金盞菊和龍葵對(duì)土壤中鎘的耐受性和富集特征研究①

韋春媛， 嚴(yán) 青

（1.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006； 2.廣西柳州市市政公用事業(yè)發(fā)展中心，廣西 柳州 545000）

當(dāng)前我國土壤重金屬污染較為嚴(yán)重，其中鎘污染因其危害程度高，受到了極大關(guān)注。 鎘廣泛應(yīng)用于合金制備、原子堆反應(yīng)、電鍍等行業(yè)［1］。 進(jìn)入土壤中的鎘容易附著在農(nóng)作物上，通過食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人體造成傷害［2］。 植物修復(fù)重金屬污染土壤是一種高效經(jīng)濟(jì)的方法。 研究發(fā)現(xiàn)，部分植物對(duì)重金屬有超強(qiáng)的富集能力，是一般植物的幾倍甚至幾十倍，這些植物被稱為重金屬超富集植物［3-4］。 龍葵是一種典型的鎘超積累植物，有研究表明，龍葵在高濃度鎘作用下植物生長并未受到抑制［5-7］。 金盞菊對(duì)鎘有很強(qiáng)的耐性，用于鎘污染土壤修復(fù)有較好效果［8-9］。 本文通過盆栽實(shí)驗(yàn)，探究金盞菊和龍葵對(duì)土壤中鎘的耐受性和富集特征，為土壤修復(fù)治理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所選取植物為龍葵和金盞菊。 實(shí)驗(yàn)土壤為某礦山實(shí)驗(yàn)基地表層土壤，土壤理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)土壤理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用溫室盆栽方法，土壤中Cd2＋濃度分別設(shè)定為0，5，25，50，100 mg／kg，每個(gè)處理樣品設(shè)定4 個(gè)平行組，即用Cd（NO3）2配置成相應(yīng)濃度溶液，一次性施入土壤中，其中Cd2＋濃度為0 的土壤施入自來水（無Cd 檢出），設(shè)定為對(duì)照組。 將實(shí)驗(yàn)土壤風(fēng)干過篩后，取3 kg 裝入實(shí)驗(yàn)塑料盆中，按照設(shè)定濃度加入對(duì)應(yīng)量的Cd（NO3）2，充分混合均勻后加入蒸餾水調(diào)節(jié)土壤濕度至田間持水量的80%左右，靜置平衡1 個(gè)月后待用。將龍葵種子和金盞菊種子進(jìn)行育苗，出苗后選取長勢(shì)一致的植株移栽至實(shí)驗(yàn)盆中，每盆移栽2 株，置于溫室中進(jìn)行培育，溫度25 ℃左右，生長期間保持水分的補(bǔ)充，60 d 左右長成，長成后測(cè)量植株高度并記錄，采收后將植株分為地上和地下兩個(gè)部分，自來水沖洗干凈后再用蒸餾水淋洗5 次，晾干水分后烘干至恒重，分別對(duì)地上部分和地下根部稱重、記錄，對(duì)植株各部分粉碎過篩后用HNO3-HClO4法進(jìn)行消解，消解后用原子吸收分光光度法測(cè)定Cd 含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2009、SPSS23.0 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯著性檢驗(yàn)等分析。

地上部分／根部Cd 富集系數(shù)=植株地上部分（根部）Cd 含量／土壤中Cd 含量。

轉(zhuǎn)移系數(shù)=植株地上部分Cd 含量／植株根部Cd含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 土壤中Cd 濃度對(duì)2 種植物株高的影響

不同土壤Cd 濃度下龍葵和金盞菊的株高變化如圖1 所示。 圖中不同字母表示差異顯著，相同字母表示差異不顯著，下同。 龍葵株高隨著土壤中Cd濃度增加呈增長趨勢(shì)，4 組含鎘樣品與對(duì)照組均有顯著性差異（P＜0.05）（P＜0.05 表示數(shù)據(jù)間有顯著差異，P＞0.05 表示數(shù)據(jù)間無顯著差異），相比于對(duì)照組，土壤中Cd 濃度為5、25、50 和100 mg／kg 時(shí)，龍葵株高分別增加12.93%、15.04%、23.75%、31.40%。 低濃度處理組（5 mg／kg、25 mg／kg）間無顯著性差異（P＞0.05），高濃度處理組間（50 mg／kg、100 mg／kg）存在顯著性差異（P＜0.05）。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明龍葵對(duì)鎘的耐受性很強(qiáng)，在高的Cd 濃度下，仍然對(duì)其生長有促進(jìn)作用。 當(dāng)土壤中Cd 濃度為5 mg／kg 時(shí)，金盞菊株高有一定增加，但與對(duì)照組并無顯著性差異（P＞0.05）；當(dāng)土壤中Cd 濃度為25 mg／kg、50 mg／kg 時(shí)，相對(duì)于對(duì)照組株高明顯增加（P＜0.05），分別增加19.53%、16.80%；再繼續(xù)提高土壤中Cd 濃度至100 mg／kg，金盞菊株高略有下降。 說明對(duì)于金盞菊，在較低Cd 濃度下對(duì)其有促進(jìn)生長的作用，同時(shí)在較高Cd 濃度下也不會(huì)對(duì)其生長造成抑制，對(duì)鎘有很好的耐受性。

