Cd污染土壤景观修复植物筛选研究

曾鹏，曹霞，郭朝晖，肖细元，刘亚男，梁芳

（中南大学冶金与环境学院环境工程研究所，长沙　410083）

Cd污染土壤景观修复植物筛选研究

曾鹏，曹霞，郭朝晖*，肖细元，刘亚男，梁芳

（中南大学冶金与环境学院环境工程研究所，长沙410083）

在温室入件下，研究了香樟、圆柏、侧柏、夹竹桃、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨、金叶女贞和海栀子10种常见景观植物对污染土壤中Cd的耐受能力和富集特征。试验设置的三个处理分别为不添加外源Cd的CK处理（土壤中Cd本底值为3.6 mg·kg-1）和添加外源Cd的T1、T2处理（土壤中Cd含量分别为9.6、24.6 mg·kg-1）。结果表明，在T1和T2处理下，圆柏、侧柏和四季桂的根、茎、叶和整株生物量与CK处理无显著差异（P＞0.05）。当土壤中Cd含量范围为3.6～24.6 mg·kg-1时，侧柏、珊瑚树、四季桂和金边黄杨光合作用正常；T1和T2处理下香樟、侧柏、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨和金叶女贞叶片中丙二醛含量与CK处理无显著差异（P＞0.05）。珊瑚树对土壤中Cd有一定的富集能力，而香樟对Cd具有较强的转运能力。供试植物Cd富集系数的聚类分析表明，圆柏、夹竹桃和珊瑚树可用于Cd污染土壤修复与景观美化，红花檵木、金边黄杨、香樟、四季桂、侧柏和金叶女贞可用于Cd重污染土壤中Cd的稳定。

Cd；污染土壤；景观植物；植物修复

曾鹏，曹霞，郭朝晖，等.Cd污染土壤景观修复植物筛选研究［J］.农业环境科学学报，2016，35（4）：691-698.

ZENG Peng，CAO Xia，GUO Zhao-hui，et al.Potential of ornamental plants for remediating soil polluted with cadmium［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（4）：691-698.

随着现代社会经济的快速发展，矿山开采［1］、金属冶炼［2］、化工生产［3］和农药、化肥［4］等生产活动加剧了工矿区土壤重金属污染，Cd等重金属能够通过食物链对生产者和消费者产生毒害作用［5］，解决土壤中Cd等重金属污染问题迫在眉睫。植物修复具有环境友好、成本低、美化环境、不易引起二次污染等±点，因而倍受关注［6］。很多超富集植物［7-9］和耐性草本植物［10-12］被用于植物修复研究和应用中，一些生物量大、耐受性强、具有较好景观特征的先锋植物也正逐渐步入植物修复目标植物行列。景观植物种类丰富，可在美化环境的同时修复重金属污染土壤［13］。有研究表明，海桐（Pittosporum tobira）可作为Cd污染土壤修复的备选植物［14］，樟树（Cinnamomum camphora）对Cd有较强的富集能力［15］，珊瑚树（Viburnum odoratissimum）和地中海荚蒾（Viburnum tinus）对土壤中Cd具有一定的富集能力［16］。然而，景观植物对污染土壤中Cd等重金属的耐受能力和富集特征还缺乏系统的研究报道。本文通过温室盆栽试验，研究香樟、圆柏、侧柏、夹竹桃、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨、金叶女贞和海栀子等10种常见景观植物对污染土壤中Cd的耐受能力和富集特征，为选用适宜的Cd污染土壤生态修复用景观植物提供科学依据。

1　材料与方法

1.1供试土壤和植物

供试土壤取自湖南省衡阳市某典型矿冶区周边的表层（0～20 cm）土壤，土壤的基本理化性质见表1。

选取城市绿化常用的香樟、圆柏、侧柏、夹竹桃、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨、金叶女贞和海栀子等10种景观植物为供试植物。其中，香樟、圆柏、侧柏为常绿乔木，夹竹桃、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨为常绿小乔木或灌木，金叶女贞和海栀子为常绿灌木。供试幼苗从长沙市某苗木基地选购，基本情况见表2。

