硫铅处理下伴矿景天对铅的耐受性与积累性研究

【目的】探明土壤在硫(S)铅(Pb)处理下,伴矿景天生长性状变化情况及对重金属Pb的耐受性与积累性,为Pb污染土壤植物修复提供依据。【方法】以伴矿景天为研究对象,采用随机区组试验,研究不同Pb浓度[Pb(CH_(3)COO)_(2)为0 mg、200 mg、400 mg、800 mg、1600 mg]和S浓度(Na_(2)SO_(4)为0 mg、50 mg、100 mg)对伴矿景天的株高、叶长、叶宽、根长、地上干重、根干重和Pb含量的影响及Pb耐受性和富集性的响应。【结果】在相同Pb浓度处理下,随S浓度增加,伴矿景天株高、叶长和根长整体呈增高趋势,在Pb 0 mg/kg、S 100 mg/kg处理下,根长最长,达6.50 cm。地上部干重以Pb 1600 mg/kg、S 50 mg/kg处理最小,根干重以Pb 1600 mg/kg、S 100 mg/kg处理最小。地上部Pb含量以Pb 1600 mg/kg、S 50 mg/kg处理最大,为1654.88 mg/kg;根系Pb含量以Pb 800 mg/kg、S 50 mg/kg处理最大,为1070.42 mg/kg。伴矿景天地上部干重与根干重呈极显著正相关关系,叶长与叶宽呈极显著正相关关系。伴矿景天的Pb富集系数在相同S浓度下,随Pb浓度增加而减小,转运系数、转运量系数总体随Pb浓度增加而减小;在相同Pb浓度处理下,富集系数随S浓度增高而增加,富集系数、转运系数和转运量系数、迁移率最高分别为11.04、2.88、30.64和74.24%。【结论】伴矿景天在铅胁迫下外施硫可缓解地上部、根生物量和株高的减少,并提高植株对铅的富集系数,外施硫是促进伴矿景天吸收重金属的有力措施。

伴矿景天镉积累特征及其对根际土壤镉分布的影响

农田土壤镉(Cd)污染修复对粮食安全意义重大,伴矿景天(Sedum plumbizincicola)是我国发现和报道的Cd超积累植物。为探索不同生长期伴矿景天的Cd积累特征及其对根际土壤Cd剖面分布的影响,选择相同成土母质的中度和轻度Cd污染农田进行原位修复试验,分析伴矿景天分枝初期、分枝盛期、开花盛期、开花后期地上部生物量和Cd吸收情况及其根际土壤pH值与有效态Cd含量的剖面分布特征。结果表明,伴矿景天的生物量、Cd含量及Cd积累量均不会随着种植时间延长而升高。轻度Cd污染农田伴矿景天开花盛期株高可超过60 cm,地上部单株鲜重可达1.59 kg,单株地上部Cd积累量达2.26 mg。伴矿景天不同部位比较而言,花的Cd含量最高,开花盛期中度和轻度Cd污染农田伴矿景天花的Cd含量分别是其他部位的1.60~3.42倍和1.88~6.53倍。中度和轻度Cd污染农田伴矿景天地上部Cd积累量在4个生长期均差异显著,分别于分枝盛期和开花盛期达最大值。根际土壤pH值和有效态Cd含量均随着土层深度的增加表现为先降低再升高,近根区略低于远根区。中度Cd污染农田土壤pH值在分枝初期最低,近根区>2~6 cm土壤pH值为4.37~4.43,而土壤有效态Cd含量在分枝盛期最低,近根区为0.16~0.31 mg·kg^(-1),变异系数最小(26.5%)。土壤pH值降低有利于伴矿景天对Cd的吸收,生物量是影响伴矿景天修复效率的关键因素。

