35份草本植物镉吸收与富集特征比较

李希铭，李金波，宋桂龙，李诗刚，濮阳雪华

(1.北京林业大学草坪研究所，北京 100083； 2.深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040)

伴随我国社会和工业化的发展，加之前期环保意识薄弱及技术限制，我国土地受到重金属污染的问题日益突出，土壤镉(Cd)污染状况尤为严峻。2014年4月发布的全国土壤污染状况调查公告显示，全国土壤总超标率为16.1%，污染类型主要为无机污染，超标点位数占全部超标点位的82.8%。其中Cd污染为首要污染物，点位超标率7.0%，平均含量为0.082 mg·kg-1[1]。镉生物毒性高且移动性强，易导致土壤肥力降低，并经土壤被植物吸收后通过食物链影响人体健康，已对当下人们的生产生活造成一定危害。

国内外对于重金属污染土壤的治理已多有研究和实践，主要技术包括物理化学修复和生物修复。生物修复中应用最多的是利用植物的生长代谢活动降低存在于土壤中的重金属浓度，使受污染土壤能够尽可能恢复到原初状态，从而实现环境净化、生态效应恢复[2]，该技术因具有适用范围广、环境友好、经济可行、效率高等诸多优点受到了人们的广泛关注和应用。实现植物修复的规模化应用与推广，重难点是种质资源的筛选。早期有关植物修复研究主要集中于超富集植物，目前发现的Cd超富集植物有印度芥菜(Brassicajuncea)、天蓝遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)、龙葵(Solanumnigrum)等10多种[3]。随着研究深入，发现以超富集植物为主的植物修复模式有较大的局限，主要包括：部分重金属发现的合乎标准的超富集植物较少，且适应性较差，难于推广；已发现大部分超富集植物存在地上部生物量低、生长缓慢等问题，修复效率较差[4]。工程试验显示,天蓝遏蓝菜修复污染浓度444 mg·kg-1的Zn污染土地到330 mg·kg-1需要13.4年[5]。

基于上述问题，Whankaew等[6]提出利用作物可观的地上部生物量弥补其地上部重金属含量不达标准或较低的问题，并认为植物修复不应局限于超富集植物；Conesa等[7]提出应树立综合修复的概念，即在重金属污染修复的同时，考虑经济、生态等综合效益。也多有将生物量较大植物用于植物修复的试验，取得较好的效果。周杰良等[8]盆栽试验发现土壤中投加25 mg·kg-1的Cd时，蔓长春花(Vincamajor)叶片中Cd含量均达到Cd超富集植物的标准；Citterio等[9]发现大麻(Cannabissativa)生物量可达10 t·hm-2，对Cd的修复潜力也优于部分超富集植物。此外，在黑藻(Hydrillaverticillata)、烟草(Nicotianatabacum)、杂草、花卉等研究中同样发现了具有较好应用价值的潜力植物[10-13]。栽培草本植物是目前生态修复中的常用植物材料，其具有种子容易获得、出苗快、生物量大、可多次修剪等优点，是植物修复工程的较理想材料。但目前关于常见栽培草本植物Cd耐性、吸收和富集特征研究不够系统，对其修复潜力缺乏量化评估。本研究通过单一Cd胁迫研究常见栽培草本植物Cd耐性、Cd吸收和转运以及富集特征，并以此对草本植物进行应用方向分类，与现有超富集植物形成互补，为植物修复规模化工程应用提供一些Cd耐性强、生物量大、生长迅速的植物资源，并为深入研究植物修复机理提供资源和借鉴。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自北京林业大学草坪研究所昌平试验站，质地中壤，全氮0.806 g·kg-1, 有效磷30.7 mg·kg-1, 速效钾105.3 mg·kg-1, 有机质16.7 g·kg-1，pH 7.47，Cd含量1.609 mg·kg-1。

选取了35份草本植物为试验材料，包括7种豆科、2种菊科和20种禾本科(部分植物选择了多个品种)，其中8、9、12、13、19、23、25、27、34号植物来源于北京正道种业有限公司，其余植物材料均来自北京绿冠草业股份有限公司，具体情况如表1所列。

1.2 试验设计

选取所有35份草本植物材料为研究对象，参考国标土壤环境质量标准GB15618-1995[14]土壤污染等级限定Cd含量及相关已有研究[2]，设置单一Cd处理和对照(CK)，处理浓度为10 mg·kg-1(装填混合土重，以纯Cd计算，下同)，每个处理3个重复。采用完全随机区组设计，3个区组，每个区组70个处理(盆)。

