間作條件下超積累和非超積累植物對(duì)重金屬鎘的積累研究

霍文敏，鄒 茸，王 麗，范洪黎*

［1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所／農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083］

據(jù)報(bào)道，當(dāng)前我國(guó)約有1/5的耕地存在重金屬污染，其中Cd污染耕地面積為1.33萬(wàn)hm2。有關(guān)研究表明，8種土壤重金屬元素中Cd污染概率達(dá)25.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他重金屬元素［1］。White等研究表明，Cd在植物組織中的濃度達(dá)到5～10 mg/kg就會(huì)對(duì)植物體造成毒害［2］。由于Cd化合物的溶解度高于其他金屬化合物，因此Cd在水-土壤-植物系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的遷移能力［3］，且能夠通過食物鏈在人體中積累［4］，美國(guó)毒物管理會(huì)（ATSDR）將Cd列為人體健康的有毒物質(zhì)的第6位［5］。植物提取修復(fù)技術(shù)是利用超積累植物來修復(fù)污染土壤或水體的一種成本低、有效的土壤Cd修復(fù)技術(shù)［6-7］，但由于超積累植物大多生長(zhǎng)緩慢、生物量小、大范圍推廣難度大，因此急需篩選富集能力強(qiáng)、生物量大、適應(yīng)性好的重金屬Cd修復(fù)植物［8］。

目前，國(guó)內(nèi)外發(fā)現(xiàn)的Cd超積累植物有17種，且多數(shù)為草本植物［9］。魏樹和等通過室外盆栽模擬試驗(yàn)及重金屬污染區(qū)試驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)并證實(shí)雜草龍葵（Solanum nigrum L.）是一種Cd超積累植物［10］。龍葵具有抗逆性強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速以及在環(huán)境適宜條件下能夠急劇提高等特點(diǎn)，同時(shí)，當(dāng)Cd濃度為25 mg/kg時(shí)，龍葵莖、葉中Cd含量分別為103、124 mg/kg，地上部Cd富集系數(shù)為2.68［11］。黑麥草（Lolium perenne L.），多年生植物，具有根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)快、地上部分生物量大、可多次收割的特點(diǎn)［12-13］，因而在用作重金屬修復(fù)植物資源方面具有非常大的潛力。楊卓等通過溫室盆栽試驗(yàn)表明，種植黑麥草3個(gè)月后，地上部、根部Cd含量分別為5.57、114 mg/kg［14］，監(jiān)測(cè)黑麥草體內(nèi)重金屬含量的變化發(fā)現(xiàn)，地上部分對(duì)Cd具有超強(qiáng)的富集能力［15］。

目前，國(guó)內(nèi)外Cd污染土壤的植物修復(fù)中，對(duì)于超積累植物的研究取得了一定的進(jìn)展［16］，但是對(duì)于間作條件下超積累及非超積累植物不同器官的生長(zhǎng)及對(duì)Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特性的研究還比較少［17］。本文以超積累植物龍葵和非超積累植物莧菜、黑麥草為研究對(duì)象，采用溫室盆栽試驗(yàn)，研究玉米間作條件下對(duì)3種植物的生長(zhǎng)，對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制以及對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)效率，為今后篩選Cd污染土壤中最適宜間作的植物以及提高土壤的修復(fù)效率提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

采自河南省北部某市，該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14℃，全年日照時(shí)數(shù)約2 400 h，年平均降水量656 mm。從污染點(diǎn)的農(nóng)田進(jìn)行采土作為供試土壤，該供試土壤質(zhì)地為棕壤砂土，采多點(diǎn)進(jìn)行混合，土壤風(fēng)干、磨碎后分別過2、0.25 mm篩，土壤理化性質(zhì)及重金屬含量的測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 供試作物

