盐生植物碱蓬修复镉污染盐土的研究

陈雷，杨亚洲，郑青松，张春银，王爽，许彩云，葛滢*

(1.南京农业大学资源与环境科学学院 江苏省海洋生物学重点实验室，江苏 南京 210095；2.江苏省盐城绿苑海蓬子有限公司，江苏 盐城224002)

Cd 是一种植物非必需的有害重金属，在环境中具有化学活性强、移动性大、生物毒性强且持久等特点，对植物和动物均有很高的毒性[1]，通过食物链的富集危及人类健康[2-3]。目前，土壤Cd污染主要来自人类的采矿、冶炼、电镀、污水灌溉、过量使用化肥和农药等活动[4-6]。20世纪90年代以来，随着沿海省份社会经济的高速发展和城市化的加快，近海滩涂的开发利用和陆源污染物排放强度不断增加，导致滩涂土壤污染越来越严重，一些地区滩涂土壤中的Cd等重金属含量已明显超标[7-9]。因此，滩涂Cd污染土壤治理就显得尤为迫切和重要。

植物修复技术与其他从土壤中去除污染物的物化技术相比，是一种新兴的环境友好、成本较低的生物技术。然而，大多适用于去除重金属污染的植物是甜土植物[10]，如：遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)和印度芥菜(Brassicajuncea)，并不适合于重金属污染滩涂盐土的植物修复。和甜土植物不同的是，盐生植物不仅在盐分引起渗透压和离子胁迫的氧化应激方面显示出特有的适应性，在金属离子毒性上也拥有相对的各种生理解毒机制[11]。因此，盐生植物可以栽培于重金属污染盐土上。有研究表明[11-15]，盐分可以减轻盐生植物海马齿(Sesuviumportulacastrum)和海滨锦葵(Kosteletzkyavirginica)的Cd胁迫，而在小麦(Triticumaestivum)和油菜(Brassicanapus)等非盐生植物中，盐分则增强了Cd的毒性效应。此外，盐分被认为是盐生植物吸收和转运Cd的关键因素。例如，Smolders等[16]的研究表明耐盐植物甜菜(Betavulgaris)在加NaCl处理后不同组织中的Cd含量增加了2倍，而Lefèvre等[17]的报道称NaCl减少了Cd在旱生盐土植物滨藜(Atriplexhalimus)中的累积。盐分对植物体内Cd含量的影响一定程度上与盐分增加导致的土壤Cl-配体含量增大、Cd的溶解性和生物有效性改变有关。但到目前为止，NaCl对盐生植物重金属累积方面的确切作用仍不是十分清楚。

碱蓬(Suaedasalsa)是一年生叶肉质化盐生草本植物，为藜科碱蓬属，主要生长于海滨、湖边、荒漠等处的盐碱荒地，属高耐盐稀盐生植物，是一种典型的盐碱地指示植物，可在海水中生长[18]。有研究表明，碱蓬对Cd有一定的耐受性和富集能力[19-20]。不过，上述报道只探讨了水培条件下碱蓬对Cd的吸收量，尚未阐明不同土壤盐度下这种植物不同部位Cd的富集和转运特点。因此，本研究采用温室盆栽试验，研究了不同水平Cd和NaCl处理下碱蓬对Cd和Na吸收和分配，以明确碱蓬修复Cd污染盐土的潜力。

1 材料与方法

1.1 材料

供试植物：碱蓬，种子由江苏盐城绿苑海蓬子公司提供。

1.2 试验处理设计

试验于2012年4月至9月在南京农业大学牌楼试验基地温室中进行。采用盆栽土培，供试土壤为南京市郊区的黄棕壤，土壤的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Selected physical and chemical properties of the soil

