油菜种植修复重金属镉等污染土壤研究进展

费维新 荣松柏 初明光 江莹芬 吴新杰 李强生 陈凤祥

摘要 重金属污染农田目前已经成为农业生产上的严重问题，利用植物对重金属元素超累积吸附作用修复污染土壤是一种绿色、经济有效的方法。该研究主要从镉等重金属对油菜种子发芽与生长发育的影响、在油菜植株内的迁移分布、重金属超积累油菜资源品种鉴定、影响油菜吸附镉等重金属的其他因素以及油菜在镉等重金属污染修复中的应用前景等方面综述了近年来利用油菜种植修复重金属镉、铜等污染土壤的研究进展，为油菜种植修复重金属污染土壤可行性提供科学参考。

关键词 油菜;农田土壤;重金属污染;植物修复

中图分类号 X53文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）35-0019-04

随着我国工业化进程加快发展以及农业生产上农药化肥的不合理的过量使用，农田重金属污染目前已经成为一大严重问题，农产品等重金属超标问题频现，由于重金属难以降解与清除，在生物圈中移动与累积，对食品安全与人类健康形成严重的影响。我国受到镉（Cadmium，Cd）污染的土地面积已超过28万hm2[1]。在土壤重金属污染中， 镉（Cd）被列为五大毒物（Cd、Hg、As、Cr、Pb） 之首，在生物圈中移动性大、毒性强，其毒性仅次于汞而位居第二，植物容易从土壤中吸收Cd并在体内造成累积， Cd 在植物性农产品中的残留问题较突出，严重威胁人类健康[2]，摄入或吸入过量的镉会对人体的免疫系统、泌尿系统、骨骼、神经系统、生殖系统等造成损伤，同时镉还具有较强的致癌、致畸、致突变的作用[3]。目前学术界提出多种修复治理重金属污染土壤的方法，但是许多措施由于成本高昂或操作过程繁琐难以实施。

植物修复技术（phytoextraction）是利用植物对重金属元素超累积吸附作用修复被重金属污染土壤的方法，经济有效并具有广阔的应用前景，由于具有不破坏土壤生态环境、没有二次污染、容易操作实施的特点受到社会各界的关注[4-5]。近年来，利用油菜种植开展重金属植物修复成为研究热点，甘蓝型油菜（Brassica napus L.）是我国的主要农作物之一，在我国南北地区广泛种植，常年种植面积约达700万hm2[6]，油菜生长生物量大，并且生产种植技术成熟易于掌握，研究表明甘蓝型油菜具有修复Cd、Cu等污染土壤的能力。可以作为Cd等重金属污染土壤的修复替代种植作物，特别是在典型的大面积Cd等重金属污染区替代种植修复，是一种绿色经济高效的重金属污染土壤修复技术方法。

1 镉等重金属对油菜种子发芽的影响

不同浓度镉等重金属污染以及2种以上重金属混合污染对油菜种子的萌发有一定的促进或抑制作用。在油菜种子萌发试验中发现，Cd能抑制油菜种子的萌发，且与Cd浓度正相关，当Cd浓度为50 mg/kg时，萌发率仅为16%[7]。不同材料对镉胁迫反应不同，镉胁迫浓度为5 mg/L时抑制作用明显，对种子萌发影响表现为随着镉胁迫浓度的加大，相對发芽势和相对成苗率呈现先增后降趋势，对幼苗生长的影响表现为根长>苗长>苗鲜重>苗含水量[8]。随着镉浓度增加，油菜种子发芽势呈逐渐下降趋势，镉浓度为50和75 mg/L时，发芽势显著降低;镉浓度为1 000 mg/L与对照组相比，发芽势下降了60%[9]。土壤重金属镉对油菜种子的发芽势有较强的抑制作用，随着镉浓度的增加，抑制作用增强明显。在较低浓度Cd的条件下，Cd对油菜的生长产生一定的促进作甩，在Cd浓度较高时，重金属Cd对油菜株高的生长产生一定的毒害作用。

