李 青，赵秋利，郭 佩，王吉秀

(1.杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 712100; 2.广电计量监测(西安)股份有限公司, 陕西 西安 710100; 3.云南农业大学,云南 昆明 650100)

土壤重金属污染已经成为制约土地发展的重要因素之一，也成为我国经济可持续发展的不可回避的重大问题[1]。工业的发展带动了采矿业的迅速发展，而由于采矿而带来的污染是不容忽视的。采矿企业的增多，影响了矿山周边的自然环境，植被破坏、土壤污染，周边农户在重金属污染的土壤上继续种植生产，从而影响了其自身的身体健康。矿区的生态环境已不允许承载更大的污染，更多的人们意识到了采矿带来的环境污染以及环境保护的重要性[2]。

我国主要的铅消费领域有很多，但是在消耗的过程中，铅被回收再利用的百分比仅仅只有25%[3]。铅通过三废等形式排放至环境中，导致了大面积的环境铅污染[4～7]。

铅在土壤中会影响植物的光合作用[8～9]、呼吸作用、细胞代谢[10]、产量及质量[11]。近年来，通过土壤-作物或土壤-动物系统进入食物链引起的Pb中毒比率呈逐年上升趋势[12]。因此，土壤质量的好坏决定着粮食是否安全[13]。

通过对云南省会泽铅锌矿区的植物及土壤进行采样调查发现小花南芥是重金属Pb、Zn、Cd的超富集植物[14]。而硫作为植物所需的中量元素之一，它虽不是植物细胞的结构性组成元素，但它却可以发挥极其重要的作用[15]。微生物因直接参与土壤物质循环和能量流动，具有维持动植物生长和净化环境污染等生态系统功能，因此，土壤微生物反映着土壤生态系统的健康状况[16]。本文通过对铅胁迫下，外源添加硫对小花南芥的土壤微生物数量及植株铅累积特性的研究，探索在外援添加硫元素与铅胁迫下是否会产生对土壤微生物数量及植株铅累积特性的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料

小花南芥幼苗采自云南省会泽铅锌矿区，采样区位于东经103°03′～103°55′，北纬25°48′～26°28′，海拔2 263-2 516 m。2018年10月在会泽铅锌矿区采集小花南芥幼苗，采回实验室进行盆栽实验。

1.2 试验设计

将长势一致的幼苗移栽到培养基质中，进行温室盆栽试验。每盆(D=25 cm)装3 kg土壤，种植7株植物。基质土壤采自云南农业大学后山农场玉米土，土壤自然风干后通过2 mm筛子，土样的基本理化性质见表1。设置Pb2+胁迫浓度时参照土壤环境质量标准(GB15618-2018)和前期小花南芥Pb的累积特征，分别用0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg、800 mg/kg和1 600 mg/kg的Pb2+(采用分析纯试剂Pb(CH3COO)2配置)。设置S素水平时参照前期硫素对小花南芥累积铅锌的影响，分别用0 mg/kg、50 mg/kg和100 mg/kg的S(采用分析纯试剂Na2SO4配置)。见表2。试剂用蒸馏水溶解后均匀拌在土壤中，然后装在塑料盆平衡30 d。试验共15个处理，每个处理3个重复，共计45盆，随机排列。培养期间进行常规的浇水管理。培养60 d收集制样。

表1 盆栽土壤本底理化性质

表2 不同浓度Pb胁迫下，施加S素介导调控试验设计方案 (mg/kg)

1.3 指标测定

1.3.1 土样的采集 采集非根际土用不锈钢铁锹采集土壤装入布袋，样品常温保存。

1.3.2 土壤pH的测定 称取10g风干土样，用雷磁pH计测定，每个土样测定3次，取其中平均值作为土壤pH值。

1.3.3 土壤中Pb、S测定 称取0.1g风干土样，通过1 mm筛孔于聚四氟乙烯坩埚中，加入10 mL HNO3，盖上盖子用110℃加热30 min，加入8 mL HF 1.5 mL HClO4加热1.5 h，升温至200℃加热1 h，取下坩埚盖加热1.5 h，升温至380℃，待HClO4冒尽，加入3ml HNO3(1+1)溶解盐类至溶解清亮，取下冷却，加入30 mL蒸馏水。

用火焰原子吸收分光光度计(北京，普析通用TAS-990原子吸收)测定Pb含量，用全谱直读等离子体发射光谱仪ICAP 6300测定S含量。

1.3.4 小花南芥根际土壤微生物培养基制备 细菌培养采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基。真菌采用马丁氏—孟加拉红氯霉素培养基。放线菌采用改良高氏一号培养基。

