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东南景天对锌镉复合污染的反应及其对锌镉吸收和积累特性的研究



全 文 :农业环境科学学报 !#$ !! %& ’ ( &)# * &)+
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东南景天对锌镉复合污染的反应及
其对锌镉吸收和积累特性的研究
叶海波 )$ 杨肖娥 )$ 何 冰 )$ 龙新宪 )$ 石伟勇 )$ 陈 建 !
%), 浙江大学环境与资源学院资源科学系,浙江 杭州 #)!-;!, 温岭市环保局,台州 #).& ’
摘 要:比较和分析了锌镉复合处理对东南景天(204#/ &’($04.. 5&%30,景天科景天属,一种生长在浙江某一古老铅锌矿
区土壤上的新锌超积累植物 ’的生长及其对锌和镉的吸收积累特性的影响。结果表明,/0 1 23 4 & 1 ) !567·8 * ) 下,
植物生长最佳。镉、锌在东南景天体内的含量随着镉、锌处理浓度的提高而提高。锌在植物体内的分布为茎9 叶片9 根
系$在 /0 1 23 4 ) 1 & !567·8 * )处理水平植株体内锌含量达到最大,其中茎中锌含量为 !#, ! 5:·: * );而镉在植株
体内分布则为叶片9 茎9 根系,在 /0 1 23 4 & 1 ; !567·8 * ) 处理水平镉含量达到最大,其中叶片中镉含量为 )!, )
5:·: * )。在一定处理范围内,锌的加入促进了植物对镉的吸收和积累,但镉的加入对植物体内锌的积累没有显著影
响。高锌或高镉处理均抑制了植物对锌和镉的吸收和积累。表明东南景天不仅可以忍耐锌镉复合污染,还具有一定的
超量积累锌和镉的能力。
关键词:复合污染;镉;锌;超积累
中图分类号:<&#, !# 文献标识码:= 文章编号:)>.! * !;# %!# ’& * &)# * >
我国土壤重金属污染中,镉污染最为严重,污染 面积近 ) ?5!(王凯荣,)--.),其次是汞、铅、锌等
重金属元素。镉与锌有类似的地球化学和环境特性,
自然界中也很少有纯镉出现,它总是伴生于锌矿、铅
锌矿、铅铜锌矿等,因此,被冶炼、电镀等工业所污染
的土壤多数为镉锌复合污染,常见污染土壤中的镉 1
锌比例约为 )@ ) %=3ABC06,)-+> ’。
收稿日期( !! * )) * !
基金项目:国家自然科学基金 % !!..#& ’
作者简介(叶海波 % )-.>— ’,男,硕士,从事环境生态研究工作。
D * 5CB7( E?F)!>G H6?I, J65
联 系 人:杨肖娥,D * 5CB7( KEC0:G LMI, N3I, J0
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@=)%+,#( J65b7NK b677I[B60_ JC35BI5_ LB0J_ ?EbNA * CJJI5I7C[B60
!# $%%&年 %月
植物提取技术是利用超积累植物超量积累重金
属特性来治理污染土壤的新技术,其基本思路是种植
超积累植物于污染土壤,植物吸收重金属并将其转移
到地上部,将植物收获并焚烧后回收重金属,从而降
低土壤中重金属含量,实现治理目标 (’()*+,- ./ +012
3345 6+0/ ./ +012 33!)。目前植物提取技术并没有被
广泛应用与推广,其主要限制因素在于绝大多数已知
的超积累植物生物量较小,生长速率慢,且一般只耐
受单一重金属污染。
东南景天是我们在中国东南部古老矿山上所发
现的一种长年速率相对较快、生物量较大的锌超积累
植物。当营养液中 7,浓度高达 & 84 !9-0·: ; 时,
植物仍正常生长 < :-,= ./ +012 $%%$ >。其地上部锌含量
最高可达到 $?(杨肖娥等,$%%$;杨肖娥等,$%%)。
最近我们的研究还发现东南景天具有很强的忍耐高
镉胁迫及积累镉的能力,当营养液中的 @( 浓度达
%% !9-0·: ; 时,仍未表现出任何中毒症状,同时
其叶片和茎中镉含量分别达到了 ! A88 9=·B= ; 和
