4種楝科樹種幼苗對(duì)土壤鎘污染的生長生理響應(yīng)與鎘富集特征

石 堅(jiān) ，徐 睿 ，張 健 ，陳良華 *，馮民富

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)研究所，成都 611130；2.林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130；3.中國大熊貓保護(hù)研究中心都江堰基地管理處，成都 611830）

工業(yè)革命以來，世界各地受到的環(huán)境污染問題越發(fā)凸顯。特別是礦物冶煉及加工等工業(yè)排放，磷肥和污泥等農(nóng)業(yè)面源污染，向環(huán)境中排放了大量的鎘（Cd），土壤Cd污染已成為世界廣泛存在的環(huán)境問題。Cd是植物非必需營養(yǎng)元素，大量研究表明，植物在Cd脅迫環(huán)境中常會(huì)表現(xiàn)出根系生長受阻，養(yǎng)分吸收失衡，光合速率下降，氮代謝失調(diào)及其他一系列生理代謝紊亂，從而影響植物生長發(fā)育[1-3]。此外，Cd一旦通過土壤-植物-食品系統(tǒng)進(jìn)入人類食物鏈并最終進(jìn)入人體，會(huì)對(duì)腎臟、骨骼系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等產(chǎn)生毒害[4]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)人體細(xì)胞產(chǎn)生非特異性誘變[5]。目前，我國處于工農(nóng)業(yè)和城市化的快速發(fā)展時(shí)期，以Cd為代表的重金屬污染問題日益嚴(yán)重，Cd污染土壤的修復(fù)和治理迫在眉睫，同時(shí)也是現(xiàn)在及以后很長一段時(shí)間內(nèi)所研究的環(huán)境和生態(tài)的熱點(diǎn)問題。

植物修復(fù)指利用植物的一些特殊生理功能（如吸收、降解、穩(wěn)定和揮發(fā)等）以降低或移除土壤中的重金屬污染物的技術(shù)[6]，它與許多傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)不同，是一種修復(fù)效果良好、對(duì)環(huán)境友好且成本低廉的修復(fù)技術(shù)。植物物種的篩選是植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵，目前人們已經(jīng)篩選出超過700種重金屬“超富集”（Hyperaccumulator）植物[7]，這些植物大多屬于十字花科（Brassicaceae）。Cd的超富集植物被定義為：地上部分Cd含量達(dá)到100 mg/kg以上，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1，但并不會(huì)對(duì)其正常生長發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響的植物[8]。目前國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)包括東南景天（Sedum alfredii）、天藍(lán)遏藍(lán)菜（Thlaspi caerulescens）、油菜（Brassica napus）、寶山堇菜（Viola baoshanensis）和龍葵（Solanum nigrum）等Cd超富集植物超過30種[9-11]。超富集植物累積重金屬的特性使人們對(duì)該類植物的重金屬積累與解毒機(jī)理非常感興趣，相關(guān)的研究十分深入。例如，超富集植物對(duì)重金屬離子的外排泵作用，胞內(nèi)的區(qū)隔化作用，對(duì)重金屬離子的絡(luò)合作用等[12-13]。植物修復(fù)效率取決于植物中的重金屬含量和植物的生物量生產(chǎn)[14]，但目前所發(fā)現(xiàn)的超富集植物大多是草本植物，因生物量小、根系不發(fā)達(dá)和生長周期較短，這些超富集植物的重金屬積累總量小，修復(fù)效率低，大多應(yīng)用于污染極為嚴(yán)重的場地修復(fù)，無法應(yīng)用到人地關(guān)系緊張的低Cd污染區(qū)。雖然木本植物積累的重金屬濃度低，但具有生物量大、根系發(fā)達(dá)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)，能修復(fù)較深土層的重金屬污染土壤，能積累較大總量的重金屬，因而具有良好的修復(fù)前景，如楊樹[15]和白樺[16]等。但是，對(duì)具有修復(fù)前景的木本植物篩選工作起步較晚，尤其關(guān)于鄉(xiāng)土樹種對(duì)Cd的生長生理響應(yīng)與Cd富集特征研究較少，不利于局部地區(qū)植物修復(fù)工作的開展。