将供试土壤经风干、过2 mm筛后，与一定量的CdCl2·2.5H2O、NaCl和NPK肥料充分混合后装入塑料桶(直径20 cm、高20 cm)中，每桶装土4.0 kg。NPK肥料的用量为每桶1.8 g尿素、1.4 g磷酸氢二铵和1.2 g氯化钾。试验采用Cd与NaCl的复合处理：采用NaCl和CdCl2·2.5H2O溶液加入土壤，使土壤NaCl和Cd浓度分别为0.1%, 0.5%, 1.0%和0, 1.0, 2.5, 5.0 mg/kg，然后加水使土壤含水量饱和并充分混匀，平衡1个月后播入碱蓬种子，生长10 d后间苗，每桶留生长基本一致的5株碱蓬幼苗。碱蓬生长期间每天加入适量水分，保持含水量在土壤最大田间持水量的70%左右。间苗136 d后收获样品测定。实验共设12个处理，以不加Cd的盐处理为对照，每个处理3次重复。

1.3 生物量的测定

每个重复试验的5株植物全部取样，沿土面剪取植株地上部，再取出根部，用自来水充分冲洗以去除粘着于植株上的泥土和污物，再用去离子水冲洗，沥去水分，测定植株的鲜重后，105℃杀青 30 min，70℃烘干至恒重，分为根、茎、叶3部分，分别称干重、磨碎备用，通过计算获得每桶植株总重。

1.4 植物样品中Cd和Na含量测定

准确称取0.100 g粉碎的碱蓬干样与2 mL浓HNO3混合，用Milestone Ethos T微波消解系统消解，消解完全后，定容，用Perkin Elmer Optima 2100DV电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定Cd和Na含量。采用参考标准物质GBW 07603(GSV-2)对实验方法进行检验。测定结果与标准值基本吻合，回收率为94.9%～105.3%，RSD在1.2%～4.1%之间，数据精密度较好，说明分析方法不存在明显的系统误差。

1.5 数据处理

图1 不同浓度Cd和NaCl处理下碱蓬的生物量Fig.1 Biomass of S. salsa under different Cd and NaCl treatments 不同小写字母表示相同Cd处理浓度下不同NaCl处理之间差异显著(P<0.05)。下同。Different letters indicate statistically significant difference (P<0.05) at various NaCl treatments within a given Cd level. The same below.

采用Microsoft Excel 2013 和 SAS 20.0 软件进行数据处理及统计分析，用Two-way ANOVA检验差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 Cd和NaCl处理对碱蓬生长的影响

Cd和NaCl处理对碱蓬生长影响的结果见图1。结合表2 的双因素分析结果，可以看出盐分和Cd浓度均显著影响碱蓬的鲜重(FN=40.17，P<0.001；FC=47.66，P<0.001)。在对照(无Cd)和1.0 mg/kg Cd处理下，0.5%盐处理的碱蓬生物量显著高于0.1%的盐处理。在2.5和5.0 mg/kg的Cd处理下，随着土壤中盐分的增加，碱蓬生长受到显著抑制。在0.5%和1.0% NaCl的处理下，随着Cd处理浓度的增加，碱蓬的生长受到抑制，生物量下降；而0.1% NaCl处理则相反，Cd处理促进了碱蓬的生长，生物量均高于对照。盐和Cd对碱蓬的鲜重存在极显著的交互作用(FC×N=40.17，P<0.001)。

表2 不同NaCl和Cd处理水平对碱蓬鲜重、叶茎根Cd、Na含量的双因素方差分析(F值)Table 2 Two-way ANOVA of the effects of NaCl and Cd on S. salsa (F values)

注：*表示差异达0.05显著水平，**表示差异达0.01显著水平，*** 表示差异达0.001显著水平，NS表示差异不显著。

Note：*denotes significant difference at 0.05 level, ** denotes significant difference at 0.01 level, *** denotes significant difference at 0.001 level, NS denotes no significant difference.