1.3.5 土壤微生物培养 倒置培养基在恒温培养箱中，培养温度为28～30℃，细菌培养2～3 d，真菌培养3～5 d，放线菌培养5～7 d。

涂布法结果计算：

单位CFU/g

1.4 数据分析方法

使用SPSS20.0、Origin 9.0，对数据进行处理、统计分析和图形绘制。图表中的所有数据用3个重复的平均值土标准差表示，采用SPSS20.0进行单因素方差分析(P <0.05)和多重比较。

2 结果与分析

2.1 硫铅处理对小花南芥土壤pH的影响

由图1可知，小花南芥土壤pH呈现出随铅胁迫的增加先增大后减小以及随硫浓度的增加逐渐减小的趋势，但不同处理间无显著差异，在400 mg/kgPb胁迫，50 mg/kgS添加下，pH达到最大值6.87。经双因素方差分析发现，Pb胁迫和S处理都对土壤pH有极显著影响，二者之间的交互作用对土壤pH有极显著影响。

图1 不同浓度硫铅处理对小花南芥土壤pH的影响注：不同字母表示处理间差异显著

2.2 硫铅处理对小花南芥土壤中S和Pb含量的影响

由图2(a)可知，随着铅胁迫的增大，小花南芥土壤S含量先增大后减小；随着硫浓度的增大，小花南芥土壤S含量逐渐增大。其中，在0 mg/kgPb胁迫时，100 mg/kg S添加下，土壤硫含量最高，达5.87 mg/kg。经双因素方差分析发现，S处理和Pb处理都对土壤S含量有极显著影响，二者之间的交互作用对土壤S含量有极显著影响。

由图2(b)可知，不同铅胁迫、硫处理下小花南芥土壤中的铅含量显著高于对照(P<0.05)，随着铅胁迫的增大，小花南芥土壤Pb含量逐渐增大；随着硫浓度的增大，小花南芥土壤Pb含量逐渐减小。其中，在1 600 mg/kgPb胁迫时，0 mg/kgS添加下，土壤铅含量最高，达2100.22 mg/kg。经双因素方差分析发现，Pb胁迫和S处理都对土壤Pb含量有极显著影响，二者之间的交互作用对土壤Pb含量有极显著影响。

总的来说，在土壤中添加硫使得土壤中的Pb含量增加，从而影响了小花南芥对铅的累积。

(a)

(b)

2.3 硫铅处理对小花南芥土壤中细菌数量的影响

由图3表明，在0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg Pb处理下，随着硫浓度的增加，细菌菌数增加；在0 mg/kg、50 mg/kg S处理下，随着铅胁迫的增加，细菌菌数减少。经双因素方差分析发现，Pb胁迫和S处理都对土壤中细菌数量无显著影响，二者之间无交互作用。总的来说，在低硫处理下，土壤中的细菌数量随铅胁迫逐渐减少，高硫处理使得土壤中细菌数量增大。

图3 不同浓度硫铅处理对小花南芥土壤中细菌的影响

2.4 硫铅处理对小花南芥土壤中的真菌数量影响

由图4表明，在200 mg/kg Pb处理下，随着硫浓度的增加，真菌菌数增加；在0 mg/kg、400 mg/kg Pb处理下，随着硫浓度的增加，真菌菌数先增加后减少；而在800 mg/kg Pb处理下，随着硫浓度的增加，真菌菌数先减少后增加。经双因素方差分析发现，Pb胁迫和S处理都对土壤中真菌数量无显著影响，二者之间无交互作用。总的来说，在铅胁迫与硫处理下，真菌数量的变化没有找到相应规律。

2.5 硫铅处理对小花南芥土壤中放线菌数量的影响

由图5可知，在0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg Pb处理下，随着硫浓度的增加，放线菌菌数增加；在0 mg/kg、50 mg/kg S处理下，随着铅浓度的增加，放线菌菌数减少。经双因素方差分析发现，Pb胁迫和S处理都对土壤中放线菌数量无显著影响，二者之间无交互作用。总的来说，硫处理使得放线菌数量逐渐增加。

图5 不同浓度硫铅处理对小花南芥土壤中放线菌的影响

2.6 硫铅处理下小花南芥根际土壤中微生物数量与pH值的相关分析

由表3可以看出，不同浓度硫铅处理下小花南芥根际土壤中细菌、真菌和放线菌数量都与pH无显著关系；细菌与真菌和放线菌呈显著相关(P<0.01)，真菌与放线菌呈显著相关(P<0.01)。

