不同鈣鎂比處理對三種超富集植物生長及吸收重金屬的影響

趙　濤，劉登彪，2，鄭俊宇，蔣成愛，3*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣州510642；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司,廣東深圳518000；3.廣東高校土壤環(huán)境與固體廢物農(nóng)業(yè)利用重點實驗室，廣州510642）

?

不同鈣鎂比處理對三種超富集植物生長及吸收重金屬的影響

趙濤1，劉登彪1，2，鄭俊宇1，蔣成愛1，3*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣州510642；2.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司,廣東深圳518000；3.廣東高校土壤環(huán)境與固體廢物農(nóng)業(yè)利用重點實驗室，廣州510642）

摘要：通過水培實驗研究了不同鈣鎂比（Ca/Mg=0.2、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0）對Zn/Cd超富集植物東南景天（Sedum alfredii）、Zn/Cd/Ni超富集植物遏藍菜（Noccaca caerulescens）和Ni超富集植物庭薺屬（Alyssum murale）在20 mg Zn·L(-1)、18 mg Ni·L(-1)、10 mg Pb·L(-1)和0.5 mg Cd·L(-1)脅迫下生長和吸收重金屬的影響。研究結(jié)果顯示：A.murale具有很強的將Ni從地下部轉(zhuǎn)移至地上部的能力（轉(zhuǎn)移系數(shù)TF達5.98～11.19）和較高的地上部Ca/Mg比（2.45～16.74）；N.caerulescens對Mg轉(zhuǎn)移能力（TF(Mg)為1.43～3.70）大于Ca（TF(Ca)為0.77～1.38）；S.alfredii對Mg的轉(zhuǎn)移能力與Ca相似。N.caerulescens在正常營養(yǎng)液（Ca/Mg=2）條件下獲得最好的生長和地上部最大Zn/Cd/ Ni含量，增加Ca或Mg的供給都會產(chǎn)生抑制作用；A.murale在高Ca（Ca/Mg=6）供給時獲得最大的生物量和Ni含量，增Ca有助于地上部Ni的累積，但增Mg降低了地上部Ni含量；增加Ca的供給會增加S.alfredii地上部和地下部的Zn含量，增加Ca或Mg的供給都會增加S.alfredii地下部Cd的含量，但S.alfredii在Ca/Mg=0.2時獲得最大的生物量和最大的Zn和Cd含量。S.alfredii、A.murale 和N.caerulescens地上部分別在Ca/Mg比為6、0.2、1.0時獲得最大的Pb含量，其他Ca/Mg比對三種超富集植物地上部吸收Pb均沒有產(chǎn)生顯著影響。Ca/Mg比對超富集植物富集重金屬能力的影響因植物種類和元素而異。

關鍵詞：鈣鎂比；超富集植物；鋅；鎳；鎘；鉛

趙濤，劉登彪，鄭俊宇，等.不同鈣鎂比處理對三種超富集植物生長及吸收重金屬的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2016, 35（3）：440-448.

ZHAO Tao, LIU Deng-biao, ZHENG Jun-yu, et al. Effects of Ca/Mg ratios on growth and heavy metal uptake of three hyperaccumulators[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（3）: 440-448.

重金屬污染的植物修復技術是利用超富集植物對重金屬的吸收、富集和轉(zhuǎn)化能力來去除土壤中的重金屬，具有經(jīng)濟、綠色環(huán)保等優(yōu)點。國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)的超富集植物絕大多數(shù)是在重金屬脅迫環(huán)境下經(jīng)過長期的適應基因變異而形成的生態(tài)耐受型，它們能夠在高濃度重金屬污染的土壤中生存，并將重金屬轉(zhuǎn)移富集在植物地上部，但它們存在生長緩慢、生育期推遲及生物量減少等問題，進而導致修復過程歷時較長，制約著植物修復技術在實際生產(chǎn)中的應用[1-2]。通過農(nóng)藝措施來優(yōu)化調(diào)控這些植物的生長和重金屬的吸收，是提高植物修復效率的重要途徑之一。我們前期研究發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)液中不同水平硼（B）和磷（P）的供給對不同超富集植物生長和吸收重金屬產(chǎn)生了不同效應：除了高P對Alyssum murale（庭薺屬）超積累重金屬的促進作用外，不同濃度的B和P處理對Sedum alfredii（東南景天）、Noccaea caerulescens（遏藍菜）和A.murale（庭薺屬）超富集元素的累積都表現(xiàn)出低濃度促進和高濃度抑制的效應，但不同超富集植物生長和吸收重金屬最佳的B濃度和P濃度均有不同[3-4]。