圖1 不同土壤Cd 濃度下龍葵和金盞菊的株高變化

2.2 不同土壤Cd 濃度下2 種植物的生物量變化

生物量是指某一時(shí)刻單位面積內(nèi)實(shí)存生活的有機(jī)物質(zhì)（干重）（包括生物體內(nèi)所存食物質(zhì)量）總量，生物量可反映植物生長發(fā)育情況。 在不同土壤Cd 濃度下，龍葵生物量變化如圖2 所示。 龍葵地上部分生物量干重隨著土壤中Cd 濃度增加表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，在低濃度時(shí)（5 mg／kg、25 mg／kg），地上部分生物量干重顯著性增加（P＜0.05），相較于對(duì)照組增加了10.87%、6.52%，在高濃度（50 mg／kg 、100 mg／kg）下，相較于低濃度樣品，地上部分生物量干重顯著下降（P＜0.05），Cd 濃度100 mg／kg 樣品與對(duì)照組也有顯著性差異（P＜0.05），相較于對(duì)照組下降了8.7%。 土壤中Cd 濃度分別為5 mg／kg、25 mg／kg、50 mg／kg時(shí)，龍葵根部生物量干重相較于對(duì)照組均呈顯著性增加（P＜0.05），分別增加了4.49%、11.24%、13.48%。當(dāng)土壤中Cd 濃度為100 mg／kg 時(shí)，相對(duì)對(duì)照組根部生物量顯著下降，下降了2.25%。 生物量變化情況表明，龍葵對(duì)鎘有一定的耐受性，較低濃度的鎘對(duì)龍葵生長有一定促進(jìn)作用，但高濃度鎘則對(duì)龍葵生長有抑制作用。

圖2 不同土壤Cd 濃度下龍葵的生物量變化

在不同土壤Cd 濃度下，金盞菊生物量變化如圖3所示。 4 組含鎘土壤栽培的金盞菊地上部分生物量相較于對(duì)照組均略有上升，但無顯著性差異（P＞0.05），各處理組間也無顯著性差異，表明鎘對(duì)金盞菊地上部分的生長發(fā)育無較大影響。 土壤中Cd 濃度5 mg／kg 時(shí)，金盞菊地下部分生物量相較于對(duì)照組顯著增加（P＜0.05），增加了3.57%，其他處理組與對(duì)照組沒有顯著差異（P＞0.05）。 結(jié)果表明，鎘對(duì)金盞菊根部的生長發(fā)育無較大影響，低濃度鎘對(duì)根部生長還有一定程度的促進(jìn)作用。

圖3 不同土壤Cd 濃度下金盞菊的生物量變化

2.3 不同土壤Cd 濃度下2 種植物的Cd 含量變化

不同土壤Cd 濃度下，龍葵各部分Cd 含量變化如圖4 所示。 隨著土壤中Cd 濃度增加，龍葵地上部分和根部中Cd 含量不斷增加，與對(duì)照組差異顯著（P＜0.05），各組間也存在顯著性差異（P＜0.05）。 在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，土壤中Cd 濃度100 mg／kg 時(shí)，龍葵地上部分和根部Cd 含量均達(dá)到最大，分別為589.6 mg／kg 和409.7 mg／kg。龍葵對(duì)鎘有很好的富集能力，地上部分的Cd 含量大于根部的Cd 含量。

圖4 不同土壤Cd 濃度下龍葵各部位Cd 含量變化

不同土壤Cd 濃度下，金盞菊各部分Cd 含量變化如圖5 所示。 金盞菊地上部分和地下部分Cd 含量隨著土壤中Cd 濃度增加呈上升趨勢(shì)，與對(duì)照組之間存在顯著性差異（P＜0.05），在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，土壤中Cd 濃度100 mg／kg 時(shí)，金盞菊地上部分和根部Cd 含量均達(dá)到最大，分別為269.7 mg／kg 和1 289.6 mg／kg。 金盞菊體內(nèi)Cd 含量與土壤中Cd 濃度成正比，金盞菊對(duì)鎘有很好的吸收作用，能富集土壤中的鎘，根部的Cd 含量大于地上部分的Cd 含量。

圖5 不同土壤Cd 濃度下金盞菊各部位Cd 含量變化

2.4 不同土壤Cd 濃度下2 種植物的Cd 積累量變化

不同土壤Cd 濃度下龍葵的Cd 積累量變化如圖6所示。 土壤Cd 濃度增加，龍葵地上部分、根部以及植株Cd 的總積累量均呈顯著上升（P＜0.05），各處理樣品組之間也有明顯差異（P＜0.05），當(dāng)土壤中Cd 濃度100 mg／kg 時(shí)，地上部分、根部和植株積累量達(dá)到最大值，分別為2 389.38 μg、358.96 μg 和2 748.34 μg。 每個(gè)樣品中地上部分的Cd 積累量都比根部積累量多，表明對(duì)于龍葵來說，其地上部分是鎘的主要積累部位。

