多茎鼠麴草对土壤中镉的富集特性研究

石军，胡容平，林立金，黄廷友，褚旭东，李春财

(1.绵阳市农业科学研究院，四川 绵阳　621023；2.四川省农业科学院植物保护研究所，农业部

西南作物有害生物综合治理重点实验室，四川 成都　610066；3.四川农业大学

果蔬研究所，四川 成都　611130)



多茎鼠麴草对土壤中镉的富集特性研究

石军1，胡容平2，林立金3，黄廷友1，褚旭东1，李春财1

(1.绵阳市农业科学研究院，四川 绵阳621023；2.四川省农业科学院植物保护研究所，农业部

西南作物有害生物综合治理重点实验室，四川 成都610066；3.四川农业大学

果蔬研究所，四川 成都611130)

摘要：【目的】为筛选出新的用于农田镉污染修复的镉富集植物.【方法】通过盆栽试验，研究不同镉浓度处理下多茎鼠麴草对镉的富集特性.【结果】 随土壤镉浓度的增加，多茎鼠麴草生物量、叶绿素含量及抗性系数都呈下降趋势，但根系和地上部分镉含量呈增加趋势.在土壤镉浓度为75 mg/kg时，多茎鼠麴草地上部分镉含量达到121.86 mg/kg，超过镉超富集植物临界值(100 mg/kg).在不同土壤镉浓度处理下，多茎鼠麴草根系和地上部分镉富集系数大于1，但转运系数小于1.在土壤镉浓度为50 mg/kg时，多茎鼠麴草地上部分和整株镉积累量均最大，分别为183.93 μg/盆和266.79 μg/盆.小区试验研究表明，在土壤镉浓度为2.04～2.89 mg/kg时，多茎鼠麴草地上部分镉积累量达到1.74～1.80 mg/m2.【结论】多茎鼠麴草是一种镉富集植物，可用于农田镉污染土壤的修复.

关键词：多茎鼠麴草；镉；积累特性；农田杂草

镉是环境土壤污染所涉及的重金属中具有显著毒性的一种，对植物生长及人和动物的健康都存在潜在危险[1].采用传统的物理或化学方法治理镉污染成本高、周期长、而且容易造成二次污染[2].植物修复是近年来国际上兴起的一种治理重金属污染土壤的新技术，该技术旨在将自然生长或遗传培养的超富集植物种植于重金属污染的土壤上，通过根部吸收重金属，并转移到植物体内，从而达到降低土壤重金属含量的目的[3].已发现的镉超富集植物绝大多数存在着生长慢、生物量小、很难机械操作、地域分布强等缺点，导致植物修复技术推广困难[4].农田杂草具有抗逆境能力强、生长迅速、繁殖能力强、就地取材以及在环境条件适宜情况下生物量能够急剧提高等特点[5-6]，如果从农田杂草中筛选出重金属超富集植物，则可以弥补现在超积累植物的某些缺点和不足.目前已经筛选出较多的镉超富集植物或镉富集植物，其中属于农田杂草的较少，如龙葵、蒲公英、小白酒花等[7-8].因此，继续从农田杂草中筛选镉超富集植物或镉富集植物还有很大潜力，其筛选成果对于修复镉污染土壤和建立植物修复种质资源库具有重要意义.

多茎鼠麴草(GnaphaliumpolycaulonPers.)为菊科鼠麴草属一年生草本植物，是一种广泛分布于耕地、草地或湿润山地的农田杂草[9].在前期初步研究中发现，多茎鼠麴草能够在浓度约为60 mg/kg的镉污染土壤上正常生长，且地上部分镉含量达到109.22 mg/kg，达到镉超富集植物的临界值(100 mg/kg)，表现出对镉较强的富集能力，可能是一种镉超富集植物.为此，本文拟采用浓度梯度法对多茎鼠麴草是否为镉超富集植物进行验证，研究其镉超富集特性，以期为镉污染土壤提供新的植物修复材料，扩大植物修复种质资源库.

1材料与方法

1.1盆栽试验

试验时间为2014年2～4月，地点为在四川农业大学雅安校区农场(N 29°59′，E 102°59′).供试土壤为紫色土，取自四川农业大学雅安校区农场农田，其基本理化性质详见参考文献[10].

