伴礦景天鎘積累特征及其對根際土壤鎘分布的影響

曹雪瑩,楊 佳,,譚長銀,劉路路,,程學(xué)宇,,馬 軍

(1.長沙學(xué)院鄉(xiāng)村振興研究院,湖南 長沙 410022;2.湖南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410081)

生態(tài)環(huán)境部2019—2022年發(fā)布的《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》均顯示,影響農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染物是重金屬。植物吸取修復(fù)是一種綠色、高效去除土壤重金屬的技術(shù)措施,在中輕度重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。伴礦景天(Sedumplumbizincicola)具有Cd的超富集特性,修復(fù)實踐中,即使其地上部Cd含量高達(dá)587 mg·kg-1時也未表現(xiàn)出毒害癥狀[3]。與其他重金屬修復(fù)植物相比,伴礦景天具有生長速率較快、生物量較大、重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較高等特點[4-5]。近年來,關(guān)于伴礦景天修復(fù)模式、強(qiáng)化修復(fù)方法、產(chǎn)后處置技術(shù)等方面的研究取得較大進(jìn)展,但關(guān)于伴礦景天全生育期不同生長階段Cd積累特征的探究鮮有報道。大量實踐表明,伴礦景天在華南、華中地區(qū)的修復(fù)周期為10月中下旬至次年6月,不同地區(qū)修復(fù)效率差別較大,植物修復(fù)周期長是限制其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素[6-8]。探究伴礦景天不同生長期不同部位Cd積累與生物量變化規(guī)律,可為調(diào)整植物修復(fù)周期及強(qiáng)化修復(fù)提供重要依據(jù)。

根際是土壤與植物相互作用的界面,也是植物體與土壤進(jìn)行物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)換的重要結(jié)點,其中包含了大量的物理、生化和生態(tài)過程,是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的界面之一[9]。研究表明,修復(fù)植物根系分布與重金屬吸收密切相關(guān),如遏藍(lán)菜根系主要分布在20 cm深度土層,而印度芥菜根系在土壤中的深度可達(dá)50～60 cm,印度芥菜根際土壤重金屬含量發(fā)生變化的剖面深度高于遏藍(lán)菜[10]。有關(guān)伴礦景天根際Cd含量的剖面分布研究發(fā)現(xiàn),0～20 cm土壤Cd含量平均為0.43 mg·kg-1,0～2 cm土壤Cd含量平均為0.76 mg·kg-1,>2～15 cm土壤Cd含量平均為0.30 mg·kg-1,>15～20 cm土壤Cd含量平均為0.70 mg·kg-1,Cd含量降低的土層主要分布在>2～15 cm之間[11]。

為探索不同程度Cd污染農(nóng)田伴礦景天不同生長期生物量及Cd吸收規(guī)律,明確不同生長期根際土壤Cd有效性的剖面分布特征及其對伴礦景天修復(fù)效率的影響,該研究選擇相同成土母質(zhì)的中度和輕度Cd污染農(nóng)田進(jìn)行原位修復(fù)試驗,分析不同程度Cd污染農(nóng)田中,伴礦景天分枝初期、分枝盛期、開花盛期和開花后期根際土壤pH值與有效態(tài)Cd含量的剖面分布特征、伴礦景天生物量與Cd積累量,以期為中輕度Cd污染農(nóng)田土壤植物修復(fù)實踐提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中度Cd污染農(nóng)田試驗點(XTZD)位于湖南省湘潭縣易俗河鎮(zhèn)(27°44′5.8″ N,112°56′32.5″ E),輕度Cd污染農(nóng)田試驗點(CSQD)位于長沙市望城區(qū)蓮花鎮(zhèn)(28°6′53.64″ N,112°48′24.12″ E)。2個試驗點均在湘江中下游西岸,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),熱量充足,雨水集中,年平均氣溫為16.7～18.3 ℃,年平均降水量為1 300 mm左右,年均日照時數(shù)為1 584～1 885 h,年無霜期為273～274 d。土壤成土母質(zhì)均為第四紀(jì)紅色黏土,土壤類型為鐵聚水耕人為土。土壤基本性質(zhì)見表1。

