磷灰石、石灰對Cd脅迫下黑麥草根形態(tài)及Cd吸收影響研究

杜志敏，向凌云，杜凱敏，楊文玲，王繼雯，雷高，郭雪白，郭亮，周靜，鞏濤，陳國參，甄靜*

（1.河南省科學(xué)院生物研究所有限責(zé)任公司，鄭州 450008；2.河南工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院，鄭州 450001；3.河南省河川工程監(jiān)理有限公司，鄭州 450000；4.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，鄭州 450008；5.中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008）

隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程加快及農(nóng)業(yè)集約化的發(fā)展，土壤重金屬污染問題日益加劇，嚴(yán)重危害食品安全并威脅人類健康，已成為影響我國社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)境問題。Cd 是人體非必需營養(yǎng)元素，具有致癌、致畸和致突變作用，會造成骨骼病變、腎功能損傷、肝腎和肺機(jī)能不全、遺傳及免疫系統(tǒng)等損傷，并誘發(fā)多種癌癥[1-3]。眾所周知的公害病“痛痛病”就是由于日本當(dāng)?shù)鼐用耖L期食用“鎘米”和飲用含Cd的水而引起的疾病[4]。2014 年我國原環(huán)境保護(hù)部和原國土資源部公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》指出，全國土壤總超標(biāo)率為16.1%，污染類型以無機(jī)型為主，其中Cd 的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7.0%，超標(biāo)率為無機(jī)污染物之首，Cd 污染土壤的治理和修復(fù)工作迫在眉睫。相對于重金屬污染土壤的物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)，利用富集植物將重金屬從土壤中提取出來的植物修復(fù)技術(shù)表現(xiàn)出許多優(yōu)勢，如修復(fù)成本低、環(huán)境擾動小、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、二次污染少或無二次污染、利于污染區(qū)域景觀恢復(fù)、適用于大面積重金屬污染場地修復(fù)等[5]。而重金屬污染嚴(yán)重區(qū)域，植物生長因受到重金屬脅迫常表現(xiàn)出生長緩慢、生物量低等癥狀，因此，將生物修復(fù)與化學(xué)修復(fù)相結(jié)合的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)受到研究者推崇，以期通過此方法快速、高效治理重金屬污染土壤。

黑麥草是Cd、Zn等重金屬的富集植物，雖然其吸收重金屬的能力不如超積累植物，但其擁有先鋒植物特性，生長快、生物量大、再生能力強(qiáng)、易于種植、抗病蟲害能力強(qiáng)、對重金屬Cd、Zn等有很強(qiáng)的抗性和蓄積作用，因此常作為修復(fù)植物被用于重金屬污染土壤的修復(fù)研究[6-7]。根系作為植物與土壤直接接觸的器官，是植物體吸收和代謝營養(yǎng)物質(zhì)及毒性物質(zhì)的器官，一方面植物根系形態(tài)會受到環(huán)境變化的影響，表現(xiàn)出很好的發(fā)育可塑性[8]；另一方面根系形態(tài)結(jié)構(gòu)影響著植物對Cd的吸收和木質(zhì)部裝載，進(jìn)而影響Cd 在植物組織中的積累[9-10]。Cd 脅迫引起的根損傷可能與其抑制酶活性相關(guān)，主要表現(xiàn)為損傷根尖細(xì)胞核、抑制核糖核酸酶活性、改變RNA 合成；抑制植物根部Fe3+還原酶活性，導(dǎo)致植物Fe2+缺乏；抑制根部硝酸還原酶活性，減少根部對硝酸鹽的吸收及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)[11]。

