5種景天屬植物耐受重金屬鋅脅迫差異性研究

王 瑩 徐宏波 王 洋 王夢茜 汪成忠 尹原森 孫 雪 周 輝 卓麗環(huán)

（1. 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，蘇州 215000；2. 上海東海職業(yè)技術(shù)學院，上海 200000）

伴著鋅礦的過度開采，隨之而來的礦渣、廢水、廢氣沉積到鋅礦周圍的土壤中，使土壤鋅含量超標，生長在鋅礦周邊農(nóng)田的農(nóng)產(chǎn)品累積過量鋅，通過食物鏈轉(zhuǎn)移到人類體內(nèi)，致使人類產(chǎn)生各種疾病、罹患癌癥甚至死亡，危及人類健康［1］，所以礦區(qū)周圍農(nóng)田鋅污染治理和修復亟待解決。植物修復技術(shù)因其對環(huán)境友好，成本低、容易操作，不易產(chǎn)生二次污染成為重金屬土壤修復研究熱點［2］。眾所周知，重金屬鋅超富集植物東南景天、喜生于富含Zn、Pb 礦區(qū)的伴礦景天則為鋅污染土壤修復的理想材料［3～5］。根據(jù)同一科屬具有相同特性的原理［6］以及筆者前期研究基礎(chǔ)，篩選出對鋅具有較強抗性的5種景天，分別為長藥景天（Sedum specta‐bile）、三七景天（S. aizoon）、德國景天（S. hybri‐dum）、松塔景天（S. lydium）、胭脂紅景天（S. spuri‐um‘Coccineum’），關(guān)于5 種景天的生長響應(yīng)重金屬鋅脅迫的差異鮮有報道，筆者結(jié)合我國部分礦區(qū)周圍農(nóng)田鋅污染的情況，旨在為鋅礦污染農(nóng)田的修復提供良好植物材料。

植物生長發(fā)育狀況（生物量、株高等）是衡量植物耐受重金屬脅迫的重要指標［7］。丁繼軍以石竹為研究對象，對其生物量等指標進行研究，目的研究石竹幼苗對土壤重金屬鎘（Cd）的耐受性［8］，孫博文以白花蛇舌草為研究對象，通過對其生物量、株高等指標進行研究，探索中草藥白花蛇舌草耐受Cd、Pb的能力［9］，王愛云為闡明鉻脅迫對百花三葉草、高羊茅、紫花苜蓿3 種草本植物的毒害影響，則選擇生物量、株高作為試驗指標［10］。

我國是鋅礦資源較為豐富的國家［11］，具有形成礦點多、資源分散的特點，由于近些年對重金屬鋅的需求量增大，部分地區(qū)的鋅礦被過度開采，開采過后的廢渣、廢水、廢氣沉積到礦區(qū)周邊農(nóng)田中，致使鋅污染較為嚴重，本論文列舉了部分地區(qū)鋅礦周邊農(nóng)田鋅污染情況，旨在為修復鋅污染農(nóng)田提供理論依據(jù)。

本研究以長藥景天、三七景天、德國景天、松塔景天、胭脂紅景天作為研究對象，對其在不同濃度重金屬鋅脅迫下，5 種景天的生物量、株高變化進行研究，利用擬合回歸方程分析5種景天耐受鋅脅迫的能力以及差異，再結(jié)合我國部分地區(qū)鋅礦周圍農(nóng)田鋅污染情況，為今后鋅礦周圍農(nóng)田修復提供理想植物材料打下良好基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

供試土壤：本試驗采用盆栽方法，于2020 年4月在蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院相城校區(qū)試驗大棚內(nèi)進行。試驗土壤來自相城校區(qū)內(nèi)農(nóng)田土，采集回來風干，磨碎、剔除其中粗雜質(zhì)，過40目篩后備用，測定其基本理化性質(zhì)和重金屬本底值（見表1）。為了在取樣時減少對植物根部的傷害，將沙和土壤按1∶3 混合作為培養(yǎng)基質(zhì)，將其風干消毒，將消毒后的培養(yǎng)基質(zhì)以1 kg 為單位裝入直徑20 cm、盆高25 cm的花盆中。

表1 盆栽土壤基本理化性質(zhì)和重金屬本底值Table 1 Physical，chemical and heavy metal characteristics of soil in pot experiment

