冬季农田杂草繁缕对镉的积累特性研究

林立金，宁博，廖明安，蓝焕杰，梁欢

1. 四川农业大学园艺学院，四川 雅安 625014；2. 雅安水土保持生态环境监测分站，四川 雅安 625000；3. 四川农业大学资源环境学院，四川 成都 611130

重金属植物修复技术主要是将筛选出的超富集植物种植在重金属污染的土壤上，通过这些植物的根系吸收，将土壤中的重金属转移至植物体内，再将植物收割处理，从而达到将土壤中的重金属彻底清除的目的。该技术具有费用低廉、不破坏场地结构、不造成二次污染等特点，已成为修复土壤重金属污染研究领域的热点（Marques等，2009）。目前为止，虽然已发现的重金属超富集植物有几百种（McGrath等，2002），但是这些重金属超富集植物大多存在地上部生物量偏小、生长速度较慢（Maestri等，2010）、分布范围狭窄的缺点（Wu等，2004），限制了植物修复技术的推广应用。在农田生态系统中，农田杂草具有抗逆性强、生物量大、生长迅速的特点（郭水良和李扬汉，1996；魏树和等，2004），若能从农田杂草中筛选出重金属超富集植物，不仅可以弥补现有超富集植物的不足之处，而且可以就地取材和使用，避免了引种过程中潜在的问题。然而，目前仅有少量的超富集植物（特别是镉超富集植物）是从农田杂草中筛选出来的（Zhang 等，2011；Wei等，2005；Sun等，2008）。为此，利用有效的方法从当地土生土长的杂草中筛选更多的超富集植物是重金属植物修复的一项非常重要内容。

目前，超富集植物的筛选方法主要有五种：野外调查法（Zhang等，2013）、微量分析法（Brooks等，1977）、野外试纸初步诊断法（Baker等，1996）、人工培养法（Zhang等，2010）和土壤种子库-重金属浓度梯度法（Zhang等，2011）。在这些筛选方法中，土壤种子库-重金属浓度梯度法是目前最有效的方法。

在已知的镉超富集植物中，属于农田杂草的较少（Wei等，2005；Zhang等，2013；Wei等，2013；聂发辉，2006），且大部分为夏季生长的植物，冬季生长的则较少。因而，从冬季生长的农田杂草中筛选镉超富集植物需要深入研究。前人对各种超富集植物的重金属浓度梯地试验结果表明，很多镉超富集植物在达到超富集植物标准时，其土壤中添加的镉含量约为 20～60 mg·kg-1（Wei等，2005；Zhang等，2013；Wei等，2013；聂发辉，2006）。为此，本研究采用土壤种子库-重金属浓度梯度法（Zhang等，2011），在收集的农田表层土壤中添加 60 mg·kg-1镉，让土壤中的冬季农田杂草种子自然生长，测定其镉含量，再通过浓度梯度进行进一步的镉积累特性研究，以期从冬季农田杂草中筛选出镉超富集植物，为镉污染农田土壤的冬季植物修复提供材料。

1 材料与方法

1.1 材料筛选

于2012年9～12月在四川农业大学雅安校区农场（29°59′N，102°59′E）进行土壤种子库-金属法筛选试验。供试土壤为紫色土，取自四川农业大学雅安校区农场农田，其基本理化性质：pH值 7.02，有机质 41.38 g·kg-1，全氮 3.05 g·kg-1，全磷 0.31 g·kg-1，全钾 15.22 g·kg-1，碱解氮 165.30 mg·kg-1，速效磷 5.87 mg·kg-1，速效钾 187.03 mg·kg-1，镉全量 0.101 mg·kg-1，有效态镉含量 0.021 mg·kg-1。土壤理化性质及重金属含量均按照参考《土壤农化分析》（鲍士旦，2000）的方法测定。

2012年9月10日，将土壤风干、压碎、过5 mm筛后，分别称取3.0kg装于15 cm×18 cm（高×直径）的塑料盆内，以 CdCl2·2.5H2O 的形式加入 60 mg·kg-1的镉，与土壤充分混匀，保持土壤田间持水量为 80%，使土壤中的冬季农田杂草种子自然生长。2012年12月10日收获生长的冬季农田杂草（表1），用自来水将附着在根系和地上部分的土冲洗至净，再用去离子水冲洗3次。将根系和地上部分置于110 ℃杀青15 min，75 ℃烘干至衡重，称重，粉碎，过100目筛。称取0.500 g样品，加入硝酸-高氯酸（体积比为4:1）放置12 h后消化至溶液透明，过滤，定容至50 mL，用iCAP 6300型ICP光谱仪测定(Thermo Scientific，USA)镉含量，并计算地上部分富集系数（BCF）=地上部分镉含量/土壤镉含量（Zhang等， 2011），转运系数（TF）=植物地上部分镉含量/根系镉含量（Rastmanesh等，2010）。

