不同油菜类型对土壤重金属镉污染的响应

刘翊涵， 肖智华， 邹冬生， 曾馨怡， 李子涵

(湖南农业大学生物科技学院，湖南长沙 410128)

伴随着我国经济飞速发展的是土壤被不同程度地污染[1]。土壤重金属来源主要有自然污染源和人为污染源：自然环境中重金属污染源主要是富含重金属的矿石以及矿床因风化、水蚀等自然环境因素使得矿石与矿床中的重金属裸露在自然环境中从而使得土壤环境中积累大量重金属；人为污染源主要指在人们各种生产活动中，例如矿产的开采过程中和农作物的种植过程中，将重金属从土壤深处扩散到地表或将化学成分投入土壤中使重金属活化聚集在其中，使土壤中重金属浓度超过一定范围，造成土壤环境的破坏[2-3]。

我国受到重金属污染的耕地面积达2 000万hm2，约占我国耕地总面积的1/5[4]，采矿区、冶炼区周边和大中城市群郊区的农田土壤重金属污染情况越来越严重，有些地区污染的程度严重超过国家Ⅲ级标准。镉(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、铅(Pb)、铜(Cu)这几种重金属的单一污染及复合污染尤为明显，其中重金属Cd超标的情况又特别突出，因Cd超标弃耕土壤达到13万hm2[5]。

目前，修复土壤重金属污染主要有以下3种途径。一是通过在土壤中投入化学试剂从而降低重金属在环境中的活性及生物有效性；二是利用生物技术等方法将土壤中的重金属提取出来，从而降低环境中重金属元素的浓度；三是改变植物的种植方式，防止食物链中重金属的富集从而影响生态环境和人类健康[6]。利用植物修复重金属污染土壤是生物修复的一种，优点较多，较其他修复技术而言，其安全、廉价的特点正成为研究和开发的热点，比较适合在发展中国家采用，所以是一项非常有前途的新技术。大量研究表明，我国有大量具有修复潜力的野生植物资源，利用好这些资源对植物修复的意义十分重大[7]。但野生抗性植物对重金属污染的土壤修复并未取得较大进展，当前因为超富集植物只能吸附某个重金属元素，并且植物受到了不同因素的影响，例如有机质含量、酸碱度、阳离子交换量(CEC)、水分含量、土壤肥力等都将影响植物对重金属污染的修复。富集植物同时也存在生物量较小、生长速率慢，积累效率较低的缺点。我国在这一方面研究较多，并取得了一定的成效，但利用该技术修复污染土壤周期长，效果不显著[8]。

人们在大量的筛选研究中发现，十字花科芸苔属植物具有生长快、生物量高、对重金属有较强的耐性及吸收积累能力等特点[9]。我国广泛种植的油菜就是该属植物，不同基因型品种的油菜对重金属都有一定的吸收积累能力并且是一种对重金属有修复潜力的非超累积植物，在我国已被大量研究证实[10-13]。本研究以1种芥菜型油菜(绿生1号)及2种甘蓝型油菜(铁杆直播王、湘杂油6号)为试验材科，采用盆栽模拟试验法，在湖南省浏阳市沙壤土上进行模拟试验，以浓度为5 mg/kg的水溶态Cd及不同浓度(0、5 mg/kg)对油菜生长的影响和生理生态过程进行研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤选择湖南省长沙市浏阳的沙壤土，采样深度 0～20 cm，土壤的基本理化性质见表1。

1.2 试验方法

在湖南农业大学耘园实验基地进行温室土培盆栽试验，试验于2017年1月20日开始，供试土样风干后去除石块和植物残体，过60目尼龙筛备用。试验用盆为直径 20 cm，高20 cm的PVC盆，每盆装土2 kg。选取芥菜型油菜(绿生1号)、甘蓝型油菜(湘杂油6号、铁杆直播王)共3个品种，每个品种分别设置Cd浓度为0、5mg/kg2个处理，每个样品3个重复，空白为不种植物的盆栽，合计24盆样。

