陳 思,閻 凱,何永美,湛方棟,祖艷群,李 元,陳建軍,李 博

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 昆明 650201)

我國(guó)已成為全球最廣泛、最嚴(yán)重的土壤污染國(guó)家之一,2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示,有16.1%的耕地被無(wú)機(jī)污染物污染,其中鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)污染點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%、1.5%和0.9%。云南蘭坪金頂?shù)V是我國(guó)目前已探明的最大鉛鋅礦床,Cd、Zn 金屬儲(chǔ)量共1547.61萬(wàn)t。礦產(chǎn)資源開(kāi)采的同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染,蘭坪鉛鋅礦區(qū)周邊土壤Cd、Pb 和Zn 含量分別達(dá)76.4 mg·kg、4100.4 mg·kg和8367.2 mg·kg。

伴礦景天()是生長(zhǎng)于我國(guó)浙江鉛鋅礦地區(qū)的一種景天科植物,具有超富集Cd、Zn 的特性,是一種多年生草本植物,無(wú)性繁殖為主,與其他修復(fù)植物相比具有生長(zhǎng)速率快、生物量大的特點(diǎn),通過(guò)不斷收獲伴礦景天地上部分,帶走土壤中的重金屬,可達(dá)到治理重金屬污染土壤的目的,為我國(guó)重金屬污染土壤植物修復(fù)提供了新的種質(zhì)資源。關(guān)于伴礦景天的重金屬耐性與積累性、農(nóng)藝措施和外界環(huán)境因素對(duì)其生長(zhǎng)和重金屬吸收的調(diào)控作用及原理等方面已有相關(guān)研究。在重金屬污染土壤中與伴礦景天間作可以降低植物的重金屬含量,同時(shí)提高修復(fù)效率;70%的田間持水量、44 萬(wàn)株·hm的種植密度均可促進(jìn)伴礦景天地上部生物量,促進(jìn)Cd 的吸收,從而縮短Cd 的污染修復(fù)時(shí)限。

光照強(qiáng)度是影響植物結(jié)構(gòu)和功能特性的重要環(huán)境因素,當(dāng)植物受到光照變化影響時(shí),會(huì)適當(dāng)改變其植株形態(tài)特征和生理活動(dòng)代謝來(lái)提高生存適應(yīng)度。對(duì)伴礦景天原居地生境的調(diào)查發(fā)現(xiàn),伴礦景天多生長(zhǎng)于山坡陰濕處石縫中或者山崖溝渠蔭涼濕潤(rùn)處,在夏季高溫時(shí)生長(zhǎng)緩慢或停止生長(zhǎng),所以通過(guò)間作或溫室大棚并加以遮陰網(wǎng)來(lái)改善其光、熱、水分和根際環(huán)境條件來(lái)提高修復(fù)效率。李娜等研究表明50%～100%的光照強(qiáng)度并不會(huì)影響伴礦景天的生長(zhǎng)和對(duì)Cd、Zn 的吸收,但隨著光照減弱,伴礦景天光合速率、蒸騰速率和水分利用率降低;且光照強(qiáng)度降至30%會(huì)使伴礦景天的干物質(zhì)生物量和Cd、Zn 吸收量顯著降低,修復(fù)效率大大降低。伴礦景天在云南蘭坪鉛鋅礦區(qū)污染農(nóng)田土壤修復(fù)實(shí)踐中已有一些初步應(yīng)用,但野外原位試驗(yàn)條件下遮陰對(duì)伴礦景天生長(zhǎng)和Cd、Zn 等重金屬超累積能力影響的研究結(jié)果相對(duì)較少。在云南蘭坪紫外線較強(qiáng)的地區(qū),遮陰是否會(huì)緩解紫外損傷,對(duì)植物生長(zhǎng)有利、抑制或降低植物的重金屬吸收性,尚鮮有相關(guān)報(bào)道。因此,本研究在云南怒江蘭坪鉛鋅礦區(qū)礦渣土壤上野外原位種植伴礦景天,鋪設(shè)遮陰網(wǎng)以降低光照強(qiáng)度,探討遮陰對(duì)伴礦景天Cd、Pb、Zn累積、亞細(xì)胞分布和化學(xué)形態(tài)的影響,評(píng)估伴礦景天在云南高原的生態(tài)適應(yīng)性,以期為蘭坪礦區(qū)重金屬污染土壤的植物修復(fù)提供理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)踐科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