2014年2月，称取3.0 kg经风干、压碎、过5 mm筛后的土壤分别装于15 cm×18 cm(高×直径)的塑料盆内，加入分析纯CdCl2·2.5H2O溶液，使土壤中的镉质量浓度分别为0、25、50、75、100、125 mg/kg.土壤与镉溶液需充分混匀，并保持淹水状态，自然放置平衡4周后再次混合备用.多茎鼠麴草幼苗取自四川农业大学农场农田(未被污染区).2014年3月，选择长势一致，4片真叶展开的多茎鼠麴草幼苗移栽至装有镉污染土壤的盆中，每盆种植4株，每个处理重复3次，每天浇水以保持盆中土壤的田间持水量约为80%.待多茎鼠麴草生长60 d(盛花期)后，测定叶片的光合色素含量.光合色素含量(叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量及类胡萝卜素)采用丙酮-乙醇混合(1∶1)浸提法[11]测定.之后，整株收获，将根系和地上部分分别用自来水洗净，再用去离子水冲洗3次.然后将根系和地上部分于110 ℃杀青15 min，75 ℃烘干至衡质量，称质量，粉碎，过100目筛，测定镉质量浓度(称取0.500 g样品，加入体积比为4∶1的硝酸-高氯酸，放置12 h后消化至溶液透明，过滤，定容至50 mL，用iCAP 6300型ICP光谱仪测定镉含量[12]).

1.2小区试验

小区试验在四川农业大学雅安校区农场进行，土壤为的镉污染紫色土(前期试验的污染土)，其基本理化性质详见参考文献[13].田块按距离灌溉渠的近(Ⅰ)，中(Ⅱ)，远(Ⅲ)分为3个处理，其镉含量分别为2.89、2.55、2.04 mg/kg，每个处理重复3次(3个小区)，每个小区面积1.0 m2(1.0 m×1.0 m).2014年3月，从四川农业大学农场未污染区选择长势一致、4片真叶的多茎鼠麴草幼苗移栽至小区中，密度400株/m2(行株距均为5 cm).每天浇水以保持土壤的田间持水量约为80%，及时清除其它杂草.2014年4月(生长60 d)收获多茎鼠麴草地上部分测定生物量及镉含量，测定方法与盆栽试验相同.

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).抗性系数=处理组总生物量/对照组总生物量[14]，富集系数=根系镉质量浓度(地上部分镉质量浓度)/土壤镉质量浓度[15]，转运系数=植物地上部分镉质量浓度/根系镉质量浓度[16]，转运量系数=(地上部镉质量浓度×地上部分生物量)/(根系镉质量浓度×根系生物量)[17].

2结果与分析

2.1不同镉质量浓度对多茎鼠麴草生物量的影响

由表1可知，随土壤镉质量浓度的增加，多茎鼠麴草根系、茎、叶、地上部分以及总生物量都呈下降的趋势，但没有表现出明显的毒害特征.与对照相比，土壤镉质量浓度为25、50、75、100、125 mg/kg的多茎鼠麴草根系生物量分别降低了17.20%(P<0.05)、54.39%(P<0.05)、66.24%(P<0.05)、69.43%(P<0.05)和70.19%(P<0.05)，地上部分生物量分别降低了8.40%(P<0.05)、44.30%(P<0.05)、61.72%(P<0.05)、69.40%(P<0.05)和72.59%(P<0.05)，总生物量分别降低了9.98%(P<0.05)、46.10%(P<0.05)、62.53%(P<0.05)、69.41%(P<0.05)和72.16%(P<0.05).就根冠比而言(表1)，在土壤镉质量浓度为25～100 mg/kg范围内时，多茎鼠麴草根冠比均低于或等于对照.土壤镉质量浓度为125 mg/kg时，多茎鼠麴草根冠比达到最高0.237，高于对照，这说明多茎鼠麴草在受到镉污染时，能够通过调节自身的根冠比来提高抗性.随土壤镉质量浓度的增加，多茎鼠麴草抗性系数呈下降的趋势，但土壤镉浓度在50 mg/kg以内时，多茎鼠麴草抗性系数下降幅度较低.