Pb2+浓度小于50 mg/L时，对油菜的萌发率、苗长和根长均表现为促进作用，大于50 mg/L后表现为明显的抑制作用，大于200 mg/L后抑制作用逐渐减弱;而Cd2+浓度小于5 mg/L，对油菜的萌发率、苗长和根长普遍表现为持续的促进作用，大于5 mg/L后表现为持续明显的抑制作用;根长的变化比苗长更能体现2种重金属对油菜的毒性，是一个重要的指示植物受重金属毒性影响的指标;油菜中铅和镉的含量均随着处理水平的提高而增加，其中镉的这种趋势更明显[10]。铜离子和铅离子低浓度（≤10 mg/L）的处理对油菜种子的萌发影响不明显，高浓度（≥100 mg/L）的铜离子和铅离子处理能显著抑制油菜种子的萌发，并且铜离子和铅离子浓度与油菜种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数成反比。同一处理方式相同处理浓度下，铜离子对油菜种子的毒害性显著强于铅离子;不同处理方式相同浓度重金属溶液处理下，油菜种子的萌发表现为油菜种子接触重金属污染越早，时间越长其受到的毒害越严重。这说明一定浓度的铜离子和铅离子对油菜种子萌发均有显著影响，相同浓度下铜离子的影响更明显[11]。

比较5种重金属离子Cu2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+、Pb2+胁迫对油菜种子萌发及幼苗生长的影响。随着Cu2+、Fe3+、Pb2+浓度的增大，油菜的发芽率、发芽势均呈现不同程度的降低趋势;其中油菜种子对Cu2+、Pb2+的耐受能力相对较高，Cu2+、Pb2+浓度在2 000 mg/L时平均发芽率分别达到57%和91%。在Mn2+、Zn2+处理下油菜种子的发芽率并没下降，反而表现出促进作用。5种重金属离子对油菜种子根长和芽长的生长具有强烈的抑制作用，对油菜种子根长的抑制效果较芽长更大，浓度过高使种子生长受毒害严重，超过植物的耐受限度就会直接导致死亡[12]。徐进等[13]研究表明，重金属对油菜种子萌发的抑制作用依次为Hg>Cd>Co>Ni>Zn。萌发率为40%以上时，K和Ca可以提高Ni、Zn和Co离子胁迫下油菜种子的萌发率，却进一步降低了Hg、Cd胁迫下种子的萌发;Mg可以提高Ni、Zn、Cd和Co离子胁迫下种子的萌发率，但对Hg毒害却没有缓解。胚根伸长率达到60%以上时，K和Mg增强了Ni、Hg、Cd和Co对胚根生长的抑制，而Ca则缓解了Zn、Ni和Co对胚根生长的抑制作用。

2 镉等重金属对油菜生长发育的影响

重金属胁迫会导致植物样本叶片中的含水率下降，且胁迫程度越高样本中的含水率则越低。植物样本在受到重金属胁迫后，叶片中抗坏血酸含量迅速大量减少，而谷胱甘肽含量明显升高。细胞内游离脯氨酸对胁迫的响应速度相对较慢，胁迫程度较低时对样本中的游离脯氨酸含量影响相对较小，而当重金属胁迫达到一定程度时，会导致游离脯氨酸在叶片中大量累积。在胁迫环境下，植物叶片中结合态水杨酸的含量首先迅速上升，随后转化为游离态水杨酸;当胁迫程度较低时，结合态水杨酸可根据叶片中游离态水杨酸的含量调整转化速率，使样本中游离态水杨酸含量维持在一定的范围内[14]。这些生理生化上的变化可导致油菜生长发育受到影响，刺激或者阻碍油菜植株个体的生长。