从表1可知，在收获的6种杂草中，除繁缕地上部分镉含量为93.70 mg·kg-1（地上部分BCF>1）外，其余的地上部分镉含量都较低（地上部分BCF<1）。繁缕的地上部分镉含量接近镉超富集植物的临界值（100 mg·kg-1），在更高的土壤镉含量条件下可能达到镉超富集植物的临界值。此外，繁缕地上部分BCF为1.56>1，但TF为0.12<1。因此，繁缕可能是一种镉富集植物，附地菜、棒头草、婆婆纳、胜红蓟和雀舌草是镉耐性植物。

1.2 浓度梯度试验

浓度梯度试验于2013年9月-12月在四川农业大学雅安校区农场进行。使用的土壤与筛选试验相同。将土壤风干、压碎、过5 mm筛后，分别称取3.0kg装于15 cm×18 cm（高×直径）的塑料盆内，土壤中以 CdCl2·2.5H2O 溶液形式加入的镉质量分数分别为 0、25、50、75、100、125 mg·kg-1，每个处理重复3次，使镉与土壤充分混匀，保持土壤田间持水量为80%。

繁缕种子于2013年2月采至四川农业大学雅安校区农场农田。2013年9月，将繁缕种子直接撒播于盆中，每盆20粒。待繁缕幼苗长出2对真叶时进行匀苗，每盆选择长势相对一致且均匀分布的5株幼苗保留，每天浇水以保持盆中土壤的田间持水量约为80%。70 d后繁缕处于盛花期时进行收获，处理方式与筛选试验相同，测量繁缕的主枝长度和平均根系长度，测定繁缕的根、茎、叶镉含量及生物量，计算根系 BCF、地上部分 BCF、TF、根冠比、耐性系数、抗性系数、金属提取率和植物有效提取金属株数。耐性系数=各处理平均根系长度/对照平均根系长度（Rout等，1999）；抗性系数=各处理总生物学产量/对照总生物学产量（赵杨迪等，2012）；金属提取率（MER）=单种植物重金属提取总量×100/土壤镉总量（Mertens等，2005；植物有效提取金属株数（PEN）为从土壤中提取1.0 g金属到植物地上部分所需的植物株数（García等，2004）。

表1 土壤种子库-金属法筛选的植物Table 1 The Plant Species Grown in Soil Seed Bank-Metal Accumulator Screening Experiment

表2 繁缕的生物量Table 2 The Biomass of Stellaria media

1.3 数据处理方法

数据采用DPS系统进行方差分析（Duncan新复极差法进行多重比较）。

2 结果与分析

2.1 繁缕的生物量

随土壤镉含量的增加，繁缕根系及地上部分干重呈减少的趋势（表2），但没有表现出明显的毒害症状。与对照相比，从低到高各梯度浓度处理总生物量分别下降了17.31%、34.87%、44.79%、52.12%和 59.32%，差异均达显著水平（p<0.05）。可见，土壤高含量的镉对繁缕生长有明显的的抑制作用。随土壤镉含量的增加，繁缕的根冠比呈先增后降的趋势（最小值为0.097），而抗性系数呈降低的趋势（最小值为0.407，表2）。由此也可见，在土壤高含量的镉条件下，繁缕的抗性受到抑制。

2.2 繁缕的主枝长、平均根长及耐性系数

图1 繁缕的主枝长、平均根长及耐性系数Fig. 1 The Main Branch Length, Root Length and Tolerance Index of Stellaria media

随土壤镉含量的增加，繁缕的主枝长、平均根长及耐性系数均呈下降的趋势，但土壤镉含量达到75 mg·kg-1后趋于平缓（图1）。与对照相比，从低到高各梯度浓度处理繁缕的主枝长分别下降了10.66%、26.47%、38.97%、46.69%和 49.26%，差异均达显著水平（p<0.05）；平均根长分别下降了8.23%、30.65%、43.68%、49.04%和49.81%，差异均达显著水平（p<0.05）。在土壤镉含量为75、100、125 mg·kg-1时，繁缕的耐性系数分别为 56.32%、50.96%和50.19%，下降幅度逐渐缩小。

2.3 繁缕对镉的积累特性

从表3可知，随土壤镉含量的增加，繁缕根系和地上部分镉含量均呈上升的趋势，其最大值均出现在土壤镉含量为125 mg·kg-1时，分别为1353.09 mg·kg-1和 136.79 mg·kg-1。从低到高各梯度浓度处理繁缕根系镉含量分别是对照的17.0倍、51.5倍、87.2倍、116.0倍和 132.3倍，差异均达显著水平（p<0.05）；地上部分镉含量是对照的26.9倍、42.3倍、53.3倍、61.2倍和66.7倍，差异均达显著水平（p<0.05）。这说明繁缕在土壤镉含量较高的情况下能够大量富集镉，使体内镉含量大幅度增加，具有镉超富集植物的基本能力。从BCF来看，繁缕根系BCF随土壤镉含量的增加呈先增后降的趋势，其值为7.31～11.94；地上部分BCF随土壤镉含量的增加呈降低的趋势，其值为1.09～2.25，说明繁缕对镉的富集能力随土壤镉含量的增加在逐渐减弱。除对照外，随土壤镉含量的增加，繁缕 TF值逐渐降低，这也说明，繁缕从根系到地上部分的转运能力逐渐在减弱，不利于繁缕在土壤高含量镉条件下富集镉。

