不同濃度鎘處理對金盞菊生長及鎘積累特性的影響

胡云龍，張衛(wèi)雄，翟向華，張 瓊，魯 晉，劉金榮

（1. 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 / 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020；2. 甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730000）

土壤重金屬污染是世界上最嚴重的環(huán)境問題之一，我國約有20%的耕地存在不同程度的重金屬污染[1-2]。大量重金屬進入土壤圈會導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力降低；同時，通過食物鏈在生物器官內(nèi)富集的重金屬會不可避免的威脅人類健康[3]。鎘(Cd)是廣泛存在于各地土壤上的一種有毒重金屬，美國國家環(huán)境保護局 (United States Environmental Protection Agency)將其分類為B類污染物(可能的人類致癌物)，可以通過自然途徑和人為途徑(采礦、冶煉、污水灌溉等)進入土壤[4-6]。Cd在環(huán)境中移動速率快，容易被吸收，在生命器官中積累超過一定量就會危及動植物和人類安全，由于長期食用Cd污染的農(nóng)產(chǎn)品導(dǎo)致安全問題的事件在日本和我國都曾有發(fā)生[5, 7-9]。隨著土壤重金屬污染問題日益嚴重，各種土壤修復(fù)技術(shù)也隨之產(chǎn)生，其中植物修復(fù)由于成本低、高效率、不破壞環(huán)境而具有巨大優(yōu)勢[2, 10-11]。

金盞菊(Calendula officinalis)是隸屬于菊科(Asteraceae)金盞菊屬的一年生草本植物，原產(chǎn)于南歐、地中海沿岸一帶，中國各地多有栽培，作為一種重要的園藝植物廣泛分布于歐洲、北美洲和亞洲[12-13]。金盞菊通常多莖，具有強壯的主根。栽培金盞菊可以收獲其花作為藥物原材料，金盞菊花中含有的精油具有良好的藥用價值，因此被廣泛用于醫(yī)藥、工業(yè)和園藝[14-15]。與常用的土壤修復(fù)植物，如牧草和糧食作物相比，金盞菊不僅適應(yīng)性強、生長快速、生物量大，更重要的是金盞菊用于重金屬污染農(nóng)田或礦區(qū)土壤修復(fù)可以降低重金屬進入食物鏈的風(fēng)險，在修復(fù)污染土壤的同時可以創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟和生態(tài)價值[16-18]。為此，本研究通過盆栽試驗，研究金盞菊在Cd污染土壤中的生長狀況，旨在闡明金盞菊對過量鎘的耐性和富集特征，明確金盞菊在Cd污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用潛力。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用金盞菊種子由北京布萊特草業(yè)有限公司提供，品種為卡布勞納(Kablouna)。室內(nèi)培養(yǎng)箱中育苗盒育苗，待長出3～4片真葉時選擇生長一致且健壯的幼苗移栽至處理土壤中。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院進行，育苗在室內(nèi)培養(yǎng)箱中完成，室外培養(yǎng)在屋頂遮雨棚內(nèi)完成。通過預(yù)試驗及參考相關(guān)國內(nèi)外文獻[14, 19-21]，試驗共設(shè)置5個Cd污染水平，Cd污染土壤水平依次 為 0 mg·kg-1(CK)， 10 mg·kg-1(T1)， 30 mg·kg-1(T2)，50 mg·kg-1(T3)，100 mg·kg-1(T4)。

2017年4月，將備用土壤風(fēng)干并過4 mm篩后，將固態(tài)CdCl2·2.5H2O按不同濃度投加到土壤中 (Cd 含量為 0.38 mg·kg-1)配置成 5 個水平 Cd 污染土壤，充分混勻后平衡30 d。移栽幼苗前將污染土壤裝入塑料花盆(直徑20 cm，高15 cm)中，每盆2.5 kg。其后選擇生長一致且健壯的幼苗分別移栽入各處理的盆中，每盆栽1棵金盞菊幼苗，每個處理設(shè)置3次重復(fù)。生長管理過程中，通過土壤水分測定儀掌握盆中土壤水分情況并澆蒸餾水(其中Cd低于檢出限)，使試驗過程中盆中土壤含水量基本保持在田間持水量75%。金盞菊植株花期結(jié)束后，測定株高等形態(tài)特征，其后將植株和土壤一并帶回進行Cd含量分析。

1.3 測定指標及方法

將收獲的植物樣分成地上和地下兩部分用自來水充分沖洗以去除粘附于植物樣品上的泥土和污物，然后再用去離子水沖洗，用吸水紙迅速吸干水分于 105 ℃ 下殺青20 min，然后在70 ℃ 下烘至恒重，測定質(zhì)量。植物樣品烘干后粉碎備用，土壤樣品室溫下自然風(fēng)干后過2 mm篩備用。植物及土壤樣品均采用 HNO3-HClO4法消化 (V∶V = 1∶3)，通過原子吸收分光光度計法測定植物及土壤中全Cd含量，得出結(jié)果后計算相應(yīng)的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)[11]，原子吸收分光光度計為日立180-80，其Cd的波長為228.8 nm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進行數(shù)據(jù)整理并做圖，SPSS 17.0進行單因素方差分析，Duncan新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cd處理對金盞菊生長的影響