表1 研究區(qū)土壤基本性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

2020年10月底,晚稻收獲后,將2個試驗點的水稻秸稈移除,翻耕、整地、起壟(壟高約30 cm,寬約1.2 m,長約10 m),一條壟作為一個試驗小區(qū),每個試驗點設(shè)置5個重復(fù),小區(qū)四周設(shè)保護(hù)行。將基肥與耕層土壤混勻(基肥采用復(fù)合肥,施用量為375 kg·hm-2)。11月5日進(jìn)行伴礦景天移栽,行距、株距均約15 cm。分別在其分枝初期(移栽后125 d)、分枝盛期(移栽后185 d)、開花盛期(移栽后248 d)和開花后期(移栽后307 d)采集樣品。伴礦景天生長過程中不追肥,降雨量較大時小區(qū)周邊開深溝排水,保持小區(qū)內(nèi)不積水。

1.3 樣品采集與分析

在伴礦景天生長期采樣時,將其分為地上部和地下部,每個試驗點隨機(jī)選取3株。因開花盛期伴礦景天地上部分為營養(yǎng)枝和繁殖枝,為比較不同部位Cd含量,將繁殖枝分為花、莖和葉3個部分,營養(yǎng)枝分為莖和葉2個部分(圖1)。將伴礦景天不同部位樣品分別清洗干凈,105 ℃殺青30 min,65 ℃烘至恒重,粉碎后分別裝袋備用。伴礦景天Cd含量的測定參考美國環(huán)保署的標(biāo)準(zhǔn)方法(US EPA3051a),放入微波消解儀(CEM MAR S6)消解,消解液采用原子吸收光譜儀(PinAAcle 900T)火焰測定[12]。樣品分析時加入10%～15%的重復(fù)數(shù),分析過程加入國家標(biāo)準(zhǔn)植物樣品(GSV-1)進(jìn)行質(zhì)量控制。

圖1 開花盛期伴礦景天繁殖枝和營養(yǎng)枝

為更好地探究伴礦景天根系對根際土壤pH值和有效態(tài)Cd含量剖面分布的影響,收割伴礦景天地上部以后,在地面水平方向上劃分近根區(qū)和遠(yuǎn)根區(qū),然后分別采集土壤小剖面樣品。近根區(qū)以伴礦景天根為中心劃定一個邊長為10 cm的正方形,遠(yuǎn)根區(qū)是近根區(qū)四邊向外距離根中心5～10 cm的范圍(如圖2水平方向);垂直方向分別取近根區(qū)和遠(yuǎn)根區(qū)0～2、>2～4、>4～6、>6～8、>8～10、>10～12和>12～15 cm各7個土層樣品,即每株伴礦景天近根區(qū)和遠(yuǎn)根區(qū)分別采集7個土樣,共14個(如圖2垂直方向)。土壤取樣前,首先將4株(相鄰2行,每行相鄰的2株)伴礦景天地上部分剪斷,選定擬采集土壤樣品的一株,在其水平方向劃出近根區(qū)和遠(yuǎn)根區(qū),并用不銹鋼片垂直切入,避免近根區(qū)與遠(yuǎn)根區(qū)或其他土壤的交互影響。然后再用剖面刀將采樣區(qū)以外的土壤挖至約20 cm深度,露出需采樣的土壤剖面?zhèn)让?圖2)。