供試玉米由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供，品種為鄭單958號(hào)。玉米種子經(jīng)10% H2O2溶液消毒20 min，然后用去離子水沖洗幾遍，在培養(yǎng)皿中用去離子水浸種催芽24 h，待種子發(fā)芽后播種至土壤中。供試超積累植物選用野生龍葵，采用種子育苗，龍葵種子先經(jīng)溫水浸泡12 h，然后用濕毛巾包起來置于25℃以上催芽，待幼苗長(zhǎng)出兩片真葉后選擇大小相近，長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移栽，每盆定植幼苗4株。供試非超積累植物選用莧菜、黑麥草。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2017年6月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室中進(jìn)行，采用白色PVC圓盆（直徑35 cm，高30 cm）［18-19］，將供試Cd污染土裝盆，每盆裝10 kg土，將催芽后的玉米種子、龍葵幼苗、莧菜種子、黑麥草種子同時(shí)移入盆中，分別設(shè)置以下7種處理，重復(fù)3次。7種處理分別為玉米單作（CK）、莧菜單作、黑麥草單作、龍葵單作、玉米-莧菜間作、玉米-黑麥草間作、玉米-龍葵間作。每盆移栽玉米1株，間作植物龍葵、黑麥草、莧菜均為4株。其中，盆中央移栽1株玉米，距四周以10 cm，4株間作植物等間距分布。植株統(tǒng)一在20～30℃溫室條件下培養(yǎng)，生長(zhǎng)期間每1～2 d進(jìn)行澆水，保持在田間持水量的70%左右。玉米、龍葵、莧菜、黑麥草4種植物生長(zhǎng)期一致，為2017年6月15日至9月30日。

1.4 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

收獲時(shí)，植物成熟期采集土壤樣品和植株樣品。每盆用小型不銹鋼土鉆隨機(jī)采取5點(diǎn)，組成1個(gè)混合土樣。土壤樣品自然風(fēng)干磨碎后分別過2、0.25 mm篩備用；植株樣品分根、莖、葉和籽粒4部分取樣，清水洗凈后再用去離子水沖洗，在105℃烘箱中殺青30 min，80℃烘干，同時(shí)測(cè)生物量，并將根、莖、葉和籽實(shí)分別磨碎，過0.25 mm篩備用。

植物中Cd前處理：取過0.25 mm篩的植株樣品 0.25 g，采用 HNO3-HC1O4（4∶1）消解，定容至25 mL；土壤Cd全量前處理：取過0.25 mm篩的土壤樣品0.20 g，采用王水-H2O2消解，定容至50 mL待測(cè)；土壤有效態(tài)Cd前處理：稱取過2 mm篩孔的風(fēng)干盆栽土壤5.00 g放入100 mL錐形瓶中，加入DTPA提取劑25.0 mL，在往復(fù)振蕩器上振蕩提取2 h。振蕩頻率為（180±20）r/min，振蕩溫度為（25±2）℃。棄去最初2～3 mL濾液，濾液待測(cè)［14］。DTPA提取劑的制備：稱取1.97 g DTPA（二乙三胺五乙酸）溶于14.9 g（13.3 mL）TEA（三乙醇胺）和少量水中，再將1.11 g CaCl2溶于水中，一并轉(zhuǎn)入1 000 mL容量瓶中，加水至約950 mL，用6 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH值至7.30（每升提取液約需加6 mol/L HCl溶液8.50 mL），最后用水定容，貯存于塑料瓶中［20］。

Cd含量均采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS為美國(guó)Agilent 7700x。測(cè)定過程中質(zhì)控樣品為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10020（GSB-11），Cd標(biāo)準(zhǔn)值為（0.17±0.02）mg/kg，測(cè)定值為0.18 mg/kg，質(zhì)控樣品測(cè)定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

1.5 富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

富集系數(shù)（BCF）=玉米地上部Cd含量／土壤中Cd元素含量

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=玉米地上部Cd含量／地下部Cd元素含量

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差采用Excel 2007軟件，數(shù)據(jù)的方差分析、相關(guān)性分析及聚類分析采用SPSS 19.0軟件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析，多重比較用Duncan新復(fù)級(jí)差法。字母不同表示差異顯著（5%水平），字母相同者表示不顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作條件下不同超積累植物與非超積累植物的生物量