ALA协同PASP强化伴矿景天提取土壤重金属Cd的研究

[目的]探究5-氨基酮戊酸(ALA)协同螯合剂聚天冬氨酸(PASP)增强伴矿景天提取土壤Cd的最佳条件。[方法]通过盆栽试验,伴矿景天种植于Cd污染土壤(总Cd0.68 mg/kg)中,且在移栽45 d后开始浇灌不同添加浓度的PASP(3、6、12 g/kg,分别等分为3次使用,2~3次使用的间隔时间分别为15、30 d);ALA(25 mmol/L)于PASP处理后第3天灌施,按不同的施用次数(0、1、2、3)处理,间隔时间同PASP处理。分析伴矿景茎长、地上部生物量、Cd含量和Cd提取量,建立各指标之间的相关性并拟合生物量和Cd提取量与PASP施用量、ALA使用次数的预测模型。[结果]ALA协同中等剂量(6 g/kg)PASP连续3次的施用能显著提高伴矿景天茎长、地上部生物量、地上部分Cd含量和Cd提取量;线性回归显示PASP施用量和ALA施用次数是地上部分生物量和Cd提取量的关键影响因子;地上部分Cd提取量在PASP施用量为6 g/kg协同ALA 3次连续使用时达到最大,为1.09 g/盆,是CK提取量的2.79倍;地上部分生物量、茎长与ALA施用次数呈显著正相关,而与PASP施用量呈显著负相关。[结论]研究结果揭示了ALA协同PASP在强化伴矿景天提取土壤Cd具有重要意义,且需选择合适的配比和施用次数。

间作对伴矿景天与油菜修复镉污染土壤的影响

为探究在镉污染土壤上伴矿景天与油菜(中双11号)间作种植对二者生长和镉吸收的影响。通过田间小区试验,共设置3个处理:伴矿景天与油菜间作、伴矿景天单作、油菜单作。结果表明,伴矿景天与油菜间作处理可提高伴矿景天和油菜对镉的提取能力,间作处理时伴矿景天的镉提取量为2.76μg/株,较伴矿景天单作处理高出7%,油菜的镉提取量为1.32μg/株,较油菜单作处理高出16%;修复后收获的菜籽油和油饼检出镉含量均符合标准,且间作处理的油饼检出镉含量较单作处理降低了41.7%。因此,伴矿景天和油菜间作种植技术可在修复土壤的同时实现农作物的安全生产,是一种有前景的植物间作修复技术。

镉胁迫对伴矿景天细胞壁多糖果胶组分及其果胶甲酯酶的影响

为探究细胞壁果胶对Cd胁迫的响应机理,通过盆栽实验研究了不同镉(Cd)浓度(0、25、50、75、100、200 mg·kg^(-1))对伴矿景天细胞壁果胶含量、果胶甲酯酶(PME)活性、细胞壁果胶半乳糖醛酸含量和Cd含量的影响。结果表明,随着Cd处理浓度的增加,伴矿景天地上部和根部细胞壁螯合态果胶、碱性果胶含量均在Cd处理浓度为100 mg·kg^(-1)时最大,且螯合态果胶含量表现为地上部>根部,碱性果胶含量表现为地上部<根部。地上部细胞壁PME活性和半乳糖醛酸含量在Cd处理浓度为25 mg·kg^(-1)时最大,与对照相比显著增加了40.4%和39.2%。Cd胁迫抑制了根部细胞壁PME活性,Cd处理浓度为75 mg·kg^(-1)时,伴矿景天地上部和根部Cd含量最高,与对照相比分别显著增加了58.4倍和70.1倍;螯合态果胶含量和碱性果胶含量与植物Cd含量呈显著正相关;根部的细胞壁果胶半乳糖醛酸含量和螯合态果胶含量呈显著负相关(r=-0.880,P<0.05)。研究发现,伴矿景天通过调整细胞壁果胶半乳糖醛酸含量来改变果胶含量,以增强伴矿景天对Cd的吸收累积。

镉污染土壤伴矿景天的萃取强化-螯合剂和植物激素的叶面调控

为提高Cd超富集植物伴矿景天(Sedum plumbizicola)的植物萃取能力,采用盆栽试验研究螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)和植物激素脱落酸(ABA)单独和联合作用的叶面调控对伴矿景天生长和Cd吸收转运的影响,并通过大田试验进行验证。结果表明:盆栽试验叶面喷施EDTA、ABA均能提高伴矿景天对Cd的转运,地下部至地上部的Cd转运系数为EDTA>ABA,但叶面EDTA处理对生长旺盛期伴矿景天的生长有抑制。伴矿景天各部位Cd富集浓度差异很大,呈现新叶>地下部>茎>老叶,新叶中Cd浓度是老叶的3.6~5.4倍,且主要富集在细胞壁和细胞器中,占总富集量的88%~94%。EDTA处理新叶细胞器中Cd浓度剧增,ABA处理新叶细胞壁中Cd浓度增加,ABA和EDTA联合使用可以缓解EDTA对生长的抑制,且更有利于Cd从根系向地上部转运。大田小区试验叶面诱导强化伴矿景天Cd萃取是可行的,ABA和EDTA联合处理显著增加伴矿景天总Cd积累量,增幅达到37.87%。研究结果为伴矿景天修复Cd污染土壤提供理论指导。

