不同區(qū)域曼陀羅對(duì)鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特征研究

馮雪薇，包 立，張乃明

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南昆明 650201)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，土壤重金屬污染問題已經(jīng)成為重要的環(huán)境問題。傳統(tǒng)土壤污染治理的方法耗資大，容易破壞土壤微生物和土壤結(jié)構(gòu)，不能有效地解決重金屬污染[1-2]。植物修復(fù)技術(shù)作為一種環(huán)境友好型防治措施越來越受到關(guān)注[3]。植物修復(fù)的關(guān)鍵是選取合適的修復(fù)物種，至2011年已發(fā)現(xiàn)的鎘超富集植物僅5種[4]。然而，這類植物雖然顯示出超強(qiáng)的吸收能力和提取效果，但是多數(shù)植物具有生長(zhǎng)緩慢、生物量較小、不易成活的缺點(diǎn)，難以在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。因此，選用生長(zhǎng)較為迅速、生物量較大且富集重金屬能力相對(duì)較強(qiáng)植物來提取重金屬成為一種新途徑[5]。

曼陀羅(DaturastramoniumL.)，別名洋金花、狗核桃、山茄子等，是茄科曼陀羅屬一年生直立植物，也是一種常見的農(nóng)田雜草[6]，其具有較強(qiáng)的抗逆競(jìng)爭(zhēng)能力、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)迅速、繁殖能力強(qiáng)和生物量大的特點(diǎn)[7]。張彪等[8]對(duì)某礦區(qū)附近34種野生植物進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)曼陀羅地上部的鎘含量達(dá)到26.17 mg/kg，富集系數(shù)為0.81。董林林等[9]研究蒼耳和曼陀羅發(fā)現(xiàn)，曼陀羅地上部分和地下部分的生物量均較對(duì)照有明顯增加，且曼陀羅體內(nèi)的鎘基本上隨土壤中鎘濃度增加而增加，當(dāng)土壤中鎘濃度為100 mg/kg時(shí)，曼陀羅地上部分富集系數(shù)為1.15，大于1.00。楊海濤等[10]在不同鎘脅迫下對(duì)苗期曼陀羅進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，0.5 mg/L 鎘處理下，株高、葉綠素SPAD值相比對(duì)照分別增加了7.47% 、7.55%，生長(zhǎng)沒有受到抑制。在鎘脅迫下，曼陀羅根、莖、葉對(duì)鎘的富集系數(shù)均大于1.00。前人的研究表明，曼陀羅對(duì)鎘污染有較強(qiáng)的耐性，且對(duì)鎘有較強(qiáng)的富集能力。 但是就曼陀羅在人為污染土壤和礦區(qū)土壤中對(duì)鎘吸收累積能力的差異研究鮮見報(bào)道。筆者通過篩選不同地區(qū)曼陀羅，研究其在不同水平鎘脅迫下和礦區(qū)土壤中的生長(zhǎng)情況及其對(duì)鎘的富集轉(zhuǎn)運(yùn)特征，并探索其提高吸收累積鎘能力的措施，以期為曼陀羅修復(fù)鎘污染土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1供試植物。在會(huì)澤礦區(qū)、沘江流域取6個(gè)點(diǎn)的野生曼陀羅樣品，并收集大小均勻、飽滿的種子，篩選出1個(gè)優(yōu)勢(shì)曼陀羅樣品備用。

1.1.2供試土壤。鎘脅迫試驗(yàn)的土壤取自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山農(nóng)場(chǎng)，自然土壤取自蘭坪鉛鋅礦附近，均取0～20 cm表層土壤，自然風(fēng)干，并混合均勻。供試土壤的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1鎘脅迫盆栽試驗(yàn)。共設(shè)0、25、50 mg/kg 3個(gè)濃度等級(jí)，另外加礦區(qū)土壤(蘭坪鉛鋅礦附近土壤，鎘含量3.14 mg/kg)的一個(gè)處理，每個(gè)處理做3個(gè)重復(fù)。每盆加入5 kg土，按所設(shè)濃度，分別加入0.222 4 mol/L的硝酸鎘溶液0、5、10 mL，曼陀羅生長(zhǎng)80 d后收割。