楝科（Meliaceae）植物是我國的珍貴鄉(xiāng)土木本植物，主產(chǎn)長江以南各省區(qū)，可入藥和觀賞，屬常綠或落葉喬木或灌木，小枝常有皮孔。現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)楝科植物具有良好的生物防治和藥用價(jià)值：苦楝的果實(shí)提取物及其有效成分對(duì)害蟲防治有積極作用[17]；楝科植物提取物對(duì)蘿卜蚜有觸殺活性，所以可作為新型的植物源殺蟲劑[18]；紅椿、毛麻楝和非洲桃花心木的揮發(fā)物成分中都富含萜烯類物質(zhì)，對(duì)害蟲具有引誘作用[19]。因此，本研究采用分布較廣的楝科的紅椿（Toona ciliata）、香椿（T.sinensis）、川楝（Melia toosendan）和苦楝（M.azedarach）作為研究對(duì)象，從活性氧、抗氧化酶、生物量、重金屬積累與分配等方面研究這4個(gè)樹種對(duì)土壤Cd的生長生理響應(yīng)與Cd富集特征，以期篩選出擁有較高的抗土壤Cd污染能力和抽提效率的樹種，為Cd污染土壤的植物修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 盆栽處理

于2013年5月初選擇健康的紅椿、香椿、川楝和苦楝幼苗，剪去部分主根以促進(jìn)側(cè)根的生長，將剩余苗木根系浸泡于ABT生根粉溶液中（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 mg/kg），浸泡6 h。將浸泡后的苗木預(yù)栽培在含有混合培養(yǎng)基質(zhì)（m（沖積土）∶m（細(xì)沙）=3∶1）的苗床中。待苗木新芽長出約5 cm后，移栽長勢一致的幼苗用于實(shí)驗(yàn)處理。實(shí)驗(yàn)設(shè)置對(duì)照0.12 mg/kg（CK）、2.5 mg/kg（T1）和 5 mg/kg（T2）（以土壤干質(zhì)量計(jì)）含Cd量等3個(gè)梯度[20]，該污染梯度根據(jù)中國GB15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)定，即土壤含Cd量≥1 mg/kg屬于污染土壤，同時(shí)也參照一些Cd礦周邊的農(nóng)田土壤背景值。將Cd（NO3）2溶液施入土壤，充分混勻平衡1個(gè)月后用于盆栽實(shí)驗(yàn)。每盆移栽1株幼苗，裝10 kg沖積土，花盆口徑為30 cm，高25 cm。土壤背景值如表1所示。于2013年6月初開始實(shí)驗(yàn)處理，每一處理9次重復(fù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)測定

實(shí)驗(yàn)處理結(jié)束時(shí)，每個(gè)處理隨機(jī)選擇3株苗木的第4片葉（由上到下）用于過氧化氫（H2O2）、丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）的測定，以此衡量植物對(duì)土壤Cd污染的抗氧化能力。利用H2O2與鈦離子形成有色的[TiO（H2O2）]2+配合離子（特異吸收峰在410 nm）的原理對(duì)H2O2含量進(jìn)行測定，利用雙組分分光光度法測定MDA含量，四氮唑藍(lán)（NBT）光化還原法測定SOD活性，愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性[21]，各指標(biāo)的測定均重復(fù)3次。

實(shí)驗(yàn)處理期為3個(gè)月，處理結(jié)束后進(jìn)行收獲，將各個(gè)處理的苗木分為葉、莖、粗根（直徑≥1 mm）和細(xì)根（直徑＜1 mm）4部分。葉和莖先用自來水沖洗后再用去離子水潤洗干凈，而細(xì)根和粗根在沖洗后用20 mmol/L Na-EDTA浸泡20 min進(jìn)行潤洗，將所有清潔后的各植物器官放入烘箱中，于105℃殺青30 min之后調(diào)整到70℃烘干至恒重?？偵锪繛楦鞑糠制鞴俑芍氐目偤?。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table1 Basic physical and chemical properties of testing soil

在各器官生物量測定結(jié)束后，將各部分器官分別磨碎過篩（100目），細(xì)粉用于Cd含量測定。植物樣品的Cd含量測定是用HNO3-HClO4-HF三酸消解后，采用原子吸收分光光度計(jì)法（島津AA-7000火焰原子吸收光譜儀）測定。Cd積累量為各器官Cd含量與干物質(zhì)積累量的乘積。

