外源鎘在刺兒菜中的富集及對其生長的影響

趙愛山，俞春花

（1.甘肅省古浪縣特色林果產(chǎn)業(yè)中心，甘肅　古浪　733100；2.甘肅省古浪縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅古浪　733100）

外源鎘在刺兒菜中的富集及對其生長的影響

趙愛山1，俞春花2

（1.甘肅省古浪縣特色林果產(chǎn)業(yè)中心，甘肅古浪733100；2.甘肅省古浪縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅古浪733100）

摘要：針對古浪縣土門鎮(zhèn)部分工業(yè)區(qū)出現(xiàn)的土壤鎘污染，選擇對當(dāng)?shù)剡m應(yīng)性強(qiáng)的刺兒菜為試材，基質(zhì)中添加外源鎘進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，測定植株的生物量、鎘累積量、提取率等，研究刺兒菜植株對重金屬鎘的富集特性。結(jié)果表明：刺兒菜對鎘具有一定的富集性，土壤鎘濃度為15 μg/g時(shí)其轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)最大，分別為5.14、2.76。刺兒菜可用于鎘污染小于15 μg/g的地區(qū)進(jìn)行土壤修復(fù)。

關(guān)鍵詞：鎘；刺兒菜；富集性；古浪縣

鎘在土壤中有穩(wěn)定、積累和不易消除的特點(diǎn)，且可通過食物鏈富集使人體慢性中毒［1］。土壤中的鎘超標(biāo)會對植物造成毒害并使經(jīng)濟(jì)作物減產(chǎn)，也會被植物吸收并進(jìn)入食物鏈［2］。人體通過食物鏈攝入過量的鎘易引起前列腺癌、腎癌和“痛痛病”等疾?。?］。植物修復(fù)技術(shù)是利用植物吸收、富集、降解或固定土壤中重金屬離子或其它污染物，以消除或降低污染程度、修復(fù)環(huán)境的綜合環(huán)境生物技術(shù)，有植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和植物促進(jìn)等技術(shù)［4］。我們針對古浪縣土門鎮(zhèn)部分工業(yè)區(qū)出現(xiàn)的土壤鎘污染，選擇了當(dāng)?shù)剡m應(yīng)性強(qiáng)的刺兒菜，添加外源鎘進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，通過測定植株的生物量、鎘累積量、提取率等，研究刺兒菜植株對重金屬鎘的富集性，為利用刺兒菜吸收、富集土壤中的鎘，改善環(huán)境提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試材料

供試的刺兒菜種子和土壤均采自古浪縣土門鎮(zhèn)土門村。土壤取自土門鎮(zhèn)土門村農(nóng)田，采用“S”形布點(diǎn)采樣，取樣點(diǎn)為15個(gè)，采樣深度為20 cm，每個(gè)采樣點(diǎn)的取樣深度、采樣量及上下層比例均相同。刺兒菜種子采集采用隨機(jī)取樣的方法，在刺兒菜種子成熟后，選擇有代表性的樣點(diǎn)，隨機(jī)選擇一定數(shù)量的樣株，采集成熟的種子。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)方法供試土壤鎘含量為0.17 μg/g，小于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995），將其作為不含鎘的土壤，即作為對照組。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理，處理D1（CK），農(nóng)田土不加外源；處理D2，農(nóng)田土加入外源鎘，鎘濃度為3 μg/g；處理D3，農(nóng)田土加入外源鎘，鎘濃度為15 μg/g；處理D4，農(nóng)田土加入外源鎘，鎘濃度為45 μg/g；處理D5，農(nóng)田土加入外源鎘，鎘濃度為75 μg/g；處理D6，農(nóng)田土加入外源鎘，鎘濃度為100 μg/g。每處理3次重復(fù)。土壤經(jīng)自然風(fēng)干，使用前均過2 mm篩，裝入米氏盆，每盆裝土10 kg。按處理設(shè)計(jì)濃度加入CdSO4溶液，充分混勻，平衡14 d，