Ca和Mg都是植物必需的大量營養(yǎng)元素。Ca是植物細胞壁及細胞膜的結(jié)構(gòu)成分，也是介導各種激素或環(huán)境條件引起的生理反應的第二信使，可與植物液泡中多種無機、有機陰離子結(jié)合，在植物生長發(fā)育及許多生理活動中起著重要作用[5]。Mg是葉綠素的成分，也是多種酶的活化劑，對植物光合作用有重要的作用，還對植物的活性氧代謝、酶活性、基因表達及其他離子的吸收等產(chǎn)生重要影響[6]。一些研究表明施加外源Ca或者Mg可以有效減少植物體內(nèi)重金屬的含量，并緩解重金屬對植物的毒害效應[6-11]。Tian等[8]報道添加高濃度的外源Ca可以緩解超富集植物S.alfredii體內(nèi)由Cd脅迫所誘導的脂質(zhì)過氧化和細胞膜完整性被破壞等毒害效應，進而減弱Cd對其生長的抑制作用。汪驄躍等發(fā)現(xiàn)Ca2+對擬南芥幼苗Cd毒害具有緩解作用[9]。Juang等[6]通過15 d的水培實驗研究了Mg對Cu在葡萄藤中累積和轉(zhuǎn)運的影響，結(jié)果顯示Mg2+濃度在0.15～2.01 mmol·L-1時能夠有效降低植株對Cu的吸收及毒性。但在復合污染協(xié)同作用下，通過增加生長基質(zhì)中Ca或Mg的濃度來調(diào)整Ca/Mg比對多種超富集植物吸收累積重金屬的研究還未見報道。

不同植物對Ca或Mg吸收的偏好不同，大部分植物對Ca的需求大于Mg，但也有一些植物例外，如烤煙和生長在富Mg缺Ca蛇紋巖土壤上的Ni超富集植物[12，14]。本研究以正常營養(yǎng)液的Ca/Mg比為基礎，通過增加Ca或Mg的濃度調(diào)節(jié)營養(yǎng)液Ca/Mg比，采用水培試驗探討在超富集重金屬Zn、Cd、Ni及非富集重金屬Pb復合污染脅迫下，不同Ca/Mg比處理對多種超富集植物的生長及吸收重金屬的影響，為利用生長基質(zhì)Ca/Mg比來優(yōu)化調(diào)控超富集植物對重金屬的提取效率提供應用基礎。

1　材料與方法

1.1實驗材料

本研究選取的三種超富集植物分別是：2002年在浙江衢州古老的鉛鋅礦區(qū)發(fā)現(xiàn)的一種本土Zn/Cd超富集植物礦山生態(tài)型東南景天（S.alfredii）[15]、生長在法國南部蛇紋巖土壤能超富集Zn/Ni/Cd等多種重金屬的遏藍菜（N.caerulescens）[4]和來自于希臘的十字花科庭薺屬Ni的超富集植物（A.murale）[4，14]。S.alfredii的種苗取自浙江省鉛鋅礦山上，于2013年9月移至溫室繁殖，用石英砂和完全培養(yǎng)液預培育2個月后，開始盆栽試驗；N.caerulescens和A.murale的種子于2011年分別取自法國和希臘。

1.2實驗設計和水培實驗

水培實驗在華南農(nóng)業(yè)大學的網(wǎng)室進行。營養(yǎng)液采用華南農(nóng)業(yè)大學葉菜配方[16]，其組成為：Ca（NO3）2· 4H2O 472 mg·L-1，KNO3202 mg·L-1，NH4NO380 mg·L-1，KH2PO4100 mg·L-1，K2SO4174 mg·L-1，MgSO4·7H2O 246 mg·L-1，H3BO32.86 mg·L-1，MnSO4·4H2O 2.13 mg· L-1，ZnSO4·7H2O 0.22 mg·L-1，CuSO4·5H2O 0.08 mg·L-1，（NH4）6Mo7O24·4H2O 0.02 mg·L-1，F(xiàn)eSO4·7H2O 27.8 mg· L-1，EDTA-2Na 37.2 mg·L-1。用石英砂和稀釋的營養(yǎng)液育種后，選取大小、長短一致的各種植物苗，每盆裝營養(yǎng)液1.2 L種植4株。用完全營養(yǎng)液培養(yǎng)一個月后，將營養(yǎng)液中的Zn去掉，按表1進行不同Ca/Mg比處理和添加重金屬，其中Ca/Mg比為2的是正常營養(yǎng)液，即為對照組，每個處理4個重復。

預培養(yǎng)和處理期間均保持24 h連續(xù)通氣，每3 d更換一次營養(yǎng)液，處理40 d后，按地上部和地下部（根部）分開收獲植物，用自來水清洗地上部并反復沖洗地下部，再用0.02 mol·L-1EDTA-2Na交換15 min，去除根系表面吸附的Zn2+、Ni2+、Pb2+和Cd2+，最后用去離子水沖洗干凈，用吸水紙將植株表水吸干。然后將各植物樣品置于105℃烘箱中殺青30 min，于75℃連續(xù)烘干48 h至恒重，冷卻后稱量植物體地上部和地下部的重量，得干生物量。研磨后供元素分析用。