# 9=·B= ; <数据尚未发表 >。关于应用普通植物
研究锌镉互作的报道较多,但以超积累植物为材料研
究镉锌互作的报道甚少。本实验旨在研究在镉锌复合
污染条件下东南景天生长反应及其对锌、镉的吸收和
积累特性,探讨镉锌互作的内在机制,为今后开发利
用该植物修复镉锌复合污染的土壤提供理论依据。
材料与方法
1 试验材料
东南景天(!#$% &’()#** C+,D.),取自浙江省古
老铅锌矿。
1 $ 试验方法
采用营养液培养方法。选择生长均一的植株,移
至营养液中培养,基本营养液的组成为E @+
#C$G $1 %% 99-0· : ; 2 HC$IG# %1 % 99-0· : ; 2
J=6G#·4C$G %1 !% 99-0·: ; 2 H@0 %1 % 99-0·: ; 2
H$6G# %1 4% 99-0· : ; 2 C&KG& %1 %% !9-0· : ; 2
J,6G#·C$G %1 !% !9-0·: ; 2 7,6G#·4C$G 1 %%
!9-0· : ; 2 @L6G #· ! C $ G %1 $% !9-0· : ; 2
8 J-4G$# %1 % !9-0· : ; , M. ; NOP’ %%
!9-0·: ; 。预培养 &% (,待茎基部长出旺盛的不定根
后,开始进行 7,、@( 复合处理。设 # 个镉水平
(!9-0@(·: ; )E $! <@( >、!% <@($ >、%% <@(& >、#%%
<@(# >;# 个锌水平 (!9-07,·: ; )E !% <7, >、$!%
<7,$ >、!%% <7,& >、 %%% <7,# >;另设一个对照(基本营
养液),共 4个处理,即 @H、@(7,、@(7,$、@(7,#、
@($7,、@($7,$、@($7,&、@($7,#、@(&7,、@(&7,$、@(&7,&、
@(&7,#、@(#7,、@(#7,$、@(#7,&、@(#7,#,营养液中的镉
和锌分别以 @(@0$、7,6G#·4C$G形态加入。每个处理
重复 &次,用 %1 9-0·: ; F+GC或 %1 9-0·: ; C@0
调节营养液 QC至 !1 !。保持 $# R连续通气。每 # (更
换一次营养液,处理 $% (后收获。先反复用自来水把
根冲洗干净,再用 $% 99-0·: ; F+ ; NOP’交换 !
9*,,去除根表面吸附的 7,、@(,最后用去离子水冲洗
干净,吸水纸把表面水吸干,测定叶、茎和根系鲜重。
植物鲜样在 %! S下杀青 &% 9*,2 然后在 4% S下烘
干至恒重,测定其干物质重量;磨细2 过 8%目筛,供
分析测定。
1 & 分析测定方法
植物样品 7,和 @(含量采用 CFG& ; C@0G#湿灰
化 ;原子吸收测定法 (’ ; 8A%% 原子吸收分光光度
仪,日本 6CTJ’O7U)。
$ 结果与分析
$1 锌镉复合污染对东南景天生长的影响
从外观上看,在锌镉复合处理下,东南景天仅在
生长介质中镉浓度达 #%% !9-0·: ; 时才表现出有
点异常,植株矮小,顶端叶片发生畸形且偏小,叶间距
更为紧凑,有点类似于植物缺锌时出现的 “簇叶病”
(如 7, V @(复合水平为 %%% V #%% !9-0·: ; 时,东
南景天平均地上部高度比对照矮了近 &%?),而且叶
片容易脱落。高镉(尤其在 #%% !9-0@(·: ; )处理对
东南景天的根系产生了毒害作用,根系发黑,但是其
毒害症状随着锌处理的浓度提高有所缓减。
由表 可知2 镉和锌对东南景天的生长有显著影
响,方差分析结果表明,镉、锌、镉 W锌对叶片、茎和根
系干物质产量的影响均达到极显著水平 (+
X%1 %)。锌镉复合处理条件下,适当提高镉处理浓度
促进了东南景天的生长。在同一锌处理水平,其根、茎
和叶的干重随着镉处理浓度的提高而增加,并在 %%
!9-0@(·: ; 处理水平达到最大值。当培养液中 @(
为 #%% !9-0·: ; 时,东南景天根、茎和叶三部分的
的干重有所降低,表明在一定浓度范围内加镉处理可
促进东南景天的生长,在超过一定水平后镉对东南景
天的生长呈现抑制作用(表 )。
锌镉复合处理条件下,锌对植物生长的影响与镉
有所不同。将同一镉处理水平的植株相比较,在 7,!