表1　多茎鼠麴草的生物量

同列数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

2.2不同镉质量浓度对多茎鼠麴草光合色素含量的影响

从表2可以看出，随土壤镉质量浓度的增加，多茎鼠麴草叶片叶绿素a及叶绿素总量呈降低的趋势，但叶绿素b和类胡萝卜素呈先降后升再降的趋势.土壤镉浓度在0～75 mg/kg范围内，多茎鼠麴草叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及叶绿素总量各处理间差异均不显著(P>0.05)，当土壤镉浓度超过75 mg/kg时，绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及叶绿素总量与对照的差异达显著水平(P<0.05).与对照相比，土壤镉浓度为25、50、75、100、125 mg/kg的多茎鼠麴草叶绿素总量分别降低了3.14%、3.71%、4.36%、9.43%和14.50%.对于叶绿素a/b而言，随土壤镉浓度的增加，叶绿素a/b呈波状起伏.

表2　不同镉浓度对多茎鼠麴草光合色素含量的影响

同列数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

2.3不同镉质量浓度对多茎鼠麴草镉含量的影响

从表3可以看出，随着土壤镉质量浓度的增加，多茎鼠麴草根系、茎、叶及地上部分的镉含量呈增加的趋势，且各处理间差异达显著水平(P<0.05).当土壤镉浓度达到75 mg/kg时，多茎鼠麴草根系和地上部分镉质量浓度分别为326.39 mg/kg和121.86 mg/kg，达到了镉超富集植物的临界值(100 mg/kg).与对照相比，土壤镉浓度为25、50、75、100和125 mg/kg时，多茎鼠麴草根系镉质量浓度分别为对照的12.64倍、39.30倍、55.41倍、67.67倍和77.36倍，地上部分镉质量浓度分别为对照的14.69倍、30.6倍、40.76倍、46.89倍和52.04倍.就富集系数(BCF)而言，随着土壤镉质量浓度的增加，多茎鼠麴草根系和地上部分BCF均呈现先增高后降低的趋势，且在土壤镉浓度为50 mg/kg时最大，分别为4.63和1.83.对于转运系数(TF)而言，不同土壤镉浓度的多茎鼠麴草TF均小于1，没有达到镉超富集植物的标准(TF>1).

表3　多茎鼠麴草镉含量

同列数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

2.4不同镉质量浓度对多茎鼠麴草镉积累量的影响

随着土壤镉质量浓度的增加，多茎鼠麴草根系镉积累量呈增加的趋势，而茎、叶、地上部分及整株镉积累量呈先增后降的趋势(表4).当土壤镉质量浓度为50 mg/kg时，多茎鼠麴草茎、叶、地上部分及整株镉积累量均达到最大，分别为60.10、123.83、183.93、266.79 μg/盆，分别是各自对照的13.54倍、19.50倍、17.05倍和17.62倍，差异均达显著水平(P<0.05).就转运量系数(TAF)而言，随着土壤镉质量浓度的增加，多茎鼠麴草TAF则呈先增后降的趋势，变化范围在1.44～3.00，均大于1.这些结果说明多茎鼠麴草具有较强的对镉的转运能力.

表4　多茎鼠麴草镉积累量

同列数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

2.5小区试验的多茎鼠麴草镉积累特性

小区试验表明(表5)，当土壤镉质量浓度2.04～2.89 mg/kg时，多茎鼠麴草地上部分生物量为187.24～190.78 g/m2，其镉质量浓度为9.12～9.55 mg/kg，相应的镉积累量为1.74～1.80 mg/m2.可见，在低浓度的镉污染土壤的田间条件下，多茎鼠麴草对镉的富集作用较强，能够应用于生产.

表5　小区试验的多茎鼠麴草镉积累特性

同列数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05).

3讨论

当植物受到重金属毒害时，通常表现为细胞和整个植株的生长受到强烈抑制，从而导致植物体内一系列生理紊乱[18-19]，最终使其生物量下降[20].据Mohamed等人研究表明，随着重金属浓度的增加，植物叶绿素含量和类胡萝卜素含量均降低，光合性能也相应减小[21].当重金属在植物体内积累达到一定程度时，植物就会表现出叶片发黄、卷曲以及出现斑点等现象，严重时导致整株死亡.与普通植物不同，重金属超富集植物能够通过调节自身的生理机制，减少这种毒害作用[22-23].本试验研究表明，随着土壤镉质量浓度的增加，多茎鼠麴草生物量下降，叶绿素含量下降，但没有表现出明显的毒害特征，仍然能够正常生长.这可能与植物体内的渗透调节，积累小分子有机化合物以提高抗性有关[24-25].