本試驗(yàn)中選取的幾種富集植物的種類不同，各器官的生物量也存在差異，具體如表2所示。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，3種間作植物龍葵、黑麥草、莧菜生長(zhǎng)良好，未出現(xiàn)任何中毒現(xiàn)象，因此，這3種植物都具有較強(qiáng)的耐Cd特性。地上部生物量最大的為龍葵，其次是莧菜，黑麥草的生物量最小。其中，土壤Cd濃度為1.59 mg/kg時(shí)，龍葵地上部生物量分別是莧菜、黑麥草的2.41、10.6倍；土壤Cd濃度為1.92 mg/kg時(shí)，龍葵地上部生物量分別是莧菜、黑麥草的2.42、9.06倍。方差分析顯示，3種富集植物地上部生物量的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

表2 超積累植物、非超積累植物與玉米間作下的生物量

2.2 間作條件下不同超積累植物與非超積累植物對(duì)Cd含量的影響

由圖1可知，間作條件下超積累植物龍葵各器官中Cd含量表現(xiàn)為：葉＞莖＞籽粒＞根，即地上部大于根部，表明超積累植物向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)能力強(qiáng)；而莧菜中Cd含量表現(xiàn)為：根＞葉＞莖，黑麥草中Cd含量表現(xiàn)為：根部＞地上部，即非超積累植物Cd含量為根部大于地上部。土壤Cd污染程度越高，間作植物莧菜、黑麥草、龍葵對(duì)重金屬Cd的吸收積累作用越強(qiáng)。其中，黑麥草根部Cd含量最高，其次是莧菜，龍葵根部Cd含量最低；龍葵地上部Cd含量最高，其次是莧菜，黑麥草地上部Cd含量最低。Cd濃度為1.59 mg/kg時(shí)，龍葵莖、葉中Cd含量分別是莧菜的18.8、10.4倍；Cd濃度為1.92 mg/kg時(shí)，龍葵莖、葉Cd含量分別是莧菜的12.0、9.97倍，表明超積累植物龍葵地上部對(duì)Cd的吸收積累遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非超積累植物莧菜、黑麥草。

圖1 間作下超積累植物與非超積累植物的Cd含量

2.3 間作條件下超積累植物和非超積累植物對(duì)Cd累積量的影響

不同超積累植物、非超積累植物間作下對(duì)Cd積累的影響如圖2所示，間作條件下超積累植物、非超積累植物根部Cd累積量的大小順序?yàn)椋汉邴湶荩君埧厩{菜，而地上部Cd累積量的大小順序?yàn)椋糊埧厩{菜＞黑麥草。Cd濃度為1.59、1.92 mg/kg時(shí)，龍葵地上部Cd累積量分別為273、367μg/株，遠(yuǎn)大于超積累植物的臨界標(biāo)準(zhǔn)［21］。其中，Cd濃度為1.59 mg/kg時(shí)，龍葵地上部Cd累積量分別為莧菜、黑麥草的28.0、59.9倍；Cd濃度為1.92 mg/kg時(shí)，龍葵地上部Cd累積量分別為莧菜、黑麥草的30.8、43.5倍，且超積累植物龍葵與非超積累植物莧菜、黑麥草的地上部Cd累積量差異顯著（P＜0.05）。因此，超積累植物龍葵對(duì)Cd的累積量遠(yuǎn)大于非超積累植物莧菜、黑麥草。