1.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

采用了富集系數(shù)（BC）、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）和耐性指數(shù)（TI）衡量植物對(duì)Cd的富集能力、遷移能力以及耐受能力：

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)各物種3個(gè)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），處理間的差異顯著性采用多重比較Tukey檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤Cd污染對(duì)各樹種抗氧化特征的影響

由表2可知，T1和T2處理均沒有顯著影響香椿的H2O2含量（P＞0.05），但均顯著增加了紅椿和苦楝的H2O2含量（P＜0.05）。在 T1和T2條件下，紅椿的H2O2含量分別是CK的2.00、2.61倍，苦楝的H2O2含量是CK的1.16、1.08倍；僅T2處理顯著增加了川楝葉片的H2O2含量（P＜0.05）。與CK相比，兩個(gè)污染處理均沒有顯著影響香椿和川楝的MDA含量（P＞0.05），但均增加了紅椿和苦楝的MDA含量（P＜0.05），與CK相比，T1和T2條件下紅椿的MDA含量分別增加60%、66%，苦楝的MDA含量均增加16%。兩個(gè)污染處理均沒有顯著影響香椿的SOD活性（P＞0.05）；但是，T1和T2處理均顯著抑制了紅椿的SOD活性（P＜0.05），降幅分別為21%、18%；僅T2處理顯著抑制了川楝和苦楝的SOD活性（P＜0.05），T2條件下川楝和苦楝的SOD活性分別是CK的32%、58%。T1和T2處理均顯著降低了紅椿的POD活性（P＜0.05），均沒有顯著影響川楝和苦楝的POD活性（P＞0.05）；香椿的POD活性表現(xiàn)出低促高抑的現(xiàn)象（P＜0.05）。

2.2 土壤Cd污染對(duì)各樹種幼苗生物量的影響

由圖1可知，T2處理顯著降低了紅椿的葉片、細(xì)根及川楝的粗根、細(xì)根干重（P＜0.05），降幅分別為37%、37%、13%、26%；香椿和苦楝各器官干重在兩個(gè)Cd梯度下均沒有顯著降低（P＞0.05）。與CK相比，T2條件下，紅椿的總生物量顯著下降（P＜0.05，降幅為32%），其他樹種的總生物量并沒有顯著變化（P＞0.05）。在土壤Cd污染條件下，川楝的總生物量均高于其他樹種。

表2 供試土壤基本理化性質(zhì)Table2 Basic physical and chemical properties of testing soil

2.3 不同土壤Cd污染條件下植株內(nèi)Cd的積累特征

由圖2可知，與CK相比，土壤Cd污染處理顯著增加了4個(gè)樹種所有器官中的Cd濃度（P＜0.05，紅椿的葉片和粗根除外）。對(duì)于紅椿的細(xì)根，香椿的葉片、莖和細(xì)根，川楝的葉片，以及苦楝的細(xì)根而言，這些器官中的Cd濃度隨著污染程度的增加進(jìn)一步顯著增加（P＜0.05）。川楝細(xì)根的Cd濃度在T1條件下達(dá)最大值，是CK條件下的20.62倍。與其他器官相比，這4種樹種細(xì)根的Cd濃度均最高，川楝細(xì)根中Cd濃度高于香椿、紅椿和苦楝細(xì)根中的Cd濃度。

由表3可知，與CK相比，兩個(gè)污染處理均沒有顯著影響紅椿葉片和細(xì)根的Cd積累量（P＞0.05）。T2處理顯著增加了紅椿莖的Cd積累量（P＜0.05），增幅達(dá)79%，顯著降低了粗根的Cd積累量（P＜0.05），降幅為30%。與CK相比，T1和T2條件下香椿、川楝和苦楝各器官的Cd積累量均有一定程度上升。川楝的葉片、粗根、細(xì)根及苦楝的細(xì)根的Cd積累量隨著污染程度的加劇而顯著提高（P＜0.05），T1條件下川楝的葉片、粗根、細(xì)根及苦楝的細(xì)根的Cd積累量分別是 CK 的 2.91、3.79、13.08、9.19 倍，T2 條件下則分別是CK的3.73、4.40、18.11、13.14倍。不管是T1還是T2條件下，4種植物細(xì)根的Cd積累量均最大，香椿細(xì)根的Cd積累量高于其他樹種的細(xì)根。與CK相比，土壤Cd污染條件下，香椿、川楝和苦楝的Cd積累總量均顯著上升（P＜0.05），但紅椿的這一指標(biāo)并沒有顯著變化（P＞0.05）。隨著污染程度的增加，苦楝的Cd積累總量進(jìn)一步明顯增加（P＜0.05）。

