冬季農(nóng)田雜草繁縷對鎘的積累特性研究

林立金，寧博，廖明安，藍(lán)煥杰，梁歡

1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，四川 雅安 625014；2. 雅安水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分站，四川 雅安 625000；3. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611130

重金屬植物修復(fù)技術(shù)主要是將篩選出的超富集植物種植在重金屬污染的土壤上，通過這些植物的根系吸收，將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)移至植物體內(nèi)，再將植物收割處理，從而達(dá)到將土壤中的重金屬徹底清除的目的。該技術(shù)具有費(fèi)用低廉、不破壞場地結(jié)構(gòu)、不造成二次污染等特點(diǎn)，已成為修復(fù)土壤重金屬污染研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)（Marques等，2009）。目前為止，雖然已發(fā)現(xiàn)的重金屬超富集植物有幾百種（McGrath等，2002），但是這些重金屬超富集植物大多存在地上部生物量偏小、生長速度較慢（Maestri等，2010）、分布范圍狹窄的缺點(diǎn)（Wu等，2004），限制了植物修復(fù)技術(shù)的推廣應(yīng)用。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，農(nóng)田雜草具有抗逆性強(qiáng)、生物量大、生長迅速的特點(diǎn)（郭水良和李揚(yáng)漢，1996；魏樹和等，2004），若能從農(nóng)田雜草中篩選出重金屬超富集植物，不僅可以彌補(bǔ)現(xiàn)有超富集植物的不足之處，而且可以就地取材和使用，避免了引種過程中潛在的問題。然而，目前僅有少量的超富集植物（特別是鎘超富集植物）是從農(nóng)田雜草中篩選出來的（Zhang 等，2011；Wei等，2005；Sun等，2008）。為此，利用有效的方法從當(dāng)?shù)赝辽灵L的雜草中篩選更多的超富集植物是重金屬植物修復(fù)的一項(xiàng)非常重要內(nèi)容。

目前，超富集植物的篩選方法主要有五種：野外調(diào)查法（Zhang等，2013）、微量分析法（Brooks等，1977）、野外試紙初步診斷法（Baker等，1996）、人工培養(yǎng)法（Zhang等，2010）和土壤種子庫-重金屬濃度梯度法（Zhang等，2011）。在這些篩選方法中，土壤種子庫-重金屬濃度梯度法是目前最有效的方法。

在已知的鎘超富集植物中，屬于農(nóng)田雜草的較少（Wei等，2005；Zhang等，2013；Wei等，2013；聶發(fā)輝，2006），且大部分為夏季生長的植物，冬季生長的則較少。因而，從冬季生長的農(nóng)田雜草中篩選鎘超富集植物需要深入研究。前人對各種超富集植物的重金屬濃度梯地試驗(yàn)結(jié)果表明，很多鎘超富集植物在達(dá)到超富集植物標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其土壤中添加的鎘含量約為 20～60 mg·kg-1（Wei等，2005；Zhang等，2013；Wei等，2013；聶發(fā)輝，2006）。為此，本研究采用土壤種子庫-重金屬濃度梯度法（Zhang等，2011），在收集的農(nóng)田表層土壤中添加 60 mg·kg-1鎘，讓土壤中的冬季農(nóng)田雜草種子自然生長，測定其鎘含量，再通過濃度梯度進(jìn)行進(jìn)一步的鎘積累特性研究，以期從冬季農(nóng)田雜草中篩選出鎘超富集植物，為鎘污染農(nóng)田土壤的冬季植物修復(fù)提供材料。

1 材料與方法

1.1 材料篩選

于2012年9～12月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場（29°59′N，102°59′E）進(jìn)行土壤種子庫-金屬法篩選試驗(yàn)。供試土壤為紫色土，取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田，其基本理化性質(zhì)：pH值 7.02，有機(jī)質(zhì) 41.38 g·kg-1，全氮 3.05 g·kg-1，全磷 0.31 g·kg-1，全鉀 15.22 g·kg-1，堿解氮 165.30 mg·kg-1，速效磷 5.87 mg·kg-1，速效鉀 187.03 mg·kg-1，鎘全量 0.101 mg·kg-1，有效態(tài)鎘含量 0.021 mg·kg-1。土壤理化性質(zhì)及重金屬含量均按照參考《土壤農(nóng)化分析》（鮑士旦，2000）的方法測定。