植物根系形態(tài)、生長和空間分布直接決定著植物對重金屬的吸收能力及效率。植物在Cd脅迫下積累過量重金屬后，根系生長會受到抑制，從而降低植物對 Cd 的吸收能力[9，12]。王效瑾等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在高濃度Cd處理下，小麥幼苗的根長、根體積和總根尖數(shù)降低，但根系平均直徑逐漸增加。夏雪姣等[14]研究指出，Cd濃度升至40 mg·L-1時(shí)，小麥根的生長受到強(qiáng)烈抑制，中育10 號根長下降69%，洛麥23 根長下降80%。Ostonen 等[15]研究發(fā)現(xiàn)花生在Cd 脅迫下，其根長、根表面積、根體積和總根尖數(shù)均下降，根系平均直徑增加。植物根尖是重要的吸收部位，土壤有效態(tài)Cd 含量高的對照處理，黑麥草根尖數(shù)量最低，表明黑麥草根系側(cè)根形成受Cd 脅迫的抑制，這是植物對Cd脅迫的重要響應(yīng)[10，14]。馮漢青等[16]研究發(fā)現(xiàn)，小麥幼苗水培條件下加入Cd 會導(dǎo)致小麥幼根根長降低，鮮質(zhì)量及干質(zhì)量下降。研究植物根系對重金屬Cd脅迫的響應(yīng)對于揭示植物抵抗重金屬脅迫機(jī)理具有重要意義。目前，根形態(tài)受Cd 脅迫影響的研究多為人工添加Cd 的水培或土培試驗(yàn)，但條件更為復(fù)雜的原位Cd 污染土壤研究較少。本研究針對目前嚴(yán)峻的土壤Cd 污染形勢，通過盆栽試驗(yàn)研究磷灰石、石灰對Cd脅迫下黑麥草生長、根形態(tài)、Cd 含量、Cd 富集量和Cd富集系數(shù)等的影響，研究黑麥草根系對Cd 脅迫的響應(yīng)及根形態(tài)對黑麥草吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)Cd 的影響，為植物修復(fù)技術(shù)順利開展提供理論與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：土壤樣品采集自江西省貴溪市某冶煉廠周邊的污染農(nóng)田，該處田塊因重金屬污染嚴(yán)重已經(jīng)廢棄數(shù)年，土壤沙化及酸化嚴(yán)重。去除土壤表層枯枝落葉等雜物，采集0～20 cm 的表層土壤，帶回實(shí)驗(yàn)室后備用。土壤樣品自然風(fēng)干后，一部分用于后期盆栽試驗(yàn)，一部分用于土壤理化性質(zhì)檢測。土樣基本理化指標(biāo)如下：土壤 pH（土水質(zhì)量比 1∶2.5）5.60；容重1.32 g·cm-3；有機(jī)質(zhì)1.62 g·kg-1；全氮0.88 g·kg-1；有效磷 66.90 mg·kg-1；速效鉀 45.10 mg·kg-1；全 Cd 8.24 mg·kg-1；全 Hg 0.06 mg·kg-1；全 As 32.30 mg·kg-1；全Pb 60.21 mg·kg-1；全Cr 11.86 mg·kg-1。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018），土壤Hg、As、Pb、Cr含量均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，而Cd 含量達(dá)到農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管制值（5.5＜pH＜6.5，2.0 mg·kg-1）的4.12倍。

供試改良劑：石灰購自鄭州建材大市場，pH 12.4，Cd 含量 0.16 mg·kg-1，粒徑 0.25 mm。磷灰石購自鄭州建材大市場，pH 8.2，Cd 含量 0.07 mg·kg-1，粒徑0.16 mm。供試肥料：河南“心連心”牌復(fù)合肥（總養(yǎng)分45%，N、P2O5、K2O 各為15%）購自河南省新鄉(xiāng)市心連心化肥有限公司。供試植物：重金屬富集植物黑麥草（Lolium perenneL.）購自河南秋樂種業(yè)科技股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置7 個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3 次重復(fù)。不添加改良劑的對照處理記為CK，添加低、中、高劑量磷灰石（磷灰石占風(fēng)干土壤質(zhì)量比分別為6、12、24 g·kg-1）的處理分別記為L1、L2、L3，添加低、中、高劑量石灰（石灰占風(fēng)干土壤質(zhì)量比分別為1、2、4 g·kg-1）的處理分別記為S1、S2、S3。