5種景天處理：供試植物長藥景天、三七景天、德國景天、松塔景天、胭脂紅景天選用蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院溫室內(nèi)籽播1年生容器苗，分別選擇健康、長勢一致的植株移栽到試驗大棚內(nèi)進行盆栽試驗，每種景天每盆種植3株，3次重復，7 d適應(yīng)性培養(yǎng)后，進行不同濃度梯度重金屬鋅脅迫。

重金屬鋅濃度梯度設(shè)置：用ZnSO4·7H2O 對景天進行脅迫處理，同時設(shè)置空白對照（0）。根據(jù)GB15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》以及前期預實驗5 種景天的生長狀況，設(shè)定了重金屬鋅濃度梯度，鋅以水溶液形式施于供試土壤中，該供試土壤全鋅含量低于農(nóng)用地土壤污染風險篩選值，鋅溶液濃度分別達到80、160、320、800、1 600和2 000 mg·kg-1時均勻倒入土壤中，每個處理設(shè)3個重復，每隔7 d用不含重金屬的去離子水噴灑植株1次，噴灑時水不能從盆底流出，以減少實驗誤差，脅迫處理60 d后取樣。

1.2 樣品采集處理與測定

5 種景天分別取9 個供試植株，先后用自來水和去離子水沖洗根系土壤和植株表面，然后用吸水紙分別吸取5 種景天表面水分，然后將供試5 種景天分割成地上和地下兩部分。每種景天每個處理的3 株植株利用游標卡尺分別測定地上部分株高和根長，取平均值，3次重復，景天株高則為地上部分株高與根長之和；然后將供試景天在105℃殺青0.5 h，65℃烘干至恒重。用不銹鋼粉碎機把景天地上部分和地下部分分別粉碎，分別放入自封袋中，用電子天平分別測定每種景天每個處理的3株植株地上部分和地下部分的生物量，取平均值，3次重復，植株生物量為地上部分與地下部分之和。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

利用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析，利用ANOVA 進行方差分析，利用LSD 法進行多重比較；利用Microsoft Excel 2019軟件進行數(shù)據(jù)處理、多項式擬合分析、線性分析及作圖。圖中數(shù)據(jù)均為各處理數(shù)據(jù)的平均值，表中數(shù)據(jù)均為各處理數(shù)據(jù)的平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種景天響應(yīng)鋅脅迫的差異分析

2.1.1 5種景天生長對鋅脅迫的響應(yīng)

如表2 所示，5 種景天生物量隨重金屬鋅濃度增加均呈先上升后下降的趨勢，低濃度鋅對植物生長起到促進作用，但隨著重金屬鋅濃度不斷增加，5 種景天生物量均有所下降，當重金屬鋅脅迫濃度為2 000 mg·kg-1時，5 種景天生物量均低于對照，降幅分別為長藥景天3.70%、三七景天56.27%、德國景天14.76%、松塔景天56.39%、胭脂紅景天30.99%，說明5 種景天在高濃度重金屬鋅脅迫下，遭受毒害；其中三七景天、松塔景天生物量在重金屬鋅濃度為2 000 mg·kg-1時相對于對照降幅呈顯著性差異，說明這2種景天毒害較嚴重。

如表3 所示，5 種景天株高隨重金屬鋅濃度增加均呈先上升后下降的趨勢，低濃度鋅對植物生長起到促進作用，但隨著重金屬鋅濃度不斷增加，5種景天株高均有所下降，當重金屬鋅脅迫濃度為2 000 mg·kg-1時，5 種景天株高均低于對照，降幅分別為長藥景天7.14%、三七景天39.42%、德國景天20.34%、松塔景天23.97%、胭脂紅景天4.38%，5種景天在高濃度重金屬鋅脅迫下，遭受毒害；其中三七景天、德國景天、松塔景天株高在重金屬鋅濃度為2 000 mg·kg-1時相對于對照呈顯著性差異，說明這3種景天毒害較嚴重。