圖6 不同土壤Cd 濃度下龍葵的Cd 積累量變化

不同土壤Cd 濃度下金盞菊的Cd 積累量變化如圖7 所示。 土壤Cd 濃度增加，金盞菊地上部分、根部以及植株總的Cd 積累量都顯著上升（P＜0.05），當(dāng)土壤中Cd 濃度100 mg／kg 時(shí)，地上部分、根部和植株積累量達(dá)到最大值，分別為860.34 μg、1 444.35 μg 和2 304.69 μg。

圖7 不同土壤Cd 濃度下金盞菊的Cd 積累量變化

2.5 不同土壤Cd 濃度下2 種植物的富集系數(shù)變化

富集系數(shù)的大小代表了植物對(duì)相應(yīng)重金屬的積累能力，富集系數(shù)越大，植物對(duì)重金屬的積累能力就越高，通常富集系數(shù)大于1 代表植物為重金屬的高積累植物，富集系數(shù)小于1 則代表植物為重金屬的一般積累植物。

不同土壤Cd 濃度下龍葵的富集系數(shù)變化如圖8所示。 龍葵地上部分和根部的積累系數(shù)在不同土壤Cd 濃度下積累系數(shù)均大于1，表明龍葵是鎘的高積累植物。 龍葵根部積累系數(shù)隨著土壤中Cd 濃度增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，在土壤中Cd 含量5 mg／kg時(shí)，龍葵根部積累系數(shù)最高，達(dá)到11.14，與其他樣品差異顯著（P＜0.05）。 龍葵地上部分積累系數(shù)總體上隨著土壤中Cd 濃度增加而逐漸下降，4 個(gè)不同土壤Cd濃度下栽培的龍葵積累系數(shù)均顯著小于對(duì)照組（P＜0.05），當(dāng)土壤中Cd 濃度100 mg／kg 時(shí)，富集系數(shù)最低，為4.13。

圖8 不同土壤Cd 濃度下龍葵的富集系數(shù)變化

不同土壤Cd 濃度下金盞菊的富集系數(shù)變化如圖9所示。 金盞菊地上部分和根部的積累系數(shù)在不同土壤Cd 濃度下均大于1，表明金盞菊同樣是鎘的高積累植物。 金盞菊地上部分積累系數(shù)隨著土壤中Cd 濃度增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)土壤中Cd 濃度5 mg／kg時(shí)，金盞菊地上部分積累系數(shù)最高，達(dá)到15.56，與其他處理組差異顯著（P＜0.05），其他樣品的根部積累系數(shù)有所下降，但高于空白對(duì)照組（P＜0.05）。 金盞菊根部積累系數(shù)隨著Cd 濃度增加先增加后減小，當(dāng)土壤中Cd 濃度5 mg／kg 時(shí)，根部積累系數(shù)最高，達(dá)到8.72，與其他處理組差異顯著（P＜0.05），此后龍葵根部積累系數(shù)開始下降且均顯著小于對(duì)照組（P＜0.05），當(dāng)土壤中Cd 濃度100 mg／kg 時(shí)，富集系數(shù)最低，為2.69。

圖9 不同土壤Cd 濃度下金盞菊的富集系數(shù)變化

2.6 不同土壤Cd 濃度下2 種植物的轉(zhuǎn)移系數(shù)變化

不同土壤Cd 濃度下龍葵和金盞菊的轉(zhuǎn)移系數(shù)如表2 所示。 龍葵的轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著Cd 濃度增加先增加后減少，在Cd 濃度5 mg／kg 時(shí)轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，為3.98，與其他組均有顯著性差異（P＜0.05）。 金盞菊的轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著Cd 濃度增加顯著減少（P＜0.05）， Cd 濃度增加會(huì)抑制Cd 由根部向地上部分轉(zhuǎn)移。

表2 不同土壤Cd 濃度下龍葵和金盞菊的轉(zhuǎn)移系數(shù)

3 結(jié) 論

1） 龍葵和金盞菊2 種植物都表現(xiàn)出對(duì)鎘良好的耐受性。 從栽培過程的株高變化來看，龍葵隨著土壤中Cd 濃度增加呈增長趨勢(shì)；低Cd 濃度下明顯促進(jìn)金盞菊生長。 從生物量變化來看，土壤中較低的Cd 濃度對(duì)龍葵生長有一定促進(jìn)作用，但高濃度Cd 對(duì)龍葵生長有抑制作用；Cd 濃度對(duì)金盞菊根部的生長發(fā)育無較大影響，低濃度Cd 對(duì)根部生長有一定程度促進(jìn)作用。

2） 金盞菊和龍葵地上部分和地下部分Cd 含量均隨著土壤中Cd 濃度增加呈上升趨勢(shì)。

3） 金盞菊和龍葵都是鎘的高積累植物，地上部分和根部的積累系數(shù)均大于1。 龍葵轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著土壤中Cd 濃度增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，最大為3.98。 金盞菊轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著土壤中Cd 濃度增加顯著下降，Cd 濃度增加會(huì)抑制Cd 由根部向地上部分轉(zhuǎn)移。