2.1.1 不同濃度Cd處理對金盞菊株高的影響

如圖1所示，隨著Cd脅迫濃度增加，金盞菊株高呈先增大后減小的趨勢，以T2處理下最高，其次是T3處理，株高分別為51和50 cm，均顯著高于對照 (P＜0.05)；T1和 T4處理與 CK 間差異不顯著 (P＞0.05)；T1、T2、T3和 T4間均差異不顯著(P＞0.05)。

2.1.2 不同濃度Cd處理對金盞菊地上和地下生物量的影響

T1、T2、T3和T4的金盞菊地上干重與對照相比均有增加，但只有T2的金盞菊地上生物量與對照相比差異顯著P＜0.05)，其他脅迫處理與對照間均不存在顯著差異(P＞0.05)，T2處理時金盞菊地上干重達到最大，為2.57 g。金盞菊的地下干重與地上部分變化情況一致，均隨著土壤中Cd濃度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢 (圖2)，T2處理地下生物量最高，為0.6 g，顯著高于對照及其他處理 (P＜0.05)。T1和 T3地下生物量顯著高于對照(P＜0.05)，即高濃度 Cd(100 mg·kg-1)脅迫結(jié)果與株高及地上生物量相似，與對照相比無顯著差異(P＞0.05)。

圖 1 不同濃度Cd處理下金盞菊的株高Figure 1 Height of Calendula officinalis under different Cd treatments

2.2 不同濃度Cd處理對金盞菊Cd積累的影響

2.2.1 金盞菊地下部和地上部的Cd積累

金盞菊能夠?qū)ν寥乐械腃d起到富集作用，根部Cd富集量遠高于地上部(圖3)。隨著添加的Cd濃度增加，金盞菊地上部和根部Cd含量均呈現(xiàn)上升趨勢，且各個處理間金盞菊的地上部和根部Cd含量均存在顯著差異 (P＜0.05)。

2.2.2 不同處理下金盞菊的轉(zhuǎn)移系數(shù)和地上富集系數(shù)

轉(zhuǎn)移系數(shù)反映植物將重金屬從地下部(根)轉(zhuǎn)移至地上部(莖葉)的能力，富集系數(shù)反映植物對重金屬的累積能力。金盞菊的轉(zhuǎn)移系數(shù)均小于1，即不同處理下金盞菊根部Cd含量均高于莖葉Cd含量，且隨著脅迫濃度的增加，轉(zhuǎn)移系數(shù)也沒有表現(xiàn)出很強的變異(圖4)。值得注意的是，本研究中CK的轉(zhuǎn)移系數(shù)要顯著高于脅迫處理(P＜0.05)，表明未受污染的土壤環(huán)境下，金盞菊向地上部分轉(zhuǎn)移重金屬Cd的能力更強，即Cd脅迫條件下金盞菊體內(nèi)Cd由地下部向地上部轉(zhuǎn)移能力會下降。如圖5所示，各個處理下金盞菊的地上部富集系數(shù)均大于1，整體形勢為地上部富集系數(shù)隨著Cd的添加濃度的增大而增大，處理濃度最高時富集系數(shù) 也最大，為2.48。其中T2富集系數(shù)相較于CK沒有顯著變化(P＞0.05)，而T2處理下金盞菊生物量最大，其原因可能是該處理條件下植株對Cd的吸附?jīng)]有顯著提高，但生物量卻較大，所以Cd濃度并不很高。

圖 2 不同濃度Cd處理下金盞菊地上部和地下部干重Figure 2 Aboveground and underground dry biomass of Calendula officinalis under different Cd treatments

圖 3 不同濃度Cd處理下金盞菊根部與地上部的Cd含量Figure 3 Aboveground and underground Cd content of Calendula officinalis under different treatments

圖 4 不同濃度Cd處理下金盞菊的轉(zhuǎn)移系數(shù)Figure 4 Changes in transfer factor under different treatments for Calendula officinalis

圖 5 不同濃度Cd處理下金盞菊地上部的富集系數(shù)Figure 5 Changes in enrichment factor under different treatments for Calendula officinalis