天然有机酸对伴矿景天吸取土壤镉的影响

采用田间试验,研究了穴/喷施低、中、高剂量苹果酸、柠檬酸等天然有机酸对伴矿景天修复偏酸性Cd污染土壤及地上部吸取量的影响,并筛选出天然有机酸最佳施用模式.结果表明:与对照相比,穴/喷施天然有机酸处理0~30d后均能有效降低了土壤pH值,提高了土壤有效态Cd含量,60d后伴矿景天地上部生物量和Cd含量均有效提高.综合评价,喷施低浓度柠檬酸效果最好,与对照相比,10d后土壤pH值降低了0.32个单位,土壤有效态Cd提高了29.4%;60d后伴矿景天地上部生物量提高了38.6%,地上部Cd含量提高了30.7%,地上部Cd吸取量提高了81.7%.研究表明,穴/喷施苹果酸和柠檬酸均是辅助伴矿景天修复偏酸性Cd污染农田土壤的有效办法,筛选出的最佳施用模式为每公顷喷施75kg柠檬酸.

不同杀青方式对伴矿景天秸秆干化的影响研究

为探究伴矿景天秸秆快速干化的方法,通过翻炒杀青、蒸汽杀青、微波杀青和直接阴干4种秸秆处理方式,对离田伴矿景天秸秆的失水速率、失水比例、失水量、含水率及镉(Cd)含量进行分析。结果表明,与直接阴干的秸秆相比,经杀青的秸秆失水速率、失水比例、失水量均较高,最终含水率较低。杀青结束后阴干初期,经翻炒杀青的秸秆失水速率、失水比例、失水量显著高于蒸汽杀青和微波杀青;阴干过程中,经翻炒杀青的秸秆含水率降至70%以下耗时最短仅需120 h,而经蒸汽杀青和微波杀青的秸秆含水率降至70%以下分别需180 h和216 h;阴干结束时,经蒸汽杀青和翻炒杀青的秸秆失水量最多,分别为459.40 g和459.80 g,并且不同杀青方式不会对秸秆Cd萃取总量造成显著影响。对伴矿景天离田秸秆进行杀青处理可以缩短干化周期且不会对秸秆Cd萃取总量造成显著影响;其中翻炒杀青可加速水分逸散,缩短含水率降至70%以下所耗时长,更符合转运、焚烧或其他后端处置措施的要求,该研究为超积累植物工程修复应用的产后处置技术提供了新思路和技术验证。

污染农田上光伏发电设施下伴矿景天育苗保苗技术

本文针对光伏发电设施下的镉污染农田,种植镉锌超积累植物伴矿景天以达到降低土壤镉的目的;并充分利用光伏设施的遮荫条件与光伏支架,探究该条件下伴矿景天栽培过程中的高保苗技术要点,为伴矿景天的育苗保苗提供技术支持,降低苗木成本,促进伴矿景天在重金属污染农田中的应用与推广。

伴矿景天和经济作物间作在耕地修复中的应用

文章介绍了伴矿景天和经济作物间作技术在镉污染耕地治理修复中的应用研究。结合伴矿景天超富集的特性和经济作物高经济价值的优势,实现了镉污染耕地边生产、边修复的目的。通过试点项目筛选出的伴矿景天和油葵间作种植的模式修复效果好、经济价值高,易被农业生产者接受,是一种易复制、可推广的实用修复技术。