重金属超富集植物在生理机制上不同于普通植物，超富集植物具有根部能够延迟对金属离子的吸收、对金属离子较强的吸收和运输能力、叶表皮细胞的液泡化以及对金属离子的区隔化等特点[22-23]，超富集植物通过稠密的根系和特别的根系分泌物从土壤中吸收重金属，然后将吸收的重金属离子富集在液泡、细胞壁以及叶片表皮细胞的表皮毛等位置，以减小对自身的毒害作用[23].通过在本研究中，多茎鼠麴草根系和地上部分镉含量随土壤镉质量浓度的增加而增加，说明多茎鼠麴草具有超富集植物这种特殊的生理机制，使得镉在体内大量积累.在土壤镉浓度为75 mg/kg时，多茎鼠麴草根很和地上部镉质量浓度分别达到326.39、121.86 mg/kg，达到镉超富集植物的临界值(100 mg/kg).同时，在不同土壤镉浓度下，多茎鼠麴草根系和地上部分富集系数均大于1，但转运系数小于1，转运量系数大于1.按照Brooks[26-27]对超富集植物的定义和近年来对超富集植物定义的延伸[17]，多茎鼠麴草是一种镉富集植物，不是镉超富集植物.与其它镉超富集植物相比，在土壤镉浓度大致相当的条件下，多茎鼠麴草地上部分镉含量低于龙葵[5]、少花龙葵[15]、印度芥菜[21]等镉超富集植物，但略高于镉富集植物旱莲草[13].

多茎鼠麴草是一种广泛分布的冬季生长的农田杂草[9]，在盆栽条件下，多茎鼠麴草地上部分及整株镉积累量最大值分别183.93、266.79 μg/盆(土壤镉浓度为50 mg/kg)；在田间条件下，土壤镉浓度为2.4～2.89 mg/kg时，多茎鼠麴草地上部镉积累量为1.74～1.80 mg/m2.因此，多茎鼠麴草对镉的修复潜力较大，适合冬季土壤镉浓度在50 mg/kg以内镉污染修复，并且是一种可以广泛应用的农田镉污染修复材料.

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(责任编辑李辛)

Cadmium accumulation characteristics ofGnaphaliumpolycaulonPers.

SHI Jun1,HU Rong-ping2,LIN Li-jin3,HUANG Ting-you1,CHU Xu-dong1,LI Chun-cai1

(1.Mianyang Academy of Agricultural Sciences,Mianyang 621023,China;2.Institute of Plant Protection,Sichuan Academy of Agricultural Sciences，MOA Key Laboratory of Integrated Management of Pests on Crops in Southwest China,Chengdu 610066,China;3.Institute of Pomology and Olericulture,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China)

Abstract：【Objective】 To screen new cadmium accumulator for phytoremediation of cadmium contaminated farmland soil.【Method】 Pot experiment was conducted to study the cadmium accumulation characteristics of Gnaphalium polycaulon in soil containing various concentrations of cadmium.【Result】 The biomass,chlorophyll and the resistance coefficient decreased with the increase of cadmium concentration in soil,while the cadmium contents in root and shoot of G.polycaulon increased.The cadmium contents in shoot and root exceeded 100 mg/kg when the dose of cadmium was 75 mg/kg in soil,and the BCFs of root and shoot were greater than 1 and the TF was less than 1.The maximum of cadmium accumulation in shoot and whole plant was 183.93 and 266.79 μg/pot respectively (the dose of cadmium was 50 mg/kg in soil).In the plot experiment,when cadmium concentrations of soil were 2.04～2.89 mg/kg,the cadmium accumulations in shoot o were 1.74～1.80 mg/m2.【Conclusion】 G.polycaulon is a Cd-accumulator plant,and can be used to remediate Cd-contaminated farmland.

Key words：Gnaphalium polycaulon Pers.;cadmium;characteristics of accumulation;farmland weeds

通信作者：林立金，男，副研究员，博士，主要从事果树生理生态及栽培研究.E-mail：llj800924@163.com

基金项目：四川省科学技术厅应用基础项目(2014JY0046)；四川省农业科学院青年基金项目(2014CXSF-018).

收稿日期：2015-03-03；修回日期：2015-06-04

中图分类号：X 53

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)01-0120-06

第一作者：石军(1980-)，男，博士，主要从事植物病理研究.E-mail：tibm@163.com