重金属的胁迫引起油菜株高及叶绿素含量等的變化。油菜的株高、干重和叶绿素含量等在低水平Cd处理时轻微地促进，而在高水平Cd处理中受到抑制，在土壤Cd添加量为120 mg/kg时，油菜的株高、干重和叶绿素含量达到最大[15];油菜植株中脯氨酸含量随Cd添加量的增加而增加，当土壤Cd含量为200 mg/kg时，油菜体内脯氨酸含量达到最高，比对照升高了17.95倍。镉胁迫对芥菜型油菜叶绿素、可溶性蛋白质含量和过氧化氢酶活性的变化都有一定的影响[16]，镉处理后油菜幼苗表现出子叶枯萎黄化，外围真叶的边缘也有干枯现象，当镉浓度达100 mg/L时，处理油菜品种的叶绿素含量较对照品种平均降低了47.63%。当Cd2+浓度较低时，可溶性蛋白质的浓度会有一定的降低，而随着处理Cd2+ 浓度的增大，可溶性蛋白质的浓度又会增大，而且会超过对照的蛋白质浓度。油菜对土壤Pb、Cd污染具有一定的耐性[17]，在土壤Pb浓度为0～200 mg/kg、Cd浓度为0～5 mg/kg范围内，对油菜的生长有促进作用。在土壤Pb浓度为200～1500 mg/kg、Cd浓度为5～20 mg/kg范围内，对油菜的生长有抑制作用。低水平镉、铅复合处理对油菜的生物量、硝酸还原酶活性有促进作用，而高水平镉、铅复合处理则表现出抑制作用[18]。随着土壤铅含量的增高，油菜株高、鲜重和干重逐渐减小[19]。

2种以上重金属复合胁迫时具有一定的拮抗作用。研究表明[20]低浓度Cu和Cd单一胁迫（Cu≤100 mg/kg，Cd≤3 mg/kg）均可促进油菜生长，高浓度胁迫抑制油菜生长，且浓度越高抑制作用越强，在高浓度处理时，Cd的胁迫作用最大。复合处理时，整体叶绿素的合成均受到影响。油菜在Cu胁迫下体内POD的抗性增强、CAT活性抑制明显、SOD活性抑制较弱;在Cd胁迫下3种抗氧化酶活性均随胁迫浓度增加呈先增后降趋势。Cu、Cd复合胁迫对SOD和CAT活性的抑制产生拮抗作用，对POD的活性整体产生抑制。油菜对土壤Cu、Cd的累积能力存在差异，油菜对Cd的富集作用强于Cu。单一胁迫时，这种富集作用均随处理浓度增加而降低;而复合胁迫时，油菜对Cd的富集在5 mg/kg急剧增高。复合胁迫降低了油菜对Cd、Pb的富集能力和Pb在油菜体内的迁移能力，但提高Cd在油菜体内的迁移能力;油菜对Cd的吸收能力和其在油菜体内的迁移能力均远远大于Pb[21]。当土壤加锌量小于25 mg/kg时，锌的投入促进了油菜对镉的吸收，锌对镉吸收具有协同作用;但当土壤加锌量超过25 mg/kg时，投入锌却抑制了油菜对镉的吸收，此时锌对镉的吸收则有拮抗作用[22];Cd、Zn协同使产量降低，而Pb却使油菜产量有所增加，其对产量的影响依次为Zn>Cd>Pb。Cd、Zn、Pb在油菜体内的积累除了受本元素添加浓度的显著影响外，同时还受到共存元素的影响。

46卷35期 费维新等 油菜种植修复重金属镉等污染土壤研究进展

3 镉等重金属在油菜植株内的迁移分布

不同重金属在油菜植株器官中富集部位不同。镉等重金属为植物非必需元素，重金属离子可通过植株根部的共质体或质外体等途径进入植株内部，尤其是植株幼嫩的部位，其中，生长点是植物各器官发育的形成关键起始部位