圖2 根際剖面土壤樣品采集分布

土壤樣品的采集采用不銹鋼片從剖面?zhèn)让鎸?yīng)深度水平切入土壤,從上至下依次取土裝袋后帶回實驗室,去除植物根系等雜質(zhì),風(fēng)干、過篩、裝袋備用。土壤pH值以m(土)∶V(水)=1∶2.5的比例提取,用pH-3C雷磁酸度計測定[13]。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[13]。土壤有效態(tài)Cd含量測定采用二乙烯三胺五乙酸(DTPA)浸提法,浸提液采用原子吸收光譜儀(PinAAcle 900T)石墨爐測定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

伴礦景天地上部Cd積累量以伴礦景天地上部干質(zhì)量與其Cd含量的乘積表示。數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析采用Excel 2019與Statistics 26軟件,采用ANOVA中的Duncan多重比較法(P<0.05)進(jìn)行差異顯著性分析和Pearson雙變量相關(guān)性分析,采用Origin 2021軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 伴礦景天不同生長期根際土壤pH值的剖面分布特征

中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天不同生長期根際土壤pH值的剖面分布見表2。

表2 中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天不同生長期根際土壤pH值分布

總體而言,近根區(qū)土壤pH值略低于遠(yuǎn)根區(qū),頂層(0～4 cm)和底層(>10～15 cm)土壤pH值高于中間土層(>4～10 cm)。分枝初期近根區(qū)>2～12 cm土壤pH值(4.37～4.51)顯著低于0～2 cm土壤(4.99),且>2～6 cm土壤pH值(4.37～4.43)在分枝初期顯著低于其他生長期;遠(yuǎn)根區(qū)2～8 cm(4.37～4.40)土壤pH值顯著低于0～2 cm土壤(5.02),且在不同生長期中最低。分枝盛期,近根區(qū)不同深度土壤pH值無顯著差異(4.63～4.79),>2～8 cm土壤pH值較分枝初期略有升高;遠(yuǎn)根區(qū)0～6 cm土壤pH值(4.47～4.63)顯著低于其他土層(4.79～4.93),除0～2 cm土壤外,其余深度土壤pH值較分枝初期均有升高。開花盛期,近根區(qū)和遠(yuǎn)根區(qū)土壤pH值均隨著土層深度的增加而顯著升高,且不同土層pH值較分枝盛期均有進(jìn)一步升高。開花后期,不同深度土壤pH值差異顯著,近根區(qū)>6～10 cm和遠(yuǎn)根區(qū)0～6 cm土壤pH值顯著降低,>10～15 cm土壤pH值均較高。除個別土層外,開花后期土壤pH值均達(dá)整個生長期中最高,且略高于伴礦景天移栽前土壤pH值(4.64)。

輕度污染農(nóng)田伴礦景天開花盛期根際土壤pH值的剖面分布見圖3。隨著土層深度變化,土壤pH值差異顯著,但相同土層中近根區(qū)與遠(yuǎn)根區(qū)的土壤pH值相差不大。垂直剖面方向,近根區(qū)和遠(yuǎn)根區(qū)0～2 cm土壤pH值(分別為5.53和5.61)略高于>2～6 cm土壤,>2～4 cm土壤pH值最低(分別為5.18和5.22),較伴礦景天扦插前降低約0.9;隨著土層深度增加,>4 cm土壤pH值逐漸升高,與>2～4 cm土壤比,近根區(qū)和遠(yuǎn)根區(qū)土壤pH值隨著土層深度的增大分別升高0.19～1.18和0.28～1.13;除個別土層外,>6～12 cm 土壤pH值隨著深度增加略有升高,但無顯著差異;>12～15 cm土壤pH值最高,且均顯著高于其他土層。

同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示同一區(qū)域不同土層深度土壤pH值差異顯著(P<0.05)。