试验处理于2016年5-10月在北京林业大学八家试验站进行。采用盆栽试验，选用无孔锥形塑料花盆(高28 cm，底径10 cm，口径20 cm)，每盆取过筛(4 mm)风干土2.5 kg，草炭0.5 kg，混合均匀装填。Cd施加采用CdCl2·2.5H2O配成0.5 mmol·L-1的溶液施入，浇自来水(无Cd元素检出)至田间持水量的60%左右，静置14 d。

培养土静置同时进行供试材料育苗，使用草炭∶蛭石=1∶1的基质育苗盘温室育苗，出苗10 d后选取长势一致的幼苗洗去根际培养基质移栽至培养花盆，每盆5株，温室恢复14 d后选择长势良好一致的植株，定株每盆3株。然后移至室外遮雨培养60 d，期间定期定量浇水，保持水分为田间持水量的60%左右。

表1 选用草本植物列表Table 1 Different species of herbaceous plants used in the present study

1.3 指标与方法

1.3.1植株取样及干重测定 35份植物室外培养结束后，参考Green等[15]的方法将植株连带栽培土壤整体取出浸入水中，清洗干净根部泥土，获得完整根系。然后将植株分为地上部和根系两部分，先后分别用自来水和蒸馏水清洗干净，编号装入牛皮纸袋。105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，分别测定根系和地上部的干重。使用粉碎机粉碎过0.3 mm筛后保存待用。

1.3.2镉含量测定 称取粉碎后的烘干样0.500 g(部分样品以实际测得数值为准)，采取HNO3-HClO4(4+1)混合酸湿法消化，使用仪器为Hanon220s石墨消解仪，消化完全后定容于25 mL容量瓶，采用原子吸收分光光度计(Varian spectrum AA220)火焰吸收法测定Cd含量。

耐受系数=Cd处理植株地上部生物量/对照植株地上生物量×100%；

差异率=(处理值-对照值)/对照值×100%；

根冠比=植株根系生物量/植株地上部生物量×100%;

Cd积累量=植株地上部或根系生物量×植株地上部或根系Cd积累浓度；

富集系数=植物某部位Cd含量/土壤中Cd含量；

转运系数=地上部Cd含量/根系Cd含量；

分配系数=地上部Cd积累量/植物Cd总积累量。

1.4 数据处理及分析

原始数据经Excel 2010软件整理，运用SPSS for Windows 21.0统计软件进行单因素方差分析和聚类分析，Origin制作相关图表。

2 结果

2.1 Cd耐性特征

Cd处理下，35份草本植物地上生物量、地下生物量和根冠比表现出不同的变化趋势及程度(表2)。地上生物量方面，生物量降低的有17种，与对照达到显著差异(P<0.05)的有9种，降低最大的15号多年生黑麦草，达46.10%，生物量增加的18种，与对照达到显著差异的也为9种，增加最大的为25号小黑麦，达156.94%。地下生物量方面，降低的有12种，与对照达到显著差异的有3种，占全部植物的8.6%，最大降幅为4号红三叶，达49.23%；增加的23种，与对照达到显著差异的有11种，占全部植物的31.4%，最大增幅为28号狗牙根，增幅为165.36%。根冠比方面，降低的12种，与对照达到显著差异的有2种，最大降幅的为9号菊苣，达30.27%；增加的23种，与对照达到显著差异的9种，最大增幅为15号多年生黑麦草，达146.05%。

地上生物量、地下生物量的差异率变化分别在46.10%～156.94%、49.23%～165.36%，说明草本植物间对Cd的耐性差异变化较大。

同一种植物的不同品种也表现出不同的变化程度甚至不同趋势。紫花苜蓿、草地早熟禾、高羊茅、一年生黑麦草、匍匐剪股颖的不同品种均表现出有的耐性较好，而有的受到显著影响。多年生黑麦草品种间表现出显著的促进和抑制，说明同种植物不同的基因型对Cd也呈现不同的反应类型。