圖2 間作條件下超積累植物與非超積累植物Cd累積量的差異

2.4 間作條件下不同超積累植物和非超積累植物對(duì)土壤Cd全量、有效態(tài)Cd含量的影響

圖3 間作條件下超積累植物與非超積累植物對(duì)土壤Cd全量、有效態(tài)Cd含量的影響

玉米間作條件下不同超積累、非超積累植物對(duì)土壤中Cd全量、有效態(tài)Cd含量的影響不同，其中，間作莧菜的土壤中Cd全量及有效態(tài)Cd含量最高，其次是黑麥草，間作龍葵的土壤中Cd全量及有效態(tài)Cd含量最低，表明龍葵間作模式對(duì)Cd污染的土壤修復(fù)作用最強(qiáng)。土壤中Cd含量為1.59 mg/kg時(shí)，龍葵間作后的土壤Cd全量顯著性下降，莧菜、黑麥草、龍葵與玉米間作下土壤Cd全量分別下降了3.46%、4.97%、19.8%；土壤中Cd含量為1.92 mg/kg時(shí)，莧菜、黑麥草、龍葵與玉米間作下土壤Cd全量分別下降了3.43%、5.79%、22.6%，其中龍葵間作模式下顯著性下降。土壤中Cd含量為1.59 mg/kg時(shí)，莧菜、黑麥草、龍葵間作后的土壤有效態(tài)Cd含量分別下降了24.1%、27.4%、37.1%；土壤中Cd含量為1.92 mg/kg時(shí)，莧菜、黑麥草、龍葵間作后的土壤有效態(tài)Cd含量分別下降了22.9%、28.1%、34.1%。

2.5 間作條件下不同超積累植物和非超積累植物的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

由表3可以看出，土壤中Cd含量為1.59 mg/kg時(shí)，間作模式下超積累植物龍葵的富集系數(shù)是莧菜、黑麥草的28.2、59.3倍，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是莧菜、黑麥草的8.08、55.9倍，差異達(dá)到顯著水平。土壤中Cd含量為1.92 mg/kg時(shí)，龍葵的富集系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的29.4、41.4倍，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的7.98、53.6倍。間作條件下超積累植物龍葵的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)大于1，而非超積累植物莧菜、黑麥草的富集系數(shù)均小于1，表明非超積累植物莧菜、黑麥草對(duì)Cd的積累能力較低。綜上可知，超積累植物龍葵對(duì)土壤中Cd的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)能力遠(yuǎn)大于非超積累植物莧菜、黑麥草。

表3 間作條件下超積累植物與非超積累植物對(duì)Cd的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的差異

3 討論

在同一污染Cd濃度下，不同間作模式下植物地上部Cd累積量差異顯著，地上部Cd積累量的大小順序?yàn)椋糊埧厩{菜＞黑麥草，即Cd脅迫下，超積累植物龍葵對(duì)Cd的累積量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非超積累植物莧菜、黑麥草。由表3可知，不同Cd污染濃度下，莧菜、黑麥草對(duì)Cd的富集系數(shù)均小于1，而龍葵對(duì)Cd的富集系數(shù)均大于16，這與熊國(guó)煥等研究結(jié)果相似［22］。富集系數(shù)能夠反映元素在土壤-植物這一系統(tǒng)中的吸收能力，表明間作模式下超積累植物龍葵對(duì)Cd的積累能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非超積累植物莧菜、黑麥草。有關(guān)研究表明，植物對(duì)重金屬Cd的吸收過程中，吸收速率（Vmax）起到關(guān)鍵的作用［23］。Cd超積累生態(tài)型N.caerulescens Granges對(duì)Cd的最大吸收速率約為Prayon生態(tài)型的5倍［24］，A.halleri與S.alfredii兩種超積累植物也表現(xiàn)出相似的結(jié)果［25-26］。

研究表明，超積累植物和非超積累植物地上部對(duì)Cd的吸收積累存在差異，龍葵地上部Cd累積量遠(yuǎn)高于非超積累植物莧菜、黑麥草。Cd污染濃度分別為1.59、1.92 mg/kg時(shí)，龍葵地上部Cd累積量分別為273、367μg/株。該結(jié)果與黑亮等一致，黑亮等通過研究玉米與超積累植物東南景天套種，發(fā)現(xiàn)東南景天提取Zn的效率顯著提高［27］。間套種條件下，由于玉米一側(cè)根際土壤中pH值降低，水溶性有機(jī)物（DOC）提高，使得土壤中水溶性Cd濃度增加，從而促進(jìn)更多的水溶性Cd向間作作物一側(cè)移動(dòng)，由于超積累植物龍葵能夠吸收更多的重金屬Cd并富集在體內(nèi)［28］，因此超積累植物Cd累積量顯著高于非超積累植物。這一現(xiàn)象其原因與超積累植物特殊的解毒機(jī)制有關(guān)［29］，超積累植物對(duì)重金屬的解毒過程主要有2個(gè)途徑：一是合成一些小分子化合物與重金屬形成絡(luò)合物，降低其毒性；二是將重金屬區(qū)隔于活性較低的部位，如液泡、細(xì)胞壁等［30-31］。而對(duì)于非超積累植物，其根系吸收Cd2+后，一部分在根系細(xì)胞壁和液泡中積累，另一部分通過根細(xì)胞的跨膜運(yùn)輸進(jìn)入木質(zhì)部，再通過莖運(yùn)輸至葉片中［32］。