表1 土壤基本理化指标

将土壤与设计浓度的污染物及底肥充分混匀后，装入塑封底部的塑料盆中，加水使含水量为田间持水量的80%，每盆播种20颗种子，随后在种子上铺洒少许干土。出苗后每盆定苗为2株，植物生长期间每天以称质量法浇灌饮用水，保持土壤湿度为田间持水量的70%。植物生长60 d，采集每个盆栽中的植株和根际土壤。

1.2.1 样品的处理 将采集的植物地上部分与根系部分分别放入105 ℃下杀青30 min，称量并记录植物地上部和地下部的干质量，然后将烘干的植物样用不锈钢粉碎机粉碎，装在纸袋中，储藏于干燥器中待测；采集的根际土壤放入-20 ℃冰箱保存。

1.2.2 样品的测定 土壤中重金属总量的测定：用 HCl-HNO3-HF-HClO4消解，用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定重金属含量；植物中重金属的测定：用HNO3-HClO4消解，用ICP-OES及原子吸收石墨炉测定重金属含量。

1.3 分析方法

转运系数(TF)=植物地下部分中重金属含量/地上部分中重金属含量；植物提取量=植物Cd含量×植物的生物量。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据统计和检验；单因素方差分析(One-way ANOVA)、显著性用Tukey法，Origin 8.0软件作图；所有数据均用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同油菜品种对重金属Cd积累的情况

由图1可知，从地上部分Cd总含量来看，同一浓度下，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号的Cd含量分别为25.90、31.85、38.18 mg/kg，绿生1号地上部分Cd总含量分别比铁杆直播王和湘杂油6号高47.41%和19.87%，湘杂油6号地上部分Cd总含量比铁杆直播王高22.97%；从地下部分Cd总含量来看，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号的含量分别为198.880、118.820、220.635 mg/kg，绿生1号Cd含量分别比铁杆直播王和湘杂油6号高10.94%和85.69%，铁杆直播王地下部分Cd总含量比湘杂油6号高67.38%。3种油菜都不同程度地吸收了重金属Cd，且在不同油菜品种之间绿生1号和铁杆直播王地上部分Cd含量有显著性差异，地下部分湘杂油6号与铁杆直播王、绿生1号Cd含量有显著性差异(P<0.05)。

2.2 不同油菜品种在不同浓度下生长情况

由图2可知，从地上部分生物量来看，水溶态Cd浓度为0 mg/kg时，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号的地上部分生物量分别为5.14、5.00、4.64 g，铁杆直播王的地上部分生物量分别比湘杂油6号和绿生1号高2.80%和10.78%，湘杂油6号地上部分生物量比绿生1号高7.76%；水溶态Cd浓度为5 mg/kg时，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号的地上部分生物量分别为3.87、4.53、3.60 g，湘杂油6号地上部分生物量分别比铁杆直播王和绿生1号高17.05%和 25.83%，铁杆直播王的地上部分生物量比绿生1号高 7.50%。从地下部分生物量来看，Cd浓度为0 mg/kg时浓度，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号的地下部分生物量分别为0.59、0.68、0.50 g，湘杂油6号分别比铁杆直播王和绿生1号高15.25%和36.00%，铁杆直播王地下部分生物量比绿生1号高18.00%；Cd浓度为5 mg/kg时，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号的地下部分生物量分别为0.659、0.663、0.470 g，湘杂油6号的地下部分生物量分别比铁杆直播王和绿生1号高0.61%和41.06%，铁杆直播王地下部分生物量比绿生1号高40.21%。同一品种中地下部分生物量并没有随着处理浓度的增加而有太大差别。