3 討論

3.1 不同Cd濃度對金盞菊生長的影響

Cd是植物的非必需元素，Cd濃度過高會以破壞植株抗氧化系統(tǒng)、降低酶活性等方式導(dǎo)致植株生長異常，植物能富集或超富集重金屬來修復(fù)被重金屬污染的土壤是基于其對重金屬的抗性[9,21-23]。本研究中，金盞菊在各個Cd濃度脅迫下沒有植株出現(xiàn)明顯的生長狀況不良，表現(xiàn)出對Cd脅迫具有較好耐受能力。Den等[2]以紅麻(Hibiscus cannabbinus)為材料，研究不同Cd濃度和脅迫時間下紅麻生理變化，結(jié)果表明低濃度Cd對紅麻幼苗生長有促進，但 Cd濃度超過50 μmol·L-1會對紅麻的生長產(chǎn)生抑制。本研究中，金盞菊生長在Cd濃度逐漸升高的土壤環(huán)境中，株高和生物量均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。本研究結(jié)果與前述試驗結(jié)果和大部分Cd脅迫梯度試驗結(jié)果相近，即低濃度Cd會促進植物生長，但濃度超過一定值就變?yōu)橐种芠22,24]。陳雷等[25]以鹽生植物堿蓬(Suaeda salsa)為研究材料的試驗結(jié)果也具有相同的趨勢，故本研究將其解釋為植物對重金屬適應(yīng)性和重金屬對植物的抑制兩種作用的復(fù)合效應(yīng)，一方面植物產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，通過生理活動產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物與體內(nèi)重金屬結(jié)合降低活性以解毒；另一方面，激活的代謝系統(tǒng)會加速污染重金屬進入體內(nèi)，反過來抑制代謝活動，產(chǎn)生毒害作用。較低重金屬濃度下，植物適應(yīng)性大于金屬的毒害作用，表現(xiàn)出積極的刺激效果，隨著重金屬濃度的增大，毒害性隨之增大，表現(xiàn)出抑制和毒害作用。

3.2 金盞菊的Cd富集特征

通過植物富集或轉(zhuǎn)化土壤中重金屬的土壤修復(fù)方式更加接近自然生態(tài)恢復(fù)，但不同種類或品種以及同一植物的不同器官在重金屬富集特點上存在明顯差異，通過濃度梯度試驗探究某種植物對重金屬的耐性和富集特性是選擇富集植物的重要途徑[26-27]。Wang 等[20]以兩個薔薇品種(Lagerstroemia indica和L.fauriei)為材料研究其在不同 Cd 脅迫梯度下Cd富集特征，結(jié)果表明，兩個品種之間存在顯著差異，同一薔薇品種根莖葉Cd富集量也存在顯著差異，但兩個品種對高濃度Cd污染都表現(xiàn)出極好的耐性和富集特性，可以作為良好的Cd污染修復(fù)植物種。Nie 等[28]以博落回(Macleaya cordata)為材料研究其在Cd脅迫下抗氧化系統(tǒng)反應(yīng)和植物修復(fù)潛力，結(jié)果表明在不同濃度Cd脅迫下博落回植株并沒有表現(xiàn)出明顯的生長抑制或中毒現(xiàn)象，最大Cd吸附量為每株393 μg，具有一定修復(fù)Cd污染土壤的潛力。本研究中，金盞菊對重金屬Cd脅迫同樣表現(xiàn)出較好耐性，當Cd濃度為100 mg·kg-1時，金盞菊株高和生物量等形態(tài)特征與對照相比沒有顯著差異，此時每株生長良好的金盞菊植株莖葉能夠積累 Cd 459 μg，整株植株共積累 Cd 895 μg。所有處理中金盞菊地上富集系數(shù)均大于1，轉(zhuǎn)移系數(shù)小于1，植株地上部分富集Cd含量隨著脅迫濃度增加而增加。Cd含量分析表明，金盞菊根部Cd含量要遠高于地上部，且隨著脅迫濃度增加轉(zhuǎn)移系數(shù)并沒有顯著變化，這可能是金盞菊能耐受高濃度Cd脅迫的原因：植物吸收的 Cd2+主要滯留于根系中，僅有少部分可以借助共質(zhì)體途徑向地上部輸送和積累，通過減少植物地上部的器官中Cd積累量，來避免受到Cd毒害[29]。

4 結(jié)論

金盞菊對重金屬Cd具有很強的耐性，隨土壤中Cd濃度的增加金盞菊地上部對土壤中Cd的積累量相應(yīng)的增加，低濃度的Cd對金盞菊的生長有一定促進作用。金盞菊地上部的Cd含量小于根部的Cd含量，在Cd濃度較高土壤中金盞菊能起到良好的富集效果。綜合金盞菊的經(jīng)濟價值和生態(tài)環(huán)境適應(yīng)能力，金盞菊在Cd污染土壤中修復(fù)中有一定的應(yīng)用潛力，特別在Cd污染濃度較高地區(qū)，金盞菊具有良好的Cd富集效果和耐受能力。