是植株对重金属镉等最敏感的部位。镉离子的浓度过大会毒害影响生长点细胞的分裂，阻碍减缓植物体的发育生长，最后导致作物减产和质量下降不达标。重金属主要积累在油菜的根和叶中，Pb 在油菜根部的浓度远远高于其他部位，Cu、Zn、Cd 在不同品种油菜的根和叶中吸收积累情况不同，茎秆和果实中重金属的含量都相当低。对比重金属在不同品种油菜中的富集和迁移转运情况发现，芥菜型油菜适用于Cu、Pb 污染的土壤，甘蓝型油菜对Zn、Cd 的吸收积累效果最好。总的来说，甘蓝型油菜较其他品种更加适合修复该重金属复合污染的尾矿区土壤[23]。

研究表明，重金属镉在油菜中富集地上部>地下部，并且重金属镉从油菜籽到菜籽油的转移率与油菜籽中的蛋白质含量呈负相关，菜籽饼粕中含有的镉是菜籽油中含量的2倍，镉从油菜籽到菜籽油的转移率为2%～10%;随着Cd浓度的升高，油菜植株对Cd的吸收显著增加，而且油菜地上部分的吸收量显著高于地下部分，其中茎的Cd浓度最高，籽粒最低;油菜将Cd从地下转移到地上部分的转运系数随外源Cd浓度的升高而呈现先升高后下降的趋势[24]。但是有些研究认为油菜体内Cd积累规律为根部大于地上部，根、茎及角果皮镉较高，尤其是根部[25-26]。油菜根部、茎叶和籽粒对Cd的富集系数分别为59.01、80.44和52.42，对Pb的富集系数分别为8.92、11.19和7.66，油菜茎叶对Pb、Cd的富集能力最强[17]。油菜植株各部位含Cd量以及每盆油菜吸收Cd总量都随土壤Cd添加量的增加而递增，在土壤Cd添加量为40 mg/kg时达到最大值，此后则会下降。低水平Cd处理对油菜的株高、干质量、叶绿素含量等有轻微的促进作用，而高水平Cd则表现出抑制作用，在土壤Cd添加量为80 mg/kg时，油菜的株高、干质量、叶绿素总量分别比对照降低了20.5%、43.5%和64.3%[26]。

魏晓燕[27]研究认为油菜叶中的Cu元素含量随着浇灌的重金属溶液中的Cu元素浓度的增加而增加。油菜在Cu单一因素影响时，水中Cu元素浓度为100 mg/L时，其叶部的含量为0.044 3 mg/kg;水中Cu元素浓度为500 mg/L时，叶部的含量为0.050 7 mg/kg，水中元素浓度增加了5倍，油菜叶部元素的富集量增长了1.14倍。Cu与Pb 2种元素复合作用时，油菜叶部Cu元素含量随着混合水溶液中Pb元素含量的增加而增大，但是油菜在混合浓度影响下，其叶部Pb含量受Cu影响，Cu对Pb吸收富集有抑制作用。研究表明Cu、Zn根部的积累尤其明显[28]。当Cu处理为1 000 mg/kg时，油菜茎叶和根中质量分数分别为57.6、424.2 mg/kg;当Zn处理为1 000 mg/kg时，油菜茎叶和根中质量分数分别为240、608.5 mg/kg。与Zn相比，Cu主要积累在油菜的根部，向茎叶迁移累积的量很少。油菜的株高、干重、叶绿素含量等在低水平Pb处理时得到轻微的促进，而在高水平Pb处理中受到抑制，在土壤Pb添加量为2 000 mg/kg时，它们分别比对照降低了8.0%、21.1%和51.7%。油菜体内Pb积累分布大小为：根部>地上部>籽实，各部位Pb含量以及每盆油菜吸收Pb总量都随土壤Pb添加量的增加而递增，并在土壤Pb添加量为1 500 mg/kg时达到最大值，此后则下降。