土樣自然風(fēng)干后過2 mm 尼龍篩，選取直徑32 cm、高23 cm 的塑料花盆進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。每盆稱?。?.00±0.05）kg風(fēng)干土，3.0 g復(fù)合肥，施入相應(yīng)劑量磷灰石和石灰后充分混勻。澆水至田間持水量的70%，根據(jù)土壤干濕情況澆水并平衡2 周。每盆均勻種植100 粒黑麥草種子，覆土厚度0.5 cm 左右。此后根據(jù)土壤干濕情況適時(shí)澆水，保持每盆澆水量一致。待黑麥草生長至剛抽穗時(shí)，分地上和根系兩部分采集植物樣品，并采集根際土壤樣品，裝入無菌自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)分析。植物樣品按照杜志敏等[17]的方法進(jìn)行處理，測定黑麥草地上部分、根系干質(zhì)量和Cd含量，土壤樣品風(fēng)干后過尼龍篩，測定其pH 和Cd 含量。

1.3 樣品分析

在黑麥草生長至剛抽穗時(shí)（黑麥草播種后45 d），采集植物樣品，用去離子水沖洗干凈后瀝干水，取一部分植物樣品置于烘箱中105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，分別稱量黑麥草地上部分和根系干質(zhì)量。黑麥草根系樣品盡可能完整采集，用去離子水沖洗干凈，吸水紙吸干根系表面水分，均勻鋪開，使用EPSON全自動根系掃描儀（Seiko Epson，日本）掃描根系，用WinRHIZO PRO 2009（Regent，加拿大）根系圖像分析軟件分析獲得黑麥草根平均直徑、根長、根尖數(shù)、根表面積和根體積等指標(biāo)。土壤有效態(tài)Cd含量、黑麥草Cd 含量按魯如坤[18]的方法提取，并用原子吸收分光光度計(jì)（Hitachi z2000）測定。

Cd 在植物體內(nèi)由根系向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、富集系數(shù)計(jì)算公式分別為：

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=植物地上部分Cd含量（mg·kg-1）/植物根系Cd含量（mg·kg-1）

地上部分Cd 富集系數(shù)=地上部分Cd 含量（mg·kg-1）/土壤Cd含量（mg·kg-1）

根系 Cd 富集系數(shù)=根系 Cd 含量（mg·kg-1）/土壤Cd含量（mg·kg-1）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2010 和 SPSS 19.0 對相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷灰石、石灰對黑麥草生物量的影響

CK 處理黑麥草出芽率低，出苗5 d 后，大部分幼苗枯萎變黃，表現(xiàn)出中毒癥狀。Cd 污染土壤施入磷灰石和石灰后，黑麥草生物量有不同程度增加，結(jié)果如圖1 所示。黑麥草地上部分及根系生物量增加幅度均隨著磷灰石和石灰添加劑量的增加而增大，L2處理黑麥草根系生物量達(dá)到CK 的38.6 倍，L3 處理黑麥草地上部分和根系生物量分別達(dá)到CK 的176.0 倍和174.4 倍，S2、S3 處理地上部分生物量分別達(dá)到CK的 72.2 倍和 130.2 倍，S1、S2、S3 處理根系生物量分別達(dá)到 CK 的 53.3、80.1、154.8 倍，且均與 CK 達(dá)到顯著差異水平。

2.2 磷灰石、石灰對黑麥草根形態(tài)的影響

磷灰石和石灰處理后黑麥草根系形態(tài)變化情況如圖2 所示。與CK 相比，黑麥草根系平均直徑顯著降低，根長、根尖數(shù)、根表面積和根體積有不同程度增加。L2、L3、S2、S3 處理黑麥草根長均顯著高于CK 處理，分別是 CK 的 6.7、20.2、15.2、15.4 倍。中、高劑量磷灰石和石灰處理黑麥草根尖細(xì)胞分裂增多，根尖數(shù)顯著增加，其中L3處理根尖數(shù)顯著高于其他處理，達(dá)到CK 處理的24.5 倍。L3 處理黑麥草根表面積和根體積均最高，與CK相比顯著增加了21.0倍和21.3倍，與其他6種處理均達(dá)到顯著差異。