1.3樣品的分析測定

研磨后的植物樣品，炭化后在馬福爐550℃干灰化8 h，用1：1（V：V）HCl溶解、過濾、定容，用原子吸收光度法測定Ca、Mg、Zn、Cd、Ni和Pb含量。在植物樣品的測試過程中每批次樣品均同時做三個全程序的空白樣，并隨機抽取25%的樣品做平行實驗，同時采用國家標準參比物質(zhì)（植物：GBW-08501）做質(zhì)量控制。植株對金屬的轉(zhuǎn)運系數(shù)=地上部金屬含量/地下部金屬含量。

數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，設定5%的顯著性水平，運用單因素隨機排列方差分析，并用Duncan氏法進行平均值間的多重比較分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同Ca/Mg比對超富集植物生長及生物量的影響

不同Ca/Mg比對三種植物的生長產(chǎn)生了不同的效應，N.caerulescens、S.alfredii和A.murale分別在Ca/ Mg比為2、0.2和6時生長相對較好，并獲得最大的生物量（見表2）。增Mg顯著地增加了S.alfredii生物量，Ca/Mg比為0.2時其地上部和地下部的生物量較Ca/Mg為2（正常營養(yǎng)液的配比）時分別提高了68.2% 和68.6%；增Ca促進了A.murale的生長，Ca/Mg比為0.2時長勢比較差，根系分生少，Ca/Mg比為6的生物量遠遠大于Ca/Mg比為0.2的。以正常營養(yǎng)液的Ca/ Mg比為基礎，增Ca或增Mg均抑制了N.caerulescens的生長，顯著降低了其生物量。

2.2不同Ca/Mg比對超富集植物Ca、Mg含量的影響

不同Ca/Mg比處理下三種植物Ca和Mg含量分別如圖1和圖2所示。

表1　不同Ca/Mg比處理實驗設計Table 1 Experimental design for different calcium to magnesium ratios

表2　不同Ca/Mg比對三種超富集植物生物量的影響Table 2 Biomass of three hyperaccumulators at different calcium to magnesium ratios

三種超富集植物地上部Ca含量隨著營養(yǎng)液中Ca濃度的增加而升高，在Ca/Mg為6時獲得最大含量，Mg濃度變化對N.caerulescens地上部Ca含量影響最明顯。S.alfredii、A.murale和N.caerulescens地上部Ca濃度范圍分別為10.1～16.6、27.4～42.7、6.2～17.4 g·kg-1，最大含量分別是各自最小含量的1.6、1.6、2.8倍；S.alfredii和N.caerulescens地上部Ca含量相接近，而A.murale地上部Ca含量顯著高于二者。S.alfredii、A.murale和N.caerulescens根部Ca含量分別是8.1～12.8、3.5～5.1、2.9～3.7 g·kg-1，S.alfredii地下部Ca含量顯著高于A.murale和N.caerulescens，后兩種植物的地上部Ca含量又顯著高于地下部，對Ca的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別達5.4～11.2和1.93～4.79。Ca/Mg比為0.2時顯著地抑制了地上部Ca的濃度和轉(zhuǎn)運；大多數(shù)Ca/Mg比則沒有對三種植物根系含量產(chǎn)生顯著影響。

三種超富集植物地上部和地下部Mg含量隨著營養(yǎng)液中Mg濃度的增加有不同程度的增加，大部分都在Ca/Mg比為0.2時獲得最大含量，而增加Ca的供給沒有對植物地上部和地下部的Mg含量產(chǎn)生顯著影響。S.alfredii、A.murale和N.caerulescens地上部Mg含量范圍分別為2.6～3.3、2.8～11.2、2.3～4.8 g·kg-1，其最大含量分別是其最小含量的1.3、4.0、2.1倍；三種植物根部Mg含量分別是2.4～3.8、1.4～3.4、0.9～1.6 g·kg-1。A.murale地上部在最高Mg供給時獲得遠高于其他處理的Mg含量，A .murale和N. caerulescens地上部Mg含量顯著高于其地下部。S. alfredii、A.murale和N.caerulescens地上部Ca/Mg比分別為3.47～6.14、2.45～15.53、1.48～5.97。

2.3不同Ca/Mg比對超富集植物植物提取Zn、Cd、Ni 和Pb的影響

不同Ca/Mg比處理下，三種超富集植物Zn、Cd、Ni和Pb的含量分別如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖1　不同Ca/Mg比對三種超富集植物Ca含量的影響Figure 1 Concentrations of Ca in shoots and roots of three hyperaccumulators at different calcium to magnesium ratios

圖2　不同Ca/Mg比對三種超富集植物Mg含量的影響Figure 2 Concentrations of Mg in shoots and roots of three hyperaccumulators at different calcium to magnesium ratios