研究表明，不同Cd污染濃度處理下，龍葵各器官Cd含量分布表現(xiàn)為根＞莖＞籽粒＞葉，即地上部＞根部，這一研究結(jié)果與魏樹和等一致［10］。莧菜、黑麥草Cd含量分布為根部＞地上部，即非超積累植物Cd主要積累在地下部。由表3可知，不同Cd污染濃度下，黑麥草對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，而龍葵對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于27。因此，超積累植物龍葵對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力顯著高于非超積累植物莧菜、黑麥草。對(duì)于這一結(jié)果，是由于超積累植物龍葵的根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬Cd的能力強(qiáng)，而超積累植物根系向地上部高效的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)過程主要由兩方面的過程控制：一是超積累植物根細(xì)胞對(duì)重金屬的截留作用小，二是超積累植物具有高效的木質(zhì)部裝載過程［33］。超積累植物能夠盡可能減少重金屬在根系細(xì)胞液泡的積累，并且能夠?qū)⒁号堇锩娲鎯?chǔ)的重金屬最快速度地轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)進(jìn)而使其能夠往地上部轉(zhuǎn)運(yùn)［34］。Cd非超積累植物相對(duì)于超積累植物來說，根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)效率低很多，可能與其根細(xì)胞液泡對(duì)Cd的截留作用強(qiáng)有關(guān)［35］。

4 結(jié)論

玉米間作模式下，從超積累植物和非超積累植物的生物量來看，地上部分生物量的表現(xiàn)為：龍葵＞莧菜＞黑麥草，黑麥草的生物量最小。其中，土壤Cd濃度為1.59 mg/kg時(shí)，龍葵地上部生物量分別是莧菜、黑麥草的2.41、10.6倍；土壤Cd濃度為1.92 mg/kg時(shí)，龍葵地上部生物量分別是莧菜、黑麥草的2.42、9.06倍。玉米間作模式下，超積累植物龍葵各器官中Cd含量表現(xiàn)為：葉＞莖＞籽粒＞根，即地上部大于根部；而莧菜中Cd含量表現(xiàn)為：根＞莖＞葉，黑麥草中Cd含量表現(xiàn)為：根部＞地上部，即非超積累植物Cd含量為根部大于地上部。土壤中Cd含量為1.59 mg/kg時(shí)，龍葵地上部Cd累積量分別為莧菜、黑麥草的28.0、59.9倍；龍葵的富集系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的28.2、59.3倍，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的8.08、55.9倍，差異達(dá)到顯著水平；莧菜、黑麥草、龍葵間作后的土壤Cd全量顯著性下降，分別下降了3.46%、4.97%、19.8%。土壤中Cd含量為1.92 mg/kg時(shí)，龍葵地上部Cd累積量分別為莧菜、黑麥草的30.8、43.5倍，且超積累植物龍葵與非超積累植物莧菜、黑麥草的地上部Cd累積量差異顯著；龍葵的富集系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的29.4、41.4倍，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別是莧菜、黑麥草的7.98、53.6倍；莧菜、黑麥草、龍葵間作后的土壤Cd全量分別下降了3.43%、5.79%、22.6%，其中龍葵間作模式土壤Cd全量呈顯著性下降。綜上可知，超積累植物龍葵對(duì)土壤中Cd的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非超積累植物莧菜、黑麥草，是玉米間作模式中最理想的植物修復(fù)材料。