云南蘭坪地處云南省怒江傈僳族自治州的橫斷山脈縱谷地帶,被稱(chēng)為中國(guó)的“綠色鋅都”,屬怒江傈僳族自治州蘭坪白族普米族自治縣,位于滇北、川西北和藏東三江(金沙江、瀾滄江、怒江)成礦帶中段,瀾滄江流域的東側(cè)。金頂鉛鋅礦儲(chǔ)量居亞洲第一,世界第二,礦區(qū)屬低緯山地季風(fēng)氣候。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇蘭坪縣鉛鋅礦區(qū)附近來(lái)龍村農(nóng)田(99°28′33″E,26°27′23″N),海拔2815 m,土壤類(lèi)型為石質(zhì)土,污染主要來(lái)自礦區(qū)開(kāi)發(fā)尾礦殘留重金屬進(jìn)入農(nóng)田。

試驗(yàn)地溫度、濕度及光照強(qiáng)度采用溫濕度計(jì)和紫外光譜分析儀測(cè)定,2020年6-10月每個(gè)月計(jì)算試驗(yàn)地的平均月高溫、濕度、降雨和日最大光照強(qiáng)度,得平均月高溫、濕度和降雨量分別為24 ℃、57.10%和114.18 mm,遮陰網(wǎng)表層上的光照強(qiáng)度為73 W·m,植物冠層的光照強(qiáng)度為54 W·m。

土壤基本性質(zhì):pH 7.54,CEC 為5.65 cmol·kg,有機(jī)質(zhì)含量45.97 g·kg,全氮、全磷和全鉀含量分別為0.57 g·kg、0.59 g·kg和20.11 g·kg,堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為119.21 mg·kg、22.38 mg·kg和228.76 mg·kg,土壤Cd、Pb 和Zn 含量分別為13.95 mg·kg、531.66 mg·kg和2062.81 mg·kg。依據(jù)《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)》Cd、Pb 和Zn 風(fēng)險(xiǎn)篩選值分別為0.60 mg·kg、170 mg·kg和300 mg·kg,試驗(yàn)區(qū)土壤Cd、Pb 和Zn 含量分別超出風(fēng)險(xiǎn)篩選值22.25 倍、2.13 倍和5.88 倍。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在蘭坪白族普米族自治縣來(lái)龍村礦山上進(jìn)行大田試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置100%自然光照(無(wú)遮陰網(wǎng),CK)和遮陰(75%光照,一層遮陰網(wǎng);S)2 個(gè)處理,每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。共設(shè)置6 個(gè)試驗(yàn)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為4 m,小區(qū)間隔30 cm,中間起田埂隔開(kāi),小區(qū)四周開(kāi)溝,溝寬30 cm,深30 cm。遮陰在試驗(yàn)小區(qū)上方50 cm 高處鋪設(shè)遮陰網(wǎng),為減少早晚陽(yáng)光斜射對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,遮陰網(wǎng)四周各超出試驗(yàn)小區(qū)10 cm。

1.3 樣品采集與處理

種植前,用不銹鋼土鉆垂直向下取各試驗(yàn)小區(qū)中心0～10 cm 表層土壤,土樣混合,將土樣除雜、風(fēng)干,分別過(guò)2 mm 和0.149 mm 尼龍篩用于測(cè)定土壤背景值;并測(cè)定苗源實(shí)驗(yàn)基地伴礦景天植株重金屬背景值。

伴礦景天經(jīng)遮陰處理生長(zhǎng),于2020年10月16日通過(guò)S 型采樣法采集各小區(qū)伴礦景天植株10 株帶回實(shí)驗(yàn)室用自來(lái)水和去離子水清洗干凈后備用,放入105 ℃烘箱內(nèi)殺青30 min,在75 ℃烘干至恒重,用研缽磨碎作為干樣,過(guò)0.5 mm 尼龍篩,裝袋保存、備用。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

植物體內(nèi)Cd、Pb、Zn 含量的測(cè)定:準(zhǔn)確稱(chēng)取0.200 g 烘干樣品置于聚四氟乙烯內(nèi)罐中,加3 mL HNO浸泡過(guò)夜,再加1.8 mL HO,蓋好內(nèi)蓋旋緊不銹鋼外套,放入140 ℃恒溫干燥箱中4 h 消解制成待測(cè)液,過(guò)濾后根、莖、葉中Cd、Pb、Zn 含量采用火焰原子吸收分光光度法(ThermoiCE 3300)測(cè)定。