S.alfredii、A.murale和N.caerulescens地上部Zn含量范圍分別為3 403.3～6 146.7、2 021.0～2 971.4、2 007.1～2 777.6 mg·kg-1，地下部含量分別是7 573.2～12 448.0、8 502.2～13 838.4、1 599.2～4 062.3 mg·kg-1。隨著Ca/Mg比從0.5增加到6，S.alfredii地上部Zn含量不斷增加，在Ca/Mg比為6時獲得最大Zn含量。在正常營養(yǎng)液的Ca/Mg比的基礎上，增加Ca的供給不同程度地降低A.murale和N.caerulescens對Zn的吸收，但增加Mg的供給沒有對A.murale地上部Zn含量產(chǎn)生明顯影響，當Ca/Mg比減少到0.2時顯著降低了N.caerulescens地上部Zn含量，A.murale和N. caerulescens在Ca/Mg比為2時獲得最大Zn含量。S. alfredii地上部Zn含量顯著高于A.murale和N. caerulescens，A.murale和N.caerulescens地上部Zn含量相近。增加營養(yǎng)液中Mg或Ca的供給不同程度地增加了三種植物地下部對Zn的吸收，但過高的供給又會抑制其地下部的吸收，三種植物起促進作用的Ca/Mg比范圍存在差異。本試驗條件下，Zn的超富集植物S.alfredii和N.caerulescens根系Zn含量均高于其地上部（見表3），造成這種異常結(jié)果的原因有待下一步試驗來明確。

圖3　不同Ca/Mg比對三種超富集植物Zn含量的影響Figure 3 Concentrations of Zn in shoots and roots in three hyperaccumulators at different calcium to magnesium ratios

圖4　不同Ca/Mg比對三種超富集植物Cd含量的影響Figure 4 Concentrations of Cd in shoots and roots of three hyperaccumulators at different calcium to magnesium ratios

圖5　不同Ca/Mg比對三種超富集植物Ni含量的影響Figure 5 Concentrations of Ni in shoots and roots of three hyperaccumulators at different calcium to magnesium ratios

圖6　不同Ca/Mg比對三種超富集植物Pb含量的影響Figure 6 Concentrations of Pb in shoots and roots of three hyperaccumulators at different calcium to magnesium ratios

表3　不同Ca/Mg比處理下三種超富集植物重金屬轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 3 Transfer coefficients of metals in three hyperaccumulators at different calcium to magnesium ratios

S.alfredii、A.murale和N.caerulescens地上部Cd濃度范圍分別為191.6～300.8、40.2～61.9、153.5～281.2 mg·kg-1，地下部含量分別是140.4～256.1、175.8～358.6、182.7～327.3 mg·kg-1；三種超富集植物中A.murale不是Cd的超富集植物，其地上部Cd含量沒有超過100 mg·kg-1，顯著低于其地下部的含量。相似的趨勢是，在正常營養(yǎng)液Ca/Mg比的基礎上，增加Ca或Mg的供給會先降低三種植物地上部及地下部的Cd含量，再增加供給時植物體內(nèi)Cd含量也會增加，但出現(xiàn)促進作用所需的Ca或Mg供給濃度因植物種類和器官不同而存在差異。在正常營養(yǎng)液的Ca/Mg比為2時，N. caerulescens體內(nèi)Cd含量最高，但S.alfredii和A. murale則都在Ca/Mg比為0.5和6時獲得相對較大的Cd含量。

S.alfredii、A.murale和N.caerulescens地上部Ni含量范圍分別為148.3～196.9、1 703.1～2 659.8、1 104.2～1 537.0 mg·kg-1，根系含量分別是497.7～886.4、149.8～434.6、357.9～1 040.9 mg·kg-1。本試驗供試的三種超富集植物中，A.murale和N.caerulescens是Ni的超富集植物，兩者的地上部Ni含量均大于地下部，特別是A.murale，其轉(zhuǎn)運系數(shù)高達6.1～14.48，三種植物地上部Ni的含量為A.murale＞N.caerulescens?S.alfredii。A.murale和N.caerulescens地上部分別在Ca/ Mg比為6和2（正常營養(yǎng)液的配比）時獲得相對較大的Ni含量，增加營養(yǎng)液中Mg的供給能夠降低二者地上部Ni含量，增加Ca的供給不會顯著促進A.murale地上部Ni積累，并且會抑制N.caerulescens地上部Ni積累，營養(yǎng)液中Ca或Mg的濃度變化對這兩種超富集植物根系Ni的吸收也有類似的效應。營養(yǎng)液中Ca或Mg濃度變化沒有對S.alfredii地上部Ni含量產(chǎn)生顯著或有規(guī)律的影響，但營養(yǎng)液中Mg濃度增加在一定范圍內(nèi)可以顯著促進其根系對Ni的吸收。