圖1 土壤Cd污染對(duì)紅椿（a）、香椿（b）、川楝（c）和苦楝（d）各器官生物量與總生物量的影響Figure1 The effect of Cd pollution in soil on biomass accumulation of different organs and total biomass in T.ciliata(a)， T.sinensis(b)， M.toosendan(c)and M.azedarach(d)

2.4 不同土壤Cd污染條件下各樹種Cd的富集與分配系數(shù)的變化

由圖3可知，與CK相比，兩種土壤Cd處理均明顯降低了所有樹種的富集系數(shù)（P＜0.05）；川楝和苦楝的富集系數(shù)隨著污染程度的增加進(jìn)一步下降。與CK相比，T1和T2處理均使川楝和苦楝的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)明顯降低（P＜0.05），川楝在T1和T2處理下轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別降低72%、62%，T1和T2時(shí)苦楝的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別降低63%、65%；T2處理明顯降低紅椿的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（P＜0.05），降幅達(dá)32%。與CK相比，T1和T2處理均沒有明顯影響香椿、川楝和苦楝的耐性指數(shù)（P＞0.05），但T2處理明顯降低了紅椿的耐性指數(shù)（P＜0.05），降幅為 32%。

3 討論

3.1 土壤Cd污染條件下4種楝科樹種的抗氧化特征

植物在遭受重金屬脅迫后，通常會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧自由基，產(chǎn)生氧化脅迫，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，使細(xì)胞膜不穩(wěn)定；膜脂過氧化的最終產(chǎn)物是MDA，其含量高低通?？煞从持参锸苎趸{迫的程度。植物為了抵御氧化脅迫，抗氧化酶（如SOD和POD）系統(tǒng)會(huì)作出響應(yīng)[22-23]。本研究中，紅椿和苦楝的H2O2含量顯著增加（P＜0.05），MDA 含量也隨之升高（P＜0.05，尤其是T2處理），說明紅椿和苦楝受到了土壤Cd引起的氧化脅迫傷害，膜脂過氧化程度增加，氧化脅迫將導(dǎo)致細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)和核酸等生命大分子的交聯(lián)聚合，產(chǎn)生細(xì)胞毒性，蘇明潔等也觀察到類似的現(xiàn)象[24]。香椿和川楝（T2條件下的川楝除外）葉片的H2O2和MDA含量沒有明顯變化（P＞0.05），表明它們并沒有受到活性氧的顯著毒害作用。與此同時(shí)，T1條件下，只有香椿的POD活性顯著增加（P＜0.05）；T2條件下，除了香椿，其余樹種的SOD活性都有一定程度下降（P＜0.05），這說明紅椿、川楝和苦楝葉片的SOD和POD的酶活性受到抑制，不能及時(shí)清除過多的活性氧，相近水平的Cd污染環(huán)境下云南樟[25]、秋華柳[26]和楊樹[27]等木本植物的抗氧化酶活性也受到了一定的抑制。然而，香椿的抗氧化酶活性較為穩(wěn)定，能更好地減輕土壤Cd污染造成的活性氧傷害。由此可見，在本研究的土壤Cd污染水平下，香椿具有比其他3種樹種更強(qiáng)的抗氧化酶系統(tǒng)，表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗氧化脅迫能力。

圖2 土壤Cd污染對(duì)紅椿（a）、香椿（b）、川楝（c）和苦楝（d）各器官Cd濃度的影響Figure2 The effect of Cd pollution in soil on Cd concentration in different organs in T.ciliata(a)， T.sinensis(b)， M.toosendan(c)and M.azedarach(d)

表3 土壤Cd污染對(duì)4種楝科樹種各器官Cd積累量和Cd積累總量的影響Table3 The effect of Cd pollution in soil on Cd accumulation in different organs and total cadmium accumulation in four Meliaceae plants μg

圖3 土壤Cd污染條件下4種楝科樹種富集、轉(zhuǎn)移、耐受指標(biāo)的差異Figure3 Differences in Cd enrichment,transfer and tolerance between four Meliaceae plants when exposed to Cd pollution in soil