表1　供试土壤的基本理化性质Table 1　Basic physiochemical properties of tested soil

表2　供试幼苗的基本情况Table 2　General characteristics of tested plant seedlings

1.2实验设计

土壤经自然风干、磨细后过5 mm筛，装入塑料盆（上口直径18 cm，下口直径13 cm，高17 cm）中，每盆装入3.5 kg风干土。根据我国《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）和《展览会用地土壤环境质量评价标准（暂行）》（HJ 350—2007），以Cd（NO3）2·4H2O作为外源镉向土壤中分别添加0、6、21 mg·kg-1形成Cd污染土壤的三个处理：CK处理（土壤中Cd本底值为3.6 mg·kg-1）、T1处理（土壤中Cd含量为9.6 mg·kg-1）和T2处理（土壤中Cd含量为24.6 mg·kg-1），每个处理重复4次。在室内平衡2周后统一移栽大小基本一致的幼苗，每盆4株，于2014用6月至2015用1月在温室内进行培养。培养期间，根据土壤水分蒸发情况，不定期浇灌去离子水，以保持土壤田间持水量为70%。光照10 h·d-1，温室内昼夜温度为30益/20益。培栽203 d后收获上述植物，不同处理下取植物相同部位叶片用于叶绿素和丙二醛（MDA）含量分析，剩余植株按根、茎、叶分开，依次用自来水、去离子水清洗后，在105益下杀青30 min，然后60益烘干至恒重。称量干重、粉碎后备用。

1.3测试与分析

土壤基本理化性质的测定参照鲁如坤［17］的方法，植物叶片叶绿素［18］和MDA［19］含量采用分光光度计测定。土壤样品采用HNO3-HCl-H2O2（MDS-8G型多通量密闭微波消解仪）消解；植物样品采用HNO3-HClO4法消解（体积比为3颐1）［20］。所有消解液中Cd含量采用原子吸收分光光度计（TAS-990，北京普析通用）测定。植株中Cd的富集系数（BC）［21］和转运系数（TF）［22］按照下列公式计算：

BC=植物地上部Cd含量/土壤中Cd含量

TF=植物地上部Cd含量/根部Cd含量

所有试验数据采用Microsoft Excel 2007进行分析处理。采用SPSS 18.0统计软件进行显著性检验，利用单因素方差分析（One-way ANOVA）比较各处理间的差异，显著性水平为P＜0.05。

表3　不同Cd来理下景观植物的生物量Table 3　Biomass of ornament plants in different Cd treatments

2　结果与讨论

2.1供试景观植物的生物量

从表3可看出，经过203 d的培养，Cd胁迫对景观植物生物量影响明显。T1处理下，土壤中Cd对香樟、金叶女贞和海栀子的生长有明显促进作用，尤其对香樟根和茎、珊瑚树叶片和金叶女贞茎的生长发育促进作用明显，与CK处理相比分别提高44.8%和69.8%、11.6%、80.3%；T2处理下，香樟、夹竹桃、红花檵木、珊瑚树和金叶女贞的生长明显受到抑制，尤其对香樟、夹竹桃和红花檵木根部、珊瑚树叶片和金叶女贞茎的生长抑制作用明显，而且海栀子几乎没有存活。当土壤中Cd含量范围为3.6～24.6 mg·kg-1时，圆柏、侧柏和四季桂的根、茎、叶和整株生物量差异不明显。因此，从植物生物量考虑，夹竹桃、红花檵木和海栀子对土壤中Cd含量比较敏感；当土壤Cd含量达到9.6～24.6 mg·kg-1时，香樟、圆柏、侧柏、珊瑚树、四季桂、金边黄杨和金叶女贞可作为适宜Cd污染土壤的修复植物。

表4　不同Cd来理下景观植物叶片光合色素含量Table 4　Content of photosynthetic pigments in ornament plants in different Cd treatments

2.2Cd污染土壤上景观植物的生理特征

2.2.1光合色素含量

光合色素含量高低是判定植物光合作用强弱和衡量叶片衰老程度的重要生理指标［23］。从表4可看出，T1和T2处理下，香樟、侧柏、珊瑚树、四季桂、红花檵木和金边黄杨的叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素含量与CK处理相比均无显著差异（P＞0.05），而夹竹桃叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量显著高于CK处理（P＜0.05），表明土壤中Cd可促进夹竹桃光合色素的合成。T1处理下，圆柏的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量高于CK处理，尤其是类胡萝卜素含量较CK处理明显提高37.5%；而T2处理下，其光合色素含量与CK处理相比均有显著下降，尤其是叶绿素a和叶绿素b含量较CK处理分别下降75.4%和50.0%。其原因可能是低Cd含量处理下，刺激了叶绿素含量增加，弥补光合作用中主要电子传递的成分，但Cd含量继续增加会破坏叶绿体的结构和功能，使叶绿素含量逐渐下降［24］。金叶女贞在T2处理下，其叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量较CK处理分别下降25.0%、34.7%和21.4%。在3.6～24.6 mg· kg-1Cd污染土壤上，侧柏、珊瑚树、四季桂和金边黄杨光合作用正常，进一步表明其整株生物量在各处理下无明显差异（表3），对土壤中Cd具有较强的耐受能力。叶绿素a/b值可反映植物对光能的利用效率［25］。T1和T2处理下，侧柏、夹竹桃、珊瑚树、四季桂、金边黄杨和金叶女贞的叶绿素a/b值与CK处理无显著差异（P＞0.05）。T2处理下，圆柏叶绿素a/b的值显著高于CK处理，而红花檵木叶绿素a/b值显著低于CK处理。T1处理下香樟叶绿素a/b值高于CK处理，而T2处理下其比值显著低于CK处理，原因可能是适当含量Cd可提高植物对光能的利用效率，从而提高光合作用的效果［26］。研究结果表明，土壤中Cd会对香樟、圆柏、红花檵木和金叶女贞叶片中光合色素含量产生影响，而对侧柏、夹竹桃、珊瑚树、四季桂和金边黄杨影响不明显，故对Cd污染土壤有较强的耐受能力。