2.2 Cd和NaCl处理对碱蓬Cd吸收和转运的影响

图2 不同处理下碱蓬叶(a)、茎(b)、根(c)中的Cd含量Fig.2 Cd concentrations in leaves(a), stems(b) and roots(c) of S. salsa under various treatments

由图2可以看出，在添加同一Cd浓度处理组中，碱蓬对Cd的吸收积累随NaCl处理浓度的增加而增加。双因素分析结果(表2)表明盐分和Cd污染浓度均显著、极显著的影响碱蓬叶、茎、根的Cd含量，对叶、茎部位的Cd含量交互作用不显著(FC×N=40.17，P>0.05)，而对碱蓬根部的Cd含量有极显著的交互作用(FC×N=34.20，P<0.001)。Cd处理后，碱蓬各部位的Cd含量显著增加，不同部位对Cd累积大体上表现为：根>叶>茎。在0.1% NaCl处理的土壤中，较低Cd浓度处理促进了碱蓬对Cd的吸收，随着污染浓度增加，对Cd积累浓度有所减小，在投加2.5 mg/kg Cd的土壤中，碱蓬各部位的浓度均显著地小于其他处理，叶为3.5 mg/kg，茎为1.5 mg/kg，根为3.9 mg/kg(图2)。相对于0.1% NaCl处理，0.5%和1.0% NaCl处理下生长的碱蓬对Cd的吸收得到促进，在1.0% NaCl和2.5 mg/kg Cd处理下，碱蓬各部位的Cd含量达到最大值，叶为30.9 mg/kg，茎为30.1 mg/kg，根为35.3 mg/kg(图2)。

富集系数一般用植物中某种元素含量与土壤中该种元素含量的比值来表示，是衡量植物对重金属累积能力大小的一个重要指标，其值越大，表明植物对重金属的吸收累积能力越强[21]。转移系数是指植物地上部某种元素含量与地下部该种元素含量的比值，反映植物将重金属从地下部转移到地上部的能力，转移系数越大，植物向地上部转移重金属的能力就越强[22]。由表3中可以看出，在投加1.0，2.5 mg/kg Cd的土壤中，碱蓬的地上部、根部富集系数和转移系数均随着土壤中的NaCl处理浓度的增加而增加，表明土壤盐度的提高有利于碱蓬对Cd的富集和Cd从根部向地上部的转移。在5.0 mg/kg Cd的土壤中，随着NaCl处理浓度的增加，碱蓬地上部富集系数逐渐增大，但1.0% NaCl处理降低了根部Cd富集系数，且0.5%和1.0% NaCl处理下的Cd转移系数均小于0.1% NaCl处理。

2.3 Cd和NaCl处理对碱蓬Na累积的影响

由图3中可以看出，在加Cd处理的碱蓬叶和茎部位的Na 浓度随NaCl处理浓度的增加而增大，与对照相比没有显著性地差异，表2的分析结果也表明碱蓬叶、茎、根部位的Na含量显著或极显著的受到土壤中盐分的影响(FN=40.92，P<0.001；FN=87.25，P<0.001；FN=4.41，P<0.05)，而土壤中的Cd污染浓度对叶茎部位Na含量没有显著性的影响。在1.0% NaCl和2.5 mg/kg Cd处理下，碱蓬叶、茎部位的Na离子浓度分别为63.24，77.26 g/kg，均大于其他处理。在加入0.1% NaCl的土壤中，1.0，2.5 mg/kg Cd的碱蓬根部Na含量与对照相比无显著性差异，在5.0 mg/kg Cd时的Na含量达到17.88 g/kg，为对照的157%。在0.5% NaCl的土壤中，根部的Na含量随着Cd处理浓度增大先减小后增大再减小，分别为对照的77%，161%和130%。而在1.0% NaCl处理后，1.0和2.5 mg/kg Cd的土壤中生长的碱蓬根部Na含量相互之间无显著性差异，在5.0 mg/kg Cd时根部Na含量为26.94 g/kg，比对照增加51%。Cd和盐分对根部的Na含量有显著的交互作用(FC×N=5.14，P<0.01)，对叶和茎的Na含量交互作用不显著。

表3 不同Cd和NaCl浓度处理下碱蓬对Cd的富集、转移系数Table 3 The Cd concentration factor and translocation factor of S. salsa under different Cd and NaCl treatments

注：不同小写字母表示相同Cd处理浓度下不同NaCl处理之间差异显著(P<0.05)。

Note： Different letters indicate statistically significant difference (P<0.05) at various NaCl treatments within a given Cd level.