2.2 伴礦景天不同生長期根際土壤有效態(tài)Cd含量的剖面分布特征

土壤Cd的有效性能準(zhǔn)確反映植物對土壤的敏感性,是衡量土壤生態(tài)功能的重要指標(biāo),植物對土壤Cd的吸收強(qiáng)度主要取決于土壤有效態(tài)Cd含量。圖4是中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天不同生長期根際土壤有效態(tài)Cd含量的剖面分布。由圖4可見,近根區(qū)土壤有效態(tài)Cd含量略低于遠(yuǎn)根區(qū),垂直剖面方向土壤有效態(tài)Cd含量均隨著土層深度的增加先下降再升高,頂層和底層土壤有效態(tài)Cd含量與修復(fù)前差異不大,各生長期中間土層(>4～10 cm)土壤有效態(tài)Cd含量顯著低于頂層和底層。近根區(qū)分枝初期、分枝盛期、開花盛期和開花后期土壤有效態(tài)Cd含量分別為0.16～0.58、0.16～0.31、0.13～0.45 和0.16～0.45 mg·kg-1(圖4)。遠(yuǎn)根區(qū)不同生長期土壤有效態(tài)Cd含量差異較大,分枝初期、分枝盛期、開花盛期和開花后期土壤有效態(tài)Cd含量分別為0.29～0.56、0.18～0.41、0.13～0.37和0.17～0.47 mg·kg-1。分枝初期,近根區(qū)和遠(yuǎn)根區(qū)土壤有效態(tài)Cd含量均表現(xiàn)為>6～8 cm深度最低。分枝盛期,不同土層土壤有效態(tài)Cd含量較分枝初期均明顯降低,且不同土層間差異減小,近根區(qū)土壤有效態(tài)Cd含量的變異系數(shù)為26.5%,明顯低于其他生長期(37.3%～57.9%)。開花盛期,近根區(qū)>4～10 cm土壤有效態(tài)Cd含量為0.13～0.16 mg·kg-1,遠(yuǎn)根區(qū)>2～10 cm土層為0.13～0.18 mg·kg-1,屬全生長期最低,但頂層和底層土壤有效態(tài)Cd含量明顯較高。開花后期,近根區(qū)和遠(yuǎn)根區(qū)相同深度土壤有效態(tài)Cd含量相差不大,均表現(xiàn)為>4～6cm土層顯著低于其他土層。

同一幅圖中直方柱上方英文大寫字母不同表示同一生長期不同土層深度土壤有效態(tài)Cd含量差異顯著(P<0.05);小寫字母不同表示同一土層深度不同生長期土壤有效態(tài)Cd含量差異顯著(P<0.05)。

2.3 伴礦景天不同生長期地上部生物量的變化

修復(fù)植物的地上部生物量是直接關(guān)系修復(fù)效率的重要參數(shù),伴礦景天不同生長期地上部生物量差異顯著(表3)。中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部生物量表現(xiàn)為分枝盛期>開花盛期>開花后期>分枝初期,而輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部生物量表現(xiàn)為開花盛期>開花后期>分枝盛期>分枝初期。2個試驗點伴礦景天地上部生物量分枝初期相差不大,說明伴礦景天移栽后4個月內(nèi)地上部的生長受土壤Cd含量的影響不大。但中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部生物量在分枝盛期達(dá)最高,單株鮮重為195.46 g,是分枝初期的3.80倍。輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天分枝盛期地上部生物量略高于中度Cd污染農(nóng)田,但開花盛期因其繁殖枝迅速生長,株高最高超60 cm,且在30 cm以下伴礦景天營養(yǎng)枝生長茂盛(圖1),此時地上部單株生物量達(dá)1.59 kg,是分枝盛期的7.18倍。但伴礦景天的生物量不會隨著生長時間延長一直增加,開花后期輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部生物量也顯著下降。

表3 不同生長期伴礦景天地上部生物量

2.4 伴礦景天不同生長期Cd含量的變化

了解伴礦景天不同生長期Cd的吸收規(guī)律對提高植物修復(fù)效率和推廣植物修復(fù)技術(shù)具有重要意義。圖5是伴礦景天不同生長期地上部和地下部Cd含量。伴礦景天地上部Cd含量顯著高于地下部,且隨著伴礦景天的生長,不同生長期地上部Cd含量差異顯著。