4 其他因素对油菜吸附镉等重金属的影响

土壤调控剂能够提高镉污染土壤植物修复效率，高用量的硫肥和风化煤硝基腐殖酸显著提高两茬油菜对土壤中镉的提取效率[29]。螯合剂EDTA、EDDS和草酸对3种土壤酶活性的影响，均显著提高了土壤总Cd去除率，其中EDTA的效果最好，最佳浓度为3mmol/kg，此時土壤Cd总去除率高达74.57%[30]。张淼[31]研究矿物硅肥、硅钙镁钾肥、微生物菌剂作底肥对苗期和成熟期油菜吸收累积Cd的影响，结果表明均能降低油菜苗期和成熟期各部位中Cd的含量，其中施用矿物硅肥和微生物菌剂的处理效果较好，对油菜籽粒的降Cd幅度分别达到40.12%和44.22%。适量的有机肥可以提高油菜在污染土壤中吸收总镉的含量，油菜对低污染土壤中的镉有超富集作用[32]。施用尿素和硫酸铵能显著降低小油菜根系和地上部镉含量[33]。王显路等[34]研究表明土壤施加硫代硫酸铵提高了油菜对汞的吸收，当硫代硫酸铵的添加比为0.4%时，油菜根、茎、叶三部分汞含量较对照高出5.838、0.088、0.203 mg/kg。硫代硫酸铵的施用增加了油菜汞吸收的原因在于硫代硫酸铵改变了汞在土壤中的赋存形态，提高其生物可利用性。

根际真菌毛霉QS1接菌处理明显促进油菜生物量的增加、Cd在植株体内的富集和Cd从根部向地上部分的迁移，土壤Cd处理对油菜的临界毒害浓度在148.41 mg/kg左右，接菌处理使油菜的Cd临界毒害浓度提高到175.35 mg/kg，接菌处理的油菜在土壤Cd浓度为148.41 mg/kg时，积累量最大，为69.83 mg/kg;而不接菌的油菜在土壤Cd浓度125.7 mg/kg时，Cd积累量最大，为57.81 mg/kg[35]。植物促生细菌可强化油菜修复铜污染土壤，接种菌株TC1显著提高油菜根部铜含量24.0%;接种菌株W33分别显著提高油菜地上部和根部铜含量24.2%、37.1%。菌株TCl、W33分别显著提高油菜总Cu吸收量达39.7%、59.1%[36]。木霉菌及其REMI突变株在土壤有镉的胁迫条件下，突变株P6、H6可明显提高沪油20对土壤镉的净化率[37]。

油菜对Cd的吸收转运不仅受外源硫供应的影响，且与自身硫代谢关系非常密切。硫苷是影响油菜品质的重要含硫次级代谢产物，而油菜籽粒硫苷含量能较好地表征油菜的硫苷特性。通过Cd污染土壤的大田试验，结果表明，初花期高、低硫苷油菜不同器官间Cd含量皆为根>叶>茎，成熟期皆为茎>根>壳>籽粒。初花期高硫苷与低硫苷油菜对Cd的吸收积累无显著差异;而成熟期高硫苷油菜对Cd的吸收积累显著低于低硫苷油菜，成熟期高硫苷油菜壳/茎、籽粒/壳Cd转运系数分别为0.22和0.17，而低硫苷油菜分别为0.25和0.23，比高硫苷油菜分别高13.64%（P<0.05）和35.29%（P<0.05）。高硫苷油菜显著抑制Cd从茎向其上位器官（壳、籽粒）的转运[38]。

发根农杆菌介导IRT1基因转化镉超富集植物油菜研究[39]，野生型和转IRT1油菜毛状根都能有效地富集培养基中的Cd。在不同浓度的Cd环境下，转入IRTl基因的毛状根比野生型毛状根的生长状况更好，对Cd的富集量更高。随着培养基中Cd浓度的增加和培养时间的延长，转IRT1油菜毛状根对Cd的富集量也随之增加。在浓度为100 μmol/L的Cd培养基中培养14 d后，转IRT1基因毛状根中富集的Cd含量为（331.61±0.26 μg/g毛状根，Cd富集系数达到7.261%±0.006%，比野生型毛状根的富集系数6.384%±0.005%提高了13.73%±0.01%。