選籽粒飽滿的刺兒菜種子，用0.5 g/kg高錳酸鉀溶液消毒10 min，自來水中浸泡6～8 h后，置于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿上覆紗布保濕，25℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)催芽。種子發(fā)芽后播種于米氏盆內(nèi)，播種時(shí)將盆內(nèi)的土用去離子水一次性澆透，播后在室內(nèi)放置3 d，然后轉(zhuǎn)移至室外管理。定期澆水，并及時(shí)將盆底座內(nèi)的滲漏液澆到盆內(nèi)，以減少誤差。待根長至1.0 cm左右時(shí)帶土移栽，每盆定植3～5株。移栽時(shí)注意保護(hù)根系的完整以提高移栽的成活率，移栽時(shí)將花盆里的土用去離子水一次性澆透同時(shí)保證盆栽的土壤平整、緊實(shí)以避免后期室外管理時(shí)造成土壤出現(xiàn)下陷的情況，移栽完成后將幼苗在室內(nèi)放置3 d后轉(zhuǎn)移至室外管理。前7 d避免在陽光下暴曬造成移植的幼苗干枯死亡，之后進(jìn)行室外正常管理，根據(jù)盆缺水情況不定期澆水，使土壤含水量經(jīng)常保持在田間持水量的65%左右。為防止處理液淋溶滲漏損失，在盆下放置塑料托盤并及時(shí)將滲漏液倒回盆中，90 d后收獲。收獲后用原子吸收法測定植株地上及地下部分的鎘含量，為了減少土壤和植株本身鎘含量帶來的系統(tǒng)誤差，將對照組的處理液作為測定時(shí)的空白。

1.2.2樣品的采集及測定植株生長大約90 d時(shí)采集，采集過程中要盡量保證植株完整，測定植株長度（主莖+根），將植株在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干，地上和地下部分分別稱量干重，用粉碎機(jī)粉碎裝入自封袋中備用。

植株樣品消解：用千分之一天平稱取烘干、粉碎好的植株樣0.250 g放入聚四氟乙烯管中，加5 mL濃硝酸和2 mL雙氧水，加蓋，靜置過夜。在微波消解儀中進(jìn)行消解［5］，消解程序?yàn)椋? min溫度升至75℃保持10 min，再5 min溫度升至130℃保持10 min，再5 min溫度升至180℃保持20 min，冷卻至室溫轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶定容，過濾轉(zhuǎn)移到25 mL塑料瓶中置于冷箱中待測。用去離子水將消解液全部轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，定容后進(jìn)行過濾。用原子吸收分光光度計(jì)（ICE3300原子吸收）測定濾液中的鎘含量，計(jì)算植株樣品中的鎘含量。

1.2.3土壤樣品的測定樣品消解：用千分之一天平稱取土壤樣品0.200 0 g，放入聚四氟乙烯管中，加6 mL濃硝酸2 mL鹽酸和2 mL氟化氫，加蓋，靜置過夜。在微波消解儀中進(jìn)行消解。消解程序?yàn)椋? min溫度升至75℃保持10 min，再5 min溫度升至130℃保持10 min，再5 min溫度升至180℃保持25 min，冷卻至室溫轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶定容。

用去離子水將消解液全部轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，定容后進(jìn)行過濾。用原子吸收分光光度計(jì)（ICE3300原子吸收）測定濾液中的鎘含量，計(jì)算土壤樣品中的鎘含量。

2　結(jié)果與分析

2.1不同濃度外源鎘對刺兒菜生長的影響

表1　不同濃度外源鎘下刺兒菜植株長度和干重

2.1.1不同濃度外源鎘對刺兒菜植株長度的影響

從表1可知，土壤鎘濃度在0 μg/g、3 μg/g、15 μg/g和45 μg/g時(shí)刺兒菜植株長度無顯著差異，說明土壤鎘濃度在0～45 μg/g時(shí)不影響刺兒菜的正常生長。刺兒菜植株長度在土壤鎘濃度為15 μg/g 與45 μg/g，45 μg/g與75 μg/g，75 μg/g與100μg/g之間也無顯著差異；土壤鎘濃度為100 μg/g時(shí)，刺兒菜植株長度與除75 μg/g外的其余處理均存在顯著差異；濃度為75 μg/g的處理也與0 μg/g、3 μg/g、15 μg/g處理的刺兒菜植株長度存在顯著差異。說明土壤鎘濃度大于45 μg/g時(shí)，逐漸抑制刺兒菜植株的正常生長，植株長度降低，特別是100 μg/g時(shí)嚴(yán)重影響刺兒菜植株長度的生長。

2.1.2不同濃度外源鎘對刺兒菜干重的影響由表1可知，土壤鎘濃度為3 μg/g和15 μg/g處理的刺兒菜地上部干重與對照無顯著差異，45 μg/g、75 μg/g和100 μg/g鎘處理之間也不存在顯著差異，但45 μg/g、75 μg/g和100 μg/g鎘處理的與其他處理均有顯著差異。土壤鎘濃度在0～15 μg/g時(shí)，刺兒菜地上部生物量無明顯變化，說明在這個(gè)濃度范圍內(nèi)，刺兒菜地上部的生長不受土壤鎘濃度大小的影響。當(dāng)土壤鎘鎘濃度大于15 μg/g時(shí)，刺兒菜地上部生物量有所下降，說明土壤鎘濃度的增大對刺兒菜植株地上部的正常生長產(chǎn)生了抑制。刺兒菜地下部生物量呈現(xiàn)和地上部相同的變化趨勢，結(jié)合地上和地下部生物量的變化可知，土壤鎘濃度小于15 μg/g時(shí)對刺兒菜的生長無影響，而當(dāng)土壤鎘濃度高于15 μg/g，刺兒菜由于吸收的鎘超過了自身所能容納的限度，影響到了自身的生理代謝，因此生物量下降。