表3 不同浓度硫铅处理下小花南芥根际土壤中微生物数量与PH值的相关性分析

2.7 硫铅处理对小花南芥体内铅含量的影响

由图6可知，不同铅胁迫、硫处理下小花南芥地上部和地下部分铅含量显著高于对照(P<0.05)。在相同铅胁迫下，随着硫浓度的增高，小花南芥地上和地下部分Pb含量随着硫浓度的增加逐渐增加；在相同的硫处理下，小花南芥地上和地下部分Pb含量随着硫浓度的增加逐渐增加。其中，小花南芥地上部在1 600 mg/kg Pb处理时，100 mg/kg S添加下，铅含量达2 524.01 mg/kg，是0和50 mg/kg S添加的1.55和1.15倍；地下部分在800 mg/kg Pb处理时，100 mg/kg S添加下，铅含量达1 672.94 mg/kg，是0和50 mg/kg S添加的2.38和1.22倍，表现出较强的Pb富集能力。经双因素方差分析发现，Pb胁迫和S处理都对地上部Pb含量和根系Pb含量有极显著影响，二者之间交互作用对地上部Pb含量和根系Pb含量有极显著影响。总的来说，外源添加硫促进了小花南芥地上部和地下部对Pb的吸收。

图6 不同浓度硫铅处理对小花南芥体内铅含量的影响

2.8 硫铅处理对小花南芥植株铅累积特性的影响

由表4可知，不同铅胁迫、硫处理下，小花南芥富集系数在相同硫添加下，随着铅胁迫的增加而减小，转运系数和转运量系数基本随铅浓度的增加而增加。富集系数、转运系数和转运量系数最高分别可达4.04、1.73和9.84。说明硫元素的加入对小花南芥累积铅有促进作用。

表4 不同浓度硫铅处理对小花南芥吸收累积铅的特征

3 讨论

重金属在土壤中的不可生物降解的特性，会对生态系统产生持久性的伤害。它降低了土壤微生物的活性、微生物的酶活性、土壤微生物的DNA丰富度，也影响土壤微生物的DNA序列[17]。其中，土壤微生物对重金属非常敏感，可能会导致细胞功能的紊乱、蛋白质变性或细胞膜完整性的破坏[17]。重金属也可能导致根褐变、坏死、黄化、叶片卷曲等植物损伤，其毒性还会抑制植物细胞内的细胞质酶，因氧化应激而导致细胞结构受损，从而影响植物的生长和代谢[18]。

植物修复技术与其它重金属修复技术相比而言，因其经济环保等优势从其它修复技术中脱颖而出，成为当今重金属修复的不可或缺的重要修复手段。所以如何强化其修复效果，拓宽超富集植物的生态适应性需要更深入研究。对超富集植物超量富集重金属研究发现，超富集植物耐重金属的主要原因在于它的根系细胞吸收和转运重金属的蛋白差异。而硫作为植物所需的中量元素之一，它虽不是植物细胞的结构性组成元素，但它却可以发挥极其重要的作用[19]。硫素是氨基酸的组成成分和蛋白质合成的必须元素，有助于酶和维生素的形成。同时，硫素还会参与植物光合作用，是叶绿素合成所必需元素之一[20]。

笔者研究发现，硫的添加会改变土壤的理化性质，pH值从6.87下降到6.17，从而影响植物对重金属的吸收。在铅胁迫下，外源添加硫对土壤中微生物细菌、真菌、放线菌的数量无显著影响，但显著增加了小花南芥地上部与地下部对于土壤中铅的吸收。不同铅胁迫、硫处理下，小花南芥富集系数在相同硫添加下，随着铅胁迫的增加而减小，转运系数和转运量系数基本随铅浓度的增加而增加。富集系数、转运系数和转运量系数最高分别可达4.04、1.73和9.84。说明硫元素的加入对小花南芥累积铅有促进作用。

4 结论

Pb2+胁迫浓度0、200、400、800和1600 mg/kg(采用分析纯试剂Pb(CH3COO)2配置)以及S浓度0、50和100 mg/kg(采用分析纯试剂Na2SO4配置)条件下进行种植野生小花南芥盆栽试验：

(1)外源添加硫可使土壤的pH值降低到6.17。

(2)硫处理使得土壤中的铅含量逐渐减少，在本实验中硫的添加量未达到极限值，后续将继续进行试验研究。

(3)硫处理增加了土壤中细菌和放线菌的数量，而真菌数量变化没有找到规律。细菌、真菌和放线菌与铅胁迫和硫处理无显著影响。

(4)硫处理促进了小花南芥地上部与地下部对铅的累积，增强了小花南芥对Pb2+胁迫的耐性。

总而言之，铅胁迫下，外源添加硫促进了小花南芥对于土壤中铅的吸收，但对于土壤微生物数量的变化并不明显。