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1、东北师范大学博士学位论文不同营养水平和EDTA对铅污染土壤植物修复的影响及植物对铅 胁迫响应的研究姓名：林长存申请学位级别：博士专业：生态学指导教师：祝廷成;王德利20090501剂。2 通过试验比较了在铅污染土壤上三种植物菠菜、苣荬菜和马齿苋生物量、不同部分铅浓度和铅积聚的量。在三种植物中，菠菜和苣荬菜属于C 3 型植物种，而马齿苋属于C 4 型植物种。C 4 型植物种对热、干旱和盐环境的适应能力比C 3型植物种强，同样C 4 型植物种的马齿苋对重金属P b 的胁迫环境的适应性也强于菠菜和苣荬菜。C 4 型植物种的马齿苋生物量在生长初期的8 月2 5 日达到了最大，而C 3 型植物种生物量在
2、生长末期9 月2 6 日才达到最大。三种植物地上部和地下部的P b 浓度存在着差异，菠菜的地上部P b 浓度小于地下部，马齿苋的两者没有显著差异，而苣荬菜地上部的P b 浓度显著大于地下部，但是由于苣荬菜的生物量较小，因此整个苣荬菜体内富集的P b 总量是三种植物中最低的。体内P b 总量最大是菠菜，因此在中等P b 污染的土壤修复过程中应该选用菠菜。由于C 4 型植物种的马齿苋具有能够在生长早期就达到构件的成熟，并且有较高的重金属积聚量，因此在短期的修复工程，应该选用C 4 型植物种修复，这样可以在有限的时间内增加植物修复的次数。3 通过试验，比较了有机营养和E D T A 对向日葵体内铅积
3、累的影响及其E D T A 添加次数对向日葵铅积累和产生的环境威胁进行了研究。结果表明：E D T A对铅的移动性存在着浓度依赖性，随着E D T A 的浓度提高增加移动性( P N T A 柠檬酸 草酸 醋酸1 6 0 - 6 引。E D T A能够在很宽的p H 值范围内有选择的增加铅和镉的移动性；小分子有机酸对于提高铅移动性上与其它重金属铜、镉相比作用较弱。然而随着土壤中添加有机酸浓9东北师范大学博士学位论文度的增加对重金属的选择性降低 6 0 , 6 1 】。因为土壤p H 值的增加能够使有机酸去质子化，使有机物的可溶性增加，进而，使铅元素和有机物的螯合物的稳定性增加【删。尤其是在高p
4、 H 值的土壤中，有机酸提高铅的移动性，并能增加了富集能力( 图1 2 ) 。很多实验研究了有机螯合物和铅结合作用和铅在植物体内的积聚。改变p H 值涮鬈l釜k 游离离子= 水溶性螯合物 ( 根际圈主要可吸收态P b )交换态P b( 根际圈土壤)有机螯合剂改变p H 值难吸收态P b( 根际圈土壤)图1 2 螯合剂对根际圈P b 吸收、排泄和积累的关系【5 3 】F i g 1 - 2T h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc h e l a t ea n dP ba b s o r b a b i l i t y , e x c r e t i
5、 o na n da c c t l m u l a t i o n l 5 3 11 5 2 不同螯合剂下植物对铅的吸收1 5 2 1 盆栽实验植物对铅的吸收在以往文献采用的盆栽试验中，土壤中铅的浓度范围是1 1 0 1 4 ，3 5 0m gk g ，而使用的螯合剂的量的范围是0 4 4 到5 8gk 9 1 。虽然不是每个文献都对铅有机螯合物的浓度做了研究，但土壤中总铅的3 到7 8 都能被溶解。而这部分溶解的铅不仅与添加的螯合剂量有关，还与土壤的性质有关【6 5 ，删。多数研究结果表明：植物地上部积聚的铅直接和E D T A 的添加量有关。由于被螯合剂溶解的铅量变异较大，通过比对这些文