葉綠素含量采用乙醇提取比色法測(cè)定。稱(chēng)取新鮮樣品0.200 g 加入2～3 mL 95%乙醇研磨成勻漿,再加乙醇10 mL,繼續(xù)研磨至組織變白,靜置3～5 min后過(guò)濾定容。以95%乙醇為空白,在波長(zhǎng)665 nm、649 nm 下測(cè)定吸光度。

亞細(xì)胞組分Cd、Pb、Zn 含量的提取測(cè)定采用差速離心法,化學(xué)形態(tài)Cd、Pb、Zn 含量采用化學(xué)試劑逐步提取法。各沉淀部分用濃硝酸和高氯酸消煮,過(guò)濾定容后火焰原子吸收分光光度法測(cè)定Cd、Pb、Zn 含量。以提取劑為本底對(duì)照進(jìn)行測(cè)定。

植物Cd、Pb、Zn累積特征用富集系數(shù)(EC)、轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)和生物轉(zhuǎn)移因子(BTF)表示,計(jì)算公式為:

1.5 數(shù)據(jù)處理

Excel 表格用于數(shù)據(jù)處理,SPSS 21.0 進(jìn)行差異性和相關(guān)性分析,OriginPro 9.0 進(jìn)行繪圖。

1.1 材料 ①一次性無(wú)紡布，規(guī)格120 cm×120 cm、60 cm×60 cm各60塊;②雙層棉布，規(guī)格120 cm×120 cm、60 cm×60 cm各60塊(在包布一角訂一塊3 cm×3 cm的“補(bǔ)丁”，用于記錄使用次數(shù));③3M壓力蒸汽滅菌化學(xué)指示卡及指示膠帶。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮陰對(duì)伴礦景天生物量和葉綠素含量的影響

由圖1a 可知,遮陰情況下,伴礦景天根、莖、葉生物量均無(wú)顯著差異。由圖1b 可得,遮陰條件下,伴礦景天葉片中葉綠素a 和b 的含量均顯著增加,分別增加100%(＜0.01)和50%(＜0.05);遮陰條件下伴礦景天葉片中的總?cè)~綠素含量為0.24 mg·g,比對(duì)照極顯著增加71%(＜0.01)。

圖1 遮陰對(duì)伴礦景天生物量(a)和葉綠素含量(b)的影響Fig.1 Effects of shading on the biomass(a)and chlorophyll content(b)of Sedum plumbisincicola

2.2 遮陰對(duì)伴礦景天Cd、Pb、Zn 含量的影響

由圖2 可知,遮陰條件下,伴礦景天植株莖、葉Cd含量分別顯著減少14.5%(＜0.05)和27.8%(＜0.01),莖、葉Pb 含量分別極顯著減少54.2%和21.8%(＜0.01),而根中Cd、Pb 含量無(wú)顯著差異;同時(shí),遮陰處理使伴礦景天植株根、莖、葉中的Zn 含量均極顯著減少,降幅范圍為32.4%～52.1%(＜0.01)。

圖2 遮陰對(duì)伴礦景天Cd(a)、Pb(b)、Zn(c)含量的影響Fig.2 Effects of shading on the content of Cd(a),Pb(b)and Zn(c)in Sedum plumbisincicola

2.3 遮陰對(duì)伴礦景天Cd、Pb、Zn累積量的影響

由圖3 可看出,伴礦景天Cd、Zn累積量均表現(xiàn)為葉＞莖＞根,Pb 累積量表現(xiàn)為根＞葉＞莖。遮陰處理導(dǎo)致伴礦景天植株莖、葉Cd 累積量顯著減少37.6%和44.8%(＜0.05);遮陰處理下伴礦景天根、莖、葉Pb、Zn累積量均顯著減少(＜0.05 或＜0.01),Pb 累積量分別減少23.7%、67.4%和40.0%,Zn累積量分別減少40.5%、56.2%和61.9%。

圖3 遮陰對(duì)伴礦景天Cd(a)、Pb(b)、Zn(c)累積量的影響Fig.3 Effects of shading on the accumulation of Cd(a),Pb(b)and Zn(c)in Sedum plumbisincicola