2.2.2MDA含量

叶片中MDA是植物在逆境入件下膜质过氧化的主要产物之一，其含量体现了膜质过氧化、植物衰老或植物的伤害程度［27］。从图1可看出，T1和T2处理下，香樟、侧柏、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨和金叶女贞MDA含量与CK处理无显著差异（P＞0.05），表明上述植物对土壤中Cd具有较好的耐受能力。T2处理下，圆柏叶片中MDA含量显著高于CK处理，是CK处理的1.17倍，表明土壤中Cd含量为24.6 mg· kg-1时会对圆柏产生明显的毒害作用；夹竹桃叶片中MDA含量较CK处理明显降低了62.2%，表明土壤中Cd含量为24.6 mg·kg-1时夹竹桃仍具有较好的耐受能力。有研究表明，植物体内的保护酶系统对过氧化物有一定的清除作用，从而保护重金属胁迫下植物的膜系统［28］。这可能是香樟、侧柏、夹竹桃、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨和金叶女贞对Cd有一定耐受能力的原因。

2.3景观植物体内Cd的富集特征

从表5可看出，除海栀子外，其他供试景观植物根、茎、叶中Cd含量随着土壤Cd含量的增加呈增加趋势。T1处理下，四季桂茎，圆柏和金边黄杨根部，侧柏茎和叶，珊瑚树根、茎、叶中Cd含量显著高于CK处理（P＜0.05）。T2处理下，香樟茎和叶，圆柏的根部，夹竹桃、红花檵木、金边黄杨和金叶女贞根和茎，侧柏、珊瑚树和四季桂根、茎、叶中Cd含量显著高于CK处理（P＜0.05），其中香樟茎和叶片中Cd含量分别为CK处理的4.77倍和4.54倍，表明随着土壤中Cd含量的增加，香樟体内Cd含量逐渐向茎和叶转移；圆柏、侧柏、夹竹桃、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨和金叶女贞根部Cd含量分别为CK处理的8.43、7.53、4.54、6.46、2.89、1.46、3.77、2.34倍；侧柏、夹竹桃、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨和金叶女贞茎部Cd含量较CK处理分别提高138.3%、94.7%、278.8%、158.1%、44.8%、37.5%和226.4%；侧柏、珊瑚树和四季桂叶片Cd含量较CK处理分别提高136.5%、266.0%和30.4%。

图1　不同Cd来理下各景观植物叶片MDA含量Figure 1　Malondialdehyde content in leaves of ornament plants under different Cd treatments

富集系数和转运系数可反映植物对重金属的富集能力［25，29］。从表5可进一步看出，所有供试景观植物的富集系数随着土壤Cd浓度的升高而降低，表明其对土壤中Cd的吸收能力有限。CK处理下，香樟、珊瑚树、红花檵木、金边黄杨和金叶女贞的富集系数均在1左右，而在T1和T2处理下，仅珊瑚树的富集系数大于1，表明其对Cd具有一定的富集能力。供试植物对Cd富集能力的高低顺序为珊瑚树＞红花檵木抑金边黄杨抑金叶女贞＞香樟抑侧柏＞四季桂抑圆柏＞海栀子＞夹竹桃。除香樟、海栀子和珊瑚树外，其余供试景观植物的转运系数均小于1，表明其对Cd的运输能力较弱。香樟在土壤中Cd含量逐渐增加的情况下表现出较强的转运能力。珊瑚树在CK、T1和T2处理下，转运系数均大于1，但转运系数随着土壤中Cd含量的增加呈现降低趋势。尽管海栀子在T2处理下不能存活，但CK和T1处理下，其体内Cd转运系数均大于1，可能在低浓度Cd作用下海栀子迫使根部的Cd向地上部分转移来改善Cd对其根部的毒害作用。

表5　不同Cd来理下Cd在景观植物体内的含量和分布Table 5　Content and distribution of Cd in ornamental plants under different Cd treatments