!%% !9-0·: ; 时,东南景天根茎叶三部分的干重均
叶海波等E东南景天对锌镉复合污染的反应及其对锌镉吸收和积累特性的研究
!!第 ## 卷第 ! 期 农 业 环 境 科 学 学 报
表 镉锌复合作用对东南景天叶片、茎和根系干物重的影响 $ %·株 & ’
()*+, -..,/01 2. 34 5 67 /289+,: 92++;0<24 24 7=> 8)00,= ><,+71 2. +,)?,1@ 10,81@ )47 =2201 2. A,7;8 ).=,7<< B $ %·9+)40 & ’
注:C 对照处理的东南景天的叶、茎和根的生物量(干重)分别为 DC #E、DC ! 和 DC DFG%·株 & H
#C 67、67#、67I 和 67J 的镉处理浓度分别为 #!、!D、DD 和 JDD !82+·K & 。
34处理 叶片 茎 根
5 !82+·K & 67 67# 67I 67J 67 67# 67I 67J 67 67# 67I 67J
!D DC #L DC I! DC #L DC #! DC J DC F DC #D DC # DC DL! DC DED DC DJ DC D!#
#!D DC #! DC I DC I# DC I# DC I DC E DC G DC G DC D!L DC DG DC DGF DC DGL
!DD DC #E DC II DC IE DC #G DC L DC L DC ## DC ! DC DLE DC DEI DC DF DC DG!
DDD DC E DC F DC # DC F DC J DC I DC J DC ! DC D!D DC D!! DC D!G DC DLL
MNOPM Q ## J D #D #C G JC L #C E IC L IC LGD !C EGI C L#G !C JF
KARDC D! DC D! DC DG DC DG DC IF DC D# DC DJ DC DG DC DI DC DJ DC DG DC D!# DC DL
KARDC D DC DG DC D DC DC !G DC DI DC DL DC D DC D! DC D# DC D#! DC DG! DC D#I
叶片、茎和根系中的锌含量均随着营养液中锌处
理浓度的增加而增加(表 I),各处理之间的差异达到
极显著水平(! SDC D)。镉对东南景天体内锌含量的
影响与锌的处理水平、镉的处理水平和组织部位有
关。叶片中锌含量不受生长介质中的镉处理浓度影
响。对于茎和根部分,在 34!!DD !82+·K & ,67!DD
!82+·K & 处理范围内,镉的加入对植物茎和根部的
锌含量无显著影响;在生长介质中的锌浓度达到
DDD !82+·K & 时,植物茎和根部锌含量随着镉处
理浓度的提高而减少,说明当生长介质中的锌浓度达
到一定阈值后,镉的加入对茎和根部的锌含量表现为
抑制@ 当生长介质中的镉浓度达到 JDD !82+·K & ,无
论锌处理浓度的高低,镉的加入均对茎和根部的锌积
累表现出抑制作用。
注:C 对照处理的东南景天的叶、茎和根的镉含量(干重)分别为 E、LL# 和 !! 8%·T% & ;
#C 67、67#、67I 和 67J 的镉处理浓度分别为 #!、!D、DD 和 JDD !82+·K & 。
表 # 镉锌复合作用对东南景天叶片、茎和根系中镉含量的影响(%·T% & )
()*+, # -..,/01 2. 34 5 67 /289+,: 92++;0<24 24 67 /24/,40=)0<24 <4 +,)?,1@ 10,81@ )47 =2201 2. A,7;8 M.=,7<<@ B $ %·T% & ’
没有显著性的变化,但在当 34为 DDD !82+·K & ,其
根茎叶三部分的干重均显著降低。
综上所述,在 34!!DD !82+·K & 、67!DD
!82+·K & 处理范围内,锌的加入对东南景天各部分
的生长无显著影响。由于镉的加入,促进了东南景天
各部分的生长。在高锌( DDD !82+·K & )、高镉(JDD
!82+·K & )处理水平下,锌和镉对东南景天的生长均
有明显的抑制作用。
#C # 锌镉复合作用对东南景天体内镉含量的影响
表 #表示的是锌镉复合处理 #D 7后植物根茎叶
三部分的镉含量。由表 #可看出,随着生长介质中镉
处理浓度的增加,叶片、茎和根系中的镉含量均增加,
各处理之间的差异达到极显著水平 $ ! SDC D ’。在
67!DD !82+·K & 处理水平,锌处理对地上部分(叶
和茎)的镉含量影响表现为正效应,即同一镉处理水
平下,叶片和茎中的镉含量随着生长介质中锌处理浓
度的增加而增加;在 67为 JDD !82+·K & ,锌处理对
地上部分镉积累的加强效应不显著,甚至茎中的镉含
量还有下降的趋势;对于植物根系,当 67!!D !82+·
K & 锌处理对根系中的镉含量影响表现为正效应,根
系中镉含量随着锌处理水平的增加而增加;当 67!