6、献可以看出植物体内铅的量和土壤中可溶性铅即土壤溶液中的铅有较好的相关性( 表1 1 ) ，其中玉米( Z e am a y s )和甘蓝( B r a s s i c ao l e r a c e a ) 能够最大的在体内富集铅，其次为向日葵( H e l i a n t h U Sa n n u u s ) 和印度芥菜( B r a s s i c a u n c e a ) 。然而，由于这些植物富集铅的数据过少，1 0东北师范大学博士学位论文并且盆栽实验中使用的土壤差异也较大，因此这些植物对铅的富集能力的比较没有统计上的可信性。然而关于玉米的数据较为完整，所以通过对玉米富集铅和土壤溶液的铅
7、量做线性分析，值为O 7 7 ( 如果去掉一个极端值，R 2 值为O 9 7 ) 。根据线性关系可以看出玉米体内铅的浓度为土壤溶液中铅浓度的8 9 倍。许多生长在高浓度铅污染土壤上的植物都大量的富集铅，在添加E D T A 后铅浓度甚至能达到干物质的3 0gk 9 1 ( 表1 1 ) 。E D T A 和铅结合后被植物吸收后从根到地上部传输【5 9 ，6 7 】。通过碳标记的E D T A 示踪，植物吸收P b E D T A 螯合物后从根部通过木质部运输到植物地上部丌。在盆栽试验中的植物生长条件和E D T A 螯合剂使用频率等实验方法的差异也会影响植物对铅的吸收。W u 等人( 1 9
8、9 9 ) 就发现直接播种和移苗到铅污染土壤玉米体内铅浓度有明显的差异。育苗1 0 天之后移种在污染土壤上的玉米能够富集铅的浓度为4 5 0 0m gk g ，高于对照4 5 倍，而直接在污染土壤中播种繁殖的玉米只能富集铅浓度高于对照6 倍，并且，育苗相对于直接播种玉米的位移系数( 位移系数为植物地上部分某种元素含量与植物根部该元素含量的比值) 从0 2 3提高到1 5 7 。但是如果在污染土壤中育苗，移苗后植物铅富集的量反而会很小，加之先育苗后移种的工艺成本过高，所以在盆栽实验向野外推广的过程中一般不应被采用。G r c m a n 等( 2 0 0 1 ) 的研究通过螯合剂的应用频率对植物
9、的富集效率的影响【7 3 】。他们发现在温室实验中2 9gk g 。E D T A 的单次添加使得甘蓝( 丑o l e r a c e a )铅富集高于无E D T A 对照处理1 0 5 倍，而相同剂量E D T A 分四次添加仅高于对照处理4 4 倍。但是，P u s c h e n r e i t e r 等人( 2 0 0 1 ) 和M e e r s 等人( 2 0 0 5 ) 的研究结果与上述结果相反【2 0 ，5 7 1 ，P u s c h e n r e i t e r 等人在收获前三个星期添加lgk g o E D T A 能够提高8 倍玉米铅富集浓度，但同样剂量E D T
10、 A 分三次加入，则会提高1 8 倍。不仅是重金属铅，镉、镍、锌和铜等在E D T A 的分次添加也会提高植物的富集浓度。1 5 2 2 盆栽实验中螯合剂对植物生长的影响盆栽试验均是短期的，测试植物仅经过很短的生长期就被收割。大量的文献表明当加入螯合剂后植物停止其生长发育，这也干扰了螯合剂对植物生长影响的评估。通过增加E D T A 的添加量，土壤中可溶性的铅浓度分别超过7 0 和1 5 0m gk f l 时，油菜和印度芥菜的生长受到抑制，生物量下降【| 7 3 ，7 4 】。A l b a s e l 和C o t t e n i e( 1 9 8 5 ) 和H u a n g 等人( 1
11、 9 9 7 ) 在分别添加1 和O 5m gk g 1E D T A 后测试的植物多年生黑麦草( L o l i u mm u l t i f l o r u m ) 、玉米和豌豆( P i s u ms a t i v u m ) 均死亡1 6 8 ，7 5 1 。小剂量多次添加C D T A 后可溶性铅达到1 6 0m gk g - I 实验植物玉米和小糠草( A g r o s t i sg i g a n t e a n ) 生长停止，而豌豆在可溶性铅超过8 0m gk g 以生长就会受S认ooN：怠奄sJoQ苫F诜ooN：飞奄矗Q窆l_8一心ooN毽1f心一N勺爵I：lcII，一茎
