外对土壤中
Pb含量与作物中 Pb含量间的相关关系的结论很不
一致[6~8],但从本砂培试验的结果看,不同处理浓度的
地上部Pb含量与对照相比,均达到显著水平(P<0.05)。
随着Pb浓度的增加剑麻叶片中 Pb积累量表现
为先升后降的趋势,其最大值出现在处理 8,积累量
达到2220.26mg·kg-1,为对照积累量的65.6倍,可见
剑麻对Pb有很强的吸收运转能力。到处理9时又呈
陈柳燕等:剑麻对重金属铅的吸收特性与累积规律初探1880
第26卷第5期 农 业 环 境 科 学 学 报
现下降的趋势,从生长状况来看剑麻受到重金属毒害
严重,根系变黑,植株瘦弱,生长很慢,说明高浓度处
理下,剑麻对Pb的吸收量会趋于饱和。这可能是因为
随着 Pb浓度的增加,Pb对剑麻的毒性也不断增大,
削弱了其对Pb离子吸收和向地上部运输的能力。不
过值得思考的是,在处理浓度为5100和 12700mg·
kg-1时,剑麻地上部对Pb的吸收量发生突变,增幅最
大,其中原因笔者将进行进一步的剑麻生理方面研
究。
2.2.2剑麻根系对Pb的吸收效应
一般来说,植物对重金属吸收时根系的重金属含
量较高并大部分滞留在根中,只有少量向地上部移
动。从表2可以看出,随着Pb处理浓度的增加,剑麻
根系的Pb含量也符合这一规律,值都明显升高。经统
计分析,Pb浓度从5100mg·kg-1开始,剑麻根系Pb
含量与对照相比差异显著(P<0.05),而且与地上部比
较可以得出,其不同浓度根系中的Pb含量是地上部
的4～13倍,说明剑麻对Pb的吸收具有分异特征,其
中根系对Pb的吸收性最强,表明剑麻根系为叶片对
Pb的吸收提供了良好的屏障。刘玉萃等[9]研究了在公
路附近大气-土壤-小麦生态系统中 Pb的分布及其
迁移规律,结果表明,小麦各器官Pb含量主要由根从
土壤中吸收有效Pb而来。Liu等[10]研究发现印度芥菜
(Brassicajuncea)根部积累的大量Pb只有少部分运输
到地上部。本研究的结果也基本类似,剑麻地上部分
的Pb含量远低于根部,换句话说,植物根系向地上部
分运输Pb的能力比较低。
剑麻根系与地上部 Pb含量虽然随着 Pb浓度的
增加呈现递增趋势,但这种趋势不是无限的。当Pb浓
度达到一定程度时,剑麻植株的Pb含量有所下降,如
Pb的处理浓度为12700mg·kg-1时,剑麻地上部和根
系的Pb含量达到了峰值,而超过这个浓度时,其地上
部和根部的Pb含量都有所下降。可见,剑麻对Pb的
吸收存在一个极限浓度,这与王红旗在研究羽叶鬼针
草对Pb的吸收特性及修复潜力的相一致[11]。因此,运
用根系对土壤中的铅的特殊吸收性,可以在受重金属
铅污染的土壤中通过剑麻栽培,使剑麻根系大量吸收
土壤中的铅后,将其从土壤中清除,以此逐渐达到改
良环境土壤污染的目的。
2.3重金属Pb在剑麻体内的迁移特性
重金属迁移总量(Totalheavymetaltranslocated)是
用以评价植物修复重金属污染地潜力的指标。以往发
现的超富集植物生物量小,生长缓慢,重金属迁移总
量相对不高,自然种群中存在着对重金属耐性较强的
植物,虽然其体内重金属含量尚达不到超富集植物体
的定义,但其重金属迁移总量仍是可观的,这部分植
物对重金属污染地的修复作用亦是不可忽视的[8、12]。
重金属元素主要通过植物根系吸收并在植物体内再
分配,根系中重金属元素含量所占百分比越大,说明
重金属通过植物根系吸收后向茎叶中的迁移能力就
越小。
剑麻是一种生物量很大的经济作物,本研究的结
果表明,剑麻对Pb有很强的富集能力。从图1可以看
出,在处理9中,剑麻地上部分的迁移总量最高,每棵
植株的迁移总量达到了55.87mg,这比起刘秀梅在重
金属Pb污染土壤植物修复研究中所提到的100棵羽
叶鬼针草地上部的迁移总量11.29mg高4.9倍,这在
利用剑麻进行Pb污染修复的研究中是相当可观的数
值[13]。
植物地上部分 Pb含量与根系 Pb含量之比可表
示植物对Pb的向上转运能力,它能反映出重金属Pb
在植物体内的运输和分配情况[8、14]。从本实验可以看
出,Pb的转运系数虽无明显的变化趋势,但重金属浓
度处理下Pb的转运系数均小于1(转运系数=地上部
Pb含量/地下部Pb含量),说明Pb进入植物体内后大
量地贮存在根系内,在一定程度上阻止了Pb对地上
部植株的严重胁迫。大量报道[15~17]说明,Pb进入植物
体后绝大部分累积在根部, 本研究的结果也支持这
一观点。其原因可能是Pb在根系主要以Pb3(PO4)2和
PbCO3等沉淀形式存在,在植物汁液中也有离子态和
络合态 Pb,由于吸附、钝化或沉淀作用,植物根系所
吸收的Pb向地上部运输困难。
由图1可知,处理9的Pb迁移总量最大,达到了