S.alfredii、A.murale和N.caerulescens地上部Pb含量范圍分別為57.0～126.3、25.1～121.7、24.7～46.5 mg·kg-1，地下部含量分別是742.8～3083.1、285.9～805.8、227.5～1 105.1 mg·kg-1。本試驗中三種超富集植物都不是Pb的超富集植物，其地下部中Pb含量遠大于地上部。增加Mg或Ca的供給顯著地增加了A. murale地上部Pb含量，但對其地下部Pb含量影響不明顯；增加Mg或Ca的供給顯著增加了S.alfredii地下部Pb含量，但其地上部Pb含量無明顯變化；增加Mg的供給顯著增加N.caerulescens地上部Pb含量，但其地下部Pb含量顯著降低，增加Ca的供給對N. caerulescens地下部和地上部Pb含量無顯著影響。

3　討論

相關研究表明，增加生長基質(zhì)中Ca或Mg的供給會減少普通植物對Cd、Ni、Mn、Pb等二價重金屬的吸收、緩解這些重金屬對植物的毒性作用，這些重金屬也會影響植物對Ca或Mg的吸收。其相關機制可能有以下幾個方面[6-10，17-21]：（1）同為二價離子，半徑相近，離子間競爭吸收運輸位點[6-7，10，20-21]；（2）Ca2+和Mg2+的存在有利于根系細胞維持正常的滲透系統(tǒng)，降低了重金屬對礦質(zhì)營養(yǎng)的脅迫作用[9-10，20]；（3）Ca2+或Mg2+增加抗氧化酶的活性、減少脂質(zhì)的過氧化[7-8]；（4）Ca2+與細胞膜氧化脅迫等逆境條件下的信號傳導和基因表達相關[8-10]；（5）高濃度Ca或Mg對根系分泌的低分子量有機酸成分和濃度有影響[9，18-19]。人們對Ca的影響研究關注多于對Mg和Ca/Mg比的影響，對普通植物的研究多于對超富集植物的研究。相對于普通植物，超富集植物因為長期的進化作用形成了一些機制來增加土壤中重金屬的生物有效性，具有較強的地上部轉(zhuǎn)移效率和地上部耐受解毒機制，Ca2+、Mg2+或Ca/Mg比對植物生長和重金屬吸收的影響也會有所不同。

Wang等[7]報道營養(yǎng)液中添加5 mmol·L-1CaCl2減弱了0.4、0.6 mmol·L-1Cd2+脅迫下三葉草（Trifolium repens L.）地上部和根系的積累和毒性，機制可能是減輕了脂質(zhì)的過氧化和刺激了過氧化酶的活性。Magdziak等[19]發(fā)現(xiàn)相對于4：1 Ca/Mg比，1：10 Ca/Mg比條件下柳樹（Salix viminalis）地上部和根系積累更多的Cd/Pb/Cu/Zn，S.viminalis根系有機酸分泌物（LMWOA）的成分和濃度因Ca/Mg比和脅迫重金屬的種類而異，但是LMWOA總濃度與Ca/Mg比之間并非簡單的線性關系。對超富集S.alfredii的系列研究發(fā)現(xiàn)，其體內(nèi)Ca與Cd的吸收、轉(zhuǎn)運和分布是相似的，外源添加Ca促進了其地上部對Cd的積累和植物的生長，高Ca供給[6.0 mmol·L-1Ca（NO3）2]減緩了Cd 對S.alfredii根系生長的抑制作用，減少了根系Cd的累積，增加了根系Ca的含量，促進了谷胱甘肽的生成[8，20-21]。

與Cd不同，外源添加Ca、Mg或改變Ca/Mg比對植物必需的元素如Zn和Ni的吸收具有促進作用。黃化剛等[22]報道外源Ca2+對S.alfredii吸收及積累Zn有促進作用。Chaney等[23]模擬蛇紋巖土壤條件下，在水培養(yǎng)營養(yǎng)液中添加0.128～5 mmol·L-1Ca和2 mmol·L-1Mg，分別用31.6～1000 μmol·L-1Ni脅迫A.murale和1.0～10 μmol·L-1Ni脅迫卷心菜，試驗結(jié)果表明Ca減少了卷心菜對Ni的吸收和毒性，0.8～2 mmol·L-1Ca供給使A.murale獲得最高的產(chǎn)量，而且在1000 μmol·L-1Ni脅迫下，過低或過高Ca供給會使該植物表現(xiàn)出中毒的癥狀，Ca的供給顯著影響地上部Ni含量、地上部產(chǎn)量和從根系到地上部的轉(zhuǎn)運系數(shù)，但影響并非單向，在不超過2 mmol·L-1Ca時是正向促進作用，Ca的供給再增加則表現(xiàn)抑制作用。與此相似，Ni的另一種超富集植物Alyssum inflatum在低Ca/Mg比（0.11～1.5）的生長基質(zhì)中仍然生長良好，而且Ca/ Mg比的增加促進了該植物對Ni的吸收[24]。