图3 不同处理下碱蓬叶(a)、茎(b)、根(c)中的Na含量Fig.3 Na concentrations in leaves(a), stems(b) and roots(c) of S. salsa under various treatments

2.4 碱蓬体内Cd和Na的累积量

碱蓬体内Cd和Na的累积量是碱蓬生物量(干重)和植株Cd、Na含量的乘积。由表 4 可以看出，加Cd处理后，在同一NaCl浓度下，碱蓬积累Cd的量随Cd处理浓度的增大而减小；在相同Cd浓度处理下，0.5% NaCl的土壤中生长的碱蓬，每桶种植的碱蓬带走的Cd总量高于0.1%，1.0% NaCl土壤。在1.0 mg/kg Cd和0.5% NaCl处理中碱蓬带走的Cd为165.17 μg/盆，是所有处理的最大值。而碱蓬从土壤累积的Na的最高值也是在0.5% NaCl和1.0 mg/kg Cd的土壤中，为523.70 mg/盆。尽管加Cd处理后，碱蓬根部的Cd含量均大于叶茎部的含量，转移系数小于1(表3)，但仍有大部分Cd被转运到了地上部，在叶茎中的Cd约占整个植株积累总量的89.0%～98.7%左右。

表4 碱蓬从土壤中去除的Cd和Na的数量Table 4 The amount of Cd and Na removed from the soils by S. salsa

3 讨论

3.1 不同处理对碱蓬生长(生物量)的影响

Cd是植物的非必需元素，在植物体内累积到一定程度，就会影响植物的正常生长和发育，最终表现为生物量下降，甚至死亡。植物能富集或超富集重金属来修复被重金属污染的土壤是基于其对重金属的抗性[23-24]。超富集植物对重金属有很强的耐性，表现在植物能够在较高的重金属浓度土壤上正常生长，不出现明显的受毒害症状。植物对 Cd 的耐性因Cd污染浓度和植物种类不同而有所差异，有研究表明，低浓度的 Cd 对某些植物的生长有一定的促进作用[25]，较高浓度的 Cd 会降低植物的光合生产力，干扰体内营养物质的迁移和再分配，影响植物生长。

本试验中，盐分和Cd浓度均显著影响碱蓬的鲜重，且存在极显著的交互作用。在0.1%NaCl处理下，加Cd处理的碱蓬鲜重分别为对照的1.29，1.55和1.22倍，即使在1.0% NaCl处理下鲜重质量也分别达到对照的56%，47%和23%。可见，在低NaCl环境中Cd能够刺激碱蓬生长，而随着土壤盐度的增加Cd会抑制其生长。高浓度NaCl、Cd共同作用下，虽然碱蓬没有死亡，但叶片上表现出坏死斑点、卷曲等中毒症状。

3.2 不同处理下碱蓬对Cd和Na的吸收和分配特点

不论污染重金属浓度的高低，对植物都是有害的，只不过植物对重金属污染的反应是两种作用的复合效应[26]。一方面植物产生应激反应，通过生理活动产生大量的代谢产物与体内重金属结合降低活性以解毒，这是植物的适应性反应； 另一方面，激活的代谢系统会加速污染重金属进入体内，反过来抑制代谢活动，对植物产生毒害作用。在低污染浓度下，植物的适应性大于金属的毒害作用，表现出积极的刺激效果，随着重金属浓度的增大，毒害性随之增大，表现出抑制和毒害作用。由图2可知，加Cd处理后碱蓬叶茎根部对Cd的累积性表现为：根>叶>茎。在0.1% NaCl处理的土壤中，碱蓬各部位的Cd含量先增大后减小再增大，说明碱蓬对Cd的积累受到土壤中Cd浓度增加的影响较大。在0.5%，1.0%NaCl的土壤中，碱蓬叶茎根的Cd含量随土壤中Cd污染浓度的增大而先增大后减小，且碱蓬的生物量随Cd污染浓度的逐渐减小，说明碱蓬对Cd累积受到自身生长的影响。