地上和地下生长对Cd胁迫表现出明显的不同。地上部、地下部最大降幅和最大增幅的非同一植物，同一植物的地上部与根系变化幅度甚至变化趋势不同。地下部受刺激的植物种多于地上部，受抑制的植物变化幅度也低于地上部，体现在根冠比上则表现为根冠比的增加，即Cd可提高部分植物的根冠比，表现较为明显的是冷季型草坪草种，表现出地上部抑制而地下部促进。

2.2 Cd含量特征

Cd虽对植物有毒性作用，但植物对Cd有一定的吸收积累，并由于植物种、品种的吸收、转运能力不同表现出一定的差异性(图1)。地上部Cd含量最高的为6号百脉根，可达9.395 mg·kg-1，最小的为30号画眉草，仅为2.803 mg·kg-1，百脉根是画眉草的3.3倍，所选植物Cd含量平均值为5.484 mg·kg-1，变异系数30.0%。地下部含量最高的为10号草地早熟禾，达39.57 mg·kg-1，最小的为9号菊苣，仅为2.946 mg·kg-1，草地早熟禾是菊苣的13.4倍，平均值为17.099 mg·kg-1，变异系数61.0%。可以看出，地上部Cd含量的变异程度要小于地下部Cd含量。

紫花苜蓿、高羊茅和多年生黑麦草不同品种间的地上部Cd含量、草地早熟禾地下部Cd含量和转运系数表现出显著的差异性，显示出同种植物不同基因型在Cd吸收上同样存在较大的差异。

2.3 Cd转运特征

转运系数是植物地上部Cd含量与地下部Cd含量的比值，可以用来表征植物经木质部对Cd的运输分配能力。35份草本植物的转运系数最高的22号披碱草，为1.340，最小的21号匍匐剪股颖，为0.105，平均值0.483，变异系数71.3%，显示出不同植物转运Cd能力有较大差异(图2)。

7号沙打旺、9号菊苣、22号披碱草转运系数超过1，即地上部的Cd含量比地下部要高。所选12种双子叶植物除8号波斯菊外，转运系数均大于0.5，其中7种豆科植物的转运系数均大于0.5。而剩下的26种单子叶(品种)植物则表现较大差异，12种冷季型草坪草均低于0.3；6种冷季型牧草中22号披碱草、冰草属(26号、27号)较高，而24号鸭茅、25号小黑麦较低；暖季型草中28号狗牙根和高粱属(33号、34号、35号)植物较低，其他坪用草种表现出较高的转运系数。

2.4 Cd积累特征

Cd积累量指的是草本植物体内积累Cd的总量。Cd总积累量即植物地上部与地下部积累量之和，可反映出植物对Cd的吸收能力。所选植物Cd单盆总积累量最大值为311.097 μg，出现在19号一年生黑麦草，最低22号披碱草仅24.050 μg，最大值是最低值的12.9倍，均值86.741 μg，变异系数74.1%。

表2 35份草本植物生长指标的差异率Table 2 Difference rate of parameters measured in 35 herbaceous plants

“*”和“**”分别表示同一品种处理与对照间差异显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。

“*” and “**” indicates significant differences between treatments and controls of the same species at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

图1 草本植物体内Cd含量Fig. 1 Cd contents of 35 herbaceous plants

图2 草本植物的转运系数Fig. 2 Translocation factor of 35 herbaceous plants

地上部Cd单盆积累量是植物富集的可清除污染物的总量，可以反映植物净化土壤污染的潜力，最大值为18号一年生黑麦草，达83.227 μg，比19号品种多了0.508 μg，地上部积累最小的是16号多年生黑麦草，仅11.747 μg，一年生黑麦草可达多年生黑麦草的7.1倍，均值31.909 μg，变异系数61.0%。

35份草本植物Cd积累量的分配系数(即地上部Cd积累量占植株Cd总积累量的比例)显示(图4)，35份草本植物中Cd单盆总积累量高于100 μg的包括17号多年生黑麦草、一年生黑麦草(18号、19号)、匍匐剪股颖(20号、21号)、24号鸭茅和25号小黑麦，其地上部Cd积累量占植物Cd总积累量的比例分别为35%、48.3%、26.6%、27%、21.9%、27.4%、39.9%，分配系数处于相对较低的水平。一年生黑麦草、多年生黑麦草、匍匐剪股颖、鸭茅地下部固定的Cd也居于所有植物的前6位，最高的一年生黑麦草品种蓝天堂可达228.377 μg，可应用于土壤Cd污染的固定，防止污染扩散。35份植物的分配系数变化范围为17.9%～70.1%，最高的为22号披碱草，最小的为10号草地早熟禾，均值41.7%，变异系数35.0%。科属特点方面，表现和转运系数类似，大体上呈现出双子叶植物、暖季型草种好于冷季型草种。