2012年9月10日，將土壤風(fēng)干、壓碎、過5 mm篩后，分別稱取3.0kg裝于15 cm×18 cm（高×直徑）的塑料盆內(nèi)，以 CdCl2·2.5H2O 的形式加入 60 mg·kg-1的鎘，與土壤充分混勻，保持土壤田間持水量為 80%，使土壤中的冬季農(nóng)田雜草種子自然生長。2012年12月10日收獲生長的冬季農(nóng)田雜草（表1），用自來水將附著在根系和地上部分的土沖洗至凈，再用去離子水沖洗3次。將根系和地上部分置于110 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至衡重，稱重，粉碎，過100目篩。稱取0.500 g樣品，加入硝酸-高氯酸（體積比為4:1）放置12 h后消化至溶液透明，過濾，定容至50 mL，用iCAP 6300型ICP光譜儀測定(Thermo Scientific，USA)鎘含量，并計(jì)算地上部分富集系數(shù)（BCF）=地上部分鎘含量/土壤鎘含量（Zhang等， 2011），轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=植物地上部分鎘含量/根系鎘含量（Rastmanesh等，2010）。

從表1可知，在收獲的6種雜草中，除繁縷地上部分鎘含量為93.70 mg·kg-1（地上部分BCF>1）外，其余的地上部分鎘含量都較低（地上部分BCF<1）。繁縷的地上部分鎘含量接近鎘超富集植物的臨界值（100 mg·kg-1），在更高的土壤鎘含量條件下可能達(dá)到鎘超富集植物的臨界值。此外，繁縷地上部分BCF為1.56>1，但TF為0.12<1。因此，繁縷可能是一種鎘富集植物，附地菜、棒頭草、婆婆納、勝紅薊和雀舌草是鎘耐性植物。

1.2 濃度梯度試驗(yàn)

濃度梯度試驗(yàn)于2013年9月-12月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場進(jìn)行。使用的土壤與篩選試驗(yàn)相同。將土壤風(fēng)干、壓碎、過5 mm篩后，分別稱取3.0kg裝于15 cm×18 cm（高×直徑）的塑料盆內(nèi)，土壤中以 CdCl2·2.5H2O 溶液形式加入的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0、25、50、75、100、125 mg·kg-1，每個(gè)處理重復(fù)3次，使鎘與土壤充分混勻，保持土壤田間持水量為80%。

繁縷種子于2013年2月采至四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場農(nóng)田。2013年9月，將繁縷種子直接撒播于盆中，每盆20粒。待繁縷幼苗長出2對真葉時(shí)進(jìn)行勻苗，每盆選擇長勢相對一致且均勻分布的5株幼苗保留，每天澆水以保持盆中土壤的田間持水量約為80%。70 d后繁縷處于盛花期時(shí)進(jìn)行收獲，處理方式與篩選試驗(yàn)相同，測量繁縷的主枝長度和平均根系長度，測定繁縷的根、莖、葉鎘含量及生物量，計(jì)算根系 BCF、地上部分 BCF、TF、根冠比、耐性系數(shù)、抗性系數(shù)、金屬提取率和植物有效提取金屬株數(shù)。耐性系數(shù)=各處理平均根系長度/對照平均根系長度（Rout等，1999）；抗性系數(shù)=各處理總生物學(xué)產(chǎn)量/對照總生物學(xué)產(chǎn)量（趙楊迪等，2012）；金屬提取率（MER）=單種植物重金屬提取總量×100/土壤鎘總量（Mertens等，2005；植物有效提取金屬株數(shù)（PEN）為從土壤中提取1.0 g金屬到植物地上部分所需的植物株數(shù)（García等，2004）。

表1 土壤種子庫-金屬法篩選的植物Table 1 The Plant Species Grown in Soil Seed Bank-Metal Accumulator Screening Experiment

表2 繁縷的生物量Table 2 The Biomass of Stellaria media

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采用DPS系統(tǒng)進(jìn)行方差分析（Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較）。