由于碱蓬为稀盐盐生植物，对Na非常敏感。为了保持胞质内Na的正常水平，在生长过程中，叶或茎肉质化，即薄壁细胞大量增加，通过吸收大量的水分将体内的盐分稀释，同时将细胞质中的 Na区隔化入液泡。Na区隔化至液泡中后，一方面降低了胞质中的Na浓度，避免胞质中过高Na对生理生化代谢的干扰；另一方面还可降低植物细胞水势，促进植物从外界吸水，从而有利于植物在盐渍化土壤上的生存，且生长具有低盐促进、高盐抑制的特点[27-28]。在对照处理中0.5%，1.0%NaCl的碱蓬生物量显著高于0.1%NaCl处理，说明0.5%，1.0%NaCl促进了碱蓬的生长。由图3可看出，所有处理中，碱蓬叶茎部的Na含量随NaCl处理浓度增加而增大，加Cd处理与对照(无Cd)相比Na含量没有显著性差异；而根部的Na含量变化与叶茎部相比没有明显的规律。

本试验主要是探究盐生植物碱蓬对Cd污染盐土的修复能力，因此讨论碱蓬对Cd和Na的吸收和分配特点,要从Cd和NaCl联合胁迫方面考虑。在0.1%NaCl和2.5 mg/kg Cd，碱蓬生物量高于对照55%，但叶茎根的Cd含量显著地小于其他加Cd处理，Na含量与对照相比没有显著性差异。这可能是由于土壤中的NaCl处理浓度较低，在生长前期进入体内的Na含量已与外界达成某种平衡不需要摄入过多的Na，而此时碱蓬根部的Cd已经表现出抑制和毒害作用， 随着碱蓬的生长进入叶茎部的Cd刺激生物量的迅速增加，但沉淀在根部细胞壁上的Cd的毒害作用进一步的阻止Cd进入体内，致使体内的Cd含量较低[29]。在1.0% NaCl和2.5 mg/kg Cd，碱蓬生物量低于对照53%，叶茎根的Cd含量达到最大值，显著地大于其他加Cd处理，且此时碱蓬叶茎部的Na含量高于其他处理。这可能是因为土壤中含盐量较高，随着碱蓬的持续生长进入碱蓬体内的Na含量过多，为使体内盐度不至于过高，碱蓬在从外界吸水的同时将土壤中的Cd吸入体内， 随之体内的Cd含量逐渐升高表现毒害作用抑制碱蓬的进一步生长。

综合碱蓬的生物量，叶茎根部的Cd、Na含量以及碱蓬积累的Cd、Na总量和双因素方差分析等数据来看，盐分对碱蓬叶茎根部的Cd含量有显著性的影响，在同一Cd污染浓度土壤的盐分提高有利于碱蓬对Cd的积累和Cd向地上部的转移。而Cd对叶茎部的Na无显著性的影响，碱蓬积累的Na主要受NaCl处理浓度的影响。Cd和NaCl对叶茎部吸收的Cd和Na含量没有显著的交互作用，对根部有显著地交互作用。在低NaCl处理浓度的土壤中，Cd处理后的碱蓬生物量显著高于对照，但体内的Cd含量在低Cd浓度时有所增加而积累的Na则减小，随着Cd污染浓度的增加碱蓬体内的Cd浓度有所降低。土壤中的NaCl处理浓度增大后，碱蓬生物量逐渐降低，体内的Cd含量相比低NaCl处理均不同程度的增大，且体内积累的Na总量随Cd污染程度加深逐渐减小。