2.5 地上部积累量聚类分析

聚类分析结果(图5)显示，在类间距离等于10时，35份草本植物可以分为4类，第1类包括18号、19号的一年生黑麦草，每盆积累量大于80 μg；第2类包括17号多年生黑麦草、20号匍匐剪股颖、28号狗牙根、25号小黑麦，每盆积累量在50.636～67.185 μg；第3类包括3号白三叶、8号波斯菊、24号鸭茅、21号匍匐剪股颖、11号草地早熟禾、1号紫花苜蓿、23号无芒雀麦，每盆积累量在34.450～46.515 μg；其余的则为第4类，每盆积累量在11.747～30.960 μg。

图3 草本植物地上部Cd积累量和总积累量Fig. 3 Shoot Cd accumulation and total Cd accumulation of 35 herbaceous plants

图4 草本植物的分配系数Fig. 4 Translocation factor of 35 herbaceous plants

3 讨论与结论

3.1 草本植物的Cd耐性分析

生物量一定程度上可以反映植物对逆境的响应情况，通常植物对土壤中的重金属浓度有一定的耐受阀值，超过耐受的临界浓度则表现为生长量降低，生长受抑[16-17]。植物只有对重金属有良好的耐性，才能在重金属含量较高的情况下保持良好的生长状态，植物地上部分才能较多的吸收富集土壤中的重金属，以便更好的应用于植物修复工程中。本研究中35份草本植物17种植物生物量下降，达显著水平的9种，受抑最严重的是多年生黑麦草的2个品种，降低40%以上；18种植物生物量提高，9种达显著水平，最高提高150%以上。说明部分植物对低浓度Cd有一定的耐性机制和适应能力，甚至低浓度Cd对部分植物的生长起到一定的刺激作用，这也为筛选耐Cd植物提供了很好的资源。杂草、花卉、蔬菜的相关研究中同样发现了类似的现象[12-13,18]。地上生长与根系生长并非完全协同一致，多数植物表现出明显的地上部受抑程度大于地下部、根冠比增加的现象，这与前人草坪草上所做的研究一致[19]。

由于地上生物量较地下生物量对Cd更为敏感，且地上生物量与最后清除Cd污染效果密切相关，故对草本植物地上部生物量变化情况的种间差异进行重点分析。9种双子叶植物仅有5号小冠花、6号百脉根、10号菊苣表现为生物量增加(P>0.05)，其他均表现为抑制降低，且差异系数均大于10%。其他26种单子叶植物中11种受到抑制(其中7种差异系数大于10%)，表现出更大的多样性，但总体耐性相对好于双子叶植物。Shahandeh和Hossner[20]在铬(Cr)的富集植物筛选中也发现同样的现象。魏树和等[12]选取65种野生杂草中禾本科植物的耐性表现也居于前列。

图5 地上部积累量聚类树状图Fig. 5 Dendrogram of shoot Cd accumulation

本研究中6个多品种植物种内品种间变化程度有较大差异，特别是多年生黑麦草中牧用品种(前进)与草坪用草种(夜影、蒙特利3号)差异巨大，说明同种植物不同基因型间耐性的较大差异，这在多种植物的品种间筛选已得到证实，这可能是人工选育过程中不同的环境造成的，这也说明同一种植物可以筛选出较耐Cd的品种，这也与王宝媛等[21]在20种高羊茅上的研究结果相类似。

3.2 草本植物的Cd吸收能力分析

本研究中所选草本植物地上部Cd含量和根系Cd含量的均值分别为5.453和16.532 mg·kg-1，变异系数分别为30.0%和61.0%，除7号沙打旺、9号菊苣、22号披碱草外，其余草种均表现出地上部镉含量小于地下部镉含量。袁敏等[22]研究了高羊茅、早熟禾、黑麦草以及紫花苜蓿对铅锌尾矿土壤重金属的抗性及吸收特征，同样发现4种植物镉含量都呈现为根系大于茎叶，本研究结果与其相一致。本研究中紫花苜蓿及草地早熟禾等几种植物的不同品种间地上部及地下部Cd含量也呈现出一定差异，有的达到显著水平，说明同种植物不同基因型对Cd的吸收存在较大差异，这也与杨洋等[23]在不同品种油菜(Brassicanapus)上的研究结果相类似。