根据景观植物对土壤中Cd富集系数进行聚类分析（图2），结合植株中Cd含量可将供试景观植物分为富集型、规避型和根部囤积型3种类型［30］：珊瑚树的Cd富集系数大于1，属于Cd富集型植物，与谭立敏等［31］在矿区调查的珊瑚树属于富集型植物结果一致；圆柏、夹竹桃和海栀子的Cd富集系数在0.17～0.66之间，可作为Cd规避型植物［32］；侧柏、四季桂、红花檵木、金边黄杨和金叶女贞吸收的Cd大部分囤积于根部，其转运系数为0.1～0.66，只有少量转移到地上部分，尽管香樟转运系数大于0.6，但CK和T1处理下根部Cd含量明显高于茎部和叶片部，故均可作为Cd根部囤积型植物，与苏焕珍等［33］报道魁蒿和柳叶菜对Cd的转运系数在0.34～1.35之间、归属于根部囤积型植物的报道结果一致。因此，珊瑚树可用于修复Cd污染程度较轻的土壤，圆柏和夹竹桃可用于中轻度Cd污染土壤的景观美化，红花檵木、金边黄杨、香樟、四季桂、侧柏和金叶女贞可用于Cd污染严重土壤中Cd的稳定，海栀子可作为土壤中Cd污染程度的指示植物。

图2　基于景观植物Cd富集系数层级聚类分析结果Figure 2　Hierarchical cluster analysis based on Cd bioaccumulation coefficients of ornamental plants

3　结论

（1）在供试土壤中Cd含量范围为3.6～24.6 mg· kg-1时，香樟、圆柏、侧柏、夹竹桃、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨和金叶女贞等景观植物能够正常生长。侧柏、夹竹桃、珊瑚树、四季桂和金边黄杨叶片中光合色素含量，香樟、侧柏、珊瑚树、四季桂、红花檵木、金边黄杨和金叶女贞叶片中丙二醛含量受到土壤中Cd含量影响不明显。

（2）珊瑚树属于Cd富集型植物，适于修复Cd轻度污染土壤；圆柏和夹竹桃属于Cd规避型植物，可用于修复中轻度Cd污染土壤；红花檵木、金边黄杨、香樟、四季桂、侧柏和金叶女贞属于Cd根囤积型植物，可用于Cd重度污染土壤中Cd的稳定。

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Potential of ornamental plants for remediating soil polluted with cadmium

ZENG Peng，CAO Xia，GUO Zhao-hui*，XIAO Xi-yuan，LIU Ya-nan，LIANG Fang
（Institute of Environmental Engineering，School of Metallurgy and Environment，Central South University，Changsha 410083，China）

Under greenhouse condition，the tolerance and accumulation characteristics for ornamental plants of 10 species grown on Cd contaminated soil，including Cinnamomum camphora，Sabina chinensis，Platycladus orientalis，Nerium indicum，Viburnum odoratissimum，Osmanthus fragrans，Loropetalum chinense，Euonymus japonicus，Ligustrum vicaryi and Gardenia Ellis，were studied.Three levels of Cd in polluted soil were designed，which is the background level of 3.6 mg·kg-1（CK），the content of 9.6 mg·kg-1（T1）and 24.6 mg·kg-1（T2）with addition of external cadmium，respectively.The results showed that the biomass of roots，stems，leaves and total plant among Sabina chinensis，Platycladus orientalis and Osmanthus fragrans was slightly significant difference（P＞0.05）compared with CK treatment under T1and T2treatment.When the content of Cd in soils were from 3.6 to 24.6 mg·kg-1，Platycladus orientalis，Viburnum odoratissimum，Osmanthus fragrans and Euonymus japonicus could photosynthesize regularly，and the content of malondialdehyde in leaves of Cinnamomum camphora，Platycladus orientalis，Viburnum odoratissimum，Osmanthus fragrans，Loropetalum chinense，Euonymus japonicus and Ligustrum vicaryi were slightly changed.The accumulation capacity of Cd in Viburnum odoratissimum and the transferring coefficient of Cd to aboveground of Cinnamomum camphora was relatively higher compared with the other tested plants.According to the hierarchical cluster analysis based on Cd bioaccumulation factors of tested plants，Sabina chinensis，Nerium indicum and Viburnum odoratissimum can serve for phytoremediation and ameliorate the landscape of Cd contaminated soil.Loropetalum chinense，Euonymus japonicas，Cinnamomum camphora，Osmanthus fragrans，Platycladus orientalis and Ligustrum vicaryi is helpful for stabilization of Cd in contaminated soil.

Cd；polluted soil；ornamental plant；phytoremediation

X53

A

1672-2043（2016）04-0691-08

10.11654/jaes.2016.04.012

2015-11-15

国家自然科学基金面上项目（41271330）

曾鹏（1992—），男，硕士研究生，主要从事重金属污染土壤修复研究。E-mail：547032220@qq.com

郭朝晖E-mail：zhguo@csu.edu.cn