中国景天科植物一新种——伴矿景天

本文描述了景天属(景天科)一新种,即伴矿景天(SedumplumbizincicolaX.H.GuoetS.B.Zhousp.nov.)。

养分调控对超积累植物伴矿景天生长及锌镉吸收性的影响

采用四因素三水平正交设计温室盆栽试验研究了N、P、K三因素不同水平对Zn、Cd超积累植物伴矿景天的生长及地上部Zn、Cd吸收性的影响。结果表明,增施N肥是伴矿景天地上部干重增加的主要因素,高N配施低P(200 mg/kg N,60 mg/kg P,不施K)处理的伴矿景天地上部干重达最大值31.2 g/盆(1.5 kg土/盆),是不施肥处理的3.15倍。增施K肥是提高伴矿景天地上部重金属尤其是Cd浓度和吸收量的主要影响因子,高量K处理比不施K处理地上部Cd浓度增加28.1%;低量施P也可提高伴矿景天的Zn吸取修复效率。综合考虑伴矿景天生物量及其对Zn、Cd的吸取效率,本试验条件下低量N、P肥配施高量K肥为最佳施肥处理(N1P1K2),种植伴矿景天一季对Zn、Cd的吸取量分别为11.2 mg/kg±0.1 mg/kg和0.12 mg/kg±0.02 mg/kg。

氮肥形态对伴矿景天生长和锌镉吸收性的影响研究

以锌镉超积累植物伴矿景天为供试植物,采用单边根袋法盆栽试验研究了铵态氮肥和硝态氮肥施用对植物根际和非根际土壤中Zn、Cd的化学行为,以及伴矿景天生物量和Zn、Cd吸收性的影响。结果表明,施用硝态氮肥更能提高根际土壤Zn和Cd的生物有效性,显著增大植物体内Zn和Cd浓度(P<0.05),增率分别为38.2%和110%,但施用铵态氮肥更有利于促进伴矿景天的生长,增率为49.4%;氮肥形态对伴矿景天生物量的影响显著大于对植物地上部Zn、Cd浓度的效应,施用铵态氮肥显著提高Zn和Cd总吸收量,增率分别为53.3%和123%,施用硝态氮肥对其则无显著影响。施用铵态氮肥较硝态氮肥更能提高伴矿景天的污染土壤Zn、Cd吸取修复效率。

不同生境下锌镉在伴矿景天不同叶龄叶中的富集与分布特征

田间试验、温室盆栽和生长室水培试验研究了Zn和Cd超富集植物伴矿景天不同叶龄叶片的Zn、Cd富集和分布特征。结果显示,田间条件下伴矿景天新叶中Cd浓度高于成熟叶、但新叶中Zn浓度低于成熟叶。温室盆栽试验发现,连续种植伴矿景天,第4季时低污染土壤(S1)上新叶中Zn浓度低于成熟叶,但高污染土壤(S4)上新叶中Zn浓度高于成熟叶;而到了第6季,S1、S4上新叶中Zn浓度均低于成熟叶,且在S1上两者达到显著水平;第4和第6季,伴矿景天新叶中Cd浓度始终高于成熟叶(除S1成熟叶中Cd浓度略高于新叶外)。水培试验结果发现,无论在高Zn(600μmol/L)、高Cd(100μmol/L),还是低Zn(10μmol/L)、低Cd(1μmol/L)处理,新叶中Zn、Cd浓度均高于成熟叶;而且随着处理时间的延长,新叶和成熟叶中Zn、Cd浓度均明显上升。水培条件下,新叶和成熟叶中Zn最高分别为43107、33774mg/kg(以干重计)(600μmol/L,处理56天);新叶和成熟叶中Cd的最高浓度分别为15057、9060mg/kg(以干重计)(100μmol/LCd,处理56天)。这些结果表明,Zn、Cd在伴矿景天新叶和成熟叶中富集和分布与其生长介质中Zn、Cd的浓度尤其是有效态浓度、处理时间及植物所处的生长阶段等有关,同时也表明Zn、Cd优先分布于新叶可能与伴矿景天超富集Zn、Cd的机制有关。

水分特征对伴矿景天生长和重金属吸收性的影响

利用盆栽试验研究了水分特征对伴矿景天生长和重金属吸收性的影响。结果表明:在70%土壤最大田间持水量(70%WHC)处理下,伴矿景天生长最好,其地上部鲜重显著高于其他处理;70%WHC处理伴矿景天对重金属吸收能力最强,其茎中Zn的浓度显著高于其他处理,茎中Cd的浓度分别比35%WHC、100%WHC、淹水处理高27.1%、29.0%、63.1%;叶中的Zn浓度表现出与茎中相同趋势,叶中Cd的浓度与茎中不同,以100%WHC处理最高。70%WHC处理下,植物提取Zn、Cd的效率最高,其修复效率均显著高于其他处理。这些结果表明,土壤水分状况在土壤重金属污染伴矿景天植物吸取修复中起着重要作用。