1.2.2不同營(yíng)養(yǎng)調(diào)控措施對(duì)曼陀羅吸收鎘的影響試驗(yàn)。采用土培盆栽試驗(yàn)，分別采用添加復(fù)合肥、尿素+有機(jī)肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑以及空白對(duì)照4個(gè)處理，每個(gè)處理做3次重復(fù)。每盆加入8 kg礦區(qū)土壤，每盆種3穴，每穴播3顆種子，在幼苗出土后，3～4葉可間苗1次，5～6葉可定苗，每穴保留1健壯植株。定期觀察植株生長(zhǎng)狀況，根據(jù)盆中缺水情況，不定期地給植物補(bǔ)充水分，曼陀羅開花后收割。

1.2.3樣品處理。采集的曼陀羅植物樣品先經(jīng)自來水沖洗干凈后，再用蒸餾水沖洗 4 次，用試紙吸干植株表面水分，分離曼陀羅的根、莖、葉，然后于105 ℃的烘箱內(nèi)殺青 30 min，70 ℃下烘干至恒重并分別稱重，經(jīng)植物粉碎機(jī)磨碎，備用；土壤樣品經(jīng)過自然風(fēng)干處理后粉碎，過100目篩，備用。

1.2.4樣品測(cè)定。曼陀羅中鎘含量測(cè)定參照CB 5009.15—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測(cè)定》，將烘干粉碎后的曼陀羅根、莖、葉樣品采用濕式消解法消解后，通過石墨爐法進(jìn)行測(cè)定。土壤樣品參照GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》測(cè)定土壤鎘含量。

1.3數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析，并利用公式計(jì)算富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)。

BCF= 根(莖、葉)中鎘含量/土壤中鎘含量

TF= 莖(葉)中鎘含量/根中鎘含量

2 結(jié)果與分析

2.1不同區(qū)域曼陀羅鎘的含量差異以及轉(zhuǎn)運(yùn)富集特征由表2可知，曼陀羅體內(nèi)鎘含量的多少與土壤中的鎘含量有關(guān)，總體上曼陀羅中鎘含量隨土壤中鎘含量增加而增加。不同采樣點(diǎn)曼陀羅對(duì)鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力不同，其中云龍農(nóng)區(qū)采樣點(diǎn)3的曼陀羅對(duì)鎘的富集能力最強(qiáng)，地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力強(qiáng)于其他5個(gè)采樣點(diǎn)的曼陀羅，且云龍農(nóng)區(qū)的曼陀羅富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力強(qiáng)于會(huì)澤礦區(qū)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越高，重金屬?gòu)母虻厣限D(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)，根滯留重金屬的能力越弱。

表2 不同區(qū)域曼陀羅鎘含量及轉(zhuǎn)運(yùn)富集系數(shù)

2.2鎘在曼陀羅不同器官的分布以及對(duì)其生物量的影響從表3可以看出，曼陀羅根、莖、葉中鎘的含量分別為1.24～67.44、0.96～72.03、0.85～39.28 mg/kg。隨著鎘脅迫強(qiáng)度的增加，曼陀羅根、莖、葉中鎘含量均呈增加趨勢(shì)，且在相同的鎘處理下，曼陀羅各器官中鎘含量大致趨勢(shì)為莖>根>葉。

生物量可以直觀地反映植物對(duì)重金屬脅迫耐性的高低，由表4可知，在礦區(qū)土壤中種植的曼陀羅總生物量最大，隨著鎘脅迫的增強(qiáng)，曼陀羅的根、莖、葉的生物量均呈遞減趨勢(shì)。在50 mg/kg鎘脅迫下，曼陀羅各部位的生物量較空白對(duì)照(0 mg/kg鎘)明顯減小，生長(zhǎng)受到抑制。

表3鎘脅迫下曼陀羅不同器官中的鎘含量

Table3CadmiumcontentindifferentorgansofDaturastramoniumL.undercadmiumstress

鎘濃度Cadmium concentration∥mg/kg根Root莖Stem葉Leaf01.24 cC0.96 dD0.85 dC2545.90 bB49.97 bB36.30 bA5067.44 aA72.03 aA39.28 aA礦區(qū)土壤Mining area soil4.72 cC7.37 cC6.80 cB