2.4 遮陰對(duì)伴礦景天Cd、Pb、Zn 亞細(xì)胞含量分布的影響

遮陰條件下,Cd 在伴礦景天莖、葉細(xì)胞各組分中的分布均表現(xiàn)為可溶組分＞細(xì)胞壁＞細(xì)胞器(表1),可溶部分分配比例最高,占總量的47.8%～49.9%;其次為細(xì)胞壁組分,占31.3%～48.1%;細(xì)胞器膜組分占比最小,占16.9 %～24.2 %。且在遮陰條件下,伴礦景天葉細(xì)胞壁組分Cd 含量顯著降低(＜0.05),莖中液泡為主的可溶部分Cd 含量顯著增加(＜0.05)。

表1 遮陰對(duì)Cd、Pb 和Zn 在伴礦景天葉和莖中亞細(xì)胞分布的影響Table 1 Effects of shading on subcellular distrubition of Cd,Pb and Zn in leaves and stems of Sedum plumbisincicola

Pb 主要分布在伴礦景天莖、葉的細(xì)胞壁和細(xì)胞器膜組分,其中細(xì)胞壁組分的分配比例為38.0%～43.1%,細(xì)胞器膜組分的分配比例為35.8%～43.4%,而以液泡為主的可溶部分分配比例最小。且在遮陰條件下,伴礦景天葉細(xì)胞壁組分Pb 含量顯著增加(＜0.05)(表1)。

Zn 在伴礦景天莖、葉中的含量和分配比例為細(xì)胞壁＞可溶部分＞細(xì)胞器,其中細(xì)胞壁和可溶部分總的分配比例為74.5%～92.3%。且遮陰條件下,伴礦景天莖、葉中細(xì)胞器和以液泡為主的可溶部分Zn 含量顯著降低(＜0.05),莖、葉細(xì)胞器組分的降幅為52.2%和57.3%,可溶部分的降幅為11.8%和14.4%(表1)。

2.5 遮陰對(duì)伴礦景天Cd、Pb、Zn 化學(xué)形態(tài)含量的影響

圖4所示,Cd 在伴礦景天莖、葉中均以氯化鈉提取態(tài)(F)為主要存在形態(tài),占Cd 提取總量的80.0%～95.3%。遮陰條件下,伴礦景天葉中的乙醇提取態(tài)(F)含量顯著減少(＜0.05),水溶態(tài)(F)含量極顯著減少(＜0.01),醋酸提取態(tài)(F)和鹽酸提取態(tài)(F)含量極顯著增加(＜0.01);且遮陰處理導(dǎo)致伴礦景天莖中F、F和F含量顯著增加88.9%、16.4%和345.5%。

圖4 遮陰對(duì)伴礦景天葉、莖中Cd(a,b)、Pb(c,d)、Zn(e,f)化學(xué)形態(tài)含量的影響Fig.4 Effects of shading on the contents of Cd(a,b),Pb(c,d)and Zn(e,f)chemical forms in leaves,stems of Sedum plumbisincicola

Pb 在伴礦景天莖、葉中均以氯化鈉提取態(tài)(F)為主要存在形態(tài),占Pb 提取總量的78.2%～73.0%;其次為醋酸提取態(tài)(F),占Pb 提取總量的9.5%～10.5%,而乙醇提取態(tài)(F)含量最少;且遮陰條件下伴礦景天莖、葉中F-Pb 含量顯著增加(＜0.05),且莖中F-Pb 含量極顯著增加(＜0.01)。

遮陰處理對(duì)伴礦景天植株體內(nèi)Zn 各提取態(tài)的含量均有顯著影響。Zn 在伴礦景天莖、葉中醋酸提取態(tài)(F)含量和鹽酸提取態(tài)(F)含量分配比例最高。遮陰條件下,伴礦景天葉中Zn 的F、F、F和F含量均極顯著降低(＜0.01),降幅范圍為30.3%～58.6%;莖中Zn 的F、F、F、F以及F含量均極顯著降低(＜0.01),降幅范圍為30.2%～58.6%。