3.3 碱蓬的Cd富集特征

目前，有关植物修复重金属污染土壤的研究较多，国内外已发现 400 多种重金属超富集植物，但对Cd超积累的植物较少，其中，遏蓝菜、商陆(Phytolaccaacinosa)、龙葵(Solanumnigrum)、东南景天(Sedumalfredii)、油菜、宝山堇菜 (Violabaoshanensis)和叶用红蒜菜(Betavulgarisvar.cicla)等7种Cd 超积累植物均符合体内富集 Cd的质量分数≥100 mg/kg、富集系数和转运系数均≥1，以及生物量未受到明显抑制的 Cd 超积累植物基本特征，但同时它们具有矮小、生物量低、生长缓慢、富集总量相对较低、修复效果不大的缺点，大大限制了超富集植物在重金属污染生物净化中的应用范围[30]。虽然研究修复Cd污染土壤的植物较多，但有关既能在盐土上生长又能修复Cd污染的植物研究较少。已有研究表明，花卉植物紫茉莉(Mirabilisjalapa)在NaCl和Cd联合胁迫下转移系数在0.23～2.79之间，在适宜Cd和盐处理浓度下，NaCl促进了紫茉莉对Cd的积累[31]。拟南芥(Arabidopsisthaliana)在Cd和NaCl复合处理下的结果也表明盐促进了根部对Cd的吸收，加强了Cd向地上部转移的能力[32]。潮滩盐生植物赤碱蓬(Suaedaheteroptera)对重金属Cd有一定的耐受性和富集能力[33-34]。盐生植物海马齿在NaCl和Cd复合处理下Cd的转移系数在0.3～0.6之间，NaCl促进了海马齿地上部对Cd的累积[35]。

但是，在我国分布广泛[36]的藜科草本植物碱蓬是否具有重金属Cd富集能力却鲜见报道。碱蓬属一年生草本植物，株高30～80 cm，耐水淹和干旱，生命力强，少有病虫害，广泛生长于滨海和内陆盐碱地，资源非常丰富。本试验中，加Cd处理后，除了在0.1% NaCl和2.0 mg/kg Cd处理下碱蓬地上部的富集系数为0.86，其他处理下的地上部和根部富集系数均在1.59～19.95和1.37～18.97之间，转移系数在0.56～0.86之间，且碱蓬体内Cd的质量分数<100 mg/kg，不完全符合Cd 超积累植物的特征，但碱蓬在含盐荒地上的产量较大，在土壤含盐量约1.0%地段野生盐地碱蓬产量为1000 kg/hm2左右，而土壤含盐量降为0.5%左右时其产量约达2000 kg/hm2[37]，且整个碱蓬植株累积的Cd总量有89% 以上被转移到地上部，有利于污染土壤中Cd的去除，且在去除Cd的同时还可以减轻土壤的盐碱化，因此碱蓬有潜力应用于修复Cd污染的滨海和内陆等地区的盐土。

4 结论

盆栽实验结果表明，NaCl和Cd处理对碱蓬鲜重和根部的Cd和Na含量有显著的交互作用，对叶茎部Cd、Na含量的交互作用不显著。碱蓬能在所设置Cd和NaCl处理浓度土壤环境中正常生长，且将大部分吸收的Cd从根部转运到地上部，地上部Cd的累积量是根部的8.1～73.6倍。不同的Cd处理浓度的土壤中，碱蓬地上部所富集的Na含量没有显著性差异。而且碱蓬用途广泛，在Cd污染的盐碱土壤地区种植盐生植物碱蓬，不仅能利用碱蓬有效的脱除盐分的作用，也能减轻重金属Cd的污染，能产生较好的经济和环境效应，在修复 Cd 污染的盐碱土壤方面碱蓬有较好的应用前景，今后应进一步研究碱蓬对Cd的吸收、转运和解毒机制。