XTZD—中度Cd污染農(nóng)田;CSQD—輕度Cd污染農(nóng)田。同一幅圖中同一組直方柱上方英文小寫字母不同表示同一研究區(qū)不同生長期某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

分枝初期,伴礦景天長出少數(shù)側(cè)枝和新葉,中、輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部Cd含量均較高,且2個試驗點相差不大,分別達(dá)104.77 和100.97 mg·kg-1,根系Cd含量較低,分別為17.32 和16.32 mg·kg-1。分枝盛期,伴礦景天地下部Cd含量較分枝初期略有升高,差異不顯著;但中、輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部Cd含量與分枝初期相比分別減少15.14%和46.80%。開花盛期,中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部以繁殖枝為主,與分枝盛期相比,地上部Cd含量下降7.86%;但低度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部營養(yǎng)枝和繁殖枝均較茂盛,地上部生物量達(dá)最大,Cd含量最低,較分枝盛期下降35.95%。開花后期,伴礦景天地上部和地下部Cd含量均較低,中、輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部Cd含量分別為61.35 和41.54 mg·kg-1,僅分別為分枝初期的58.56%和41.14%。

在伴礦景天開花盛期,將其地上部分為營養(yǎng)枝和繁殖枝,再將營養(yǎng)枝分為莖和葉2個部分,繁殖枝分為莖、葉和花3個部分(圖1),分別測定其Cd含量,結(jié)果見圖6。

XTZD—中度Cd污染農(nóng)田;CSQD—輕度Cd污染農(nóng)田。

中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天不同部位Cd含量均明顯高于輕度Cd污染農(nóng)田。中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天營養(yǎng)枝中莖Cd含量(81.71 mg·kg-1)略高于葉(70.96 mg·kg-1),但繁殖枝中莖Cd含量(67.36 mg·kg-1)比葉高75.97%;輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天營養(yǎng)枝莖Cd含量(24.64 mg·kg-1)是葉Cd含量(41.16 mg·kg-1)的59.86%,但繁殖枝莖Cd含量是葉的2.15倍?；–d含量在不同部位中最高,中、輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天花Cd含量分別達(dá)130.76和77.43 mg·kg-1,分別是繁殖枝莖的1.94和3.04倍,是葉的3.42和6.53倍。中、輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天花的富集系數(shù)(花Cd含量與土壤Cd含量的比值)分別高達(dá)122.21和184.36。所以,在采用伴礦景天修復(fù)中、輕度Cd污染耕地實踐中,應(yīng)在花落前收割地上部,避免Cd含量較高的花再次回到土壤環(huán)境中造成二次污染。

2.5 伴礦景天不同生長期地上部Cd積累量的變化

超積累植物地上部Cd積累量是判定其修復(fù)效率的重要依據(jù),了解修復(fù)植物不同生長期地上部Cd積累量對提高修復(fù)效率、縮短修復(fù)周期具有重要意義。由表4可知,除分枝初期外,2個試驗地伴礦景天地上部Cd積累量差異較大。中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天分枝盛期地上部Cd積累量達(dá)最大(0.72 mg·株-1),按行距和株距均為15 cm的種植密度,地上部Cd積累量約為316.80 g·hm-2,開花盛期和開花后期中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部Cd積累量顯著下降。輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部Cd積累量在開花盛期達(dá)最大,為2.26 mg·株-1,但開花后期輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部Cd積累量顯著下降。2個試驗地的結(jié)果均說明,伴礦景天地上部Cd積累量并不是隨著種植時間增加而持續(xù)升高。