2.6 遮陰對(duì)伴礦景天Cd、Pb、Zn累積特征的影響

伴礦景天對(duì)Cd、Pb、Zn 的累積特征如表2。伴礦景天對(duì)Cd、Zn 均具有較強(qiáng)的富集能力和轉(zhuǎn)移能力,其對(duì)Cd 的富集系數(shù)及Cd、Zn 的轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1。與對(duì)照相比,遮陰處理導(dǎo)致伴礦景天對(duì)Cd、Zn 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著降低(＜0.05),降幅范圍為19.0%～62.1%;對(duì)Pb 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和生物轉(zhuǎn)移因子顯著降低(＜0.05)。且未遮陰條件下Cd 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)高達(dá)5.55 和4.20,Zn 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)為1.61 和4.39。

表2 遮陰對(duì)伴礦景天的Cd、Pb、Zn累積特征Table 2 Effects of shading on accumulation characteristics of Cd,Pb and Zn in Sedum plumbisincicola

3 討論

3.1 遮陰對(duì)伴礦景天Cd、Pb、Zn累積特征的影響

伴礦景天對(duì)Cd、Zn 具有極強(qiáng)的富集能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力,在重金屬污染土壤植物修復(fù)方面有巨大的潛力,其新葉中Cd 和Zn 含量可高達(dá)15 057 mg·kg和43 107 mg·kg,莖葉中Cd、Zn 含量分別比根中的重金屬含量高出7 倍和5 倍,這與本結(jié)果基本一致。本研究發(fā)現(xiàn),伴礦景天莖葉中的Cd、Zn 含量和累積量均顯著高于根部,而Pb 含量和累積量則主要在根部。說(shuō)明對(duì)于Cd、Zn 超富集植物伴礦景天來(lái)說(shuō),主要將重金屬轉(zhuǎn)移富集于植株地上部分,特別是葉片中來(lái)提高植株對(duì)重金屬的耐性和累積,且相對(duì)于進(jìn)行光合作用的葉肉細(xì)胞,伴礦景天更趨向于將Cd、Zn累積在葉片中生理活性較低的表皮細(xì)胞中。在遮陰條件下,伴礦景天根莖葉中的重金屬含量均顯著減少,且伴礦景天對(duì)Cd、Zn 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均顯著降低,可能是因?yàn)楣庹諒?qiáng)度的變化改變了伴礦景天葉片面積、厚度、冠幅等,同時(shí),降低植株的氣體交換、光合作用、養(yǎng)分可用性等生理活動(dòng)。遮陰會(huì)引起植物的生化變化,與高強(qiáng)度光照相比,低光照強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致葉片碳同化效率降低,并導(dǎo)致萜類(lèi)、酚類(lèi)和生物堿化合物等抗氧化次生代謝物的合成含量減少,影響物質(zhì)和能量的代謝,隨著生理活動(dòng)的降低,最終也可能影響重金屬的吸收。且遮陰對(duì)植物到遮陰網(wǎng)之間的微氣候條件有較大影響,例如降低植物冠層溫度、光值、光量、紫外輻射強(qiáng)度以及土壤溫度等,冠層濕度、土壤濕度及孔隙度增加,這會(huì)降低植物次生代謝產(chǎn)物含量和抗氧化能力,也會(huì)增加植株的光合活性和同化作用,因?yàn)橹仓牦w內(nèi)葉綠素是主要的光能吸收物質(zhì),直接反映植物光合過(guò)程中光能的利用,且葉綠體色素含量與其光合能力有較好的相關(guān)性,而光照強(qiáng)度的改變會(huì)影響植物體內(nèi)葉綠素含量,改變其光合速率。本研究結(jié)果顯示遮陰條件下伴礦景天葉片中的葉綠素含量顯著增加,植株重金屬含量減少。說(shuō)明遮陰處理伴礦景天在光合作用增強(qiáng)的情況下,植株通過(guò)減少重金屬的累積和轉(zhuǎn)運(yùn)以保證正常的光合生理活動(dòng),這可能是植物防止過(guò)度吸收的光化學(xué)保護(hù)適應(yīng)機(jī)制,因?yàn)槎ㄎ挥诎榈V景天葉片葉綠體被膜上的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因能防止葉綠體發(fā)生Cd 積累而保護(hù)光合作用的正常進(jìn)行。