55.87mg·株-1。据有关资料[18],中国剑麻叶片平均产量
1881
2007年9月
(干重)为57.4t·hm-2。按Pb污染强度为500mg·kg-1
计算,1hm2土壤耕层土壤含Pb量为1125kg,在本
试验中,剑麻叶片最高吸收Pb量为2220.26mg·kg-1,
若按中国剑麻叶片平均产量计算,每公顷剑麻叶片所
带走的Pb量为127.5kg。按照重金属Pb土壤环境质
量一级标准值(即自然背景值)为≤35mg·kg-1[19],修
复三级污染土壤(500mg·kg-1)需要 8a,修复二级污
染土壤(300mg·kg-1,pH=6.5～7.5)需要4.7a。
2.4剑麻对Pb的累积效应
剑麻不同器官对 Pb的积累表现出较大的差异,
无论是CK还是其他处理,根的含量均是器官中最高
的,根与地上部的Pb含量的比值为3.01～13.62。从处
理2到处理8,其根系、地上部Pb含量均是随之增
加,达到了 F0.05显著性水平,但处理间差异显著性程
度不同(表2)。从不同处理中植株的表现来看,在Pb
浓度为5100mg·kg-1时,剑麻生长较好;更高浓度
下,剑麻生长缓慢,但没有出现毒害症状,当剑麻生长
40d后,植株间差异逐渐明显,主要表现在株高和叶
片上;在 Pb处理浓度为 6300mg·kg-1时,剑麻外部
老叶叶缘微有干卷现象,待生长50d后,高浓度处理
的剑麻生长缓慢,植株瘦弱,部分叶片底部有黄色斑
点和卷曲现象;在处理浓度为 15900mg·kg-1时,剑
麻外部叶片干卷部分变枯,根系萎缩、根毛减少、变为
黑褐色、生长趋于停止。
由表2还可以看出,剑麻地上部和根系对Pb的
积累量均随着处理浓度的增加而呈先升高后降低的
趋势。地上部对 Pb的积累在处理浓度为 5100mg·
kg-1时迅速增大,直到处理浓度为12700mg·kg-1时,
积累量达到最大,为2220.26mg·kg-1。在 Pb污染环
境下,进入剑麻体内的绝大部分Pb被富集于根部,迁
移至其他部位的相对较少(表 2),这也支持 Ye的结
果。正是由于大部分Pb积累在剑麻的根部,减轻了对
地上部分各器官的毒害作用,一定程度上提高了剑麻
对Pb的耐性。从上面的分析再结合主动吸收的载体
学说,可以认为当外界Pb溶液处于低浓度时,离子载
体与Pb离子的结合未达饱和,植株积累的 Pb含量
随外界溶液浓度的增加而增加;当外界Pb溶液浓度
达到一定值后,离子载体达到饱和,这时提高外界溶
液Pb浓度,植株积累的Pb含量不会随之增加。
植物对重金属的积累能力是重金属超强富积植
物的重要特征。目前,我国农田Pb污染强度的三级标
准为500mg·kg-1[19]。本试验条件下,以对照产量作为
100%,达到三级污染水平的条件,剑麻的生物量为对
照的85%。当剑麻根系的Pb含量达到22544.78mg·
kg-1时,单株生长趋于停止,但植株仍能够存活,远低
于剑麻对Pb的抗性范围。把剑麻作为修复植物,由图
2可以看出,在Pb水平为5100mg·kg-1左右种植的
剑麻,不仅获得足够大的生物产量,而且能够带走一
定量的Pb。因此,剑麻在重金属治理过程中既能满足
经济需要,又能达到修复Pb污染土壤的目的。
3 结论
(1)处理浓度低于1300mg·kg-1时,Pb浓度的增
加对剑麻生长影响较小,当加入浓度达到15900mg·
kg-1时,其生物量仅为对照的 6.7%,显著抑制剑麻的
生长。
(2)剑麻对土壤中 Pb的积累具有强烈的分异特
性,其中根系对Pb的积累最强,均高于地上部分。随
着Pb处理浓度的增加,剑麻地上部分和根系 Pb含
量均呈先升高后降低的变化趋势,且都在处理浓度为
12700mg·kg-1时达到最大值。此时剑麻的地上部分
和根系 Pb含量分别为 2220.261和 22544.78mg·
kg-1,分别为对照的65.6和221.3倍,说明剑麻对修复
Pb污染土壤有一定的潜力。
(3)从本研究结果来看,兼顾植株生物量与迁移
陈柳燕等:剑麻对重金属铅的吸收特性与累积规律初探1882
第26卷第5期 农 业 环 境 科 学 学 报
量的关系,剑麻可在浓度为5100mg·kg-1左右的条件
下正常生长,这在实际Pb污染土壤修复中,既能满足
经济需要,又能达到污染土壤修复的目的。
(4)剑麻根系发达,在高达 15900mg·kg-1的浓
度下仍能存活,说明该植物的根系对重金属污染具有
极强的抗性,因而可用于重建生态环境。
(5)剑麻是热带地区重要的经济作物,用来修复
重金属土壤不仅可以阻止Pb进入食物链、消除对人
体健康的影响,还能提供工业原料。
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