从全株生物量来看，Cd浓度为0 mg/kg时，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号的全株生物量分别为5.73、5.68、5.14 g，铁杆直播王的全株生物量分别比湘杂油6号和绿生1号高0.88%和11.48%，湘杂油6号的全株生物量比绿生1号高 10.51%。Cd浓度为5 mg/kg时，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号的全株生物量分别为4.53、5.19、4.06 g，湘杂油6号的全株生物量分别比铁杆直播王和绿生1号高 14.57% 和27.83%，铁杆直播王的全株生物量比绿生1号高11.58%。3个品种全株生物量都随着处理浓度的增加呈下降趋势。

从铁杆直播王来看，Cd浓度为5 mg/kg时油菜地上部分生物量和全株生物量分别比Cd浓度为0 mg/kg时降低了24.71%和20.94%，而地下部分生物量在Cd浓度为5 mg/kg时比Cd浓度为0 mg/kg时增高了11.69%；从湘杂油6号来看，Cd浓度为5 mg/kg时油菜地上部分、地下部分生物量和全株生物量分别比Cd浓度为0 mg/kg时低了9.40%、2.50%和8.63%；从绿生1号来看，Cd浓度为5 mg/kg时油菜地上部分、地下部分生物量和全株生物量分别比Cd浓度为 0 mg/kg 时降低了 22.41%、6.00%和21.01%。

根冠比是生物量累积分配的主要指标，其变化反映了植物地下部分物质积累的变化情况[14]。3种油菜的根冠比都随着处理浓度的增加而增加，可以看出重金属Cd污染对油菜生长产生了胁迫作用，与Cd浓度为0 mg/kg时相比，Cd浓度为5 mg/kg时的地下部分生物量明显加大，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号根冠比的增幅分别为48%、8%和21.23%。

2.3 3种油菜对土壤中重金属Cd提取量的情况

由图3可知，Cd浓度为5 mg/kg时，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号地上部分对重金属Cd的提取量分别是 100.255、136.912和144.143 μg，其中绿生1号比铁杆直播王、高43.78%和5.28%；铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号地下部分对重金属Cd的提取量分别是130.697、78.928和102.498 μg，其中铁杆直播王要比湘杂油6号和绿生1号高65.59%和27.51%，铁杆直播王地下部分提取量显著高于其他2个品种。铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号全株对重金属Cd的提取量分别是230.952、223.071和239.409 μg，其中绿生1号全株Cd提取量最高，而湘杂油6号全株Cd提取量最低，3个品种全株Cd提取量差异性不显著。

2.4 不同油菜品种对Cd吸收转移情况

植物对重金属的转运系数(TF)是判断植物是否具有修复重金属潜力的重要指标。由图4可知，铁杆直播王、湘杂油6号和绿生1号根茎的转运系数分别是13.02%、26.94% 和17.35%，湘杂油6号的转运系数显著高于铁杆直播王和绿生1号。3个品种的转移系数都小于1，可能是这3个油菜品种会通过自身的排斥机制减少毒害。

2.5 不同油菜品种对有效态Cd的吸附情况

由图5可知，Cd浓度为5 mg/kg时对照的pH值为4.027，铁杆直播王、湘杂油6号、绿生1号pH值分别为 4.22、4.22、4.27；3种油菜品种的土壤都呈酸性，且pH值均高于对照，但3种油菜品种间差异不显著。铁杆直播王、湘杂油6号、绿生1号有效态Cd浓度均低于对照，说明3个油菜品种对土壤的有效态Cd有一定的吸附性作用；铁杆直播王、湘杂油6号、绿生1号和对照的CaCl2提取有效态Cd浓度分别是1.98、1.56、1.34 和2.01 mg/kg，绿生1号CaCl2提取有效态Cd的浓度比铁杆直播王、湘杂油6号和对照分别低 32.32%、14.10%和33.33%，湘杂油6号CaCl2提取有效态Cd浓度比铁杆直播王和对照分别低21.21%和22.39%，铁杆直播王CaCl2提取有效态Cd浓度比对照降低1.49%。铁杆直播王、湘杂油6号、绿生1号和对照的二乙烯三胺五乙酸(DTPA)提取有效态Cd浓度分别是1.918、1.631、1.528和1.944 mg/kg，绿生1号DTPA提取有效态Cd浓度分别比铁杆直播王、湘杂油6号和对照降低20.33%、6.32%和 21.40%，湘杂油6号DTPA提取有效态Cd浓度分别比铁杆直播王和对照降低14.96%和16.10%，铁杆直播王DTPA提取有效态Cd浓度比对照降低1.34%。显然，绿生1号在酸性环境中对土壤有效态Cd的吸附性能力最强，且与铁杆直播王差异显著，但与湘杂油6号无显著差异。