2.4 繁缕对镉的提取特性

随土壤镉含量的增加，繁缕根系、地上部分及整株的镉提取量均呈先增后降的趋势（表4）。在土壤镉含量为75 mg·kg-1时，繁缕根系镉提取率达最大值，为85.06 μg·plant-1，是对照的41.3倍（p<0.05）。在土壤镉含量为100 mg·kg-1时，繁缕地上部分镉提取率达最大值，为85.48 μg·plant-1，是对照的30.2倍（p<0.05）。繁缕整株镉提取量的最大值出现在土壤镉含量为 75 mg·kg-1时，为 170.54 μg·plant-1，是对照的34.5倍（p<0.05）。在土壤镉含量分别为25、50、75、100和125 mg·kg-1时，繁缕MER分别为0.129、0.096、0.076、0.054和 0.042，镉提取率逐渐降低。在土壤镉含量分别为0、25、50、75、100和 125 mg·kg-1时，相应的 PEN 分别为 357143、15775、12591、11699、11439和12453。可见，繁缕的单株提取率较低。

表3 繁缕对镉的积累特性Table 3 Cadmium Accumulation Characteristics of Stellaria media

表4 繁缕对镉的提取特性Table 4 Cadmium Extraction Characteristics of Stellaria media

3 讨论

重金属超富集植物通常具有独特的生理使其积累某种或某些重金属元素（Chehregani et al.,2009）。本研究表明，繁缕根系和地上部分镉含量随土壤镉含量的增加而显著增加，说明繁缕对镉元素有特殊的生理机制使其能在体内大量积累镉，也说明繁缕对镉的积累受土壤镉含量的影响较大。在土壤镉含量为75 mg·kg-1时，繁缕地上部分镉含量为109.73 mg·kg-1，达到镉超富集植物的临界值（100 mg·kg-1）。同时，在不同土壤镉含量条件下，繁缕没有表现出明显的毒害症状，其根系及地上部分BCF均大于1，但TF均小于1。按照镉超富集植物的定义，镉超富集植物体内镉含量的临界值是 100 mg·kg-1，且富集系数（BCF）和转运系数（TF）均应大于1（Books等，1977；Books，1998）。因此，繁缕没有达到镉超富集植物的标准，不是镉超富集植物，而是镉富集植物。与其它镉超富集植物（Zhang等，2011；Wei等，2005；Sun等，2008；Zhang等，2013；Wei等，2013）相比，繁缕地上部分镉含量相对较低，镉提取量大于根系镉提取量，镉积累量最大值达到87.42 μg·plant-1（土壤镉含量为100 mg·kg-1），具有较强的修复潜力，能够用于镉污染土壤的修复。

在镉胁迫条件下，植物的抗氧化酶活性被抑制，导致其产生一系列的生理毒害作用（Yang等，2004）。对镉具有较强的耐性是镉超富集植物的基本特性之一（Ghnaya等，2005），而抗氧化酶系统在镉超富集植物抵御镉胁迫中起到了重要作用（Liu等，2009）。前人研究表明，在镉胁迫下，镉超富集植物的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性均呈升高的趋势（Zhang等，2013），从而使镉的生物毒性作用大大降低。本研究表明，在镉处理条件下，繁缕的根系生物量、地上部分生物量、主枝长度、根系长度、抗性系数及耐性系数均随土壤镉含量的增加而下降，但在土壤镉含量不高于75 mg·kg-1时，其下降幅度相对较小，且能够正常生长，由此说明繁缕对镉也具有较强的耐性，使其能够在较高土壤镉含量条件下正常生长。繁缕为一年生或二年生草本，株高10～30 cm，为常见的田间杂草，在中国广泛分布（仅新疆、黑龙江未见记录），也是世界广泛分布的植物（唐昌林等，1996）。与其它镉超富集植物（Wei等，2005；Zhang等，2013；Wei等，2013；聂发辉，2006）相比，繁缕的单株生物量较少，单株镉提取率也较低，但本课题组通过野外调查发现，繁缕具有分蘖力强、繁殖力强、生长密度大、耐荫性强等特点，主要生长在冬春季节。这些特点是其它镉超富集植物或镉富集植物（Zhang等，2011；Wei等，2005；Sun等，2008；Zhang等，2013；聂发辉，2006）无法比拟的，并且弥补了繁缕生物量小的缺点（单位面积的生物量与其它镉超富集植物相当）。在众多已筛选出的镉超富集植物中，大多数为夏季生长的植物，冬季生长的较少，而作为冬季农田杂草的繁缕能够弥补冬季镉污染修复材料的不足。

4 结论

繁缕是一种生长迅速、分布广泛、适应能力强的冬季农田杂草。繁缕对镉的耐性强，地上部分镉含量大于镉超富集植物的临界值100 mg·kg-1，根系富集系数（BCF）和地上部分富集系数（BCF）均大于 1，但转运系数（TF）小于 1，是一种镉富集植物。繁缕对镉的提取总量可达87.42µg·plant-1，可用于冬季农田镉污染的修复。

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