2.2不同濃度外源鎘對刺兒菜鎘富集性的影響

2.2.1不同濃度外源鎘對刺兒菜鎘累積量的影響

通過樣品分析計(jì)算不同處理刺兒菜鎘累積量［6］，計(jì)算公式為：鎘的累積量（μg）=刺兒菜中的鎘含量（μg/g）×刺兒菜的質(zhì)量（g）

由表2可知，土壤鎘濃度為75 μg/g和100 μg/g時(shí)植株地上部鎘累積量無顯著差異，其余處理之間都存在顯著差異（p＜0.05），說明在不同土壤鎘濃度下，刺兒菜植株累積鎘量不同。在土壤鎘濃度為45 μg/g時(shí)，刺兒菜地上部累積鎘量最多，說明刺兒菜能有效的將重金屬從土壤中轉(zhuǎn)移到植株內(nèi)，對修復(fù)鎘污染土壤有一定的作用；但土壤鎘濃度超過45 μg/g時(shí)植株累積鎘量逐漸下降，說明土壤鎘濃度過高也抑制植株對鎘的累積。

表2　在不同濃度外源鎘濃度下刺兒菜地上部和地下部鎘累積量

土壤鎘濃度為45 μg/g和75 μg/g時(shí)，植株地下部鎘累積量無顯著差異，其余處理之間都存在顯著差異（p＜0.05），在土壤鎘濃度為100 μg/g時(shí)，刺兒菜地下部累積鎘量最大。刺兒菜植株鎘累積量的總體變化趨勢為地上部累積量高于地下部累積量。

2.2.2不同濃度鎘對刺兒菜鎘富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)是衡量超富集植株的重要指標(biāo)，其計(jì)算方法如下：富集系數(shù)BCF （Bioconcentration factor）=地上部重金屬含量/土壤重金屬含量。轉(zhuǎn)移系數(shù)TF（Translocation factor）=地上部重金屬含量/地下部重金屬含量。不同濃度鎘對刺兒菜鎘富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)見表3。

表3　不同鎘濃度處理的刺兒菜鎘富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)和對鎘的提取率

由表3可知，刺兒菜地上部和和地下部分重金屬鎘的含量均存在顯著差異。總體變化趨勢為刺兒菜植株地上部的鎘含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在土壤鎘濃度為75 μg/g時(shí)刺兒菜地上部重金屬鎘的含量最高。而地下部鎘含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，說明植株地下部（根）對重金屬鉻的吸收比地上部較好。由表3可知，在3～75 μg/g范圍內(nèi)，刺兒菜的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1，在15 μg/g的處理下刺兒菜的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均達(dá)到最大，說明刺兒菜在土壤中鎘濃度為15 μg/g時(shí)富集性最好。土壤中鎘濃度超過15 μg/g后刺兒菜的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均出現(xiàn)下降的趨勢，說明土壤鎘濃度過高會影響刺兒菜植株正常生長。在所有處理中刺兒菜對鎘的富集系數(shù)均大于其轉(zhuǎn)移系數(shù)，這說明刺兒菜對重金屬鎘的吸收能力要大于其轉(zhuǎn)移能力。因此，刺兒菜比較適用于在土壤鎘濃度為0～45 μg/g的鎘污染區(qū)進(jìn)行重金屬的植物修復(fù)。

2.2.3刺兒菜植株對重金屬鎘的提取率利用植物修復(fù)重金屬污染的土壤不僅要具備轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)高，其生物量是極為重要的因素。只有植物體內(nèi)積累的重金屬濃度大，生物量高，植物收獲后從土壤中提取的重金屬多，才能有較好的凈化作用。植物修復(fù)重金屬能力的大小與植物體內(nèi)重金屬的含量及生物量有直接關(guān)系，通常用重金屬提取率來表征。重金屬提取率是指植物積累重金屬的量與土壤中同種重金屬量的比值，即：MER=（鎘在植株的總量/鎘在土壤中的總量）× 100%。

根據(jù)表3可知，刺兒菜對重金屬鎘的提取率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在土壤鎘濃度為15 μg/g時(shí)，提取率最高；土壤鎘濃度大于15 μg/g時(shí)，刺兒菜對重金屬鎘的提取率逐漸下降；土壤鎘濃度為100 μg/g時(shí)提取率最小。土壤鎘濃度15 μg/g處理比3 μg/g處理提高了43%，比45 μg/g處理提高了175 %，說明土壤鎘濃度在15 μg/g時(shí)植株對鎘的提取率最高，在0～15 μg/g內(nèi)不影響刺兒菜植株正常生長，刺兒菜植株能很好的吸收重金屬鎘。而土壤鎘濃度超過15 μg/g時(shí)，刺兒菜植株對重金屬鎘的提取率下降，說明土壤鎘濃度增大會抑制植株正常生長，從而影響了植株對重金屬鎘的提取能力，最終導(dǎo)致刺兒菜植株對重金屬鎘的提取率下降。