2 結(jié)果與分析

2.1 繁縷的生物量

隨土壤鎘含量的增加，繁縷根系及地上部分干重呈減少的趨勢（表2），但沒有表現(xiàn)出明顯的毒害癥狀。與對照相比，從低到高各梯度濃度處理總生物量分別下降了17.31%、34.87%、44.79%、52.12%和 59.32%，差異均達(dá)顯著水平（p<0.05）。可見，土壤高含量的鎘對繁縷生長有明顯的的抑制作用。隨土壤鎘含量的增加，繁縷的根冠比呈先增后降的趨勢（最小值為0.097），而抗性系數(shù)呈降低的趨勢（最小值為0.407，表2）。由此也可見，在土壤高含量的鎘條件下，繁縷的抗性受到抑制。

2.2 繁縷的主枝長、平均根長及耐性系數(shù)

圖1 繁縷的主枝長、平均根長及耐性系數(shù)Fig. 1 The Main Branch Length, Root Length and Tolerance Index of Stellaria media

隨土壤鎘含量的增加，繁縷的主枝長、平均根長及耐性系數(shù)均呈下降的趨勢，但土壤鎘含量達(dá)到75 mg·kg-1后趨于平緩（圖1）。與對照相比，從低到高各梯度濃度處理繁縷的主枝長分別下降了10.66%、26.47%、38.97%、46.69%和 49.26%，差異均達(dá)顯著水平（p<0.05）；平均根長分別下降了8.23%、30.65%、43.68%、49.04%和49.81%，差異均達(dá)顯著水平（p<0.05）。在土壤鎘含量為75、100、125 mg·kg-1時(shí)，繁縷的耐性系數(shù)分別為 56.32%、50.96%和50.19%，下降幅度逐漸縮小。

2.3 繁縷對鎘的積累特性

從表3可知，隨土壤鎘含量的增加，繁縷根系和地上部分鎘含量均呈上升的趨勢，其最大值均出現(xiàn)在土壤鎘含量為125 mg·kg-1時(shí)，分別為1353.09 mg·kg-1和 136.79 mg·kg-1。從低到高各梯度濃度處理繁縷根系鎘含量分別是對照的17.0倍、51.5倍、87.2倍、116.0倍和 132.3倍，差異均達(dá)顯著水平（p<0.05）；地上部分鎘含量是對照的26.9倍、42.3倍、53.3倍、61.2倍和66.7倍，差異均達(dá)顯著水平（p<0.05）。這說明繁縷在土壤鎘含量較高的情況下能夠大量富集鎘，使體內(nèi)鎘含量大幅度增加，具有鎘超富集植物的基本能力。從BCF來看，繁縷根系BCF隨土壤鎘含量的增加呈先增后降的趨勢，其值為7.31～11.94；地上部分BCF隨土壤鎘含量的增加呈降低的趨勢，其值為1.09～2.25，說明繁縷對鎘的富集能力隨土壤鎘含量的增加在逐漸減弱。除對照外，隨土壤鎘含量的增加，繁縷 TF值逐漸降低，這也說明，繁縷從根系到地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)能力逐漸在減弱，不利于繁縷在土壤高含量鎘條件下富集鎘。

2.4 繁縷對鎘的提取特性

隨土壤鎘含量的增加，繁縷根系、地上部分及整株的鎘提取量均呈先增后降的趨勢（表4）。在土壤鎘含量為75 mg·kg-1時(shí)，繁縷根系鎘提取率達(dá)最大值，為85.06 μg·plant-1，是對照的41.3倍（p<0.05）。在土壤鎘含量為100 mg·kg-1時(shí)，繁縷地上部分鎘提取率達(dá)最大值，為85.48 μg·plant-1，是對照的30.2倍（p<0.05）。繁縷整株鎘提取量的最大值出現(xiàn)在土壤鎘含量為 75 mg·kg-1時(shí)，為 170.54 μg·plant-1，是對照的34.5倍（p<0.05）。在土壤鎘含量分別為25、50、75、100和125 mg·kg-1時(shí)，繁縷MER分別為0.129、0.096、0.076、0.054和 0.042，鎘提取率逐漸降低。在土壤鎘含量分別為0、25、50、75、100和 125 mg·kg-1時(shí)，相應(yīng)的 PEN 分別為 357143、15775、12591、11699、11439和12453?？梢姡笨|的單株提取率較低。