3.2 土壤Cd污染條件下4種楝科樹種的Cd富集特征

本研究中，土壤Cd污染條件下，4個(gè)樹種在獲得最大Cd積累總量的條件下，Cd積累總量表現(xiàn)為香椿＞川楝＞苦楝＞紅椿。伴隨污染程度的加劇，各樹種Cd積累的規(guī)律并不相同。土壤Cd污染條件下，香椿和苦楝各器官的Cd濃度、Cd積累量（T1處理時(shí)香椿的莖除外）及積累總量均顯著增加（P＜0.05）。雖然紅椿莖和細(xì)根中Cd濃度也顯著增加（P＜0.05），但這兩個(gè)器官的生物量不同程度的下降，導(dǎo)致紅椿Cd積累總量雖有所增加，但未達(dá)顯著水平（P＞0.05），這說明紅椿富集Cd的能力較差。值得注意的是，隨著污染程度的提高，川楝的Cd積累總量先增加后下降（P＜0.05），主要是因?yàn)門2條件下川楝細(xì)根的Cd濃度下降所導(dǎo)致。這說明T2濃度的土壤Cd污染可能顯著影響了川楝細(xì)根的活力及功能，影響了其根系對(duì)礦質(zhì)離子及重金屬Cd離子的交換吸附和在根系內(nèi)部的擴(kuò)散[28]。Cd脅迫引起了川楝生理代謝的紊亂，也必將影響它的Cd修復(fù)能力，這與鄭黎明等[29]的研究結(jié)果類似。此外，BC是衡量植物重金屬富集能力的指標(biāo)[30]，從污染條件下這一參數(shù)的變化可見，香椿和川楝具有比紅椿和苦楝更高的重金屬富集能力。綜合來看，香椿表現(xiàn)出了較強(qiáng)的富集能力，并具有最高的重金屬積累量。

3.3 土壤Cd污染條件下4種楝科樹種的Cd分配特征

就Cd在植物體內(nèi)的分配而言，大量研究表明，植物將更高濃度的有毒物質(zhì)積累在根系將減輕植物受到的傷害，有利于保護(hù)植物的生長發(fā)育[31]。土壤Cd污染條件下，與其他器官相比，4個(gè)樹種的根系均積累了最大濃度和含量的Cd，表明4個(gè)樹種優(yōu)先將Cd積累在根系中，減少Cd向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)，這是其適應(yīng)重金屬污染環(huán)境的基本策略[20，32]。TF是衡量重金屬由地下部分向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)的直接指標(biāo)[33]。土壤Cd污染條件下香椿和紅椿的TF高于川楝和苦楝，說明川楝和苦楝限制有毒Cd離子向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)的能力更強(qiáng)，有利于減輕Cd離子的毒害作用和對(duì)植物生長造成的負(fù)面影響。Cd脅迫環(huán)境下，香椿的TF高于紅椿，這也導(dǎo)致香椿葉片的Cd濃度大于紅椿，但香椿的生物量積累沒有受到顯著影響（P＞0.05），也沒有受到活性氧的明顯傷害（P＞0.05），而紅椿的總生物量在T2時(shí)顯著下降（P＜0.05），表明香椿更能適應(yīng)Cd污染土壤，紅椿對(duì)土壤Cd污染更為敏感。王岑涅等[34]也發(fā)現(xiàn)紅椿在土壤Cd脅迫環(huán)境下，紅椿幼苗的生長和生物量積累受到抑制。TI的變化也說明香椿比紅椿具有更強(qiáng)的耐受Cd污染的能力。川楝和苦楝在土壤Cd污染條件下TF顯著下降（P＜0.05），TI沒有明顯變化（P＞0.05），表明這兩個(gè)物種能夠基本適應(yīng)這一程度的土壤Cd污染，但富集Cd的能力比香椿差，修復(fù)Cd污染土壤的能力較弱。

4 結(jié)論

從形態(tài)生長、生理生化及Cd富集能力等方面綜合來看，土壤Cd污染并沒有對(duì)香椿造成顯著的負(fù)面影響，而其他樹種均受到不同程度的傷害，同時(shí)香椿幼苗具有良好的Cd富集能力。因此，在本文的土壤Cd污染水平下，與其他3種樹種相比，香椿幼苗具有更強(qiáng)的Cd污染土壤的修復(fù)潛力。