在本試驗條件下，三種植物在正常營養(yǎng)液Ca/Mg比的基礎上，增加Ca和Mg的供給大多數(shù)情況下都會抑制N.caerulescens對重金屬的吸收和生長，其對Ca和Mg的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為0.77～1.38、1.43～3.70（見表4），對Mg的轉(zhuǎn)運系數(shù)更高，除了供Mg最高的處理（Ca/Mg比為0.2）外，其他處理之間都無顯著差異。這說明該植物體內(nèi)能穩(wěn)定維持Ca或Mg的轉(zhuǎn)運，增Ca或增Mg都減少了三種超富集元素的累積，可能是Ca或Mg與重金屬競爭酸根離子形成穩(wěn)定的絡合物。A.murale地上部Ca/Mg比（2.45～16.74）和其對Ca的轉(zhuǎn)運系數(shù)（5.98～11.19）都隨營養(yǎng)液中Ca/Mg比供給的增加而不同程度地增大（見表3），并遠高于其他兩種植物，而地下部的Ca/Mg比低于其他兩種植物，說明該植物有很強的吸收Ca并將Ca轉(zhuǎn)運至地上部的能力。增Ca多時也增加其對Ni的超積累，但增加Ca的供給會顯著降低其對Mg的轉(zhuǎn)運系數(shù)；增Mg對Mg 和Ca的轉(zhuǎn)運系數(shù)變化影響都不明顯，增Mg顯著抑制其對Ni的吸收，也許該植物是利用Mg的吸收運輸位點來吸收Ni[25-26]。只有在最高的Ca供給和較高的Mg供給時，S.alfredii地下部和地上部Ca、Mg含量及Ca/Mg比才顯著高于其他處理，其對Ca和Mg的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為1.24～1.45、0.88～1.66，兩種元素的絕大部分處理的轉(zhuǎn)運系數(shù)沒有顯著差異（見表4），說明該植物對Ca、Mg的吸收能較好地調(diào)控，保持穩(wěn)定。增加Ca的供給會增加其地上部和地下部的Zn含量，除最高的Mg供給外，增Mg減少了其地上部和地下部的Zn含量，但該植物最高供Mg時獲得最大的Zn 和Cd含量，可能與植物在高Mg時生長較好和本實驗設計Mg的最大供給大于Ca有關。

表4　不同Ca/Mg比處理下三種超富集植物Ca/Mg比和轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 4 Ratios and transfer coefficients of calcium and magnesium in three hyperaccumulators at different calcium to magnesium ratios

4　結(jié)論

（1）隨著營養(yǎng)液中Ca或Mg供給的增加，三種超富集植物S.alfredii、A.murale和N.caerulescens體內(nèi)Ca或Mg的含量也相應有不同程度增加，A.murale和N.caerulescens地上部Ca含量都分別大于其地下部，尤其是A.murale有很高的轉(zhuǎn)運系數(shù)，營養(yǎng)液中Mg供給的增加顯著降低了N.caerulescens地上部Ca含量。其他情況三種植物地上部Ca和Mg含量的變化趨勢不明顯。

（2）N.caerulescens在正常營養(yǎng)液（Ca/Mg比2）條件下獲得最好的生長和地上部最大Zn/Cd/Ni含量，增加Ca或Mg的供給均產(chǎn)生抑制作用。A.murale在高Ca供給時獲得最大的生物量和Ni含量，增Ca有助于地上部Ni的累積，但增Mg降低了地上部Ni含量，增Mg和增Ca分別顯著降低和增加了地下部對Ni的吸收。增加Ca或Mg的供給均會增加S.alfredii地下部Cd的含量，只有最高的Mg或Ca供給才增加了地上部Cd的含量，其他處理地上部Cd的含量都有所降低；增加Ca的供給會增加其地上部和地下部的Zn含量，除最高的Mg供給外，增Mg減少了其地上部和地下部的Zn含量；S.alfredii在最小的Ca/Mg比（0.2）下獲得最大的生物量和最大的Zn和Cd含量。

參考文獻：

[1] Adki V S, Jadhav J P, Bapat V A. At the cross roads of environmental pollutants and phytoremediation：A promising bio remedial approach[J]. Journal of Plant Biochemistry and Biotechnology，2014, 23（2）：125-140.

[2] Meers E, Tack F M, Van Slycken S, et al. Chemically assisted phytoextraction：A review of potential soil amendments for increasing plant uptake of heavy metals[J]. International Journal of Phytoremediation, 2008, 10（5）：390-414.

[3]劉登彪,蔣成愛,張嘉慧,等.不同硼濃度對三種超富集植物吸收硼及重金屬的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2014, 33（6）：1106-1111. LIU Deng-biao, JIANG Cheng-ai, ZHANG Jia-hui, et al. Effects of boron concentrations on uptake of boron and heavy metals by three hyperaccumulators[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33（6）：1106-1111.