但有研究表明,適當(dāng)?shù)恼陉幖瓤稍黾又仓昵o葉生物量,也有利于植株對(duì)重金屬、礦質(zhì)元素的吸收。而本試驗(yàn)結(jié)果相反,可能是由于試驗(yàn)地及試驗(yàn)條件的不同造成,植物在遭受環(huán)境脅迫時(shí)會(huì)改變相應(yīng)生理活動(dòng)機(jī)制來(lái)適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境條件的改變,而且植物生長(zhǎng)環(huán)境條件,如土壤pH、養(yǎng)分、質(zhì)地等土壤理化性質(zhì)以及溫度、降水均可影響伴礦景天的生長(zhǎng)和重金屬吸收量。本試驗(yàn)是在蘭坪礦渣土壤上野外原位種植伴礦景天,該地區(qū)海拔較高,紫外輻射強(qiáng),且其生長(zhǎng)土壤類(lèi)型為石質(zhì)土,包含較多的礦渣和石子,不同于盆栽試驗(yàn)土壤肥力好,導(dǎo)致該試驗(yàn)伴礦景天根系生長(zhǎng)的體積有限,植株生長(zhǎng)不良且生物量較低,加之氣候條件差異,從而影響伴礦景天的生理代謝活動(dòng)來(lái)適應(yīng)外界環(huán)境變化,進(jìn)而影響植株對(duì)Cd、Zn的累積和轉(zhuǎn)運(yùn)。此外,在礦區(qū)周?chē)捎陲w灰等大氣沉降的影響,遮陰網(wǎng)的阻擋作用可以減少植株地上部和土壤重金屬的輸入,也可能使植株的重金屬含量降低。

3.2 遮陰對(duì)伴礦景天Cd、Pb、Zn 亞細(xì)胞分布和化學(xué)形態(tài)的影響

植物體內(nèi)重金屬亞細(xì)胞分布模式是決定金屬毒性程度和植物耐受機(jī)制的關(guān)鍵因素。植物細(xì)胞壁是重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的第一道屏障,是植株體內(nèi)重金屬解毒的主要場(chǎng)所,能保護(hù)原生質(zhì)體免受重金屬毒害,其主要由多糖(包括纖維素、半纖維素和果膠)和蛋白質(zhì)組成,其中許多官能團(tuán)(羧基、羥基、氨基和醛基等)充當(dāng)負(fù)電荷位點(diǎn)與金屬離子結(jié)合,從而調(diào)節(jié)重金屬的跨膜運(yùn)輸。細(xì)胞可溶性部分主要包括細(xì)胞質(zhì)和液泡,且液泡是重金屬累積的另一大器官,因?yàn)槠鋬?nèi)部有機(jī)酸和富硫肽可以與重金屬離子結(jié)合以降低重金屬的遷移率和生物毒性,以固定和積累大量重金屬離子。在擬南芥()、東南景天()和龍葵()等超富集植物中,Cd 主要累積在細(xì)胞壁中,黃瓜()、甘蔗()、小麥()等植物的可溶性部分也占有較大比例,這些研究表明在自然條件下,大多數(shù)重金屬積累在細(xì)胞壁和可溶性部分中。本研究中,Cd、Zn 主要分布在伴礦景天莖葉的細(xì)胞壁和可溶性部分,這與前人研究結(jié)果一致。且遮陰條件下伴礦景天植株細(xì)胞壁和細(xì)胞液中的Cd、Zn 含量顯著降低,可能是因?yàn)檎陉幪幚韺?dǎo)致植物細(xì)胞壁中與金屬離子結(jié)合的官能團(tuán)含量減少,降低了重金屬離子向體內(nèi)的跨膜運(yùn)輸,其植株細(xì)胞可溶性部分的重金屬含量也隨之減少。在遮光環(huán)境下植株體內(nèi)黃酮類(lèi)和木質(zhì)素等酚類(lèi)化合物含量減少,進(jìn)而降低葉片表皮厚度、皮層厚度、柵欄組織厚度以及整個(gè)葉片的厚度,增加光的透射率,從而提高光的利用率,降低養(yǎng)分消耗,且受環(huán)境脅迫時(shí)自由基水平增加最終會(huì)導(dǎo)致功能性葉片葉肉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)受損;而且在全光照條件下,耐陰植物的細(xì)胞壁厚度會(huì)顯著增加,進(jìn)而影響重金屬在植株亞細(xì)胞組分中的含量與分配,這可能也是植株組織對(duì)重金屬累積量降低的原因之一。同時(shí),植物吸收的過(guò)量重金屬會(huì)滲入細(xì)胞壁而沒(méi)有被充分吸附,然后被液泡隔離和分區(qū),且植物的地上部分,如葉子、果實(shí)和花朵,可以從大氣沉積中吸收重金屬,這些重金屬可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到其他部分,進(jìn)而影響重金屬在植物亞細(xì)胞組分中的分布和含量,所以使遮陰條件下伴礦景天植株重金屬含量降低。