3 结论

以2种不同类型，3个品种的油菜为研究对象，在其培养含有浓度为5 mg/kg CdCl2的盆栽中，通过对其各部位重金属进行了相关分析，数据显示：(1)从种植铁杆直播王来看，在 0 mg/kg CdCl2下，其生物量是3个品种中最优的。而在 5 mg/kg CdCl2下，各品种生物量明显下降，铁杆直播王植株的Cd含量在3个品种中处于居中位置。提取量是植物Cd含量与植物的生物量之积，所以铁杆直播王地上部分的提取量小于其他2种油菜；此外，在酸性土壤环境下，它的有效态Cd含量与不种油菜的对照无显著性差异，且转运系数远小于其他2种油菜品种。由此可见，铁杆直播王较其他品种对土壤的修复能力较差。(2)从种植湘杂油6号来看，Cd在油菜体内分布大小为地下部分>地上部分，且相对其他2个品种，Cd浓度为5 mg/kg时的生物量并没有比Cd浓度为0 mg/kg时下降太多，说明它的耐Cd能力比其他2个品种好，且转运能力也是最强的。但是，从数据上看，它对重金属Cd吸收的能力明显比绿生1号差，在酸性土壤下，植株的Cd含量和对土壤有效态Cd的吸附含量小于绿生1号。由此可见，在重金属Cd污染浓度较低的土壤中，湘杂油6号不仅能够修复土壤，还能够取得不错的经济效益。(3)从种植绿生1号来看，相比Cd浓度为0 mg/kg时，绿生1号植株全株生物量都在Cd浓度为5 mg/kg时大大减小，幅度高达21.01%，说明其耐Cd能力较差；在pH值为 3.5～4.0的土壤中，从植株的重金属Cd含量和土壤有效态Cd含量来看，绿生1号的含量最高，在生物量大幅减少的情况下，植株提取量还是最高的。由此可见，在5mg/kg CdCl2浓度下绿生1号对Cd的吸附能力是最强的。

综合分析结果显示，芥菜型油菜绿生1号对重金属Cd的吸附能力最强。相关研究表明，Cd可以通过地下部分进入植物体内，过量的Cd积累容易对植物生长和代谢活动造成一定程度的伤害，如生长抑制、养分吸收受阻、代谢抑制、甚至植株坏死等[15]。许多超富集植物都属于十字花科芸薹属[16-17]植物，如印度芥菜被认为是其中最有修复潜力的超富集植物，在大量的水培、盆栽及温室试验中都证明了印度芥菜对重金属Cd有很强的耐性和吸收能力[18-19]；甘蓝型油菜湘杂油6号比铁杆直播王对重金属Cd的吸附能力好，且对毒害的耐性更强，生长情况前者明显优于后者；从转运系数来看，甘蓝型油菜湘杂油6号转运能力明显高于其他2种；在研究有效态Cd时笔者发现，酸性土壤环境芥菜型油菜绿生1号吸附能力比其他2种好。综上，这3种品种油菜都能在重金属Cd污染的土壤中正常生长，表现出一定的耐性，而对于酸性土壤的湖南地区，芥菜型油菜绿生1号更适合修复重金属Cd污染。