黑麥草生物量與根形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)性分析如表1 所示。黑麥草地上部分和根系生物量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.979；黑麥草地上部分和根系生物量與根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與根平均直徑呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；黑麥草根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)4 種根形態(tài)指標(biāo)兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；黑麥草根平均直徑與根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.746、-0.693、-0.651和-0.805。

2.3 磷灰石、石灰對黑麥草不同部位Cd含量的影響

由圖3 可知，磷灰石和石灰處理不同程度地降低了黑麥草地上部分和根系的Cd 含量。與CK 相比，L1、L2和L3處理黑麥草地上部分Cd含量分別下降了36.4%、46.1%和47.1%，L2 和L3 處理黑麥草根系Cd含量分別下降了29.3%和41.9%，均與CK 達(dá)到顯著差異水平；S2 和S3 處理黑麥草地上部分Cd 含量分別下降了28.2%和36.5%，S1、S2 和S3 處理黑麥草根系Cd 含量分別下降了22.5%、31.5%和42.1%，均與CK達(dá)到顯著差異水平。

2.4 磷灰石、石灰對黑麥草Cd富集量的影響

磷灰石、石灰對黑麥草地上部分和根系Cd 富集量的影響如圖4所示。CK處理地上部分和根系Cd富集量均最低，施入磷灰石和石灰后Cd富集量有不同程度提高。與CK相比，L2和L3處理黑麥草地上部分Cd富集量分別增加了20.8倍和89.6倍，根系Cd富集量分別增加了27.1 倍和100.9 倍，均達(dá)到顯著差異水平；S1、S2 和S3 處理黑麥草地上部分Cd 富集量分別增加了 37.3、51.0 倍和 79.8 倍，根系 Cd 富集量分別增加了41.5、55.3倍和89.3倍，均達(dá)到顯著差異水平。

黑麥草Cd 富集量與干質(zhì)量、Cd 含量的相關(guān)性分析結(jié)果如表2 所示，黑麥草地上部分與根系Cd 富集量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.980。黑麥草地上部分和根系Cd富集量與地上部分和根系干質(zhì)量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與黑麥草根系Cd 含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 黑麥草生物量與根形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis between biomass and root morphology of ryegrass

表2 黑麥草Cd富集量與黑麥草干質(zhì)量、Cd含量的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis among Cd accumulation and biomass，root morphology of ryegrass

2.5 磷灰石、石灰對土壤有效態(tài)Cd 含量及pH 變化的影響

本試驗(yàn)結(jié)束時(shí)CK 和磷灰石、石灰處理土壤Cd全量大小范圍為7.98～8.24 mg·kg-1，且不同處理間無顯著差異（數(shù)據(jù)未列出）。磷灰石、石灰對土壤有效態(tài)Cd 含量及pH 的影響如圖5 所示。CK 處理土壤有效態(tài)Cd 含量為6.89 mg·kg-1，施入磷灰石、石灰后土壤有效態(tài)Cd 含量出現(xiàn)不同程度降低。與CK 相比，L1、L2 和L3 處理土壤有效態(tài)Cd 含量分別降低了15.8%、27.2% 和36.9%，S1、S2 和S3 處理土壤有效態(tài) Cd 含量分別降低了6.3%、13.0%和17.6%，降低幅度隨添加劑量增加而增大，均與CK達(dá)到顯著差異水平。CK處理土壤pH 為4.73，施入磷灰石、石灰后土壤pH 顯著提高，磷灰石和石灰對土壤pH的增加幅度均隨添加劑量增加而增大，其中L3和S3處理增加效果最為顯著，與其他處理均達(dá)到顯著差異水平。土壤有效態(tài)Cd含量與土壤pH 呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.667，表明土壤有效態(tài)Cd含量隨土壤pH升高而降低。