5 镉等重金属超积累油菜资源品种鉴定

一般认为镉超积累植物应具有以下特征：超积累植物地上部分的重金属含量是同等生境条件下其他普通植物含量的100倍以上;在污染地生长旺盛，生物量大，能正常完成生活史;一般而言，植物体内重金属镉临界含量为100 mg/kg。富集系数（BCF，地上部器官中重金属含量与土壤中重金属含量的比值）和转运系数（TF，茎叶中重金属含量与根部重金属含量的比值）是衡量植物是否为超积累植物的重要指标。一般认为，超积累植物其富集系数和转运系数都应该大于1。但这些典型的超积累植物生长缓慢，植株矮小，地上部生物量小，在实际应用中受到很大的限制。因此，寻找对Cd具有较高吸收能力同时又能够耐受Cd 毒性的植物成为植物修复技术的关键[2]。

王激清等[40]研究筛选高积累镉的油菜品种，通过水培试验对22个油菜品种植株地上部相对生物量、地上部镉含量和植株吸镉量进行比较， 筛选出高吸收累积镉油菜品种川油Ⅱ-10、白芥和绵阳蛮油菜。金瓯[41]从114个甘蓝型油菜中筛选到2个在镉胁迫下地下部含量差异较大的甘蓝型油菜材料009和046。武琳霞等[25]对14个油菜品种进行重金属镉含量的统计分析，结果表明，不同系列的油菜品种间镉含量差异显著，含量最高和最低的品系间相差7.7倍。苏德纯等[42]研究发现土壤中Cd 浓度达20 mg/kg时，油菜朱苍花籽和印度芥菜的地上部干重出现明显下降，但油菜溪口花籽的地上部干重不但不下降反而增加，此时油菜溪口花籽的地上部干重显著高于油菜朱苍花籽和印度芥菜，表明油菜溪口花籽比印度芥菜有更高的地上部生物量和耐Cd能力。

宋俊英[43]应用水培试验对73个甘蓝型油菜品种和197个芥菜型油菜品种进行筛选，获得砷排异型品种有J176等16个油菜品种，特点是地上部和地下部生物量均较对照增大，砷的冠根比很小，砷主要集中在根系;砷排异敏感型品种有J008等8个油菜品种，具有生物量较对照小、砷主要集中在地下部的特点;砷低吸收型品种主要有J179等7个油菜品种，其生物量较对照增加，但植株砷累积量较少。

6 油菜在镉等重金属污染修复中的应用前景

我国是世界油菜生产大国，油菜是我国最重要的油料作物和叶菜类蔬菜作物，2000年以来种植面积已经突破733万hm2，总产量达到1 100万t以上。油菜属于十字花科芸薹属植物，是吸收累积镉能力较强的一类作物[44]，而有些油菜品种对镉具有较高的耐受性和较低的吸收积累能力，在重金属镉污染的农田土壤上，通过种植低吸收、低积累镉的作物品种来达到降低农产品中镉含量，生产符合食品安全标准的农产品更有实际应用价值。通过研究不同油菜种类对土壤镉的吸收能力差异性，筛选低吸收、低转移、低积累镉油菜品种，并探索土壤环境与累积特征的关系，从而为利用品种选择和农艺措施在镉污染农田土壤生产安全农产品提供理论依据。低浓度Cd处理下，油菜对Cd的转运系数较高，修复效率可以达到6.841%～7.752%。土壤微生物多样性分析发现，Cd改变了土壤微生物群落的结构，降低了部分优势菌群的相对丰度，而油菜可以增加这些菌群的相对丰度，提高土壤微生物多样性。因此，种植油菜有利于土壤生态系统的稳定性，可以用于修复中等程度Cd污染土壤[25]。油菜对镉、铅的吸收表现不同，镉在油菜中的转运系数高于铅的转运系数，表明油菜对镉的吸收效率较高[45]。我国油菜种质资源中不同油菜品种吸收累积镉存在较大差异，有些油菜品种有较强的吸收累积镉能力，具有用来修复镉污染土壤的潜力。油菜可以作为修复镉、铅污染土壤的高生物量修复植物。

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