3　小結(jié)與討論

1）通過測定分析可知，土壤鎘濃度在0～15 μg/g時(shí)，刺兒菜生物量無明顯變化；土壤鎘濃度在0～45 μg/g時(shí)不影響刺兒菜的正常生長，植株長度之間無顯著變化；土壤鎘濃度大于45 μg/g時(shí)，逐漸抑制刺兒菜植株的正常生長，特別是100 μg/g時(shí)嚴(yán)重影響刺兒菜植株長度的生長，其原因可能是土壤鎘濃度的增大致使植株根部吸收養(yǎng)分的能力下降，葉綠素含量減少，光合作用和呼吸作用都受到一定的影響。

2）在土壤鎘濃度為45 μg/g時(shí)，刺兒菜植株地上部累積鎘量最多；當(dāng)土壤鎘濃度超過45 μg/g時(shí)植株累積鎘量逐漸下降，說明土壤鎘濃度過高抑制植株地上部對重金屬鎘的累積。土壤鎘濃度為100 μg/g時(shí)，刺兒菜地下部累積鎘量最大，主要是根部鎘含量高，因此累積的鎘量多。

3）刺兒菜的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)在一定范圍內(nèi)都隨著土壤中鎘濃度的增加而呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，富集系數(shù)均大于轉(zhuǎn)移系數(shù)，這說明刺兒菜的富集能力要大于其轉(zhuǎn)移能力。對于污染重金屬元素鎘而言，刺兒菜在0～45 μg/g的濃度范圍內(nèi)具有較好的富集能力和修復(fù)能力，其富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)都大于1；當(dāng)土壤中鎘濃度大于15 μg/g時(shí)，刺兒菜的干重和修復(fù)能力就會出現(xiàn)下降趨勢。因此刺兒菜適合在鎘濃度小于45 μg/g的土壤中栽培，其對重金屬鎘的吸收能力也達(dá)到最佳。

4）刺兒菜對重金屬鎘的提取率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。土壤鎘濃度為15 μg/g時(shí)，提取率最高；土壤鎘濃度大于15 μg/g時(shí)，刺兒菜對重金屬鎘的提取率逐漸下降。說明土壤鎘濃度過高顯著影響刺兒菜植株對重金屬鎘的提取能力，同時(shí)也說明刺兒菜對一定程度鎘污染土壤濃有修復(fù)作用。而土壤鎘濃度過高，就會抑制刺兒菜的正常生長，其修復(fù)能力也顯著降低。

綜上結(jié)論，土門鎮(zhèn)當(dāng)?shù)刂参锎虄翰藢χ亟饘傥廴镜耐寥谰哂幸欢ǖ男迯?fù)能力，在重金屬鎘污染小于15 μg/g的地區(qū)，大量種植刺兒菜植物對改良環(huán)境具有重要意義。

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（本文責(zé)編：陳珩）

執(zhí)筆人：俞春花

Effects of Exogenous Cadmium on Accumulation and Growth of Cephalanoplos segetum

ZHAOAishan1，YUChunhua2
（1. Gulang Characteristics of Fruit Industry Center，Gulang Gansu 733100，China；2. Gulang Agricultural Technology Extension Center，Gulang Gansu 733100，China）

Abstract：According to the soil Cd contamination in Tumen Town Industrial Zone in Gulang county，Cephalanoplos segetum of the local adaptability as test material，through pot experiment with add exogenous cadmium in matrix，plant biomass，cadmium accumulation，extraction rate is determined，this paper studied the accumulation characteristics of Cephalanoplos segetum on heavy metal cadmium. The result indicates that the Cephalanoplos segetum of cadmium has certain enrichment，when soil Cd concentration is 15 μg/g，transfer coefficient and enrichment coefficient is the maximum，5.14，2.76，respectively. It can be used for cadmium pollution are less than 15 μg/g in soil remediation.

Key words：Cadmium；Cephalanoplos segetum；Accumulation；Gulang county

作者簡介：趙愛山（1977—），男，甘肅古浪人，工程師，主要從事林業(yè)技術(shù)推廣應(yīng)用及林果栽培管理技術(shù)。聯(lián)系電話：（0）13884565805。

收稿日期：2015-05-27

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2015.09.016

中圖分類號：X53；Q949.783.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-1463（2015）09-0042-04