2.6 黑麥草Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)

磷灰石、石灰對黑麥草Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)的影響如圖6 所示。與CK 相比，磷灰石和石灰處理的黑麥草Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)無顯著差異（圖6A）。CK 處理黑麥草地上部分和根系Cd 富集系數(shù)均最高（圖6B 和圖6C），施入磷灰石和石灰后，黑麥草地上部分和根系Cd 富集系數(shù)有不同程度降低，其中中、高劑量磷灰石和石灰處理后地上部分和根系Cd富集系數(shù)顯著降低。

2.7 土壤有效態(tài) Cd 含量、黑麥草 Cd 含量、Cd 富集量與根形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)性

土壤有效態(tài) Cd 含量、黑麥草 Cd 含量、Cd 富集量與根形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)性分析如表3 所示。土壤有效態(tài)Cd 含量與黑麥草地上部分、根系Cd 含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與黑麥草地上部分、根系Cd富集量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤有效態(tài)Cd 含量與黑麥草根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與黑麥草根平均直徑呈顯著正相關(guān)關(guān)系。黑麥草地上部分和根系Cd 含量與根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與黑麥草根平均直徑呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。黑麥草地上部分和根系Cd 富集量與黑麥草根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與黑麥草根平均直徑均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。黑麥草地上部分和根系Cd富集系數(shù)與土壤有效態(tài)Cd 含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與黑麥草根平均直徑呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 磷灰石、石灰對土壤pH及有效態(tài)Cd含量的影響

磷灰石、石灰是常見的重金屬污染土壤改良劑，作為堿性改良劑，其降低重金屬毒性主要通過提高土壤 pH 來實(shí)現(xiàn)[17，19]。首先，土壤 pH 增加會增強(qiáng)土壤中有機(jī)/無機(jī)膠體及土壤黏粒對重金屬離子的吸附能力，使土壤及土壤溶液中活性較高的有效態(tài)和交換態(tài)重金屬離子數(shù)量減少，從而降低植物體的重金屬含量[20]；其次，土壤pH 增加（OH-濃度高時(shí)），OH-易與重金屬離子形成羥基態(tài)金屬離子，該形態(tài)比自由態(tài)金屬離子更易與土壤吸附位點(diǎn)結(jié)合[20-21]；再次，土壤pH 增加，土壤溶液OH-濃度升高，OH-易與重金屬陽離子結(jié)合并生成難溶的M（OH）n沉淀物，進(jìn)而降低土壤中重金屬有效態(tài)含量。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，Cd 污染土壤中施入磷灰石、石灰后，土壤pH 顯著增加，土壤有效態(tài)Cd 含量顯著降低，且土壤pH 與土壤有效態(tài)Cd 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與前人研究結(jié)果一致[22-24]。此外，磷灰石作為常用的基肥，一方面可為植物生長提供磷素營養(yǎng)，另一方面能形成磷酸鹽類重金屬沉淀，從而降低土壤重金屬生物有效性，最終達(dá)到促進(jìn)植物生長的目的。石灰中的Ca2+、Mg2+等離子半徑與Cd2+半徑接近，對Cd2+有拮抗作用，極大地影響了Cd在土壤中的化學(xué)行為[25]。對于酸性及偏中性重金屬污染土壤而言，施加磷灰石、石灰等堿性改良劑增加了土壤pH，能有效降低土壤有效態(tài)重金屬含量，減輕土壤重金屬對植物的毒性，達(dá)到促進(jìn)植物生長及增加生物量的效果。