DD !82+·K & ,锌的加入抑制了根系对镉的吸收。根
系中的镉含量随着锌处理浓度的增加而减少。这表明
在低镉条件下,锌促进东南景天对镉吸收和向地上部
转运。
#C I 锌镉复合作用对东南景天体内锌含量的影响
34处理 叶片镉含量 茎镉含量 根系镉含量
5 !82+·K & 67 67# 67I 67J 67 67# 67I 67J 67 67# 67I 67J
!D #C GE IC ED !C L! #C #C JE #C I# IC #J GC JJ DC JE DC JL C #L #C FD
#!D IC IG JC ED LC JL C L #C F! #C !J IC !E LC FE DC LL DC F DC FF #C GI
!DD JC #D !C JD LC #G #C IC ! IC D! IC FI LC EG DC GD DC FF C DF #C !J
DDD JC DJ !C DL GC J C J #C I! #C EI IC FF LC !I DC GE C D C G #C JF
MNOPM Q G ## JC DC LG ## F ! IC I GL !C GGJ DC F!
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KARDC D DC GJ DC GD C JJ #C D DC IF DC !D DC JI DC FE DC E DC J DC ## DC FD
!# $%%&年 %月
表 & 镉锌复合作用对东南景天的叶片、茎和根系中锌含量的影响(’·(’ ) )
*+,-. & /00.123 40 56 7 89 14:;-.< ;4--=2>49 49 89 1491.92?+2>493 >9 -.+@.3A 32.:3A +96 ?4423 40 BC D0?.6>> EC(’·(’ ) )
注:C 对照处理的东南景天的叶、茎和根的锌含量(干重)分别为 $ FG&、# $G% 和 # :’·(’ ) ;
$C 89、89$、89& 和 89H 的镉处理浓度分别为 !%、$!%、!%% 和 %%% !:4-·I ) 。
56处理 叶片锌含量 茎锌含量 根系锌含量
7 !:4-·I ) 89 89$ 89& 89H 89 89$ 89& 89H 89 89$ 89& 89H
$! %C $ #C & GC J $$C & &C J FC # $C $ $C G HC H! FC H C &H FC HF
!% C & FC & GC F $C & &C F FC J $%C ! $&C $ &C G# FC H$ C FF #C &H
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IBO%C %! C J C & C F C G C H C & &C % $C % %C #& C H $C !$ $C %%
IBO%C % $C # C G $C H $C F $C % C G HC & $C G %C G& $C %! &C #F $C G
$C H 镉锌复合作用对东南景天的地上部和根系中镉、
锌积累量的影响
东南景天的地上部和根系中的镉积累量随着生
长介质中镉处理浓度的增加而增加(图 )。方差分析
表明,各处理之间的差异达到极显著水平 (!
P%C %)A 锌处理和镉锌交互作用的影响也达到极显
著水平(! P%C %)A 锌对镉积累量与东南景天的组织
部位和锌、镉浓度有关,在 56!%% !:4-·I ) ,89!