12、a岔岔一，飞11：，1寸ooN：吣IIQI；【U|I，1寸ooN：J心吣盘QIIUI，1寸ooN：奄口。二U至岔岔岔H，飞J3do。U69一N。N。毽1IIQ二【8口一卜岔岔H吣眦口母jo 一o 一n o o n No o 史No o No o No o o 寸o o 岭o o 价丈N吨NN o Ho no o no 一一一。心一 一。岭N Ho o 屿No H o no o N o Hc ooo 甙N 0 n峪nN 0 n婚n价N 【o 心望0里0I-昱盖。II - ) I 寸寸oI ) I n 卜。I 8 盖n 舍k 盖n 暑I-8盖。“I-宕盖。0I-宕盖。“* 悄橼皿厦粼皿匠* 州渊罄
13、排E I 厦眯绦谜岳* 懈棚扭* 嗣藿仪蛩暑v谜器口厶I堂gv尉议I堂昌v匪莨子磷叫巡警qd星甚霉靶v 工Q 叫婶霉靶Du矗DIJ出oIDIIJoc一cr一衄oo口o=一屯屯四D己I_IQ篮_c心一Q口一IIo召矗I_口Du岛ooD 厶一Ho o _ 掣铎羞赵蓉qd怪堆器靼崾晨蜂普Q七b疆仪I-I懈仪牲迥卅书章l朴K拱虽爿帐东北师范大学博士学位论文到抑制。向日葵在生物量较小时就能富集较高的铅浓度，达到5gk g q 【70 。因此对于土壤的植物修复，向日葵由于其高产和对铅的耐受性和积聚性，非常适于做修复植物。1 5 2 3 野外实验中植物对铅的吸收野外实验和盆栽实验中植物对重金属的富集作用有明
14、显的不同，因此两种实验的结果也大相径庭。例女I K a y s e r 等( 2 0 0 0 ) 同时进行了盆栽和野外实验，结果表明同等条件盆栽种植的烟草( N i c o t i a n at a b a c u m ) 比野外实验多富集3 倍的镉，盆栽实验中的向日葵富集的镉元素量甚至高于野外种植的公认为高富集植物印度芥菜【7 6 1 。野外实验植物干物质内重金属仅为同等条件下盆栽实验结果的2 0 ，其原因可能有以下几点：在所有的研究中，盆栽实验多于野外试验，而盆栽实验的土壤多是人工添加重金属盐，因此两种实验方式研究结果和所能积聚的重金属浓度差异很大；盆栽实验的重金属可溶性高于野外实验；盆栽
15、实验采用的盆一般尺寸较小，植物根系能够紧密的与土壤中重金属螯合物接触，因此土壤螯合剂的效率高于野外实验；盆栽实验的实验周期较短，这直接影响了铅富集的量【7 7 1 。土壤溶液中的重金属和螯合剂结合后毒性变大，在许多实验中植物的生长受到抑制，因此生物量较小，虽然植物中重金属浓度很大，但是重金属的移除总量较低。一种新的植物修复方法的研究，采用成本较低的盆栽实验不失为一种较好的选择，因为盆栽实验可以在研究者预定的重金属污染范围内，对不同的土壤、螯合剂和植物进行综合的研究，而盆栽试验也提高了野外实验的成功几率。S a l t 等人( 1 9 9 8 ) 的野外实验中，在1 ，6 0 0m gk g “
16、 1 铅污染的土壤中在加入未知浓度E D T A 后2 8 的铅被印度芥菜修复移除【5 4 1 。相同的野外实验中E h s a n 等人( 2 0 0 7 ) 在加入0 6 7m o lk g E D T A ，经过三次印度芥菜的种植后，土壤中的铅减少T 6 7 6 8 1 T M 】。野外实验中由于土壤数据差异过大，关于土壤中可溶性铅的研究并不多见。对于野外污染修复实践，建议加入螯合剂后让修复植物完成整个生长季以提高修复效率。1 5 2 4 其他有机酸对植物铅吸收影响土壤溶液中含有各种植物残留物降解和根分泌的低分子量有机酸，如柠檬酸、草酸、乙酸、丙二酸等晔1 ，与E D T A 相比这些有机酸的铅污染土壤植物修复能力较弱，但是很多人都做了有机酸对铅也有较强的