丝瓜与伴矿景天间作对土壤Cd形态及丝瓜Cd吸收的影响

采用盆栽实验将丝瓜和超积累植物伴矿景天间作于重金属污染土壤中,并向土壤添加钙镁磷肥或向丝瓜根际添加固镉菌剂,研究间作对土壤Cd的形态及丝瓜重金属积累性的影响。结果表明,丝瓜与伴矿景天间作一定程度上减少了丝瓜的结果数量,同时存在增大丝瓜果实中Cd含量的风险;通过施加固镉菌剂或钙镁磷肥增加了丝瓜的结果数,且丝瓜果实中Cd含量均未超过国家标准的限定值。同时,景天和丝瓜对土壤Cd具有移除能力,丝瓜主要表现在茎叶对Cd的吸收,其中重污染土壤中的景天和丝瓜对土壤Cd的移除能力大于低污染土壤种植的景天和丝瓜。总体来看,丝瓜与超积累植物伴矿景天间作可用于低污染土壤进行边修复边生产。但是,由于存在较高食品安全风险,在间作的同时可采取施固镉菌剂或钙镁磷肥等措施来降低果实部分Cd含量。

轮间作对伴矿景天和苋菜生物量及Cd含量的影响

通过苋菜与Cd超富集植物伴矿景天间作和轮作的盆栽试验,探索间作和轮作对苋菜、伴矿景天生物量及其地上部Cd含量的影响,考察伴矿景天修复Cd中轻度污染菜地土壤的应用效果。结果表明,间作和轮作都没有显著影响苋菜和伴矿景天的单株生物量及其地上部Cd含量,轮作显著影响土壤pH值和乙酸铵-Cd含量。土壤pH值和乙酸铵-Cd含量与苋菜和伴矿景天地上部Cd含量没有显著相关性。

土壤pH和Cd全量对伴矿景天修复效率的影响

修复效率是影响植物修复周期和技术推广的主要因素之一.采用不同pH和不同程度Cd污染农田土壤进行盆栽试验,其中,重度Cd污染土壤(简称“SKS处理”)中w(Cd)(Cd全量)高于GB15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的风险管控值,中度Cd污染土壤(通过人为调节并稳定其pH为3.97、4.97、6.03、6.90和7.93)中w(Cd)介于GB15618—2018风险筛选值和管控值之间,轻度Cd污染土壤(简称“YH处理”)中w(Cd)略高于GB15618—2018风险筛选值;比较修复前后不同pH和不同程度Cd污染对土壤Cd有效性、形态分配及w(Cd)的影响,并结合PCA(主成分分析)和Pearson相关性分析等方法深入研究影响植物修复效率的主控因素.结果表明:①与修复前相比,不同pH处理修复后土壤中w(有效态Cd)、w(弱酸提取态Cd)、w(可还原态Cd)、w(可氧化态Cd)和w(Cd)的减少量均随pH的降低而增加,土壤pH≤6.0时,伴矿景天修复效率显著高于土壤pH>6.0的处理(P<0.05).②修复后,轻度Cd污染土壤中w(Cd)降至GB15618—2018风险筛选值以下,中度Cd污染土壤pH≤6.0的处理中w(Cd)降至0.60mg/kg左右,而pH>6.0的处理中w(Cd)仍高于1.00mg/kg.③重度Cd污染土壤中w(有效态Cd)最高,其伴矿景天生物量与轻度Cd污染土壤处理无显著差异,w(Cd)达681.5mg/kg,但修复效率显著低于其他处理(P<0.05).综合PCA和Pearson相关性分析发现,影响伴矿景天修复效率的主控因素除土壤pH、Cd有效性和伴矿景天生物量外,伴矿景天的BCF(富集系数)对修复效率也具有重要作用.因此,伴矿景天更适用于弱酸性、中度Cd污染和轻度Cd污染土壤;而对碱性或重度Cd污染土壤进行植物修复时,可适当延长修复周期或联合修复以提高其修复效率.