郑方静 文可可 陈芳 杨祖梁 吴兴 娄晓霞 张凌云
（贵州师范大学，550025）
摘要：以垂柳为研究对象，采用水培法培养，在不同浓度梯度铅胁迫状态下，对垂柳进行铅含量检测分析，探讨该植物耐铅的分子机制。研究结果表明：垂柳可以在铅浓度小于等于700mg/kg的土壤中正常生活，所以可以将垂柳种植在铅浓度小于等于700mg/kg的土壤中进行园林绿化，美化我们的环境；其次，垂柳对铅离子具有一定的转运能力，可以将垂柳种植在浓度小于等于600mg/kg的土壤中进行土壤修复。
关键词：垂柳；铅胁迫；耐性
Abstract: In this paper, a hydroponic experiment of the Salix babylonica was conducted to evaluate the phytoremediation capability to lead contamination. The roots cuttings exposed to different concentration for four weeks in a chamber. It was found that: Salix babylonica can be used in the soil which lead concentration is below 600 mg/kg for green and phytoremediation.
Key words: Salix babylonica; lead contamination; tolerance
土壤是环境的重要组成部分，是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源。近年来土壤退化越来越引起重视，其中以重金属污染最为严重。土壤污染是由于人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于其自然背景含量、并造成生态破坏和环境恶化等现象(伍均等,2005)。土壤污染不但影响产品生产及质量，而且涉及大气和水环境质量，并可以通过食物链危害到人类的生命和健康，也就是说土壤污染会影响到整个人类生存环境的质量。由于土壤污染将会引起严重的环境污染后果，因而土壤中重金属的有效控制便成为环境保护工作中十分重要的内容（Brooks R R et.al.1977; 刘霞等,2003;周启星等,2004）。对于重金属的修复，一般传统方法是化学和物理方法，此方法虽然能够减少部分重金属的危害，但是治标不治本，而且投资较高，还可能破坏土壤结构并产生二次污染（马莹等, 2013; 黄益宗, 2013）。
现发现廉价、安全以及拥有可持续等优点的重金属修复方法是植物修复。植物修复就是把具有重金属超吸富能力的植物种植在重金属污染的土壤中，不仅可以把土壤中的重金属富集起来还可以将植物收获把重金属加以回收利用。现植物修复技术是国内外研究重金属修复的热点（鲍桐等, 2010; 李凝玉等, 2010; 张树金等, 2010;Sun et al, 2013）。
曾有实验表明，垂柳对铅有较强的修复能力。本试验拟对清水培养下垂柳内铅的积累特性及其生长开展研究，解决以下两个问题：1）垂柳对铅的积累能力如何；2)铅胁迫对垂柳耐受能力、生理活性影响有多大。最终评价垂柳对铅的修复潜力并获得耐受策略方面的认识，明确垂柳是否能有效地运用于铅污染区域的植物修复。
1.材料与方法
1.1研究材料
垂柳（Salix babylonica），杨柳科柳属落叶乔木（中国科学院植物研究所，2001）。垂柳萌芽力强，根系发达，生长迅速，较耐寒，特耐水湿，但亦能生于土层深厚之高燥地区。最宜配植在水边，也可作庭荫树、行道树、公路树，亦适用于工厂绿化，还是固堤护岸的重要树种。
1.2试验设计
2017年3月初剪取1年生未萌发的垂柳枝条(取于贵州师范大学校内，剪成长20 cm、 直径0.8～1.0 cm的插条)，在自来水中培养4周，长成完整小苗后，选取生长一致的完整小苗，放入含铅溶液中进行处理。整个试验在室内的自然状态下进行(温度：白天20℃／夜晚13 ℃；空气湿度：60％～70％；光周期：光照14 h／黑 暗10 h，光照用自然光)。试验容器为510mm×370mm×150mm的塑料箱，内放8 L水，无盖，用透明胶布交叉粘连，形成小孔，每孔1株。试验设置5个处理(以Pb(NO3)2溶液的形式加入，纯Pb2+计浓度)：CK组(对照组，不加外源铅，0mg/kg)、T1组(500 mg/kg)、T2组(600 mg/kg)、T3组 (700 mg/kg)、T4组 (800 mg/kg)，每个处理5个重复，每个重复6根插条。每周换1次溶液，整个试验期间保持自然状态。