表4 不同生長期伴礦景天地上部Cd積累量

3 討論

3.1 根際土壤Cd有效性的剖面分布特征及其與伴礦景天Cd積累的關(guān)系

伴礦景天根系由不定根組成,沒有真正的主根,但有一兩條不定根發(fā)育粗壯,類似于主根,主要集中在近根區(qū)[15]。側(cè)根上分枝形成的第二級或第三級側(cè)根非常細(xì)小,會延伸至遠(yuǎn)根區(qū),難以與土壤分離。根際土壤pH值及有效態(tài)Cd含量的剖面變化特征與伴礦景天根系分布密切相關(guān)。根際土壤pH值和有效態(tài)Cd含量的剖面分布均總體表現(xiàn)為頂層和底層較高,中間層較低;水平分布則表現(xiàn)為近根區(qū)較低、遠(yuǎn)根區(qū)較高的特征,但不同生長期差異較大。研究表明,根際土壤pH值和有效態(tài)Cd含量的剖面分布受根系數(shù)量和根系活力的影響較大[16-17]。植物根系具有多種重要的生理功能,除了吸收土壤中水分及礦質(zhì)營養(yǎng)外,還可以合成多種氨基酸、有機(jī)氮和有機(jī)磷等有機(jī)物,并可向土壤環(huán)境中分泌有機(jī)酸、糖類等有機(jī)物,從而影響土壤pH值[18-19]。在分枝初期,遠(yuǎn)根區(qū)>6～8 cm土壤pH值明顯低于近根區(qū),而其他土層相差不大;分枝盛期>8～15 cm土壤以及開花盛期>4～10 cm土壤pH值明顯低于遠(yuǎn)根區(qū)。這主要是因為分枝初期伴礦景天根系不長,并在5 cm左右向遠(yuǎn)根區(qū)延伸;在分枝盛期,伴礦景天根系達(dá)整個生長期最發(fā)達(dá)的階段,淺層側(cè)根進(jìn)一步延伸,而較長的不定根僅在近根區(qū)向下生長,到開花后期伴礦景天根毛逐漸腐爛、根系縮短。伴礦景天根際有效態(tài)Cd含量的變化與根系生長也密切相關(guān)(圖4)。研究發(fā)現(xiàn),根毛區(qū)是伴礦景天植株主要的Cd吸收部位,其細(xì)胞質(zhì)膜中分布著豐富的離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[20-21]。分枝盛期和開花盛期土壤有效態(tài)Cd含量明顯低于分枝初期和開花后期,且變異系數(shù)較小。植物根尖部位的根毛區(qū)對土壤重金屬具有較強(qiáng)的吸收能力,發(fā)達(dá)的根系將增大植物根系在土壤中的覆蓋面積。LI等[22]研究表明,根尖和側(cè)根是伴礦景天吸收重金屬的主要部位或組織。還有研究發(fā)現(xiàn),超積累植物新生成的側(cè)根是吸收重金屬的主要部位之一,且根系具有主動向土壤中重金屬豐富的區(qū)域生長的特性,其濃密的根毛可以直接接觸土壤顆粒并從中獲取重金屬,從而降低土壤重金屬的生物有效性[23]。隨著根尖和側(cè)根數(shù)量的增加,伴礦景天地上部Cd吸收量顯著增加[24]。從表4可以發(fā)現(xiàn),分枝盛期和開花盛期伴礦景天地上部Cd積累量迅速升高。因此,伴礦景天根系吸收是根際土壤有效態(tài)Cd含量降低的關(guān)鍵因素。LIU等[25]研究發(fā)現(xiàn),伴礦景天根際土壤乙酸銨提取態(tài)Cd含量與非根際土壤相比降低6.67%～41.40%,筆者的研究結(jié)果與其相符。