3.2 Cd脅迫對黑麥草生長及根形態(tài)的影響

Cd是植物生長的非必需營養(yǎng)元素，Cd2+的高度移動性致使其極易進(jìn)入植物體，累積到一定程度后會損傷細(xì)胞膜及細(xì)胞活性物質(zhì)，抑制光合作用及酶活性，影響植物正常新陳代謝，對植物生長產(chǎn)生毒害作用[26-29]。植物生物量是表征植物生長狀況最直觀的指標(biāo)，能反映植物受毒害程度[30]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，CK 處理黑麥草地上部分和根系生物量均最低，施入高劑量磷灰石、石灰后，土壤有效態(tài)Cd 含量顯著降低，黑麥草生物量顯著增加。這表明CK 處理黑麥草遭受Cd 毒害作用最大，黑麥草新陳代謝及生長受到嚴(yán)重影響，施入磷灰石、石灰后Cd對黑麥草的毒性降低，Cd對黑麥草生長的抑制作用減弱。

表3 土壤有效態(tài)Cd含量、黑麥草Cd含量、根形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis among soil available Cd and root morphology，Cd concentration of ryegrass

土壤有效態(tài)Cd含量與黑麥草根形態(tài)指標(biāo)均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，而土壤Cd 全量與黑麥草根形態(tài)各指標(biāo)均無顯著相關(guān)關(guān)系。這在一定程度上驗(yàn)證了總量法難以反映土壤重金屬的生物有效性和移動性，而土壤有效態(tài)重金屬可較好反映重金屬的生物有效性和移動性，更易被植物吸收并影響植物根系生長及形態(tài)發(fā)育，對植物產(chǎn)生的毒害作用更強(qiáng)[31-32]。根系作為植物與土壤直接接觸的器官，是植物吸收、代謝營養(yǎng)物質(zhì)及毒性成分的主要器官[13]。根系形態(tài)與植物對養(yǎng)分、重金屬的吸收能力有密切關(guān)系，在響應(yīng)環(huán)境變化方面表現(xiàn)出高度的發(fā)育可塑性[9-10]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，黑麥草生物量與根形態(tài)指標(biāo)均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，表明根形態(tài)指標(biāo)對植物吸收營養(yǎng)元素，促進(jìn)植物生物量增加的重要性。Ostonen 等[15]研究指出，花生在Cd 脅迫條件下，根長、根表面積、根體積和總根尖數(shù)下降，根系平均直徑增加。Lu 等[10]對5 個(gè)不同品種花生研究發(fā)現(xiàn)，Cd 脅迫降低了花生根長、根表面積、比根長、總根尖數(shù)，但增加了根系平均直徑。CK處理黑麥草根長、根尖數(shù)、根表面積和根體積均最低，根系平均直徑最大，當(dāng)土壤有效態(tài)Cd含量隨著磷灰石、石灰施入而降低后，Cd 對黑麥草的毒性降低，黑麥草的根長、根尖數(shù)、根表面積和根體積有不同程度增加，根系平均直徑降低，即植物受到Cd 脅迫后表現(xiàn)出根變短變粗、根毛缺乏、側(cè)根分枝減少等癥狀，這與前人研究結(jié)果[13-16]基本一致。Cd 脅迫下植物根系平均直徑增加，一方面由于Cd 誘導(dǎo)小麥根部皮層細(xì)胞數(shù)量增多，另一方面由于Cd脅迫下根毛及側(cè)根減少，主根在根系中相對比重增大，使得根系平均直徑增加。