1.3生物量和铅含量的测定
在铅处理时和试验结束取样时分别量取株高，获得铅胁迫期间株高增长量，然后把植物分为根(地下部)、萌条(地上部分)2部分。地上部分用蒸馏水彻底洗净；根部用蒸馏水洗净后，再用去离子水洗 5 min，去除根表面吸附的铅离子，然后再迅速用蒸馏水冲洗干净。在150℃下杀青30min,然后在烘箱中70℃下烘干至恒质量，称质量后用研磨器将其粉碎，过60目尼龙筛，储存于聚乙烯瓶中备用(贾中民等，2011)。
精确量取待测样品0.2000 g，加入HNO3和HClO4：共15 mL，比例为5：l(V：V)，在120℃的电热板上进行消解，冒大量黄烟后升温至250℃， 然后250℃维持15 min，待消解完毕冷却后用蒸馏水转入50 mL容量瓶内定容，样品待测液分别用原子吸收分光光度计测定其铅含量。
1．4数据分析
耐性指数：用铅胁迫组株高增长量、总根长或生物量与对照组相应指标的比值的平均值计算(Wilkins，1978)。
转运系数：用地上部分平均铅含量（mg/kg)与根部平均铅含量（mg/kg)的比值计算，以评价植物根吸收的铅积累在地上部分的能力 (Zacchini et a1．，2009)。
利用Excel 2003进行试验数据的处理、分析和作图。
2.结果与分析
2.1铅胁迫对株高的影响
不同浓度铅胁迫对垂柳株高的影响见图1。由图1可知铅浓度在一定范围内植株有增高趋势，但随着处理浓度的增加植物株高有下降的趋势，但下降到一定程度便不再下降。在铅浓度分别0mg/kg 、500mg/kg、600mg/kg、700 mg/kg、800 mg/kg的溶液下，垂柳的株高分别为处理前的的100.5％、100.8％、100％、100％。说明垂柳在700 mg/kg的浓度下已经出现死亡现象，这表明Pb2+对垂柳生长有较大抑制作用。
2.2铅胁迫对生物量的影响
不同浓度铅处理下对垂柳生物量的影响见图2、3。由图2可知，随Pb2+处理浓度的升高，垂柳地上部生物量呈下降的趋势，在Pb2+浓度为500mg/kg时生物量没变化，但是从600mg/kg开始，生物量开始下降，在600mg/kg、700mg/kg、800mg/kg分别减少9.3%、
11.0%、11.0%，说明在浓度为700 mg/kg下时垂柳已死亡，生物量不再变化。由图3可知，随Pb2+处理浓度的升高，垂柳地下部生物量呈先上升后下降的趋势，在浓度为500mg/kg、600mg/kg时，地下部生物量分别增加2.5%、3.2%，在浓度为700mg/kg、800mg/kg时，地下部生物量均减少21.3%。
Fig3 Effects of different gradient of Pb2+ concentration on underground biomass of the plant
2.3根长及根系耐性指数
根系耐性指数是各处理的根系长度与对照的根系长度的比值，以很好地反映植物对重金属的耐性情况（朱云集等，2000）。垂柳的耐性系数如表1所示。由表1可知，垂柳的根长和根系耐性指数随Pb2+处理浓度的提高呈先升高后降低的趋势，表明低浓度的Pb2+促进着垂柳的根系生长，而高浓度的Pb2+抑制根系生长。
表1 Pb2+梯度处理垂柳根长及根系耐性指数的影响
Table 1 Effect of Pb2+ gradient processing on the plant root length and root tolerance index
2.4 植物对Pb2+的吸收量
2.4.1 植物体内的铅含量
从表2可见，垂柳地上部的铅含量为37.21 mg/kg ~211.37mg/kg，地下部分的铅含量为113.21—671.56mg/kg，地上部的铅含量低于根部的铅含量。其地下部的铅含量低于1000mg/kg，说明垂柳对铅的富集系数较低，不具备富集植物的条件。
表2 垂柳地上部与根部的铅含量
Table2 The lead content of the plant shoot and root
2.5耐铅的土壤临界值
根系的耐性指数可以作为耐性临界值的指标（Rabinowitz，1993），即把植物根系耐性指数等于1.0时土壤的重金属含量定为植物的耐铅土壤临界值。
根据此定义，由表1中根系耐性指数及根长统计分析结果综合表明，垂柳的耐铅土壤临界值：处理浓度为500mg/kg时，垂柳根系耐性指数为1.006，此时根长并未下降，但是超过600mg/kg之后，垂柳的根长与对照相比下降，因此垂柳的耐铅土壤临界值为600mg/kg。