!%% !:4-·I ) 处理范围内,锌处理浓度的适当增加
提高地上部镉的积累量,但当锌处理浓度达到了
%%% !:4-·I ) ,锌的加入反而减少了镉的积累,锌
对根系镉积累量的影响与对地上部相类似,但处理间
差异不太明显 Q !R %C %! S。在锌镉水平为 $!% 7 H%%
!:4-·I ) 时,地上部镉积累量达到最大,为 HC G
:’·株 ) 。值得一提的是,在绝大多数处理范围内,地
上部所积累镉的量可达到整株植物的 G!T以上,说
明东南景天对镉具有超强的转移能力。
东南景天的地上部和根系中锌积累量随着处理
图 镉锌复合作用对东南景天地上部和根系镉积累量的影响
N>’=?. /00.123 40 56 7 89 14:;-.< ;4--=2>49 49 56 +11=:=-+2>49 >9 3U4423 +96 ?4423 40 #$%& ’()#$** +
浓度的增加而增加(图 $)。方差分析表明,各处理之
间的差异达到极显著水平(! P%C %),镉对地上部锌
积累量的影响达到极显著水平(! P%C %)A 镉 V锌交
互作用达到显著水平 Q ! P%C %! S。镉处理浓度的适当
增加提高了锌在地上部的积累量,但高镉 (H%%
!:4-·56·I ) )处理水平,镉的加入则减少了植物
对锌的积累。在 89!$!% !:4-·I ) 处理范围内,镉
对根系积累量的影响与地上部的类似。但生长介质中
89#!%% !:4-·I ) 时,低浓度镉 (!% !:4-56·I ) )
的加入促进了植物根系对锌的吸收,但当 56#%%
!:4-·I ) 时,同一锌处理水平的根系锌积累量随着
镉处理浓度的增加而下降。在整个浓度处理范围内,
地上部锌含量占根部锌含量的 G%T。在锌 7镉复合水
平为 !%% 7 %% !:4-·I ) 时,植物地上部锌积累量达
到最大值,为 C $ :’·株 ) 。说明东南景天对锌也有
较强的向地上部转运能力。
& 讨论
锌是植物体内许多重要酶类的组分或辅基。由于
镉与锌具有相同的核外电子构型,镉进入植物细胞后
可能与锌竞争酶中的锌结合位点,使酶活性降低。锌
的加入可以提高植物体内锌的浓度,竞争抑制植物对
镉的吸收,同时减少含锌酶中的锌被镉取代,从而减
弱镉对含锌酶的破坏。研究表明,锌减少凤眼莲、烟
草、甘蓝、玉米对镉的吸收,使其维持在较低水平(李
森林等,GG%)。另一方面,锌可能促进镉与其他物质
合成镉复合物,增强植物自身对镉的解毒能力。镉复
合物是一类经镉诱导产生的多肽,分子量为 $ &%% W
叶海波等X东南景天对锌镉复合污染的反应及其对锌镉吸收和积累特性的研究
!#第 $$ 卷第 ! 期 农 业 环 境 科 学 学 报
% %&&,镉复合物借助于丰富的巯基,把细胞中的镉
络合起来,使之处于非活性状态,毒性下降 (’())*+
,-../*011* 222)。也有报道表明3 当镉和锌一起施入
土壤,对粮食作物产生的毒害比单独施锌更为严重
(4*(5/(678- 05 -193 22:)。
本研究结果表明,锌与镉在东南景天的生长影响
具有生理拮抗效应,锌与镉在高浓度的时候都能抑制
茎和根的生长,但是在 &&& !;(1<=·> ? 处理条件
下,适当地提高镉浓度能缓解高锌处理对植物生长的
抑制@ 在 :&& !;(1AB·> ? 处理下,提高锌浓度能缓
解镉毒,使景天根和茎受抑制的症状减轻(表 )。锌
和镉在植物地上部的分布不同,镉表现为叶片中的浓
度比茎高,而锌在茎中的浓度往往比叶片中的高,这
揭示镉与锌在景天中积累和运输机制不同。CBB/*-=(
(2DE)认为,锌抑制根系对镉的吸收从而减少叶片中
的镉积累量。但我们的试验结果表明,锌处理浓度的
提高能促进东南景天根系对镉的吸收和镉从根部向
地上部的转运,与 米上所得到的结果相一致,这可能是锌处理刺激东南
景天根部从而产生更多的离子载体、运输蛋白和向地
上部的转运载体(>-7-5 05 -193 22E)。因为镉与锌有类
似的化学特性,能够与这些载体结合,所以在一定程
度上,锌处理促进镉的吸收与转运。但当营养液中镉