2.1.2 5種景天生長與鋅脅迫多項式擬合分析

如圖1 所示，5 種景天生物量增幅與鋅濃度多項式擬合方程R2值分別為長藥景天0.35、三七景天0.98、德國景天0.60、松塔景天0.90、胭脂紅景天0.73，數(shù)值較好，擬合效果好，能充分說明5 種景天生物量增幅與鋅濃度之間的關(guān)系；5種景天生物量增幅最大值出現(xiàn)在不同鋅濃度脅迫下，松塔景天、胭脂紅景天生物量增幅最大值出現(xiàn)在80 mg·kg-1時，長藥景天、三七景天增幅最大值出現(xiàn)在160 mg·kg-1時，德國景天生物量增幅最大出現(xiàn)在320 mg·kg-1時；5 種景天生物量相對于對照降低的濃度也有所不同，長藥景天、德國景天在重金屬鋅濃度為2 000 mg·kg-1時生長受阻，三七景天、松塔景天、胭脂紅景天生長受到抑制出現(xiàn)在鋅濃度為320 mg·kg-1。

如圖2 所示，5 種景天株高增幅與鋅濃度多項式擬合方程R2值分別為長藥景天0.47、三七景天0.97、德國景天0.33、松塔景天0.92、胭脂紅景天0.47，數(shù)值較好，擬合效果好，能充分說明5 種景天株高增幅與鋅濃度之間的關(guān)系；5 種景天株高增幅最大值出現(xiàn)在不同鋅濃度脅迫下，松塔景天、胭脂紅景天株高增幅最大值出現(xiàn)在鋅濃度為80 mg·kg-1時，長藥景天、三七景天株高增幅最大值出現(xiàn)在鋅濃度為160 mg·kg-1時，德國景天增幅最大值出現(xiàn)在鋅濃度為320 mg·kg-1時；5種景天株高低于對照的濃度也有所不同，三七景天、松塔景天、胭脂紅景天在重金屬鋅濃度為320 mg·kg-1時株高低于對照，德國景天株高在鋅濃度為1 600 mg·kg-1時株高低于對照，長藥景天株高則在鋅濃度為2 000 mg·kg-1時低于對照。

2.1.3 5種景天生長與鋅脅迫線性分析

5種景天生物量以增幅最大值作為分界點，分界點前的線性分析代表對景天生長的促進過程，分界點后的線性分析則為景天生長的抑制過程，如圖3 所示，5 種景天生物量促進、抑制線性分析R2值分別為長藥景天1、0.75，三七景天1、0.71，德國景天0.96、0.97，松塔景天1、0.87，胭脂紅景天1、0.80，數(shù)值好，說明擬合效果好，能夠利用5 種景天生長促進、抑制回歸方程得到5 種景天生長促進、抑制速率；促進長藥景天生物量增加的速率為0.32，抑制速率為-0.02；促進三七景天生物量增加的速率為0.11，抑制速率為-0.03；促進德國景天生物量增加的速率為0.27，抑制速率為-0.06；促進松塔景天生物量增加的速率為0.33，抑制速率為-0.04；促進胭脂紅景天生物量增加的速率為0.45，抑制速率為-0.03。

5種景天株高以增幅最大值作為分界點，分界點前的線性分析代表對景天生長的促進過程，分界點后的線性分析則為景天生長的抑制過程，如圖4 所示，5 種景天株高促進、抑制線性分析值R2分別為長藥景天0.98、0.86，三七景天0.92、0.94，德國景天0.98、0.53，松塔景天1、0.90，胭脂紅景天1、0.50，數(shù)字較好，擬合效果好，說明5 種景天生長促進、抑制回歸方程可以得到5 種景天生長促進、抑制速率；促進長藥景天株高增加的速率為0.23，抑制速率為-0.02；促進三七景天株高增加的是0.01，抑制速率為-0.02；促進德國景天株高增加的速率為0.03，抑制速率為-0.01；促進松塔景天株高增加的速率為0.1，抑制速率為-0.02；促進胭脂紅景天株高增加的速率為0.18，抑制速率為-0.01。

2.2 我國鋅污染情況

2018 年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018）中明確提出鋅為農(nóng)用地污染物之一，當鋅含量超過農(nóng)用地土壤污染風險篩選值時，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境可能存在風險，應(yīng)當加強土壤環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測，原則上應(yīng)當采取安全利用措施，如表4 所示，我國部分鋅礦周邊的農(nóng)田鋅濃度均高于篩選值，鋅污染農(nóng)田亟待修復。

表4 我國部分地區(qū)鋅礦周圍農(nóng)田鋅污染情況表Table 4 Situation table of zinc pollution in farmland around zinc mines in some areas of China

