龍葵修復不同濃度土壤鎘污染研究*

韓飛, 鄒光得, 晉方學， 陸旭東, 岳志強, 熊明月, 楊云，5, 畢佳慧, 徐銳, 黃晶心

(1.云南師范大學 能源與環境科學學院，云南 昆明 650500；2.鎮雄縣農業農村局，云南 鎮雄 657200；3.鎮雄縣農村能源建設與農業環境工作站，云南 鎮雄 657200；4.玉溪市農業環境保護和農村能源工作站，云南 玉溪 653100；5.文山州農業科學院，云南 文山 663099)

隨著經濟的快速發展，土壤重金屬污染已成為重要的環境問題之一[1].據我國自然資源部報告，2020年我國重金屬污染耕地面積約為2 000萬hm2，占總量的10%以上[2]，其中鎘(Cd)污染耕地占較大比例.據調查，我國土壤 Cd超標率位居所有重金屬之首，土壤 Cd位點超標率達到7%，呈現出從西北向東南、從東北向西南逐漸遞增的態勢[3].土壤Cd污染會破壞植物組織細胞，影響植物正常的生理代謝活動[4].土壤中的Cd具有較強的活性與移動性，易通過食物鏈向人體遷移和積累，對食品安全與人體健康具有嚴重危害[5].

在土壤Cd污染的修復方法中，植物修復是用重金屬超富集植物來吸收和富集Cd的一種方法，具有成本低且綠色環保等優點[6].目前已篩選出的Cd超富集植物累計有80種[7].龍葵(SolanumnigrumL.)為一年生草本植物[8]，生于農田和荒地，在全國各地均有分布，同時它也是一種常見的農田雜草，具有抗逆境能力強、營養生長迅速、繁殖能力強以及在環境條件適宜情況下生物量能夠急劇提高等優點.魏樹和等[9]通過盆栽模擬和小區試驗表明龍葵具有Cd超富集植物的基本特征，通過Cd污染區采樣分析試驗，表明在Cd污染水平為25 mg/kg條件下，龍葵莖及葉的Cd含量均超過了100 mg/kg這一公認Cd超積累植物應達到的臨界含量標準，且其Cd富集系數大于1，證實了龍葵為鎘的超富集植物[10].因此，龍葵已成為土壤Cd污染修復的優勢植物[11].

但關于龍葵修復土壤Cd污染的研究主要集中在對其超富集特性評價方面，例如王濤等人[12]研究表明龍葵幼苗體內Cd的積累量與土壤中的Cd濃度呈現顯著的正相關關系，且各部分富集Cd的能力大小依次為葉>莖>根.李志賢等人[13]研究表明龍葵對Cd的富集和轉運系數隨Cd濃度的增加呈現低促高抑的現象，在Cd為20 mg/kg時富集和轉運能力顯著下降.杜照奎等人[14]通過研究不同光強條件下龍葵對Cd積累的影響表明遮光環境促進了龍葵對Cd的富集，同時減輕了Cd對龍葵的氧化脅迫.孫正國[15]關于龍葵修復礦區土壤的研究表明土壤Cd濃度越高，龍葵吸收的Cd越多，對龍葵的生長和光合作用產生的負面影響越大.目前在對比龍葵修復不同濃度Cd污染土壤性能方面的研究還比較少.

本試驗研究了不同濃度土壤Cd污染下龍葵的生長情況及Cd富集特征，對比了不同濃度土壤Cd處理下龍葵的Cd富集量和Cd去除率大小，旨在評價龍葵對不同濃度土壤Cd污染的修復效果，為龍葵修復土壤Cd污染提供參考依據.

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用龍葵種子采自云南省昆明市云南師范大學校園內，挑選當年自然結實且顆粒飽滿、大小一致的種子備用.于某撂荒10余年的地塊采集0～20 cm耕作層土作為試驗土壤.采集的土壤自然風干至含水量約為20%，除去土壤中的石礫及動植物殘體，捻碎過孔徑為5 mm的篩子備用.土壤的基本理化性質如下：全氮為1.16 g/kg，速效磷為25.73 mg/kg，速效鉀為68.65 mg/kg，有機質含量為25.43 g/kg，pH為7.8，土壤中鎘的背景值為2.38 mg/kg.

1.2 試驗設計

試驗在云南師范大學溫室中進行.稱量過篩后的供試土壤裝入規格(長×寬×高)為49 cm×18 cm×14 cm的花盆中，每盆裝土6 kg.共設置5個土壤處理和1個不添加Cd處理(CK)，土壤總Cd含量分別為20 mg/kg(T1)、40 mg/kg(T2)、80 mg/kg(T3)和160 mg/kg(T4)處理，每個處理5個重復.上述不同處理的Cd供源為CdCl2·2.5H2O(分析純)，處理后土壤放置穩定2 w備用.穩定后的土壤撒入龍葵種子培育成苗，待幼苗成活后每盆選留大小一致的5棵苗，定期除草和澆水，試驗進行150 d后收獲植株進行指標測定.

1.3 指標測定方法

將收獲的龍葵植株用自來水洗凈后，再用蒸餾水超聲清洗5 min，濾紙吸干表面水分，而后將植株分為根、莖和葉三部分.用游標卡尺和皮尺測量龍葵株高和莖基直徑.洗凈材料置于115 ℃恒溫烘箱中殺青30 min，后在70 ℃恒溫下烘干至恒重，測定生物量干重.將烘干的材料研磨后過孔徑為0.25 mm的篩網，過篩后的植物粉末采用體積比為3∶1的鹽酸-硝酸混合液進行消解，用原子吸收光譜儀(AA-7000,Shimadzu,Japan)測定龍葵Cd含量[16].參照龍玉梅等[17]的研究方法計算以下指標:

轉運系數(TF)=植物地上部分 Cd 含量/植物根部 Cd 含量;

富集系數(BCF)=植物地上部分 Cd 含量/土壤中 Cd 含量;

Cd去除率=(植物地上部分Cd含量×地上部分生物量) /(土壤中Cd含量×供試土壤質量) × 100% .