表3 繁縷對鎘的積累特性Table 3 Cadmium Accumulation Characteristics of Stellaria media

表4 繁縷對鎘的提取特性Table 4 Cadmium Extraction Characteristics of Stellaria media

3 討論

重金屬超富集植物通常具有獨(dú)特的生理使其積累某種或某些重金屬元素（Chehregani et al.,2009）。本研究表明，繁縷根系和地上部分鎘含量隨土壤鎘含量的增加而顯著增加，說明繁縷對鎘元素有特殊的生理機(jī)制使其能在體內(nèi)大量積累鎘，也說明繁縷對鎘的積累受土壤鎘含量的影響較大。在土壤鎘含量為75 mg·kg-1時(shí)，繁縷地上部分鎘含量為109.73 mg·kg-1，達(dá)到鎘超富集植物的臨界值（100 mg·kg-1）。同時(shí)，在不同土壤鎘含量條件下，繁縷沒有表現(xiàn)出明顯的毒害癥狀，其根系及地上部分BCF均大于1，但TF均小于1。按照鎘超富集植物的定義，鎘超富集植物體內(nèi)鎘含量的臨界值是 100 mg·kg-1，且富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）均應(yīng)大于1（Books等，1977；Books，1998）。因此，繁縷沒有達(dá)到鎘超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，不是鎘超富集植物，而是鎘富集植物。與其它鎘超富集植物（Zhang等，2011；Wei等，2005；Sun等，2008；Zhang等，2013；Wei等，2013）相比，繁縷地上部分鎘含量相對較低，鎘提取量大于根系鎘提取量，鎘積累量最大值達(dá)到87.42 μg·plant-1（土壤鎘含量為100 mg·kg-1），具有較強(qiáng)的修復(fù)潛力，能夠用于鎘污染土壤的修復(fù)。

在鎘脅迫條件下，植物的抗氧化酶活性被抑制，導(dǎo)致其產(chǎn)生一系列的生理毒害作用（Yang等，2004）。對鎘具有較強(qiáng)的耐性是鎘超富集植物的基本特性之一（Ghnaya等，2005），而抗氧化酶系統(tǒng)在鎘超富集植物抵御鎘脅迫中起到了重要作用（Liu等，2009）。前人研究表明，在鎘脅迫下，鎘超富集植物的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性均呈升高的趨勢（Zhang等，2013），從而使鎘的生物毒性作用大大降低。本研究表明，在鎘處理?xiàng)l件下，繁縷的根系生物量、地上部分生物量、主枝長度、根系長度、抗性系數(shù)及耐性系數(shù)均隨土壤鎘含量的增加而下降，但在土壤鎘含量不高于75 mg·kg-1時(shí)，其下降幅度相對較小，且能夠正常生長，由此說明繁縷對鎘也具有較強(qiáng)的耐性，使其能夠在較高土壤鎘含量條件下正常生長。繁縷為一年生或二年生草本，株高10～30 cm，為常見的田間雜草，在中國廣泛分布（僅新疆、黑龍江未見記錄），也是世界廣泛分布的植物（唐昌林等，1996）。與其它鎘超富集植物（Wei等，2005；Zhang等，2013；Wei等，2013；聶發(fā)輝，2006）相比，繁縷的單株生物量較少，單株鎘提取率也較低，但本課題組通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，繁縷具有分蘗力強(qiáng)、繁殖力強(qiáng)、生長密度大、耐蔭性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要生長在冬春季節(jié)。這些特點(diǎn)是其它鎘超富集植物或鎘富集植物（Zhang等，2011；Wei等，2005；Sun等，2008；Zhang等，2013；聶發(fā)輝，2006）無法比擬的，并且彌補(bǔ)了繁縷生物量小的缺點(diǎn)（單位面積的生物量與其它鎘超富集植物相當(dāng)）。在眾多已篩選出的鎘超富集植物中，大多數(shù)為夏季生長的植物，冬季生長的較少，而作為冬季農(nóng)田雜草的繁縷能夠彌補(bǔ)冬季鎘污染修復(fù)材料的不足。

4 結(jié)論

繁縷是一種生長迅速、分布廣泛、適應(yīng)能力強(qiáng)的冬季農(nóng)田雜草。繁縷對鎘的耐性強(qiáng)，地上部分鎘含量大于鎘超富集植物的臨界值100 mg·kg-1，根系富集系數(shù)（BCF）和地上部分富集系數(shù)（BCF）均大于 1，但轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）小于 1，是一種鎘富集植物。繁縷對鎘的提取總量可達(dá)87.42μg·plant-1，可用于冬季農(nóng)田鎘污染的修復(fù)。

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