3.3 黑麥草根形態(tài)與Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的相互關(guān)系

植物根系形態(tài)發(fā)育可塑性是植物在特定環(huán)境下的生存策略[33]，Cd 脅迫嚴(yán)重影響植物的根系發(fā)育[34]，而植物根系形態(tài)和結(jié)構(gòu)變化又能反過來影響根系對Cd 吸收和木質(zhì)部的裝載效率，從而影響Cd 在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累[9，35]。修復(fù)植物的重金屬富集量，特別是地上部分重金屬富集量是影響其修復(fù)潛力的重要指標(biāo)。通常認(rèn)為，作為植物吸收器官的根系越發(fā)達(dá)，越利于植物對重金屬Cd 的吸收，這在小麥[13-14，16]、花生[36]、油菜[32，37]、擬南芥[34]等多種植物品種或生態(tài)型的比較研究中得到證實(shí)。本研究結(jié)果表明，反映黑麥草根系大小的形態(tài)學(xué)指標(biāo)（根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)）均與地上部分及根部Cd 富集量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，根平均直徑與地上部分及根部Cd 富集量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與前人研究結(jié)果[10，12，38]基本一致。但與高茜蕾等[38]和Lu等[10]研究結(jié)果不同，本研究中黑麥草根形態(tài)學(xué)指標(biāo)與地上部分及根系Cd含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這一方面由于在黑麥草根形態(tài)指標(biāo)（根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)）較高的磷灰石、石灰處理中，生物有效性高的土壤有效態(tài)Cd 含量低，導(dǎo)致植物吸收的Cd 含量低；另一方面，黑麥草根形態(tài)與植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)密切相關(guān)，根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)等指標(biāo)與生物量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，較發(fā)達(dá)的根系可有效促進(jìn)黑麥草的生長，稀釋了黑麥草吸入植株體內(nèi)的Cd，從而導(dǎo)致磷灰石、石灰處理下黑麥草地上部分及根系Cd含量降低。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)是表征植物對重金屬轉(zhuǎn)移和吸收能力的重要指標(biāo)[13]。本研究不同處理間黑麥草對Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（轉(zhuǎn)移能力）無顯著差異，黑麥草對Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與根形態(tài)指標(biāo)間均無顯著相關(guān)性，這表明對于某特定植物種類而言，土壤酸堿性、重金屬有效性、植物根形態(tài)等變化對其轉(zhuǎn)移重金屬能力影響不顯著，特定植物轉(zhuǎn)移重金屬的能力可能與其本身遺傳特征有很大關(guān)系。而磷灰石（低劑量磷灰石除外）、石灰處理后黑麥草對Cd的富集系數(shù)（吸收能力）顯著高于CK處理，這表明磷灰石、石灰處理顯著影響了黑麥草對Cd 的吸收能力。由黑麥草Cd 富集系數(shù)的計(jì)算方法可知，Cd 富集系數(shù)由黑麥草Cd 含量及土壤Cd 含量決定，與黑麥草Cd 含量呈正比，與土壤Cd含量呈反比，試驗(yàn)中土壤Cd 含量變化不顯著，所以Cd 富集系數(shù)變化主要來自于黑麥草Cd 含量的變化。植物根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)等指標(biāo)增加，可有效增大植物根系與土壤及土壤溶液接觸面積，在促進(jìn)植物根系對營養(yǎng)物質(zhì)吸收的同時(shí)增加了植物對重金屬Cd 的吸收，試驗(yàn)結(jié)果顯示黑麥草Cd 富集系數(shù)與根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這表明植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收速率高于其對Cd的吸收速率。

4 結(jié)論

Cd 污染土壤施入中、高劑量磷灰石、石灰后，土壤pH 顯著增加，土壤有效態(tài)Cd 含量顯著降低，黑麥草地上部分及根系生物量、根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)均顯著增加，但黑麥草根平均直徑顯著降低；黑麥草地上部分及根系Cd 含量顯著降低，Cd 富集量顯著增加，黑麥草Cd富集系數(shù)顯著降低。

選取土壤pH、有效態(tài)Cd含量、植物生物量、Cd含量、Cd 富集量、根形態(tài)、Cd 富集系數(shù)等指標(biāo)綜合考察Cd 污染土壤“改良劑-植物”聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的效果，表明磷灰石和石灰等改良劑能顯著降低土壤有效態(tài)Cd 含量，促進(jìn)植物的生長及其對Cd 的富集，進(jìn)而保證植物修復(fù)技術(shù)更好地實(shí)施，其中施入24 g·kg-1劑量磷灰石并種植黑麥草的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)對Cd 污染土壤的修復(fù)效果顯著，適于在酸性、中度Cd 污染土壤上推廣應(yīng)用。