[4]劉登彪,鄭駿宇,趙濤,等.不同供磷水平對四種超富集植物生長及吸收重金屬的影響[J].環(huán)境科學學報, 2015, 35（4）：1198-1204. LIU Deng-biao, ZHENG Jun-yu, ZHAO Tao, et al. Effect of different P levels on the growth and heavy metal uptake for four hyperaccumulators [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35（4）：1198-1204.

[5] Hepler P K. Calcium：A central regulator of plant growth and development[J]. Plant Cell, 2005, 17（8）：2142-2155.

[6] Juang K, Lee Y, Lai H, et al. Influence of magnesium on copper phytotoxicity to and accumulation and translocation in grapevines[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2014, 104：36-42.

[7] Wang C Q, Song H. Calcium protects Trifolium repens L. seedlings against cadmium stress[J]. Plant Cell Reports, 2009, 28（9）：1341-1349.

[8] Tian S, Lu L, Zhang J, et al. Calcium protects roots of Sedum alfredii H. against cadmium-induced oxidative stress[J]. Chemosphere, 2011, 84 （1）：63-69.

[9]汪驄躍,王宇濤,曾琬淋,等. Ca2+和K+對擬南芥幼苗鎘毒害的緩解作用[J].植物學報, 2014, 49（3）：262-272.WANG Cong-yue, WANG Yu-tao, ZENG Wan-lin. et al. Alleviation of Cd toxicity in Arabidopsis thaliana seedlings by exogenous Ca2+or K+[J]. Chinese Bulletin of Botany, 2014, 49（3）：262-272.

[10]蔣廷惠,占新華,徐陽春,等.鈣對植物抗逆能力的影響及其生態(tài)學意義[J].應用生態(tài)學報, 2005, 16（5）：971-976. JIANG Ting-hui, ZHAN Xin-hua, XU Yang-chun, et al. Roles of calcium in stress tolerance of plants and its ecological significance[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16（5）：971-976.

[11]安志裝,王校常,施衛(wèi)明,等.重金屬與營養(yǎng)元素交互作用的植物生理效應[J].土壤與環(huán)境, 2002, 11（4）：392-396. AN Zhi-zhuang, WANG Xiao-chang, SHI Wei-ming. et al. Plant physiological responses to the interactions between heavy metal and nutrients[J]. Soil and Environmental Sciences, 2002, 11（4）：392-396.

[12]張習敏,宋慶發(fā),劉倫銜,等.喜鈣和嫌鈣植物對外源的生長生理響應[J].西北植物學報, 2013, 33（8）：1645-1650. ZHANG Xi-min, SONG Qing-fa, LIU Lun-xian, et al. Responses of growth and physiology of calcicoles and calcifuges to exogenous Ca2+[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2013, 33（8）：1645-1650.

[13]魯耀,鄭波,段宗顏,等.鈣鎂比調(diào)控對煙葉產(chǎn)量、化學品質(zhì)及鎂吸收的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學報, 2010，19（11）：69-74. LU Yao, ZHENG Bo, DUAN Zong-yan, et al. Effects of Ca/Mg regulation on the flue-cured tobacco yield, chemical quality and magnesium uptake[J]. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica, 2010,19 （11）：69-74.

[14] Jiang C A, Wu Q T, Goudon R, et al. Biomass and metal yield of cocropped Alyssum murale and Lupinus albus[J]. Australian Journal of Botany, 2015, 63（2）: 159-166.

[15]楊肖娥,龍新憲,倪吾鐘,等.東南景天（Sedum alfredii H）：一種新的鋅超積累植物[J].科學通報, 2002, 47（13）：1003-1006. YANG Xiao-e, LONG Xin-xian, NI Wu-zhong, et al. Sedum alfrdii：A new zine-hyperaccumulator[J]. Chinese Science Bulletin, 2002, 47 （13）：1003-1006.

[16]劉士哲.現(xiàn)代實用無土栽培技術[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社, 2001：124. LIU Shi-zhe. The modern practical soilless cultivation technique[M]. Beijing：China Agriculture Press, 2001：124.

[17] Mleczek M, Gasecka M, Drzewiecka K, et al. Copper phytoextraction with willow（Salix viminalis L.）under various Ca/Mg ratios：Part 1. Copper accumulation and plant morphology changes[J]. Acta Physiologiae Plantarum, 2013, 35（11）：3251-3259.

[18] Drzewiecka K, Mleczek M, Gasecka M, et al. Copper phytoextraction with Salix purpurea×viminalis under various Ca/Mg ratios：Part 2. Effect on organic acid, phenolics and salicylic acid contents[J]. Acta Physiologiae Plantarum, 2014, 36（4）：903-913.

[19] Magdziak Z, Kozlowska M, Kaczmarek Z, et al. Influence of Ca/Mg ratio on phytoextraction properties of Salix viminalis：Ⅱ. Secretion of low molecular weight organic acids to the rhizosphere[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2011, 74（1）：33-40.