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)

Note：Different lowercase letters in the same column indicated significant differences(P<0.05)，different capital letters indicated extremely significant differences(P<0.01)

表4曼陀羅不同器官生物量比較

Table 4 Comparison of biomass of different organs of Datura stramonium L. g

2.3不同脅迫水平曼陀羅對(duì)鎘的富集轉(zhuǎn)運(yùn)特征富集系數(shù)能反映植物對(duì)重金屬的積累能力。由表5可知，曼陀羅根、莖、葉的富集系數(shù)隨土壤中鎘濃度的增加呈遞減趨勢(shì)，且在各處理下，曼陀羅的富集系數(shù)基本上都是大于1，說明曼陀羅對(duì)鎘有較強(qiáng)的富集能力。

表5鎘脅迫下曼陀羅對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)富集系數(shù)

Table5CadmiumtransportenrichmentcoefficientofDaturastramoniumL.undercadmiumstress

鎘濃度Cadmium concentra-tion∥mg/kg鎘富集系數(shù)Cadmium accumulation coefficient莖Stem葉Leaf根Root鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Cadmium transport coefficient莖Stem葉Leaf01.941.722.510.770.69251.701.231.561.090.79501.240.681.161.070.58礦區(qū)土壤Mining area soil2.572.371.651.561.44

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)反映植物對(duì)體內(nèi)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越高，重金屬?gòu)闹参锔肯虻厣喜康霓D(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)，根滯留重金屬的能力越弱。在不同處理下，曼陀羅的葉片中鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，莖中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在鎘濃度為25和50 mg/kg、礦區(qū)土壤處理下均大于1，隨著鎘脅迫強(qiáng)度的增加，曼陀羅莖、葉中鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均為先增加后降低。

2.4不同營(yíng)養(yǎng)調(diào)控措施對(duì)曼陀羅生長(zhǎng)的影響由不同營(yíng)養(yǎng)調(diào)控措施下曼陀羅生長(zhǎng)狀況(表6)可知，添加復(fù)合肥、尿素+有機(jī)肥和植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑3種措施均對(duì)曼陀羅的生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用，促進(jìn)效果從大到小依次為尿素+有機(jī)肥、復(fù)合肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑；產(chǎn)生該結(jié)果的原因可能是有機(jī)肥中含有大量有機(jī)質(zhì)，有明顯的改土培肥作用，并且有機(jī)肥中養(yǎng)分種類多、營(yíng)養(yǎng)全面，此外還有很多有益微生物，可以促進(jìn)土壤中的生物轉(zhuǎn)化過程，有利于肥力不斷提高，并且配合化學(xué)肥料尿素使用，效果更佳。

2.5不同營(yíng)養(yǎng)調(diào)控措施對(duì)曼陀羅吸收累積鎘能力的影響由圖1可知，曼陀羅根部對(duì)鎘的富集系數(shù)添加復(fù)合肥和尿素+有機(jī)肥顯著高于對(duì)照，且3種措施根部對(duì)鎘的富集能力從強(qiáng)到弱依次為尿素+有機(jī)肥、復(fù)合肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑；曼陀羅地上部對(duì)鎘的富集系數(shù)3種措施均顯著高于對(duì)照，且3種措施對(duì)地上部鎘的富集能力從強(qiáng)到弱依次為尿素+有機(jī)肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、復(fù)合肥；曼陀羅對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)3種措施顯著高于對(duì)照，曼陀羅對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力從強(qiáng)到弱依次為尿素+有機(jī)肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、復(fù)合肥。

表6 不同營(yíng)養(yǎng)調(diào)控措施處理下曼陀羅生長(zhǎng)的狀況

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Note：Different lowercase letters in the same column indicated significant differences(P<0.05)