转运系数反应植物在根系吸收重金属后对重金属离子的运输分配能力，魏树和等[24]认为超富集植物至少应满足地上部重金属含量达到标准且富集系数大于1、转运系数大于1、生长未受到明显伤害等条件。本研究中35份草本植物转运系数的变异系数达到68.3%，总体表现出双子叶植物、暖季型草转运能力高于冷季型草的现象，且只有沙打旺、波斯菊和披碱草转运系数大于1，但所有植物都没有达到超富集植物标准，这在陈伟[25]的研究结果中也有体现。在部分草种[20]中也发现此现象。转运能力究竟是否与特定科属或是生理结构有关系，还需更深入的研究。

3.3 草本植物的Cd污染修复潜力分析

植物修复技术狭义上即为植物提取技术，其关键则包含根系吸收能力强、抗逆性强以及生物量大能储存较多重金属等几个方面[26-27]。从提取清除土壤中Cd的角度来看，地上部Cd含量和转运能力并非植物修复潜力的唯一标准，植物生物量对土壤污染的清除效果亦有重要影响[7]，而地上部Cd积累量可直观反映植物对土壤中Cd的清除效果。对比前人在超富集植物上的研究结果，Cd超富集植物宝山堇菜(Violobaoshanensis)同属植物早开堇菜(V.prionantha)在10 mg·kg-1Cd胁迫下，生长60 d后地上、地下分别能富集约249.39和546.39 μg[28]，分别是本研究中地上、地下富集量最大的一年生黑麦草的3.00和2.40倍。本研究虽没有筛选出具有超富集植物特点的草本植物，但所选35份草本植物中74%的植物在10 mg·kg-1浓度下未显著降低，表现出较好的耐Cd性，且和已知超富集植物相比具有生物量较大的特点，因此部分常见草本植物可以从土壤中吸收较多的重金属离子，显示出草本植物较高的修复潜力，且种子易于收集，可以为植物修复工程材料选择提供参考。35份常见草本植物按土壤中Cd含量为10 mg·kg-1时的地上部积累量进行聚类分析，第1类包括了两种一年生黑麦草，积累量高且耐性较好，因此一年生黑麦草是适用于植物提取技术的草本植物。第2类包括了多年生黑麦草前进等4种植物，此类植物也具有比较理想的积累量并且耐性较好，也属于工程中值得选用的植物种。另外，考虑到植物对重金属的积累有随着土壤中重金属浓度增加而升高的特点[29]，故十分有必要在多梯度Cd胁迫下继续研究其Cd积累特征。

通过植物巨大的根系吸附、沉淀等方式降低土壤中重金属的可移动性和有效性，也是防止污染物流失和扩大的重要方式。试验结果显示，所选草本植物的根系耐性好于地上部，由于部分植物存在耐Cd机制，大部分吸收的Cd被贮存在根系中，导致较大的根系Cd积累量，类似结果在豆科植物的研究[30]中也有体现。本研究中根系Cd含量大于10 mg·kg-1即富集系数大于1的植物种有23种，占到35份植物的65.7%，最高的草地早熟禾达39.571 mg·kg-1；根系Cd积累量最高的为一年生黑麦草蓝天堂，达228.377 μg，多年生黑麦草前进、匍匐剪股颖和鸭茅都有着较高的根系Cd积累量。因此，此类植物虽没有较好的提取重金属到地上部的能力，但其根系耐性较好且能积累较多的重金属，能很好地把土壤中重金属固定在植物根系当中，也有较强的修复潜力和应用价值。同时，禾本科与豆科植物由于抗逆性强、生长迅速、对土壤能起到一定改良效果常被用于矿山修复和水土保持,对比发现紫花苜蓿、鸭茅等植物具有较好的固土能力[31-33]，这也为Cd污染土壤的污染控制提供了植物选择参考。综上，常见草本植物具有耐性强、生长快、对重金属有较好的吸收富集能力、耐粗放管理、种子易收集、价格低廉等一系列优点，能够弥补现有超富集植物在工程上应用的不足，具有极大的应用于植物修复工程的潜力。

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