植物體內(nèi)重金屬的化學(xué)形態(tài)與其生物學(xué)功能密切相關(guān),用不同提取溶液提取的不同重金屬化學(xué)形態(tài)具有不同的毒性、活性和遷移能力。與不溶的磷酸鹽類(lèi)(F)和草酸鹽類(lèi)(F)相比,無(wú)機(jī)(F)和有機(jī)水溶性(F)重金屬形態(tài)活性更強(qiáng),遷移能力更強(qiáng),且對(duì)植物細(xì)胞的危害更大;乙醇和去離子水提取劑提取的重金屬形態(tài)主要與硝酸根離子、氯化物、有機(jī)酸和磷酸二氫鈉絡(luò)合作用,容易滲入共質(zhì)體,并貯存于細(xì)胞器和液泡可溶性部分中;而NaCl 提取的重金屬(F)在植物中比例較大,重金屬與有機(jī)配體的絡(luò)合作用可使自由離子活性降低,從而降低重金屬毒性,在植物適應(yīng)重金屬脅迫中起重要作用。東南景天和龍葵等植物F-Cd 的分配比例最大,而Zn 在皖景天()莖和葉內(nèi)以多種化學(xué)形態(tài)存在,這與本研究結(jié)果一致。本研究中,伴礦景天莖葉Cd、Pb 的主要賦存化學(xué)形態(tài)為F,而Zn 則以F和F(惰性態(tài)Zn)為主,且遮陰處理下,伴礦景天莖葉中F-Cd 含量顯著減少,而F-Cd 含量極顯著增加;同時(shí)伴礦景天莖葉中的F-Zn、F-Zn、F-Zn 含量極顯著減少。這可能是因?yàn)檎陉帡l件下,重金屬對(duì)蛋白質(zhì)或其他有機(jī)化合物中的巰基和蛋白質(zhì)的側(cè)鏈有很強(qiáng)的親合力,所以導(dǎo)致更多的重金屬離子與果膠酸和蛋白質(zhì)等配位基團(tuán)絡(luò)合,滯留在植物的細(xì)胞壁和液泡中,從而降低細(xì)胞內(nèi)游離態(tài)Cd、Zn 和活性較強(qiáng)的結(jié)合態(tài)Cd、Zn 含量;而且外界環(huán)境因子會(huì)改變植物次生代謝產(chǎn)物含量,影響植株體內(nèi)與重金屬結(jié)合的相關(guān)物質(zhì)作用,進(jìn)而減少植物對(duì)Cd、Zn 的吸收累積和轉(zhuǎn)運(yùn)。

因此,在今后的伴礦景天礦區(qū)污染修復(fù)研究過(guò)程中應(yīng)考慮氣候、地區(qū)等綜合環(huán)境因素的影響,進(jìn)一步探討種植環(huán)境和修復(fù)方式與重金屬累積特征之間的關(guān)系。同時(shí),結(jié)合本研究對(duì)伴礦景天高原適應(yīng)性的研究結(jié)果可得,伴礦景天在云南高原蘭坪礦區(qū)原位修復(fù)效果和生態(tài)適應(yīng)性良好,而且可通過(guò)超富集植物與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)作物聯(lián)合種植、施加有機(jī)肥以增加土壤肥力等措施提高伴礦景天生態(tài)修復(fù)的價(jià)值。

4 結(jié)論

遮陰條件下伴礦景天莖葉中細(xì)胞壁和可溶部分以及活性低的Cd、Zn 含量顯著減少,且伴礦景天根莖葉中的Cd、Zn 含量顯著減少,說(shuō)明遮陰通過(guò)降低伴礦景天細(xì)胞壁的固持作用、液泡區(qū)室化作用并減少重金屬低活性賦存形態(tài)含量,從而降低植株對(duì)Cd、Zn 的富集能力和轉(zhuǎn)移能力。