1.4 數據分析方法

使用Microsoft Excel 2019進行數據整理和圖表繪制，用IBM SPSS Statistics(版本號：26.0)分析不同處理下龍葵生長、生物量、Cd富集量及Cd去除能力等指標的差異.

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對龍葵株高和莖基直徑的影響

不同處理龍葵的株高存在顯著差異(P<0.05)，其中T2處理下龍葵的株高最高，T4處理最低(圖1A).不同處理龍葵的莖基直徑存在顯著差異，T1處理龍葵的莖基直徑最大，T4處理最小(圖1B).

不同小寫字母表示處理間存在顯著差異(P<0.05),下同.

2.2 鎘脅迫對龍葵生物量的影響

不同處理龍葵的地下生物量干重隨Cd濃度增大呈先增加后減少的趨勢，T2處理時最大(4.42 g)，T4處理最小(3.64 g)(圖2A).龍葵地上部生物量干重的變化與地下部一致，T4處理時最小為16.64 g，比CK處理降低了20.42%(P<0.05)，與T2和T3處理差異極顯著(P<0.01)(圖2B).

圖2 不同處理龍葵地下部生物量(A)和地上部生物量(B)

2.3 不同處理下龍葵體內富集的Cd含量分布

各處理龍葵地上部Cd含量顯著比地下部高出了2～5倍，說明龍葵從土壤中吸收的Cd主要儲存于地上部.隨Cd濃度升高，龍葵地下部和地上部Cd含量均呈現上升的趨勢；除T1外各處理組地下部Cd含量均與CK存在極顯著差異(P<0.01)，T3處理的地下部Cd含量最大，為77.22 mg/kg(圖3A)；各處理地上部Cd含量均與CK存在極顯著差異(P<0.01)，T4處理地上部Cd含量最大，為229.57 mg/kg(圖3B).

圖3 不同處理龍葵地下部Cd含量(A)和地上部Cd含量(B)

2.4 Cd脅迫對龍葵的富集系數、轉運系數和Cd去除率的影響

從表1可以看出，不同處理組龍葵的富集系數和轉運系數均大于1，說明龍葵對Cd有較強的吸收、富集和向上轉運的能力.隨著Cd脅迫濃度升高，富集系數、轉運系數和Cd去除率均呈先升高后降低的趨勢，且T1處理下三個指標數值均為最大.

表1 不同處理下龍葵的富集系數、轉運系數和Cd去除率

3 討論

從Cd脅迫對龍葵生長的影響來看，龍葵株高、地下部和地上部生物量均隨Cd濃度增加呈現先升高后降低的趨勢，與多數研究結果類似.如楊容孑[18]和李志賢[19]研究表明Cd脅迫對龍葵的生長起低濃度促進、高濃度抑制的作用.添加不同濃度的Cd對花生的生長也存在類似影響[20].其原因可能是低濃度的Cd促進了龍葵根尖細胞分裂，從而促進植物生長，Cd濃度過高則抑制細胞分裂，抑制蛋白質合成酶的活性阻礙了植物生長[21].

從龍葵對Cd的富集特征來看，龍葵地上部的Cd含量顯著高于地下部，這說明龍葵從土壤中吸收的Cd主要儲存于地上部分；此外，龍葵對Cd的富集系數和轉運系數均隨土壤Cd濃度的增加呈先升高后降低的趨勢，均大于1，說明龍葵有較強的Cd吸收和轉運能力.究其機制，有研究證實超富集植物能夠改變其根際環境，提高土壤中重金屬的溶解性，使重金屬容易被吸收和利用[22].孫月美[23]研究表明龍葵根系分泌物活化了土壤中的Cd，在生長過程中隨著生物量不斷增加，龍葵根系對Cd的吸收也不斷增加.Cd進入龍葵根細胞后通過某種特殊的Cd專一通道[24]或者載體蛋白隨蒸騰作用到達植株地上部，李志賢等[19]研究表明，土壤Cd含量為10 mg/kg時龍葵的地上部蒸騰速率和氣孔導度最強，顯著高于其他處理.這說明一定濃度的Cd脅迫可以強化龍葵的蒸騰作用，加快Cd由根系向地上部的快速轉運.

從龍葵對不同濃度Cd污染土壤的修復性能來看，在Cd濃度為20 mg/kg時龍葵的富集系數、轉運系數和Cd去除率均達到最大.姚詩音[25]對超富集植物青葙的研究表明輕度Cd脅迫(1～15 mg/kg)可以提高青葙種子的發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數，增加生物量以及總蒸騰量，從而促進青葙對Cd向地上部分的運輸作用.龍玉梅等[17]的研究表明低濃度Cd污染土壤下龍葵的富集系數和Cd去除率高于高濃度Cd污染處理，說明龍葵適用于低濃度污染土壤的修復.

本研究可為低濃度Cd污染土壤修復的植物選擇提供參考依據，但對于重度污染的土壤，直接種植超富集植物來進行修復需要的時間很長，修復效率較低，在實際應用中可采取農學、植物營養學、化學和生物學等手段提高土壤重金屬有效性和增加植物生物量，通過強化措施提高植物修復的性能.

4 結語

龍葵是一種優良的Cd超富集植物，在土壤總Cd濃度為160 mg/kg時仍能生長， Cd濃度為20 mg/kg時富集系數、轉運系數和Cd去除率均達到最大，說明龍葵對于低濃度的Cd污染土壤具有較好的修復性能.