[20] Lu L L, Tian S K, Yang X E, et al. Enhanced root-to-shoot translocation of cadmium in the hyperaccumulating ecotype of Sedum alfredii[J]. Journal of Experimental Botany, 2008, 59（11）：3203-3213.

[21] Lu L L, Tian S K, Zhang M, et al. The role of Ca pathway in Cd uptake and translocation by the hyperaccumulator Sedum alfredii[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 183（1）: 22-28.

[22]黃化剛,李廷軒,張錫洲,等.外源鈣離子對東南景天生長及鋅積累的影響[J].應用生態(tài)學報, 2008, 19（4）：831-837. HUANG Hua-gang, LI Ting-xuan, ZHANG Xi-zhou, et al. Effects of exogenous Ca2+on the growth and Zn accumulation of two Sedum alfredii Hance ecotypes[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19 （4）：831-837.

[23] Chaney R L, Chen K, Li Y, et al. Effects of calcium on nickel tolerance and accumulation in alyssum species and cabbage grown in nutrient solution[J]. Plant and Soil, 2008, 311（1/2）：131-140.

[24] Ghasemi R, Ghaderian S M. Responses of two populations of an Iranian nickel-hyperaccumulating serpentine plant, Alyssum inflatum Nyar., to substrate Ca/Mg quotient and nickel[J]. Environmental and Experimental Botany, 2009, 67（1）：260-268.

[25] Kazakou E, Dimitrakopoulos P G, Baker A J M, et al. Hypotheses, mechanisms and trade-offs of tolerance and daptation to serpentine soils：From species to ecosystem level[J]. Biology Review, 2008, 83（4）：495-508.

[26] Bani A, Pavlova D, Echevarria G, et al. Nickel hyperaccumulation by the species of Alyssum and Thlaspi（Brassicaceae）from the ultramafic soils of the Balkans[J]. Botanica Serbica, 2010, 34（1）：3-14.

Effects of Ca/Mg ratios on growth and heavy metal uptake of three hyperaccumulators

ZHAO Tao1, LIU Deng-biao1,2, ZHENG Jun-yu1, JIANG Cheng-ai1,3*
（1.College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.LTD, Shenzhen 518000, China; 3.Key Laboratory of Soil Environment and Waste Reuse in Agriculture of Guangdong Higher Education Institutes, Guangzhou 510642, China）

Abstract：Enhancing biomass and heavy metal uptake of hyperaccumulators would improve soil phytoremediation efficiencies. In this study, we investigated the effects of Ca/Mg ratios（0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, and 6.0）on growth and metal uptake by Sedum alfredii（Zn and Cd hyperaccumulator）, Noccaea caerulescens（Zn, Cd and Ni hyperaccumulator）and Alyssum murale（Ni hyperaccumulator）under hydroponic system spiked with 20 mg Zn·L(-1), 18 mg Ni·L(-1), 10 mg Pb·L(-1)and 0.5 mg Cd·L(-1). Results indicated that significant high transfer coefficient of Ca（TF, 5.98～11.19）from roots to shoots and Ca/Mg ratio in shoots（2.45～16.74）were found in A. murale. The TF of Mg（1.43～3.70）was higher than that of Ca（0.77～1.38）for N. caerulescens, while TF of Mg（1.24～1.45）was similar to that of Ca（0.88～1.66）for S. alfredii. For N. caerulescens, the greatest growth and Zn/Cd/Ni accumulation of shoots was obtained in normal nutrient solution（Ca/Mg 2.0）, but plant growth and metal accumulation were restrained under increased Ca or Mg supply. For A. murale, the highest biomass and Ni accumulation ofbook=441,ebook=39shoots was observed at the highest Ca/Mg ratio（Ca/Mg 6.0）. Increasing Ca supply promoted but increasing Mg supply decreased Ni accumulation in the shoots. For S. alfredii, Zn accumulation in shoots and roots increased with increasing Ca supply, and Cd concentration in roots increased with Ca or Mg supply, but the best growth and the highest Zn and Cd concentrations in shoots were observed at the lowest Ca/Mg ratio（Ca/Mg 0.2）. Our results suggest that the effect of Ca/Mg ratio on hyperaccumulators depends on both plant and metal species.

Keywords：Ca/Mg ratio; hyperaccumulator; zinc; nickel; cadmium; lead

*通信作者：蔣成愛E-mail：chaijiang@scau.edu.cn

作者簡介：趙濤（1987—），男，湖南衡陽人，碩士研究生，主要研究方向為環(huán)境化學和環(huán)境污染的治理與修復。E-mail：zhaotaohx@163.com

基金項目：國家自然科學基金（31270675）；國家自然科學基金（410713061）

收稿日期：2015-07-31

中圖分類號：X53

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）03-0440-09

doi:10.11654/jaes.2016.03.005