3.讨论
（1）不同浓度的Pb2+处理对垂柳的生长影响程度不同。低浓度的Pb2+处理（≤700 mg/kg），垂柳的株高、根长、生物量出现不同程度的增效效应。这说明，虽然铅不是植物生长的必需元素，但低浓度的铅对垂柳生长有促进作用；高浓度的Pb2+处理对垂柳的生长有抑制作用，在Pb2+浓度为800 mg/kg时，垂柳全部死亡。
（2）垂柳在各处理浓度下，Pb2+在植株器官间的分布表现为根＞地上部。垂柳吸收的Pb2+主要积累在根部，可以表明在含Pb2+量为700 mg/kg的溶液中可以继续生长，但是地上部转运的较少，减轻了Pb2+对地上器官的毒害作用。
（3）由根系耐性指数及根长统计分析结果综合确定出：垂柳的耐铅土壤临界值为600 mg/kg。
综上所述，垂柳可以在铅浓度小于等于700mg/kg的土壤中正常生活，所以可以将垂柳种植在铅浓度小于等于700mg/kg的土壤中进行园林绿化，美化我们的环境；其次，垂柳对铅离子具有一定的转运能力，可以将垂柳种植在浓度小于等于600mg/kg的土壤中进行土壤修复。
参考文献
[1]Brooks R R, Lee J, Reeves R D, et al. Detection of nickeliferous rocks by analysis of herbarium specimens of indicator plants[J]. J Geochem Explor, 1977 ,(7):49-57.
[2]Rabinowitz S A, Arroyo C, Bachmann K T, et al. Measurement of the Strange Sea Distribution Using Neutrino Charm Production[J]. Physical Review Letters, 1993,70(2):134-137.
[3]朱云集,王晨阳,马元喜,等.砷胁迫对小麦根系生长及活性氧代谢的影响[J].生态学报,2000,20(4):707-710.
[4]刘霞,刘叔庆,唐兆.潮土和潮褐土中重金属形态与土壤酶活性的关系[J].土壤学报,2003,40(4):581-587.
[5]周启星,宋玉芳.污染土壤修复原理与方法[M].北京:科学出版社,2004.
[6]伍均,孟晓霞,李昆.铅污染土壤的植物修复研究进展[J].土壤,2005,37(3):258-264.
[7]鲍桐, 孙丽娜, 牛之欣, 等. 重金属污染土壤植物修复技术强化措施研究进展[J]. 环境科学与技术, 2010, 33(12): 458-462.
[8]李凝玉, 卢焕萍, 李志安, 等. 籽粒苋对土壤中镉的耐性和积累特征[J]. 应用与环境生物学报, 2010, 16(1): 028-032.
[9]贾中民,魏虹,孙晓灿,等.秋华柳和枫杨幼苗对隔的积累和耐受性[J].生态学报,2011,31(1):107-114.
[10]张树金. 华中蹄盖蕨(Athyrium wardii)对镉的耐性生理机制研究[D]. 成都: 四川农业大学, 2012.
[11]黄益宗, 郝晓伟, 雷鸣, 等. 重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J]. 农业环境科学学报, 2013, 32(3): 409-417.
[12]马莹, 骆永明, 腾应, 等. 根际促生菌及其在污染土壤植物修复中的应用[J]. 土壤学报, 2013, 50(5): 1021-1031.
[13]Sun J, Wang R G, Liu Z Q, et al. Non-invasive microelectrode cadmium flux measurements reveal the spatial characteristics and real-time kinetics of cadmium transport in hyperaccumulator and nonhyperaccumulator ecotypes of Sedum alfredii[J]. Journal of Plant Physiology, 2013, 170: 355-359.
论文作者:郑方静,文可可,陈芳,杨祖梁,吴兴,娄晓霞,张凌
论文发表刊物:《知识－力量》2018年2月上
论文发表时间:2018/4/26
标签：垂柳论文; 土壤论文; 浓度论文; 生物量论文; 根系论文; 重金属论文; 耐性论文; 《知识－力量》2018年2月上论文;