3.2 伴礦景天修復(fù)效率的影響因素及機(jī)制

伴礦景天修復(fù)效率主要取決于其地上部Cd積累量,即土壤pH值與有效態(tài)Cd含量對植物Cd吸收具有重要影響。分枝初期伴礦景天Cd含量均最高且2個試驗地相差不大(圖5),說明該試驗條件下移栽后4個月內(nèi)伴礦景天Cd吸收受土壤有效態(tài)Cd含量的影響不大。一方面是因為伴礦景天扦插苗采自污染較重的修復(fù)試驗地,伴礦景天扦插時枝條Cd含量較高(113.64 mg·kg-1),分枝初期伴礦景天地上部生物量增幅不大,其稀釋效果有限;另一方面,有研究表明伴礦景天新葉Cd含量可高達(dá)777 mg·kg-1,新葉Cd含量是成熟葉的4～5倍[26-27]。分枝盛期,伴礦景天地上部生物量顯著升高,其Cd含量因其稀釋效應(yīng)較分枝初期均顯著下降。因此,在實踐應(yīng)用中,可適當(dāng)推遲伴礦景天的移栽時間。開花盛期,輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部單株鮮重最大達(dá)1.59 kg,株高最大超過60 cm,其地上部Cd積累量最大為2.26 mg·株-1(表4),按行距和株距均為15 cm的種植密度,地上部Cd積累量約為994.40 g·hm-2。提高伴礦景天地上部生物量對提升其Cd積累量的貢獻(xiàn)也不容忽視。開花盛期,伴礦景天不同部位中花Cd含量最高,中、輕度Cd污染農(nóng)田花Cd含量分別是其他部位的1.60～3.42和1.88～6.53倍(圖6)。研究表明,伴礦景天細(xì)胞壁果膠酯化程度較低,富含羧基,能有效絡(luò)合Cd,緩解Cd對植物組織的毒害,是Cd進(jìn)入伴礦景天體內(nèi)的主要儲存部位[28-29]。開花后期,伴礦景天地上部生物量顯著下降,其Cd積累量也下降。在花期完成伴礦景天的收獲,既可實現(xiàn)較高的修復(fù)效率,同時也縮短了修復(fù)周期。富集系數(shù)是用來衡量植物對元素吸收和貯存能力的指標(biāo),受到土壤元素含量的影響[30]。中度Cd污染農(nóng)田土壤Cd含量為1.07 mg·kg-1,是輕度Cd污染農(nóng)田的2.55倍(表1)。分枝盛期中度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部Cd含量為88.91 mg·kg-1,比輕度Cd污染農(nóng)田高65.51%,但輕度Cd污染農(nóng)田伴礦景天地上部富集系數(shù)(127.90)明顯高于中度Cd污染農(nóng)田(83.10)。伴礦景天富集系數(shù)高,Cd積累量大,但并未出現(xiàn)毒害癥狀。這主要是由于伴礦景天根系分泌的有機(jī)酸可與Cd螯合形成復(fù)合物以解除Cd對根際的毒害作用,伴礦景天根毛區(qū)細(xì)胞質(zhì)膜中分布著豐富的離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,是植株主要的Cd吸收部位[31];此外,有機(jī)酸還參與根系Cd的吸收,對質(zhì)膜上的離子通道有激活作用,在運(yùn)輸過程可與離子發(fā)生配體交換反應(yīng)形成絡(luò)合物[32-33]。

4 結(jié)論

根際土壤pH值和有效態(tài)Cd含量的剖面變化特征與伴礦景天根系分布密切相關(guān),根系分泌物能降低土壤pH值并活化土壤中的Cd,但根系吸收使土壤有效態(tài)Cd含量明顯下降。移栽4個月內(nèi)伴礦景天對Cd的吸收受土壤有效態(tài)Cd含量影響不大,生物量增長速率較慢,實踐中可以考慮適當(dāng)推遲移栽時間。開花盛期,輕度Cd污染農(nóng)田修復(fù)效率高于中度Cd污染農(nóng)田,伴礦景天地上部生物量對其Cd積累量的貢獻(xiàn)不容忽視。綜合考慮,在花期完成伴礦景天的收獲,既可實現(xiàn)修復(fù)效率最大化,同時也縮短了修復(fù)周期。