3 討論

5種景天生物量、株高隨著重金屬鋅濃度增加均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，5 種景天生物量、株高在重金屬鋅濃度為2 000 mg·kg-1時低于對照，說明5 種景天生長受到抑制，這與朱娜、李富榮研究結(jié)果相一致［23］。鋅是動植物生長發(fā)育必需的微量元素，低濃度的鋅對植物的生長發(fā)育起到促進作用，但土壤中鋅含量一旦過高，植物的生長發(fā)育受到抑制，所以5 種景天的生物量、株高隨著重金屬鋅濃度增加，呈現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象；三七景天、松塔景天生物量相對于對照呈顯著性差異下降，三七景天、德國景天、松塔景天株高相對于對照呈顯著性差異降低，說明三七景天、松塔景天遭受鋅毒害較嚴重。

5種景天在重金屬鋅脅迫濃度達到2 000 mg·kg-1時仍能生長，說明5種景天對重金屬鋅具有很強的耐受性，究其原因主要有5 點：①5 種景天根系代謝能力強，能分泌出檸檬酸、蘋果酸等羧酸類有機物，這些有機物均能有效絡(luò)合重金屬離子，降低其對植物的毒性及其在土壤中的移動性，從而緩解根際重金屬對于景天的毒害脅迫，這與Hall 的研究結(jié)果相一致［24］；②5種景天根系具有較強的抗氧化能力，植物正常啟動抗氧化防御機制，提高其抗氧化能力，是減緩重金屬脅迫傷害和提高植物自身重金屬耐性的重要措施，與Zhang、毛石花、高艷的研究結(jié)果相類似［25～27］；③轉(zhuǎn)移到景天根系的重金屬離子被區(qū)室化，區(qū)隔到液泡中，降低了鋅離子對根系的毒害作用，與段德超的研究結(jié)果相似［28］；④5種景天根際存在多種有益微生物，多種根際有益微生物與景天互利共生，有益微生物協(xié)助景天吸收養(yǎng)分，并分泌有機酸鈍化根際重金屬或促進植物根系對重金屬無毒化吸收，進而提高景天對重金屬鋅的耐受性，這與吳道銘的研究結(jié)果相一致［29］。

5種景天生物量、株高增幅最大值出現(xiàn)在不同鋅濃度脅迫下，長藥景天、胭脂紅景天生物量、株高在鋅濃度為80 mg·kg-1時增幅最大，長藥景天、三七景天生物量、株高在鋅濃度為160 mg·kg-1時增幅最大，德國景天生物量、株高在鋅濃度為320 mg·kg-1時增幅最大；5 種景天生物量、株高隨著重金屬濃度不斷增加，增幅降低，直至變?yōu)樨撝?，三七景天、松塔景天、胭脂紅景天生物量、株高在重金屬鋅濃度為320 mg·kg-1時增幅變?yōu)樨撝担L藥景天生物量、株高在重金屬鋅濃度為2 000 mg·kg-1時增幅變?yōu)樨撝?，德國景天生物量增幅在鋅濃度為2 000 mg·kg-1變?yōu)樨撝?，而株高增幅在鋅濃度為1 600 mg·kg-1變?yōu)樨撝怠?/p>

5種景天生物量、株高在某一鋅濃度脅迫下增幅最大，但隨著鋅濃度繼續(xù)增加，增幅逐漸降低直至負值；生物量、株高增幅達到最大值所對應(yīng)的重金屬鋅濃度則為分界點，分界點前則為促進植物生長的鋅濃度，分界點后則為抑制植物生長的鋅濃度；利用線性曲線分析促進速率和抑制速率，從R2值來看，除抑制松塔景天、胭脂紅景天株高R2值外，其余景天生物量、株高R2值都高于0.7，說明景天生長與鋅脅迫線性分析可以說明促進或抑制情況，線性回歸方程中的系數(shù)則為促生或抑制速率；就生物量而言，胭脂紅促生速率最大，德國景天抑制速率最大；就株高而言，長藥景天促生速率最大，長藥景天抑制速率最大。

我國是鋅礦較為豐富的國家，但由于過度的開采致使周圍的農(nóng)田鋅污染較為嚴重，從本論文列舉的不同地區(qū)的鋅污染情況表可以看出，各地區(qū)鋅污染情況有所不同，但都高于土壤污染風險篩選值，亟待修復。結(jié)合本論文5種景天耐受重金屬鋅脅迫的差異性，篩選合適的景天修復重金屬鋅污染農(nóng)田。