3 討論

重金屬鎘是毒性最強(qiáng)、容易被植物吸收的非必需元素，當(dāng)鎘積累到一定程度，可以破壞葉綠體的結(jié)構(gòu)、降解葉綠素、抑制光合速率細(xì)胞分裂等[11-14]。該試驗(yàn)結(jié)果，在50 mg/kg鎘脅迫下，曼陀羅各部位的干質(zhì)量較空白對(duì)照(0 mg/kg鎘)明顯減小，生長(zhǎng)受到抑制。這可能是曼陀羅在高濃度鎘脅迫下，曼陀羅體內(nèi)的鎘含量劇增，對(duì)體內(nèi)的生理反應(yīng)產(chǎn)生了毒害作用，導(dǎo)致葉片中的葉綠素合成受阻，光合作用變?nèi)酰L(zhǎng)受到抑制，同時(shí)植物為了躲避重金屬鎘的毒害，需要消耗一定的能量來維持細(xì)胞功能，從而使得曼陀羅生長(zhǎng)速度減慢，出現(xiàn)植株矮小的情況[15]。

葉是植物進(jìn)行光合作用的重要器官，外界的重金屬鎘通過根部進(jìn)行吸收，然后經(jīng)植物莖運(yùn)送到葉片，從而產(chǎn)生毒害作用，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)。該試驗(yàn)中曼陀羅莖部的鎘含量最高可達(dá)到72.03 mg/kg，對(duì)重金屬鎘有較強(qiáng)的富集能力，經(jīng)過田間試驗(yàn)驗(yàn)證后可作為修復(fù)鎘污染的潛在植物。曼陀羅生物量較大，對(duì)重金屬鎘有較強(qiáng)的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)能力，且是一種野生植物，如果能夠經(jīng)農(nóng)田驗(yàn)證運(yùn)用到實(shí)際中去，將對(duì)鎘污染土壤的植物修復(fù)產(chǎn)生重要的現(xiàn)實(shí)意義。

此外，該試驗(yàn)曼陀羅的采樣點(diǎn)不多，且盆栽試驗(yàn)與自然生長(zhǎng)的植物有所差異，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況可能有所差異，因此還需進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

(1)曼陀羅中鎘含量與土壤中鎘含量有關(guān)，不同采樣區(qū)域曼陀羅對(duì)鎘的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力不同，云龍農(nóng)區(qū)采樣點(diǎn)3的曼陀羅對(duì)鎘富集能力最強(qiáng)，且鎘從根向地上轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)。

(2)在同一鎘處理下，曼陀羅各器官中鎘含量大致趨勢(shì)為莖>根>葉，隨鎘脅迫強(qiáng)度增加，曼陀羅各器官中鎘含量均呈增加趨勢(shì)，而曼陀羅各器官的生物量呈減少趨勢(shì)。

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters in the same column indicated significant differences(P<0.05)圖1 不同營(yíng)養(yǎng)調(diào)控措施對(duì)曼陀羅吸收累積鎘能力的影響Fig.1 Effect of different nutritional control measures on the ability of Datura stramonium L. to absorb accumulated cadmium

(3)曼陀羅各器官的富集系數(shù)基本大于1，隨著鎘脅迫的增強(qiáng)，曼陀羅各器官的富集系數(shù)總體呈減小趨勢(shì)，而轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈先增加后減小的趨勢(shì)，其中葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，莖只有在對(duì)照處理下小于1；曼陀羅在鎘污染的土壤中生長(zhǎng)，雖然受到一定的抑制作用，但沒有明顯的毒害癥狀，表明曼陀羅對(duì)鎘具有較強(qiáng)的耐性。

(4)對(duì)比不同營(yíng)養(yǎng)調(diào)控措施下曼陀羅生長(zhǎng)狀況，添加復(fù)合肥、尿素+有機(jī)肥和植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑3種措施均對(duì)曼陀羅生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用，促進(jìn)效果從大到小依次為尿素+有機(jī)肥、復(fù)合肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。復(fù)合肥、尿素+有機(jī)肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑3種營(yíng)養(yǎng)調(diào)控措施對(duì)曼陀羅根部富集鎘的能力從強(qiáng)到弱依次為尿素+有機(jī)肥、復(fù)合肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，地上部富集鎘的能力從強(qiáng)到弱依次為尿素+有機(jī)肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、復(fù)合肥，曼陀羅對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力從強(qiáng)到弱依次為尿素+有機(jī)肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、復(fù)合肥。因此，添加尿素+有機(jī)肥的措施效果最佳。