的处理为 :&& !;(1·> ? 时,增加锌却未能促进了镉
的吸收,其主要原因可能与锌、镉竞争吸收载体和转
运载体有关(,K77-/7(= 05 -193 22!)。因此各处理水平
相比较来看,锌对镉在根系中的吸收和积累及镉向地
上部转运的影响不大,甚至有下降的趋势。
在同一锌处理水平下,随着镉处理浓度的增加,
根系中的锌含量下降,这可能是由于镉与锌竞争同一
载体,但是锌从根部向地上部转运率却随着镉处理浓
度的增加而增加。在根部,这可能是因镉竞争锌的结
合位点使锌的移动性增强,促使锌向地上部转运 (许
桂莲等3 $&&),其机理可能与根部细胞壁的电负性有
关(CB/*-=( 2DE)。在水培和土培实验中,业已证明
东南景天对锌的需求量很大 I >(=G 05 -193 $&&$ J。当供
给 :&& !;(1AB·> ? 时3 虽然东南景天地上部锌含量
很高3 但它仍出现缺锌症状3 可能由于东南景天适应
镉胁迫而产生金属硫蛋白、植物螯合肽等金属配位
体3 而降低了锌的生理活性(LF0= 05 -193 22#)。因此
在生态学上,锌与镉的交互作用是非常复杂的,它因
植物种类、组织部位、镉与锌的浓度而异,在重金属污
染的土壤上,仅靠施锌肥来抑制植物对镉的吸收未必
能取得一个理想的结果。
常规植物在干物质中的锌含量达到 %&& M !&&
;G·8G ? 就会产生毒害,并抑制根的伸长,在粮食作
物中,如果土壤中的锌含量达到 !&& ;G·8G ? 时,
水稻不抽穗,剂量再增加将会导致作物死亡
I 4*(5/(678- 05 -193 22: J。常规植物将 #&N M 2&N的
镉滞留在根部,一般植物体内镉含量超过 ;G·8G ?
时,就会产生毒害 I ’())*+,-../*011* 222 J。而东南景
天在镉锌复合处理下,体内镉、锌含量最高分别达
9 $N和 $9 $N (干物重)以上仍能正常生长。而地上
部的镉、锌浓度相对于根的浓度比率均大于 ,地上
部的镉、锌积累量占植物总积累量的 2&N以上,这表
明东南景天是继 !#$%&’ ($)*+#)%(),% 之后又一种镉、
锌超积累植物 IO=*GF5 05 -193 22#@ P-80/ 05 -193 22: J,
它们在锌、镉积累的能力上相差不大 (P/(6= 05 -193
22!;>(;.* 05 -193 $&&),但它比 !#$%&’ ($)*+#)%(),%
生物量更大。遏蓝菜为莲座状生长,生长慢,生物量
小,株高只有 ! Q;,然而东南景天无性繁殖(以株芽
为主)的速率很快,在较短的生长期内即可形成良好
的地面覆盖,其覆盖几乎达 &&N (杨肖娥等,
$&&$)。另一方面东南景天还具有适于刈割的特点,在
盆栽试验中,一年内可刈割收获该植物地上部 %或 :
次,根据调查结果估计,东南景天的单季干物质产量
高达 D&& 8G·F; ? $,在大田条件下,东南景天地上部
能长到 %& M :& Q;,便于机械化收割。因此东南景天比
图 $ 镉锌复合作用对东南景天地上部和根系锌积累量的影响
R*GK/0 $ STT0Q57 (T AB U <= Q(;)10V )(11K5*(= (= <= -QQK;K1-5*(= *= 7F((57 -=B /((57 (T -).+/ 01*).’’ 2
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!#$%&’ ($)*+#)%(),%更适合于修复镉锌污染土壤。
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更正
本刊 $%%&年第四期第 &#!页 《铅锌矿废水重金属对土壤 1水稻的复合污染及生态影响评价》一文作者简
介应为/
杨清伟 - ,2$— .,男,重庆人,在读博士生,从事土壤污染环境的生态修复研究。
联系人:蓝崇钰。E 1 L978/ 8A%0i VA5* CJ5* G:
在此谨向作者致以诚挚的歉意j
本刊编辑部
$%%&年 %月 %日
叶海波等/东南景天对锌镉复合污染的反应及其对锌镉吸收和积累特性的研究